竖管降膜蒸发器是一种高效蒸发设备, 具有动力消耗小、传热效率高、传热温差损失小、可用于热敏性物料、可用于黏度较大物料等特点, 广泛百富策略白菜网于石油化工、冶金、轻工、化纤、医药食品、海水淡化等行业。液料从蒸发器顶部加入, 通过顶部液体分布器均匀地分配到每根换热管中。液料通过自身重力作用在管内呈膜状流动, 在下降过程中吸收热量后发生蒸发。

降膜蒸发器液体在换热管内壁形成均匀液膜是降膜再沸器的关键, 膜的厚度很薄, 传热系数很高, 所有换热管内表面都有一层薄膜换热面积, 利用得非常充分, 所以降膜再沸器比传统热虹吸式、釜式再沸器换热效率都高。

降膜再沸器成膜效果受到液体的黏度、表面张力以及操作流量等诸多因素影响。在物料、操作工况等因素已经确定的情况下, 布膜结构、降膜头设计、安装垂直度、加工制造精度也是非常关键的因素, 是设备设计需重点关注的节点。

三层喷淋盘式布膜结构分为三层, 如图1。

第一层为进料初始粗分布。对于侧进的再沸器, 第一层可以用十字交叉管或排管式分布器。顶进的再沸器可采用溢流盘, 溢流盘外围设置挡圈, 防止液体飞溅。第一层的作用是降低流速, 实现初设分布。

第二层为分布盘, 盘底为打孔花板, 开孔大小及数量与进料流量有关, 开孔位置需与下一层分布盘开孔错开, 防止短路, 盘高与流量有关, 需防止液体从盘周围溢流。

第三层仍为分布盘, 与第二层的区别是花板开孔下面焊有引流管。

第二层与第三层分布盘的开孔、第三层分布盘开孔与换热管位置相互错开, 防止短路, 见图2。也有的降膜再沸器第三层不设置导流管。设置导流管有许多优势:由于分布盘与管板之间存在一定的落差, 液体通过分布盘开孔直接落下会冲击液面, 引起液面波动。同时由于花板加工及安装等因素造成降液不能准确地降至换热管与换热管之间的管板上, 从而导致短路。降液管的作用就是将第三层的液体引入管板面下, 通过虹吸的效应将第三层的液体稳定均匀地吸至管板上, 再通过降膜头进行布膜。

优点:降液平稳均匀, 适用于大型换热器。

缺点:制造安装麻烦, 花板容易变形。排管、花板开孔尺寸及降液管管径太小, 容易堵塞。

由于降液管与换热管需相互错开, 限制了降液管的管径, 见图2。降膜再沸器的管径一般为25~50mm。增大管径会使单位体积换热面积变小而不经济, 管径过小容易堵塞, 对于高黏度、易结垢、不清洁的物料不适用。增大管间距同样会增加设备直径, 造成制造成本增加。所以管间距按照GB/T 151-2014《热交换器》的标准管间距, 降液管只能在三管之间布管, 以图2为例, 38mm的换热管, 48mm的管间距, 引流管的极限尺寸是:

考虑到换热管外需要加降膜头套筒及安装和制造误差, 降液管直径取10mm。

同样为了保持列管和喷淋盘均匀分布液体, 在分布盘上形成稳定液面, 降液孔尺寸不能太大。而对于高黏度、易结垢、不清洁的物料, 由于降液管的内径较小, 通过性差, 非常容易堵塞, 造成高效运行时间大大缩短, 设备频繁检修。

某己内酰胺项目经过一段时间运行后, 发现降膜再沸器效率大大降低, 拆开发现降膜头、降液管、分布列管均有结垢、堵塞现象, 见图3。

造成这种现象的原因之一是布膜结构开孔太小, 造成结垢堵塞, 导致布膜不均, 部分换热管没有被润湿形成干壁, 从而传热系数降低, 影响设备的正常运行和使用寿命。

作者设计了一种新型简单实用的降膜再沸器布膜结构, 如图4。

如图4, 液体物料可从顶部或侧面进入。流体从顶部降至降液盘, 降液盘联通四个或多个均布的开放溜槽, 通过溜槽均匀地将液体分布于管箱壁与液体分布筒的间隙中。在液体分布筒的下端均匀地开设大量的小方孔 (见图5) 和四个间隔90°的大方孔。再沸器布管时设计十字流道, 流道内不布管, 流道与液体分布筒下端四个大孔位置一一对应。液体可以快速通过大孔进入流道, 再通过换热管间的间隙到达每根换热管处, 通过换热管管头上的降膜头进行单根管布膜。

