新型浮閥塔板的發(fā)展與應用

新型浮閥塔板的發(fā)展與應用

塔塔式裝置是一種重要的氣、液、液之間的傳質(zhì)和傳熱設備。廣泛應用于原油、化工、精細化工、化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、環(huán)境保護等行業(yè)的物系分離。它涉及蒸發(fā)（精細）、吸收、吸附、蒸汽提取、萃取等化工單元的操作。塔設備的性能對于整個裝置和企業(yè)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、消耗定額、環(huán)保等方面均有重要影響。塔器分為板式塔和填料塔。近年來,填料塔隨著規(guī)整填料的發(fā)展及新型塔內(nèi)件的開發(fā),進展很快,與板式塔的競爭日趨激烈。但填料塔存在以下缺點:(1)有些填料造價較高,且對初始分布敏感,每隔一定高度要安裝收集分布器裝置;(2)中高壓和大液氣比操作傳質(zhì)性能較差,尤其在高壓下其分離效率與通量比在常、減壓下要低得多;(3)在有腐蝕、結(jié)焦、結(jié)垢等生產(chǎn)環(huán)境下,考慮到堵塞、材質(zhì)、壽命等因素,其應用也受到限制;(4)對于粘度較大的物系,分離效率大幅下降。因此新型板式塔的研究開發(fā)、推廣應用仍具有實際意義。一般而言,板式塔結(jié)構較為簡單,易于放大,造價較低,尤其適用于常壓或加壓物系的大塔徑、多側(cè)線汽液傳質(zhì)設備。長期以來,人們圍繞高效率、低壓降、大通量宗旨,在氣液接觸元件和降液管的結(jié)構改進、塔內(nèi)空間的有效利用等方面進行了卓有成效的研究工作,開發(fā)了許多新型塔板。本文著重介紹浮閥塔板、噴射型塔板、多降液管塔板和復合塔板的發(fā)展概況。1f-1型浮閥圓盤形浮閥自從1953年開發(fā)成功后,因其具有操作彈性大、效率高等諸多優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)中得到極為廣泛的應用。其代表是美國Glitsch公司推出的V-1型浮閥,國內(nèi)稱之為F-1型浮閥。但隨著塔器技術不斷進步,發(fā)現(xiàn)F-1浮閥塔板存在著以下不足:(1)塔板上液面梯度較大;(2)塔板上液體返混程度較大;(3)在塔板兩側(cè)弓形部位存在著液體滯止區(qū),這三方面對塔板效率都有不利影響;(4)在操作中,浮閥和閥孔易被磨損,浮閥易脫落。為此,國內(nèi)外對浮閥塔板的研究做了大量工作,推出了許多新型的浮閥塔板。1.1反滲透膜浮閥與圓盤型浮閥相對應,50年代初,Nutter提出的條形浮閥經(jīng)過改進后,因其性能優(yōu)良,在石油和化學工業(yè)中得到采用,被命名為奈特浮閥(NutterValve)。結(jié)構特點:條形浮閥不會旋轉(zhuǎn),因而不易磨損,閥片不會卡死、脫落。由于條形浮閥的氣體從兩側(cè)噴出,不像圓形浮閥從四周噴出,所以塔板上的液體返混較弱,效率較高。隨后幾十年,國外對奈特浮閥的研究較多,尤其對其流體力學性能進行了詳細的研究,提出了用于設計的關聯(lián)式。1.2塔板開孔率控制80年代末,德國Stahl公司推出了一種高彈性浮閥塔板(Varioflex-ValveTray),簡稱VV塔板。結(jié)構特點:閥片中央開有Φ20mm的圓孔,閥片升起之前,塔板開孔率由Φ20mm的孔決定;氣量增大時,閥片開始升起,開孔率增加,一直到閥片達到蓋板。據(jù)介紹,其操作彈性可達12∶1,又確保閥片不會卡死或脫落。在低氣速下效率仍較高,且隨著通量的增加,效率曲線變化平緩。在結(jié)構上比F-1浮閥塔板稍為復雜。1.3導向浮閥的設置條形浮閥的效率、彈性、通量均高于F-1型浮閥,而且壓降也較小。