降膜蒸發(fā)器的設計要點分析

魯曉琳

（浙江雙子智能裝備有限公司，浙江 杭州 311100）

蒸發(fā)器是一種用于濃縮液體，分離、提純?nèi)苜|(zhì)或溶劑的設備，廣泛應用于化工、輕工、食品、制藥、濕法冶金等行業(yè)。經(jīng)過多年的發(fā)展，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式已有很多，從最初的中央循環(huán)管式、外熱式、列文式、強制循環(huán)式發(fā)展到后來的薄膜式蒸發(fā)器。

降膜式蒸發(fā)器是當前很多行業(yè)應用的一種蒸發(fā)器，具有傳熱系數(shù)高、傳熱溫差損失少、壓降小等優(yōu)點[1]。根據(jù)加熱元件形式的不同，可將降膜蒸發(fā)器分為管式降膜蒸發(fā)器和板式降膜蒸發(fā)器。

雖然兩種降膜蒸發(fā)器的部分特性有所不同，但其基本原理還是相似的，工藝設計過程也基本一致。為此，本文主要探討降膜蒸發(fā)器的工藝設計要點，以供大家參閱。

1 降膜蒸發(fā)器設計中的主要問題

1.1 基本尺寸

降膜蒸發(fā)器管徑大小一般為20～75 mm，選擇管徑的原則是“超出常壓的操作選擇小管徑，在真空操作時選擇大管徑”，真空度越大，使用的管徑也越大。

管子長度通常為1～6 mm，或者8～9 mm。就管長來說，小管徑配大管長，大管徑配小管長，當然偶爾大管徑也可配大管長[2]。

1.2 壓降

管內(nèi)是氣、液兩相流，計算壓降難度很大，且算出的結(jié)果誤差也很大。降膜蒸發(fā)器中允許的最大壓降一般是設計的一個常見約束條件。通常降膜蒸發(fā)器的壓降要求不能過大。

1.3 最小流量

管內(nèi)液體流量減小時會引起管壁上面的液膜時斷時續(xù)，這將導致傳熱惡化，也會造成一些傳熱表面失效，生成污垢。因此，在設計過程中要求將操作流量控制在最小流量以下。

1.4 傳熱系數(shù)

這屬于降膜蒸發(fā)器設計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。降膜流動的雷諾數(shù)的計算與滿管液體時是相同的，不過其傳熱系數(shù)大于滿管液體時。此外，氣、液共同往下流動的過程中，氣流的剪力能讓膜變薄，進而強化傳熱效果。

1.5 液泛

在氣、液逆流操作中，氣體向上會對液膜向下流產(chǎn)生一定的阻礙作用。若氣速偏大，便會出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，進而破壞操作。出現(xiàn)這一問題時，可通過加大管徑或增加管數(shù)來解決。

1.6 液體分布

這是降膜蒸發(fā)器設計中難度最大的問題。布膜不好是造成干途徑的主要原因，若分配不均，會造成管中流量時大時小。流量過大會造成膜過厚，影響傳熱；流量過小易造成干途徑[3]。因此，分布器的品質(zhì)是非常關(guān)鍵的，必須精心設計。

2 降膜蒸發(fā)器的設計要點分析

2.1 管內(nèi)傳熱系數(shù)的確定

目前，關(guān)于傳熱系數(shù)方面的研究已有很多，通常按照HTRI法、CHUN與SEBAN研究出來的方法計算。本文以CHUN與SEBAN方法為例進行介紹。

當管內(nèi)流體是層流時：

當管內(nèi)流體是湍流時：

式（1）（2）中：為無量綱膜傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

式（3）中：Hfl為純物質(zhì)的降膜傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；為無量綱膜傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；Pt為密度，kg/m3；kt為傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；g 為重力加速度，取 9.8 m2/s；μt為動力黏度，Pa·s。

式（5）中：Cp為比熱容，J/（kg·K）；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·k）。

由于在實際應用中所處理的物料不可能都是純物質(zhì)，大多是混合物，因此需引入一個修正系數(shù)Fcf，一般選擇沸騰范圍法與理論沸騰范圍法進行計算。通常，前一種方法適用于沸點不超過61.1℃的蒸發(fā)過程，后者適用于沸點超出111.1℃的蒸發(fā)過程。若蒸發(fā)溫度在上述溫度范圍之間，則采用二者的組合方法計算。

2.2 分布器設計

分布器設計是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到液體能否成膜。在設計時要求分布器能完成下列任務：①能把液體分布到每根換熱管；②能把液體分布到換熱管的內(nèi)表面；③蒸汽可自由通過換熱管，且對液體分布工作無干擾；④在過流情況下可以正常工作；⑤可從底部清洗；⑥不會讓液體停留過長時間。分布器的形式有很多，常見的包括簡單堰式、插入式、帶缺口式等[4]。上述結(jié)構(gòu)對換熱管的裝配精度要求均很高。本文以上面有布液孔的升氣管結(jié)構(gòu)為例，可確保下端所有換熱管內(nèi)都能均勻分布液體。關(guān)于布液孔大小與數(shù)量的計算，可參照下列公式：

式（6）（7）中：F為介質(zhì)流量，m3/s；nholes為布液孔數(shù)量；Ahole為布液孔面積，m2；Cd為修正系數(shù)；h為積液高度，m；Dholes為布液孔直徑。

Cd的取值范圍為0.6～0.7；通過換熱管數(shù)量與分布情況可計算出布液孔的數(shù)量，進而算出布液孔的直徑。此類分布器結(jié)構(gòu)簡單有效，是本文推薦的主要結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

總之，降膜蒸發(fā)器的設計很重要，其中，良好的液體分布效果是至關(guān)重要的。如果流量控制到位，浸潤問題就能迎刃而解，換熱效果也就很好；反之，分布太差，則難以形成理想的薄膜進行蒸發(fā)，換熱效果就差，也極易導致蒸發(fā)器結(jié)垢或紅銹等問題，縮短設備的使用壽命。因此，我們要不斷研究降膜蒸發(fā)器的生產(chǎn)工藝，針對當前的不足加以改進，以進一步改善設備性能。

參考文獻：

［1］陳庭清.降膜式蒸發(fā)器的若干設計要點［J］.機電信息，2015，34（20）：29-32.

［2］張有福，劉建生.多效管式降膜蒸發(fā)器工藝設計［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2014，12（29）：14-16.

［3］王根立.降膜蒸發(fā)器布膜器的設計［J］.化工裝備技術(shù)，2016，37（1）：6-8.

［4］王晶晶，趙利民，吳長安，等.影響降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵設計參數(shù)的因素分析［J］.當代化工，2016，45（12）：2834-2836.