竖直管降膜布液实验系统设计

蔡国齐 杨 红，2 何 垚 雷 鹏 雷文力

（1.武汉工程大学机电工程学院；2.化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室；3.深圳市纯水一号水处理科技有限公司）

降膜蒸发器具有蒸发速率快、 加热温差低、物料停留时间短及传热系数高等特点， 在化工、冶金、电力、废水处理及食品等领域应用广泛，而其中竖直管降膜蒸发器的使用范围最广［1～4］。 布液成膜装置是降膜蒸发器实现液膜均匀分布的核心部件，它与蒸发器的连续成膜、传热性能及操作稳定性等有着密切关系［5，6］。 在降膜布液装置流体流动特性与管内流体成膜机理的研究中，数 值 模 拟 技 术 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用［7，8］，但降膜布液与液膜形成是一个复杂的过程，单纯的数值模拟存在较大的不确定性，仍需要进行实验验证。降膜管的布液实验是研究降膜蒸发器布液性能的重要组成部分，采用有机玻璃材料制造降膜管可方便观察液膜的成膜效果和流动状况，探究在布液器下的成膜机理，对于新型布液装置的研发具有重要价值，对于蒸发器的优化设计有着重要作用。 目前，降膜布液研究大多着眼于单根管的布液和液膜的成膜效果，但是影响液膜成膜效果的因素众多，单根管的模拟和实验很难准确地对多管条件下的料液分配与成膜情况作出预测。

考虑到研究工作的实际需要，笔者基于管束环境下的降膜布液过程， 针对常用的布液板、锥形插件布液器，设计了一套降膜布液实验系统。

1 实验系统总体方案

图1 为降膜布液实验系统架构示意图，系统主体主要由台架、 水箱及降膜装置等部件构成，管路循环部分由循环泵、调节阀、过滤器、喷嘴接头及流量计等构成。 流量调节由变频器控制循环泵实现， 考虑到实验台的通用性和可扩展性，循环泵选用高扬程的多级离心泵；喷嘴接头采用万能接头设计，可更换不同型式、不同口径的喷嘴；管路主要接头采用卡箍式快装接头和金属软管连接，便于拆卸和扩展。

2 降膜布液装置设计

根据实验要求，降膜布液装置需能直观地观察介质的流动过程，便于更换布液装置的关键部件，能灵活控制特定工艺参数，能满足降膜管垂直度的精度要求以及对流量的准确控制和计量。针对上述要求，降膜布液装置设计方案如下：

a. 布液器结构型式。 布液板、锥形插件是目前工业上使用较多的布液器结构，采用单层布液板、单层布液板加锥形插件两种结构的布液装置进行对比实验。

b. 管束材料和排列方式。考虑到装置内流体的可观察性， 选用透明有机玻璃管 （规格为φ38mm×2mm）作为降膜管。 在多管排列中，采用正三角形排列方式， 同时选取简化模型， 即由7根管组成的最小排列单元。

图1 降膜布液实验系统架构示意图

c. 循环介质和流量控制。 实验介质为水，介质清洁，物性稳定，可循环使用。 选用流量调节范围为0～10m3/h 的变频泵来精确调节实验流量。

d. 降膜装置关键部件连接。 为了便于拆卸更换，布液盘、插件等部件通过活连接安装在装置上；安装于管束中的布液盘短节内套由调节螺栓连接，布液盘的高度可由螺栓上的调节螺栓进行调节；放于降膜管下的液体收集器可对布液的均匀性作出评价；设置上、下两管板用于保证降膜管对垂直度的要求。

图2 为降膜布液装置的结构示意图。

图2 降膜布液装置结构示意图

3 主要零部件设计

3.1 布液装置

布液装置包括布液板、筒节和法兰，它们粘接固定在一起，如图3 所示。 布液板以其下方降膜管的布管位置为依据，沿降膜管孔周边布置布液孔，以保证每个降膜管周边近似均布3 个布液孔，布液板布孔状况如图4 所示。 布液板设有台阶状外缘，可与筒节嵌套，以保证布液板和筒节的垂直度。

图3 布液装置结构示意图

图4 布液板布孔状况示意图

3.2 插件组件

本实验采用常用的锥形插件， 其结构如图5所示。 文献［9］研究了不同流速对液膜厚度的影响， 发现插件下端与降膜管内径之间的间隙取1mm 为宜。 为方便固定安装，设计了支撑瓦结构（图6），支撑瓦与插件通过沉头螺钉连接，以保证插件组件结构牢固。 实验用插件组件用3D 打印生成，可直接搁置嵌入在降膜管口，方便后续安装更换。

图5 锥形插件结构示意图

图6 支撑瓦结构示意图

4 实验系统整体结构

设计的降膜布液实验系统整体效果如图7所示。 降膜布液装置主体与降膜换热器内部结构一致，上端为介质入口，用喷淋装置均匀进料，下端为介质出口， 可设置液体收集器收集液体，用于评价多根管的流量均匀性。 对于影响实验效果的因素可通过更换布液盘和布液插件、物料的流量控制以及布液盘的高度调节等组合方式来进行控制，并以此为依据对降膜布液实验系统的工艺参数进行优化。

图7 降膜布液实验系统整体效果

5 结束语

实验是指导实际应用的必要手段，通过本实验装置的实验验证可以对理论研究进行很好的补充。 通过反复实验可以对理论研究进行调整从而提高理论研究的准确度，这对理论研究指导实际应用具有重大意义。 对于实际应用中的常见工况条件，通过采用布液盘和布液插件、物料的流量控制以及布液盘的高度调节等组合方式来进行控制调整，从而实现对复杂条件下实际运用的指导。