但長期以來,在我國沒有得到廣泛的應用,直到80年代才引起了重視,進行了研究,其中以華東理工大學開發(fā)的導向浮閥塔板最為引人注目。導向浮閥吸取了條閥和導向篩板導向孔的各自特點,在條閥閥面上開1~2個導向孔,以發(fā)揮氣流推液的作用。由于導向孔的設置,導向浮閥具有較小的液面梯度、塔板上液相返混較小且可消除塔板上液體滯止區(qū)。導向浮閥目前有三種形式:矩形導向浮閥、梯形導向浮閥及組合導向浮閥。一般而言,液流強度較小時用矩形浮閥較好;液流強度較大時,梯形浮閥較好;適當配比K(塔板上梯形浮閥數(shù)與浮閥總數(shù)之比)的組合導向浮閥兼有矩形浮閥和梯形浮閥的優(yōu)點,克服了二者的缺點,具有更廣的適用范圍和更好的操作性能。實驗研究和工業(yè)應用表明,導向浮閥塔板和F1型浮閥塔板相比,處理能力可提高30%以上,塔板效率提高10%~20%,塔板壓降減小20%左右。導向浮閥塔板開發(fā)成功以來,已在煤氣廠脫苯塔(Φ1400)、蒸氨塔、煉油廠常壓塔(Φ3800)、加氫裂化精餾塔(Φ4164)、乙醛裝置、丁二烯裝置、醋酸裝置(Φ1600)等方面獲得廣泛應用,取得了顯著的經(jīng)濟效益。1.4t形排列分形浮閥塔盤tp蘭州石油機械研究所開發(fā)了順排導向條形浮閥塔盤和T型排列條形浮閥塔盤。順排導向條形浮閥塔盤技術特點:條形浮閥在塔板上呈順排布置,采用獨特的波形閥蓋,減少了氣相阻力和霧沫夾帶;在靠近降液管一側(cè)的閥腿上設置導向孔,借助從導向孔噴出的氣流減低液面梯度、壓降,提高了傳質(zhì)效率和處理量;導向孔面積可隨負荷的波動而調(diào)節(jié),避免了漏液及吹出短路現(xiàn)象。該塔盤可用于所有F1浮閥塔板可適用的場合,還可用于F1浮閥塔板不能勝任的某些低壓降真空操作工況,產(chǎn)品型號分為SPⅠ型和SPⅡ型。和F1浮閥塔板相比,該塔盤效率提高15%~20%,基本消除液相返混;塔板壓降減小24%左右,處理能力提高30%以上,霧沫夾帶減小24%左右。T形排列條形浮閥塔盤的技術特點:采用獨特的“T”型排列,任意兩相鄰條閥均互相垂直,其吹出的氣相均呈90度交錯,避免了氣相對沖,抑制塔板上液滴的向上運動,減小霧沫夾帶,增大了允許操作氣速,提高了分離效率和處理量。產(chǎn)品型號分為TPⅠ型、TPⅡ和TPⅢ型三種型號,和F1浮閥塔板相比,該塔盤效率提高15%~20%,塔盤霧沫夾帶減小40%左右,級間返混相應大大減小,處理能力提高40%左右。以上兩種塔盤還均可采用各種新型的降液管設計,如多溢流、取消受液盤的傾斜式降液管等,進一步擴展處理量。2液體塔板的生產(chǎn)噴射型塔板有一個共同的特點是在噴射條件下,液體被氣體撕裂,氣體為連續(xù)相,液體為分散相。這種型式的塔板氣相負荷高,塔板上液層薄而壓降低。在生產(chǎn)上應用較為廣泛的有舌形塔板、浮動舌形塔板、斜孔塔板、旋流塔板;近幾年開發(fā)推廣較為成功的有新型垂直篩板(NewVST)、梯形氣體噴射塔板(CTST)等。2.1設置擋樣品板網(wǎng)孔塔板由金屬薄板壓延制成,沒有出口堰,但需設特殊型式的進口堰,以阻止液體在塔板入口處的嚴重漏液。網(wǎng)孔塔板具有以下優(yōu)點:(1)網(wǎng)狀分布的定向斜孔使氣流動能得到合理利用,在塔板上建立噴射操作;(2)氣液兩相在流動方向上是“Z”形曲折運動,產(chǎn)生強烈的湍動,相接觸界面得到不斷更新;(3)由于設置了擋沫板,從而減少了霧沫夾帶,允許較小的板間距;并且擋沫板本身也是一個有效的傳質(zhì)區(qū);(4)大型網(wǎng)孔塔板上的液體受到斜孔氣流和擋沫板的約束,阻止了液體倒流、返混、保證液體分布均勻。在噴射條件下,與浮閥塔板相比,氣液負荷可提高30%~40%,壓降則下降30%~40%。