降膜式蒸发器液体分布装置的结构优化设计

卢娟(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

降膜蒸发器因蒸汽利用率高、易于处理热敏性物料等优点，被广泛应用在化工、制药、乳品、饮料等领域[1-3]。降膜蒸发器良好运行的条件之一是液体沿降液管均匀分布，其中，布液系统是其中的关键，系统是否稳定、设计是否合理，对于蒸发器的作用发挥具有重大的影响[4]。液体分布装置是降膜蒸发器关键部件之一，也是布液系统的重要组成部分。本文将在阐述液体分布装置的设计基本要求、结构选型等内容的基础上，重点对其盘式分布器进行结构优化设计。

1 设计基本要求

对于液体分布装置来说，在设计的过程中，应当把握好一些基本的原则和要求。一是装置设计应当要以料液分布均匀为基础，只有做到分布均匀，才能够保证料液不偏流，避免降液管干壁的情况发生。二是要确保设计的流体阻力小。只有阻力小，才能够避免阻塞的情况发生，方便后期的使用清洗。同样，如果流体的阻力较大，也会导致料液分布不均匀，从而引发一系列的问题。三是要坚持简单方便的原则，对于分布装置来说，应当坚持简便的原则，实现成本最小化。四是要具有较大的操作弹性，只有在操作弹性足够大的范围内，才能够保证装置的大布液效果[5-7]。

2 结构选型

目前，降膜蒸发器的分布装置类型比较多，从其设计的机构不通过来看，可以分为溢流型、插头型、盘式等。溢流型设计比较简单，装置的阻力较小，布液操作弹性大，需要一定的高精准度，但是分布效果并不理想，所能够使用的范围主要是要求不高的一些场合。插头型具有较好的内膜均匀效果，但是流动的阻力较大，容易发生偏流等情况。目前广泛应用于实际生产中的分布装置形式为盘式分布器[8]。盘式分布器是多点布料，蒸发器设计较为简单，不容易出现结垢，稳定性比较好，适合大流量的操作，在很多浓缩领域应用比较广泛，如果汁等行业。

3 基本结构

盘式分布器一般可以分为两个部分：其一，初始分布装置通常是圆形或者弧形迎料板等结构；其二，分布盘上则是开有一定数量、一定大小、按一定规律分布的筛孔，这样就能够将流过筛孔的布料，按照一定规律进行布料，提高了布料的效率，也能确保布料的均匀分布。因此根据分布盘的数量多少来分为二级盘式分布、三级盘式分布器以及多级盘式分布器。但是过多的分布盘会使得设备的高度相应增加，分布盘之间的间距及相对平行度难以保证。大量的实际应用表明一般二级盘式分布器及三级盘分布器已能满足分布要求。

图1为三级盘式分布器的基本结构，由迎料板和两个多孔筛板分布盘组成。通常我们把上分布盘称为分布堰，下分布盘称为分布盘。操作时，料液从进料管流到迎料板，再由迎料板分散开来落到分布堰，经过分布堰的筛孔落到分布盘上，再由分布盘上的筛孔落到管板的管桥上，最终流入降液管内。分布盘上设置有平衡管(升气导管)，其管口与降液管一一对应，以防止蒸发过程中产生的二次蒸汽对分布盘上下落的料液产生扰动，确保料液平稳均匀布膜。

图1 盘式分布器结构

4 盘式分布器的优化设计

4.1 迎料板

传统迎料板大多数为圆形板或者弧形板，如图2所示，料液由进液管流下后在迎料板上溅射并向四周散落。对于高黏度的料液，在圆形迎料板上溅射后的落料半径就会明显减小，从而使分布堰上的边缘孔径布液不均。当把迎料板改成圆弧状花洒形式后，这种问题就可以解决了。进液管内的进液压力越大，花洒的喷洒范围就越大，所以对于不同黏度的料液，可以采用圆弧状花洒的结构形式，并通过微调进液压力就可以实现分布堰上的均匀布液。

