摘要：为确保大型降膜蒸发器的液体分布器能够实现稳定且均匀的布膜效果，必须对其设计进行细致考量。本研究通过分析分布器的结构、分布盘筛板上的布孔方式、主要结构参数以及工艺参数等方面，确保了分布器的性能。实验和应用结果表明，依据本研究设计的盘式分布器能够满足均匀布膜的要求，并适用于大型降膜蒸发器。

降膜蒸发器以其料液停留时间短、压降小、传热系数大、蒸汽利用率高、不易结垢、便于清洗以及料液处理范围广（50~400 mPa·s）等优点，在化工、轻工、食品、制药、冶金、海水淡化和原子能等行业中得到广泛应用。为了保证降膜蒸发器的正常运行，必须对其内部的液体分布器进行合理设计，以实现料液在每根降液管中的均匀分布，并确保沿降液管周边的均匀布膜。因此，液体分布器是降膜蒸发器的关键部件，其设计的合理性直接影响蒸发器的料液成膜效果、传热效率及操作稳定性，进而影响生产能力、产品质量及设备寿命。随着降膜蒸发器的大型化和应用领域的不断扩展，液体分布器的作用愈发凸显。

一、液体分布器设计的基本要求

在设计液体分布器时，应考虑以下基本要求：首先，确保料液分布均匀，避免偏流现象。料液分布不均会导致降液管结焦甚至局部干壁，这对于处理乳品、果汁、蛋品等食品以及一些热敏性药液尤为重要。其次，要求流体阻力小，不易堵塞和结垢，便于清洗。堵塞和结垢是导致料液分布不均的另一重要原因。再次，分布器应结构简单、加工方便，安装要求低，以降低成本。此外，分布器应具有较大的操作弹性，布液能力大，特别是在大流量时应具有良好的布液效果。

二、分布器的结构

降膜蒸发器的分布器种类繁多，传统分布器大致可分为溢流型、插件型（导流型）、喷淋型等。溢流型结构简单，加工和安装精度高，不易堵塞，布液操作弹性大，但分布效果不易保证，适用于分布要求不高的场合。插件型一般能保证液体在单管内布膜均匀，但不易保证液体均匀分配到所有换热管上，且流动阻力大，易堵塞，加工和安装要求高，适用于处理清洁物料的小型降膜蒸发器。目前，在大型降膜蒸发器上真正得到广泛应用的是盘式分布器，该类分布器布液均匀，结构简单，加工和安装方便，不易结垢，便于清洗，操作稳定可靠，特别适于大流量操作，已应用于碳酸钾生产、氧化铝生产中的蒸发工艺以及制药、乳品、果汁、木糖醇、香料等行业。

盘式分布器通常由初始分布装置和分布盘组构成。初始分布装置通常是齿型的分散盘、圆形的迎料板或莲蓬型的喷头，其作用是实现料液的初始分布。分布盘底部的筛板上按一定规律开有筛孔，料液流经筛孔实现多点布料，达到均匀分布的目的。为了使料液分布更加均匀，可采用一组分布盘。然而，过多的分布盘会使设备高度相应增大，一般三盘分布器足以满足分布要求。在大流量操作时，可采用一盘或两盘分布器。

上图展示了一种盘式分布器。该分布器由分散盘和挡圈组成的初始分布装置及3个多孔筛板分布盘构成。操作时，料液从进料管进入分散盘后，从分散盘的齿缝溢流，经分散盘与挡圈间的环隙落到上分布盘上完成初始分布，再分别流经上、中、下三层分布盘上的筛板落到管板的板桥上，溢流入降液管，在其内壁呈膜状流下，达到均匀布膜的目的。

蒸发过程中产生的二次蒸汽会对下分布盘的液流产生一定影响。来自降液管的二次蒸汽升至下分布盘底时沿盘底横向流动，会对以细流状落向管板的料液产生冲击，导致液流偏斜，不能按预期要求落到管板上指定区域，从而造成布料不均。对此应予以足够重视。一种方法是在下分布盘上安装升汽导管（平衡管），使二次蒸汽经过下分布盘上的升汽导管均匀上升进入上一级分布盘，避免料液产生偏流，确保料液平稳、均匀的布膜，且对料液还有一定的预热作用。应指出，升汽导管管口应对准降液管的管口。另一种方法是采用真空操作，使二次蒸汽强制性地沿降液管下降由底部排出，这样还可以对料液产生吸引作用，促使料液向下流动。

为了提高分布器的布膜效果，可采用盘式分布器与插件型分布器组成的组合型分布器。在降液管顶部安装插件——导流管，料液由盘式分布器分布后落到管板上，然后溢流进入降液管，沿降液管与引流管的间隙向下流动，靠导流管喇叭状的下部部位的导流作用而流向降液管管壁，最终料液在降液管内壁呈膜状流下，保证了料液在降液管内壁的均匀布膜，避免了由于偏流而造成的局部干壁、结焦现象。然而，这将使结构复杂化，成本提高，导流管加工和安装要求也较高，流动阻力加大。