主要缺點:(1)操作彈性較小,一般2~3;(2)僅限于大型塔板(塔板直徑不宜小于1.2m)。2.2口方向的相似斜孔塔板是清華大學發(fā)明的一種高效能塔板,結(jié)構特點:(1)每排斜孔的開口方向一致并與液流方向垂直,但相鄰兩排斜孔的開口方向相反,既可避免液體在流動方向上被不斷加速,又使液體不會在塔板的一邊積聚,塔板上的液層低而均勻;(2)斜孔塔板設有出口堰,操作時塔板上保持一定的液量,屬于泡沫工況或泡沫與噴射的過渡工況。由于斜孔塔板以上特殊的結(jié)構,因而其允許氣相負荷高,生產(chǎn)能力大,比浮閥塔板大20%~40%;塔板效率高,一般等于或稍高于浮閥塔板;有自清洗作用,物料不易堵塞。2.3濾液、傳質(zhì)、傳熱旋流塔板是我國70年代自行開發(fā)、90年代得到進一步發(fā)展、廣泛應用于中小氮肥企業(yè)的一種噴射型塔板。結(jié)構特點及工作原理:自板中央布液板到外周罩筒的環(huán)形區(qū)域,均布與板平面約成25℃的葉片,使氣體由下而上通過葉片間通道時,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動;而液體流到布液板上,均勻地分配到各葉片,形成薄液層,并被氣流分散成細滴,形成良好的氣液接觸;然后被離心甩到塔壁上,受重力下流,經(jīng)集液槽、溢流管,流至下層塔板的布液板上。依上又進行第二次氣液接觸、傳質(zhì)、傳熱。旋流塔板由于其獨特的結(jié)構而具有負荷高、壓降低(每板150Pa~300Pa)、彈性寬(彈性范圍為設計值40%~150%),不易堵等特點。進入90年代,通過激光測速、彩色頻閃攝影、雙探針液滴分布儀等先進手段,對塔板上的氣液運動做了進一步深入研究,在此基礎上得出塔板效率模型;關于塔板效率不因直徑放大而下降,反而有所上升的結(jié)論,在生產(chǎn)中得到證實。工業(yè)應用開辟了煙氣脫硫新領域,為某熱電廠新建鍋爐脫硫除塵一體化裝置;并成功地將幾家熱電廠的水膜除塵器改造為脫硫除塵一體化裝置。2.4主要特點為塔盤板、降液裝置及操作條件設置了若干專門的交換裝置新型垂直篩板是以氣相為連續(xù)相,液相為分散相的新型高效噴射型塔板,日本三井株式會社于1968年前后開發(fā)成功。我國80年代初期開始對其性能與結(jié)構進行研究,尤其是河北工業(yè)大學杜佩衡等人做了較多的工作,對二維傳質(zhì)效率模型及其板間傳質(zhì)作用進行了較深入的研究,取得了一定的成果。NewVST與通常在泡沫狀態(tài)下操作的板式塔有根本區(qū)別,NewVST的結(jié)構能使塔盤上的汽液流動接觸狀況發(fā)生根本性的變化。就塔盤板和降液裝置而言,NewVST與浮閥、篩板、泡罩板并無不同,其主要特點在于在塔盤板上布置了若干圓柱形帽罩。帽罩的直徑為80mm、100mm、120mm、150mm、200mm、250mm,高為180mm、200mm、250mm,在帽罩上開有孔或縫(稱為霧沫分離孔),霧沫分離孔為圓形的(孔徑為Φ3mm~Φ12mm)稱為S型,柵縫型的稱為C型。河北工業(yè)大學有關專家學者認為,NewVST上汽液流動接觸分為連續(xù)四段:(1)托液拉膜段;(2)破膜粉碎段;(3)氣液噴射段;(4)氣液分離段。并認為這四段都是氣液接觸傳質(zhì)過程,但主要傳質(zhì)作用發(fā)生在第三、四段,且以第四段可能更重要。NewVST塔板目前已在國內(nèi)諸多蒸餾(精餾)、吸收及熱交換等單元操作塔中更換改造浮閥、泡罩、S型泡罩、篩板及拉西環(huán)填料塔取得成功,行業(yè)涉及聚氯乙烯、化肥、制藥等,尤其是在聚氯乙烯行業(yè)的成功應用,引起不少廠家的興趣,可望在化工、石油化工、煉油、煤化工等領域得到進一步推廣應用。2.5罩頂分離板ctstCTST是河北工業(yè)大學化學工程研究所多年理論研究和科技開發(fā)的成果,已獲國家專利。