图2 迎料板的结构优化

4.2 分布堰及分布盘

传统分布器的分布堰或者分布盘结构都是由筛板和挡圈直接焊接成型的。这种结构的优点是加工简单，对加工设备的要求不高，便于实现。但是其最大的缺点是焊接后盘面的热变形情况很严重，这也是影响分布器性能的重要因素之一。所以对分布堰和分布盘结构的优化设计对于改善分布器性能来说至关重要。将分布堰和分布盘原来的焊接结构更改为旋压一体成型结构，这样加工误差小，盘面平面度大大提高。对于分布堰挡圈较高的情况，也可以将旋压成型和焊接两者结合起来应用，将底部旋压成型，挡圈再焊接加高，这样既能保证盘面平整，也能解决挡圈过高难以旋压成型的问题。

4.3 平衡管与筛板连接方式优化

平衡管与筛板之间的连接方式以焊接为主。为了保证筛板上表面的光洁度，焊缝一般焊接在筛板下表面，且焊缝形式为角焊缝。一般情况下，一根降液管对应一根平衡管，平衡管的数量约等于降液管的数量。即使对于负压操作的情况，可以将平衡管的数量相应减少，但是采用焊接方式来固定平衡管仍然能产生很大热变形，焊接完成需要对筛板进行校正找平，否则将严重影响布液效果。

4.4 分布器的定位及安装优化

分布器的定位及安装方法有很多，大致分为两种：其一为在管箱内筒壁上安装定位块，让分布堰和分布盘分别固定在管箱壁上，定位块一般是用角钢制作的，将角钢焊接在管箱内壁来实现定位和固定的作用，这种安装方法比较紧固，但是定位精度不高；另一种则靠螺柱来支撑分布堰和分布盘。

基于第二种方法对分布器安装结构进行优化。将整个分布器的定位基准选为管板上表面，然后在管板与分布盘之间、分布盘与分布堰之间用定距管来定位，并将螺柱固定在管板上，让螺柱来支撑整个分布器的重量，螺柱与管板之间采用螺纹形式来连接。

此结构的优点： (1) 所有的连接均是可以拆卸的，方便日后使用过程中检修和维护；(2)管板、分布盘和分布堰平行度容易保证；管板、分布盘、分布堰之间都是用定距管来定位，定距管为等长不锈钢管，通过机加工很容易保证每根定位管的加工尺寸和加工精度，从而保证了管板、分布盘、分布堰之间的平行度；(3)整个分布器与重力方向垂直度容易保证。整个分布器以管板上表面为基准进行安装的，保证了管板、分布盘、分布堰之间的平行度，通过调节管板与重力方向的垂直度便可以实现调节分布器与重力方向垂直度的要求。

对于大型分布器(质量大、高度高、跨度大)，可以同时采用固定架支撑与螺柱支撑来固定。一般情况，液体对分布堰的冲击力较大，对于大直径蒸发器来说，分布堰的质量及进料冲击力都很大，单靠螺柱来支撑是不够的，螺柱的刚度不够会造成整个分布器在液体冲击力下晃动。所以就将分布堰上的力主要分配到固定架上(固定架一般为角钢焊接而成，在管箱内壁间断地焊接一周)，螺柱主要支撑分布盘上的力，分布盘与分布堰之间还是依靠定距管来定位，这样既能保证整个分布器的强度，又能保证其的精度。值得注意的是，这种安装方式必须在上封头与管箱之间增加一对设备法兰，方便拆装分布器。

5 结语

液体分布装置是降膜蒸发器关键部件之一，也是布液系统的重要组成部分。本文在介绍液体分布装置基本要求、结构选型、基本结构的基础上，对盘式分布器的结构进行了优化设计，结论如下：(1)圆弧状花洒结构优于普通圆板结构迎料板，初次分配液体效果更佳，使液体粘度范围更广；(2)旋压一体成型分布盘和分布堰的加工变形小、盘底平面度高；(3)翻边焊接平衡管大大减少了盘面热变形；(4)采用定距管和支撑螺柱来固定分布器，提高了安装精度，检修维护方便。