同样, 流体从侧面进入管箱, 经过导流筒的阻挡作用进入管箱壁和液体分布筒间隙, 再从分布筒底小方孔及大方孔进入换热管区域或流道, 通过换热管管头上的降膜头分配到每根换热管中。

保证管箱壁与液体分布筒之间的间隙的主要作用是降低液体入口动能, 起缓冲作用, 实现液体沿筒壁圆周均匀分布。间隙过大不利于在管箱筒壁与液体分布筒之间形成液位, 造成液体分布不均。间隙过小会造成液位过高不利于管板上液面稳定, 还可能造成液体从液体分布筒顶部溢流。常规设计的换热器管箱壁与换热管布管边缘几乎没有间隙, 要在换热器管箱壁与换热管布管边缘设置液体导流筒, 一种方法是管板边缘不布管, 另一种方法是把上管箱和上管板放大, 换热器布管不变。这种做法是最为经济的做法。管箱直径一般放大50~100mm为宜。进料量大适当调大间隙, 进料量小适当缩小间隙。

若液体从顶部进入, 液体分布筒的高度可适当降低, 取400mm左右。若液体从侧面进入, 进料口宜设置在液体分布筒中部高度, 入口中心线至液体分布筒顶端至少取2倍液体入口直径。液体进料量较大时可以设置多个进料口沿管箱圆周均匀分布, 来减少布液的不均匀程度。

液体分布筒底部开4个大方孔, 孔的宽度需和换热器布管的流道宽度相适应, 孔的高度不得高于降膜头开槽底部至管板上表面的距离 (见图6中H) 。设置大方孔的目的是让液体快速进入流道, 包围换热管4块独立布管区域, 然后再通过换热管布管间隙到达每根换热管的降膜头处, 降低液体分布不均匀程度。理论上流道越多越好, 越大越好, 但是流道增加会减少布管, 经济性变差。小孔按圆周均布布置, 目的是让液体通过小孔稳定均匀地流向换热器布管区域。同样小孔的高度不得高于降膜头开槽底部至管板上表面的距离 (见图6中H) 。

降膜头槽底距管板距离H需合适, 一般取10~30mm。H尺寸过大, 不利于制造和液体排净。H尺寸过小, 不利于液流稳定, 容易造成布管外周换热管流量大, 布管中心的换热管流量小。降膜头开均匀切向槽, 有利于形成液膜。降膜头和液体分布筒相互配合才能做到液面稳定, 降液均匀。

(1) 新型布膜结构简单, 制造成本低, 安装方便, 易于清洗。

(2) 新型布膜结构一方面流通结构尺寸较大, 不易堵塞, 另一方面液体从进料至降膜头的时间大大缩短, 减少了易结晶物料中结晶的产生, 能够保证降膜再沸器长时间安全高效地运行。

(3) 由于有管箱壁与液体分布筒间隙的调节作用, 新型结构对流量的适应性强。

作者已在国内己内酰胺项目中设计并实施了直径1600mm及以下的导流筒型降膜再沸器, 运行情况良好。

尽管新型布膜结构设置了十字流道, 但还不能消除换热管布管边缘的换热管和中间换热管的液体分布不均现象。换热器直径越大, 这种情况越明显。三层喷淋盘式布膜结构, 经过三层分布器, 层层分布, 液体分布要均匀得多。

典型降膜再沸器与新型导流筒布膜再沸器这两种结构各有优缺点, 设计人员应按照实际物料、运行工况等要求, 选择适合的结构形式, 依据安全、高效、经济的原则进行设计。