CTST塔板采用矩形開孔,開孔上方設置帶篩孔的梯形噴射罩及分離板。在塔板上氣體、液體經(jīng)過拉膜→碰頂返回→破碎→噴射→互噴→分離六個過程。該塔板打破了傳統(tǒng)塔板傳質(zhì)區(qū)域為平面型的局限,將氣、液傳質(zhì)區(qū)域發(fā)展到罩內(nèi)、罩頂、罩間的立體空間范圍,使板式塔塔板間的空間得以充分利用。CTST采用噴射型的結(jié)構,使液體在氣體中分散成液滴,即氣液在噴射狀態(tài)下接觸,從而擴大傳質(zhì)面積,提高塔的負荷能力;采用矩形開孔,使得塔板開孔率可大幅度提高(超過20%),氣體不再由塔板上較深的液層通過,可顯著降低壓力降;罩頂分離板使得霧沫夾帶大幅度減小,同時又提供新的傳質(zhì)機會,提高板效率。在擴產(chǎn)、技改、設備更新時,采用CTST板,可在原塔外殼不變的條件下,僅更換塔板即可,這樣即可節(jié)省設備投資,又可提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能耗及原料消耗,從而提高企業(yè)技術水平和競爭能力。該塔板已在紡織、氯堿、制藥、化肥等行業(yè)中得到推廣應用。3懸掛式沉降管多腔沉降管塔板3.1長絲束降液管1964年美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)提出了多降液管篩板(MultipleDowncomerSieveTray),簡稱MD板。多降液管塔板是對傳統(tǒng)塔板降液管結(jié)構最大的改進,其結(jié)構特點為:(1)塔板上設有多根矩形降液管,溢流周邊比一般塔板增加2~5倍,適合液體負荷大的操作;(2)降液管懸掛在氣相空間,而不是浸沒在塔板上的液層中;(3)每相鄰兩板的降液管互成90度排列;(4)板間距小,僅為一般塔板的50%~70%;(5)降液管可起到支撐梁的作用,節(jié)省其它支撐結(jié)構。以MD代替常規(guī)板,取消了受液盤,處理量可提高15%左右。據(jù)1985年統(tǒng)計各國已用此板型塔400余座。1992年國際精餾與吸收會議上,推廣應用MD板的UOP公司又提出了一種更大通量的MD板(NewenhancedcapacityMDtray),用它改造建于1975年的MD板,使其通量又提高15%以上。對于設計新塔,具有塔徑和板間距較小的優(yōu)點;用于舊塔改造,可提高塔的處理能力。3.2ny塔板的壓剪1992年國際精餾與吸收會議上,美國Bruyn等介紹了他們研究開發(fā)的一種新型高通量Nye塔板。結(jié)構特點:(1)降液管懸掛在氣相空間,降液管的底部用板封住,底板上開有小孔,以供液體流動。在降液管底部垂直面上,氣流水平吹入液層,較垂直吹出有利;(2)篩孔或浮閥的布置區(qū)可以擴大,在一定通量下,孔速可以降低;(3)塔板上的受液區(qū)開孔,以增大塔板上的鼓泡面積,使塔的通量可增加10%~25%。Nye塔板最大的優(yōu)點是對老塔改造,在較小改動情況下可達到增加通量的目的。南京大學前幾年開發(fā)成功比Nye塔板通量高10%~15%,效率高5%以上的大通量塔板,并且在國內(nèi)已獲得成功應用。其基本構思是:(1)采用月牙型溢流堰,使其非傳質(zhì)區(qū)面積控制在5%范圍內(nèi)以增加塔的通量,一般比傳統(tǒng)塔板通量增加10%~25%;(2)采用管尾向塔壁開口的降液管,使液體直接從塔壁降下,延長塔板上液體的平均停留時間,從而提高板效率;(3)采用全塔板液體均分導流,使板上液體呈活塞流狀態(tài)。工業(yè)應用表明,在空塔F因子大于2.5時,此塔板仍能維持正常操作。