三、分布盘筛板上的布孔方式

在盘式分布器的设计中，分布盘筛板上的布孔方式对分布器的性能至关重要。一般而言，布孔方式与降膜蒸发器管板上的降液管排列方式有关，必须使料液从最后一个分布盘上筛孔落下时能落到管板的板桥上。当有多个分布盘时，应使各盘间筛孔相错开。当流量一定时，开孔越多，则孔径越小，易堵塞，因此建议布孔较少为宜。可见，盘式分布器最适于大流量操作。

若管板上的降液管采用正三角排列，当采用三盘分布器处理大流量料液时，可使中分布盘筛孔与管板上降液管管口相对应，上分布盘的布孔方式与中分布盘的布孔方式相同，均呈正三角形排列，但错开半个孔间距。下分布盘上的孔呈正六边形排列，使得每个降液管周围有六股液流从上分布板筛孔落下，以实现对管子的多点布料。当小流量操作时，为防止堵塞筛孔，建议取消布孔较多的下分布盘而成为两盘分布器，而为保证布膜效果，可采用前面介绍的盘式分布器与插件型分布器组成的组合型分布器。

四、主要结构参数

对于盘式分布器而言，其主要结构参数包括分布盘筛孔直径d、外径Do和围堰高度H等。分布盘围堰高度H由其上的最大液位高度决定，一般要比最大液位高度高出30-50mm，以防止料液飞溅出分布盘。由于来自初始分布装置的料液对上分布盘的料液扰动较大，上分布盘围堰高度应略高些。分布盘外径Do应比管箱内径略小以便于安装，并取各分布盘直径相等。分布盘筛孔直径d是盘式分布器的最主要结构参数，直接影响分布器的布膜效果。考虑到一般情况下筛孔直径d较之筛板厚度s为大，即筛板厚度s小于筛孔直径d的一半，它可根据流体力学按恒液压下圆形薄壁孔口出流的流量计算式求得。若忽略分布盘上料液的流速，并取流量系数为0.62，根据柏努利方程可推得筛孔直径d的计算式：

五、有关工艺参数

5.1 最小降流强度

降流强度q定义为降液管单位长度周边上单位时间内流过的液体量。最小降流强度qmin是指能使料液在整个降液管内壁均匀布膜而不干壁的最小降流强度。在确定实际料液的降流强度时，必须使之大于最小降流强度qmin，否则，管壁就会产生干区，从而加速结垢，引起结焦，影响传热传质效果。有时要满足实际料液的降流强度大于最小降流强度qmin的要求，而料液一次通过降液管却不能达到所要求的完成液浓度，这时应考虑采用循环操作。最小降流强度qmin可按下式确定：

5.2、最小液位高度

能使盘式分布器稳定操作的分布盘上最小的液位高度称为最小液位高度，用hmin表示。当分布盘上的液位高度h低于hmin时，分布盘上的液体流动不稳定，分布盘的加工误差和安装误差对液体分布效果影响显著加大，此时分布器的分布效果急剧下降。为此，实际操作时分布盘上的液位应控制在最小液位高度之上。

为使盘式分布器和降膜蒸发器均能稳定正常地工作，必须保证分布盘上的液位高于最小液位高度hmin且液体的喷淋量不得小于最小降流强度qmin，两者缺一不可。在小流量操作时有可能出现当分布盘上液位高于hmin而降流强度q小于qmin的情况，这时蒸发器实际上已不能正常操作，应特别引起注意。

六、设计实例

以上述论述为依据，设计了针对有613根降液管的蒸发器具有3个分布盘的盘式分布器，并用不同粘度的料液通过实验对分布器的性能进行了测试。考虑到降液管在管板上分布的轴对称性，从中心沿管板径向取一排管子为代表进行取样测试。盘式分布器的测试结果见下表：

由上表可以看出，在实验范围内测点降液管流量Q与测点降液管的平均流量Q的差的最大值(Q-Q)max和平均流量Q的比值(Q-Q)max/Q不超过4%，分布器的分布效果较佳。另外，流量越大，(Q-Q)max/Q越小，料液分布越均匀，说明多层喷淋盘式分布器更适于大流量操作。此型分布器已成功用于食品、碳酸钾、氧化铝等的生产中，获得了满意的效果。

七、结论

盘式分布器的制造和安装质量对布膜效果有很大影响。为使分布器获得良好的性能，在制造过程中要确保管板和分布盘筛板平整并保持良好的平面度和刚性。分布盘上小筛孔要做倒角处理，不得有飞边毛刺，以使料液能在盘上均匀流动，防止筛孔挂垢。安装时，要利用专用工具使管板和分布盘筛板保持水平。总之，只有在设计、制造、安装和操作等方面都得到保证时，才能使分布器得以稳定的运行，达到均匀布膜的目的。

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