降膜式蒸發(fā)器液體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧娟(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

降膜蒸發(fā)器因蒸汽利用率高、易于處理熱敏性物料等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在化工、制藥、乳品、飲料等領(lǐng)域[1-3]。降膜蒸發(fā)器良好運(yùn)行的條件之一是液體沿降液管均勻分布，其中，布液系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵，系統(tǒng)是否穩(wěn)定、設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)于蒸發(fā)器的作用發(fā)揮具有重大的影響[4]。液體分布裝置是降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵部件之一，也是布液系統(tǒng)的重要組成部分。本文將在闡述液體分布裝置的設(shè)計(jì)基本要求、結(jié)構(gòu)選型等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)其盤式分布器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)基本要求

對(duì)于液體分布裝置來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)把握好一些基本的原則和要求。一是裝置設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)要以料液分布均勻?yàn)榛A(chǔ)，只有做到分布均勻，才能夠保證料液不偏流，避免降液管干壁的情況發(fā)生。二是要確保設(shè)計(jì)的流體阻力小。只有阻力小，才能夠避免阻塞的情況發(fā)生，方便后期的使用清洗。同樣，如果流體的阻力較大，也會(huì)導(dǎo)致料液分布不均勻，從而引發(fā)一系列的問(wèn)題。三是要堅(jiān)持簡(jiǎn)單方便的原則，對(duì)于分布裝置來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持簡(jiǎn)便的原則，實(shí)現(xiàn)成本最小化。四是要具有較大的操作彈性，只有在操作彈性足夠大的范圍內(nèi)，才能夠保證裝置的大布液效果[5-7]。

2 結(jié)構(gòu)選型

目前，降膜蒸發(fā)器的分布裝置類型比較多，從其設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)不通過(guò)來(lái)看，可以分為溢流型、插頭型、盤式等。溢流型設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，裝置的阻力較小，布液操作彈性大，需要一定的高精準(zhǔn)度，但是分布效果并不理想，所能夠使用的范圍主要是要求不高的一些場(chǎng)合。插頭型具有較好的內(nèi)膜均勻效果，但是流動(dòng)的阻力較大，容易發(fā)生偏流等情況。目前廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的分布裝置形式為盤式分布器[8]。盤式分布器是多點(diǎn)布料，蒸發(fā)器設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，不容易出現(xiàn)結(jié)垢，穩(wěn)定性比較好，適合大流量的操作，在很多濃縮領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，如果汁等行業(yè)。

3 基本結(jié)構(gòu)

盤式分布器一般可以分為兩個(gè)部分：其一，初始分布裝置通常是圓形或者弧形迎料板等結(jié)構(gòu)；其二，分布盤上則是開有一定數(shù)量、一定大小、按一定規(guī)律分布的篩孔，這樣就能夠?qū)⒘鬟^(guò)篩孔的布料，按照一定規(guī)律進(jìn)行布料，提高了布料的效率，也能確保布料的均勻分布。因此根據(jù)分布盤的數(shù)量多少來(lái)分為二級(jí)盤式分布、三級(jí)盤式分布器以及多級(jí)盤式分布器。但是過(guò)多的分布盤會(huì)使得設(shè)備的高度相應(yīng)增加，分布盤之間的間距及相對(duì)平行度難以保證。大量的實(shí)際應(yīng)用表明一般二級(jí)盤式分布器及三級(jí)盤分布器已能滿足分布要求。

圖1為三級(jí)盤式分布器的基本結(jié)構(gòu)，由迎料板和兩個(gè)多孔篩板分布盤組成。通常我們把上分布盤稱為分布堰，下分布盤稱為分布盤。操作時(shí)，料液從進(jìn)料管流到迎料板，再由迎料板分散開來(lái)落到分布堰，經(jīng)過(guò)分布堰的篩孔落到分布盤上，再由分布盤上的篩孔落到管板的管橋上，最終流入降液管內(nèi)。分布盤上設(shè)置有平衡管(升氣導(dǎo)管)，其管口與降液管一一對(duì)應(yīng)，以防止蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的二次蒸汽對(duì)分布盤上下落的料液產(chǎn)生擾動(dòng)，確保料液平穩(wěn)均勻布膜。

圖1 盤式分布器結(jié)構(gòu)

4 盤式分布器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 迎料板

傳統(tǒng)迎料板大多數(shù)為圓形板或者弧形板，如圖2所示，料液由進(jìn)液管流下后在迎料板上濺射并向四周散落。對(duì)于高黏度的料液，在圓形迎料板上濺射后的落料半徑就會(huì)明顯減小，從而使分布堰上的邊緣孔徑布液不均。當(dāng)把迎料板改成圓弧狀花灑形式后，這種問(wèn)題就可以解決了。進(jìn)液管內(nèi)的進(jìn)液壓力越大，花灑的噴灑范圍就越大，所以對(duì)于不同黏度的料液，可以采用圓弧狀花灑的結(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)微調(diào)進(jìn)液壓力就可以實(shí)現(xiàn)分布堰上的均勻布液。

