降膜蒸发器的设计要点分析

鲁晓琳

（浙江双子智能装备有限公司，浙江 杭州 311100）

蒸发器是一种用于浓缩液体，分离、提纯溶质或溶剂的设备，广泛应用于化工、轻工、食品、制药、湿法冶金等行业。经过多年的发展，蒸发器的结构形式已有很多，从最初的中央循环管式、外热式、列文式、强制循环式发展到后来的薄膜式蒸发器。

降膜式蒸发器是当前很多行业应用的一种蒸发器，具有传热系数高、传热温差损失少、压降小等优点[1]。根据加热元件形式的不同，可将降膜蒸发器分为管式降膜蒸发器和板式降膜蒸发器。

虽然两种降膜蒸发器的部分特性有所不同，但其基本原理还是相似的，工艺设计过程也基本一致。为此，本文主要探讨降膜蒸发器的工艺设计要点，以供大家参阅。

1 降膜蒸发器设计中的主要问题

1.1 基本尺寸

降膜蒸发器管径大小一般为20～75 mm，选择管径的原则是“超出常压的操作选择小管径，在真空操作时选择大管径”，真空度越大，使用的管径也越大。

管子长度通常为1～6 mm，或者8～9 mm。就管长来说，小管径配大管长，大管径配小管长，当然偶尔大管径也可配大管长[2]。

1.2 压降

管内是气、液两相流，计算压降难度很大，且算出的结果误差也很大。降膜蒸发器中允许的最大压降一般是设计的一个常见约束条件。通常降膜蒸发器的压降要求不能过大。

1.3 最小流量

管内液体流量减小时会引起管壁上面的液膜时断时续，这将导致传热恶化，也会造成一些传热表面失效，生成污垢。因此，在设计过程中要求将操作流量控制在最小流量以下。

1.4 传热系数

这属于降膜蒸发器设计中的关键环节。降膜流动的雷诺数的计算与满管液体时是相同的，不过其传热系数大于满管液体时。此外，气、液共同往下流动的过程中，气流的剪力能让膜变薄，进而强化传热效果。

1.5 液泛

在气、液逆流操作中，气体向上会对液膜向下流产生一定的阻碍作用。若气速偏大，便会出现液泛现象，进而破坏操作。出现这一问题时，可通过加大管径或增加管数来解决。

1.6 液体分布

这是降膜蒸发器设计中难度最大的问题。布膜不好是造成干途径的主要原因，若分配不均，会造成管中流量时大时小。流量过大会造成膜过厚，影响传热；流量过小易造成干途径[3]。因此，分布器的品质是非常关键的，必须精心设计。

2 降膜蒸发器的设计要点分析

2.1 管内传热系数的确定

目前，关于传热系数方面的研究已有很多，通常按照HTRI法、CHUN与SEBAN研究出来的方法计算。本文以CHUN与SEBAN方法为例进行介绍。

当管内流体是层流时：

当管内流体是湍流时：

式（1）（2）中：为无量纲膜传热系数，W/（m2·k）；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

式（3）中：Hfl为纯物质的降膜传热系数，W/（m2·k）；为无量纲膜传热系数，W/（m2·k）；Pt为密度，kg/m3；kt为传热系数，W/（m2·k）；g 为重力加速度，取 9.8 m2/s；μt为动力黏度，Pa·s。

式（5）中：Cp为比热容，J/（kg·K）；k为传热系数，W/（m2·k）。

由于在实际应用中所处理的物料不可能都是纯物质，大多是混合物，因此需引入一个修正系数Fcf，一般选择沸腾范围法与理论沸腾范围法进行计算。通常，前一种方法适用于沸点不超过61.1℃的蒸发过程，后者适用于沸点超出111.1℃的蒸发过程。若蒸发温度在上述温度范围之间，则采用二者的组合方法计算。

2.2 分布器设计

分布器设计是最关键的环节，直接关系到液体能否成膜。在设计时要求分布器能完成下列任务：①能把液体分布到每根换热管；②能把液体分布到换热管的内表面；③蒸汽可自由通过换热管，且对液体分布工作无干扰；④在过流情况下可以正常工作；⑤可从底部清洗；⑥不会让液体停留过长时间。分布器的形式有很多，常见的包括简单堰式、插入式、带缺口式等[4]。上述结构对换热管的装配精度要求均很高。本文以上面有布液孔的升气管结构为例，可确保下端所有换热管内都能均匀分布液体。关于布液孔大小与数量的计算，可参照下列公式：

式（6）（7）中：F为介质流量，m3/s；nholes为布液孔数量；Ahole为布液孔面积，m2；Cd为修正系数；h为积液高度，m；Dholes为布液孔直径。

Cd的取值范围为0.6～0.7；通过换热管数量与分布情况可计算出布液孔的数量，进而算出布液孔的直径。此类分布器结构简单有效，是本文推荐的主要结构。

3 结束语

总之，降膜蒸发器的设计很重要，其中，良好的液体分布效果是至关重要的。如果流量控制到位，浸润问题就能迎刃而解，换热效果也就很好；反之，分布太差，则难以形成理想的薄膜进行蒸发，换热效果就差，也极易导致蒸发器结垢或红锈等问题，缩短设备的使用寿命。因此，我们要不断研究降膜蒸发器的生产工艺，针对当前的不足加以改进，以进一步改善设备性能。

参考文献：

［1］陈庭清.降膜式蒸发器的若干设计要点［J］.机电信息，2015，34（20）：29-32.

［2］张有福，刘建生.多效管式降膜蒸发器工艺设计［J］.中国高新技术企业，2014，12（29）：14-16.

［3］王根立.降膜蒸发器布膜器的设计［J］.化工装备技术，2016，37（1）：6-8.

［4］王晶晶，赵利民，吴长安，等.影响降膜蒸发器关键设计参数的因素分析［J］.当代化工，2016，45（12）：2834-2836.