3.3關于dv-23型塔板及其他非織造塔板的應用在我國精70年代初期,國內(nèi)浙江工業(yè)大學化學工程設計研究所開始研究MD板,在考察MD塔板技術的過程中,發(fā)現(xiàn)MD板存在以下三個問題:(1)降液管的寬度和溢流強度的限制應重新考慮;(2)MD塔板上液流分布并不均勻,影響了塔板效率;(3)受液區(qū)存在沖擊液漏問題。針對MD板在液流分布及傳質(zhì)效率方面存在的不足,著重在基礎理論和改善結(jié)構等方面作了一系列系統(tǒng)研究,在80年代末開發(fā)形成了具有我國特色的DJ系列塔板。DJ塔板繼承了MD塔板降液管的特色,并在結(jié)構形式、通量和效率等方面有所創(chuàng)新、有所突破。已在工業(yè)上獲得成功應用的DJ板有三種型號。DJ-1型塔板是為了適應特大液氣比的吸收操作而開發(fā)的,主要結(jié)構特點是采用寬型降液管,并對降液管的根數(shù)和排列作改進和優(yōu)化。工業(yè)應用的典型例子是在合成氨生產(chǎn)中的水洗脫碳塔(Φ2800)改造中以DJ-1板替換原螺旋雙溢流斜孔塔板。DJ-2型塔板上設置了導流裝置,在相應位置上開設導流孔,安裝導流板,改善液流的初始分布,使塔板上的液流接近于活塞流。DJ-2型板已在化肥廠脫碳塔(Φ1600)、鎮(zhèn)海煉化總廠芳烴裝置鄰二甲苯塔上獲得成功應用。DJ-3型是一種復合型塔板,在DJ-2型塔板的下方復合一簿層規(guī)整填料,填料層處于氣相空間,起到了抑制霧沫夾帶作用,使塔板效率提高10%~15%,通量提高15%~20%。使用DJ-3板替換其它塔板改造的裝置有汽提塔、飽和塔等。DJ塔板能勝任大液量和加壓操作,1999年針對DJ系列塔板存在的沖擊漏液缺陷,成功研究開發(fā)了誘導型防沖擊漏液裝置,使DJ系統(tǒng)塔板的性能進一步提高。4復合塔框架4.1復合塔板的應用板式塔兩塔板間可分為鼓泡區(qū)和氣相空間兩個區(qū),其中氣相空間的高度對傳質(zhì)沒有作用;若能將此空間加以利用,則板式塔傳質(zhì)效率會大幅度提高。填料塔的傳質(zhì)效率高低,關鍵在于氣液分布是否良好,若能使填料都處在氣液分布良好的狀態(tài)下操作,其傳質(zhì)效率可大大提高。據(jù)此,浙江工業(yè)大學提出了利用板式塔兩塔板間的氣相空間,使篩板與填料結(jié)合的復合塔板。復合塔板由穿流篩板下加一層高為50mm~100mm的規(guī)整填料所組成,板間距為250mm~350mm,不設降液管,氣液呈逆向流動。穿流篩板與填料這種巧妙配合,使復合塔板具有如下優(yōu)點:(1)穿流篩板實際上相當于下面填料層的液體分布器,對填料起到液體均勻分布的作用;(2)填料起到氣體均布的作用,并且由于填料存在,基本消除了液沫夾帶;(3)復合塔不設降液管,使空塔截面增大15%左右,可以增大通量;(4)穿流篩板開孔率大,因此板壓降也比一般塔小;(5)復合塔用于新塔設計可大幅度降低塔高,用于舊塔改造(即塔高和板數(shù)不變)則可提高產(chǎn)品質(zhì)量;在產(chǎn)品質(zhì)量要求一定的情況下,可減少回流量,從而降低能耗。此種板壓降低、傳質(zhì)效率高、霧沫夾帶小的復合塔板已獲國家發(fā)明專利,并在工業(yè)上獲得成功應用,最大塔徑為Φ2600mm。4.2升氣筒下的填料板JCPt塔板系天津大學與其他單位合作開發(fā)的一種新型塔板。結(jié)構特點是:在塔板上按一定的排列方式開出一定數(shù)目的圓孔,在圓孔的上方安裝帽罩。帽罩上半部的方形框架內(nèi)裝有規(guī)整填料,其上有頂蓋;帽罩下半部分為圓形升氣筒,升氣筒下部有可調(diào)支腳以調(diào)節(jié)帽罩與塔板間隙。正常操作時,板上的液體在靜壓作用下進入罩內(nèi),被下層塔板上升的經(jīng)板孔縮流加速后的高速氣體拉成環(huán)狀液膜并被