圖2 迎料板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2 分布堰及分布盤

傳統(tǒng)分布器的分布堰或者分布盤結(jié)構(gòu)都是由篩板和擋圈直接焊接成型的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，對(duì)加工設(shè)備的要求不高，便于實(shí)現(xiàn)。但是其最大的缺點(diǎn)是焊接后盤面的熱變形情況很嚴(yán)重，這也是影響分布器性能的重要因素之一。所以對(duì)分布堰和分布盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于改善分布器性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。將分布堰和分布盤原來(lái)的焊接結(jié)構(gòu)更改為旋壓一體成型結(jié)構(gòu)，這樣加工誤差小，盤面平面度大大提高。對(duì)于分布堰擋圈較高的情況，也可以將旋壓成型和焊接兩者結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，將底部旋壓成型，擋圈再焊接加高，這樣既能保證盤面平整，也能解決擋圈過(guò)高難以旋壓成型的問(wèn)題。

4.3 平衡管與篩板連接方式優(yōu)化

平衡管與篩板之間的連接方式以焊接為主。為了保證篩板上表面的光潔度，焊縫一般焊接在篩板下表面，且焊縫形式為角焊縫。一般情況下，一根降液管對(duì)應(yīng)一根平衡管，平衡管的數(shù)量約等于降液管的數(shù)量。即使對(duì)于負(fù)壓操作的情況，可以將平衡管的數(shù)量相應(yīng)減少，但是采用焊接方式來(lái)固定平衡管仍然能產(chǎn)生很大熱變形，焊接完成需要對(duì)篩板進(jìn)行校正找平，否則將嚴(yán)重影響布液效果。

4.4 分布器的定位及安裝優(yōu)化

分布器的定位及安裝方法有很多，大致分為兩種：其一為在管箱內(nèi)筒壁上安裝定位塊，讓分布堰和分布盤分別固定在管箱壁上，定位塊一般是用角鋼制作的，將角鋼焊接在管箱內(nèi)壁來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和固定的作用，這種安裝方法比較緊固，但是定位精度不高；另一種則靠螺柱來(lái)支撐分布堰和分布盤。

基于第二種方法對(duì)分布器安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將整個(gè)分布器的定位基準(zhǔn)選為管板上表面，然后在管板與分布盤之間、分布盤與分布堰之間用定距管來(lái)定位，并將螺柱固定在管板上，讓螺柱來(lái)支撐整個(gè)分布器的重量，螺柱與管板之間采用螺紋形式來(lái)連接。

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： (1) 所有的連接均是可以拆卸的，方便日后使用過(guò)程中檢修和維護(hù)；(2)管板、分布盤和分布堰平行度容易保證；管板、分布盤、分布堰之間都是用定距管來(lái)定位，定距管為等長(zhǎng)不銹鋼管，通過(guò)機(jī)加工很容易保證每根定位管的加工尺寸和加工精度，從而保證了管板、分布盤、分布堰之間的平行度；(3)整個(gè)分布器與重力方向垂直度容易保證。整個(gè)分布器以管板上表面為基準(zhǔn)進(jìn)行安裝的，保證了管板、分布盤、分布堰之間的平行度，通過(guò)調(diào)節(jié)管板與重力方向的垂直度便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)分布器與重力方向垂直度的要求。

對(duì)于大型分布器(質(zhì)量大、高度高、跨度大)，可以同時(shí)采用固定架支撐與螺柱支撐來(lái)固定。一般情況，液體對(duì)分布堰的沖擊力較大，對(duì)于大直徑蒸發(fā)器來(lái)說(shuō)，分布堰的質(zhì)量及進(jìn)料沖擊力都很大，單靠螺柱來(lái)支撐是不夠的，螺柱的剛度不夠會(huì)造成整個(gè)分布器在液體沖擊力下晃動(dòng)。所以就將分布堰上的力主要分配到固定架上(固定架一般為角鋼焊接而成，在管箱內(nèi)壁間斷地焊接一周)，螺柱主要支撐分布盤上的力，分布盤與分布堰之間還是依靠定距管來(lái)定位，這樣既能保證整個(gè)分布器的強(qiáng)度，又能保證其的精度。值得注意的是，這種安裝方式必須在上封頭與管箱之間增加一對(duì)設(shè)備法蘭，方便拆裝分布器。

5 結(jié)語(yǔ)

液體分布裝置是降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵部件之一，也是布液系統(tǒng)的重要組成部分。本文在介紹液體分布裝置基本要求、結(jié)構(gòu)選型、基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)盤式分布器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：(1)圓弧狀花灑結(jié)構(gòu)優(yōu)于普通圓板結(jié)構(gòu)迎料板，初次分配液體效果更佳，使液體粘度范圍更廣；(2)旋壓一體成型分布盤和分布堰的加工變形小、盤底平面度高；(3)翻邊焊接平衡管大大減少了盤面熱變形；(4)采用定距管和支撐螺柱來(lái)固定分布器，提高了安裝精度，檢修維護(hù)方便。