第36卷第5期 2015年10月 化工装备技术 31 应用研究 毫 ㈡ 蓦羞 著蓦 大通量板式塔研究进展 江山 胡大鹏金鑫赵彬彬 (大连理工大学化工机械学院) 摘 要介绍了近年来国内外大通量板式塔的最新研究进展。通过对大通量板式塔结构的分 析,提出了新的分类方法,并对国内外典型的优秀塔板进行了较详细的论述。最后探讨了大 通量板式塔的发展前景。 关键词 大通量中图分类号板式塔 气速 传质效率 雾沫夹带压降 TQ 051.81 Research Progress of High—capacity Plate Column J/ang Shah Hu Dapeng Jin Xin Zhao Binbin Abstract:The latest research progress of high—capacity plate column at home and aboard is introduced. Based on the analysis of the structure of high—capacity plate column,a new classification method is proposed. Meanwhile the domestic and overseas typical plate columns are described in detail.At last,the prospect of the high— capacity plate column is discussed. Key words:High-capacity;Plate column;Vapor velocity;Mass transfer efficiency;Entrainment;Pressure drop 随着化工行业生产规模的不断扩大和处理量不 在连续的液相中.与液相发生传质 ,如筛板 塔【 、F1浮阀塔、T型浮阀塔 等。而大通量塔 板多采用喷射式的气液接触方式,在喷射条件下液 断增加.单纯地扩大板式塔体积已经无法满足工业 需求.因为其空间利用率低、投资高、能耗高等特 点已严重制约了经济效益的提高。因此,围绕着大 相被气相撕裂为液膜或液滴,液相为分散相,气相 为连续相。如NVST塔[51和垂直筛板塔[6]等。这 通量、高传质效率、宽操作弹性、低压降等指标, 国内外学者开发出各种类型的新式塔板。尤其是在 保证传质效率和操作弹性的情况下,增大板式塔的 处理量近年来成为研究的热点[11。 1大通量板式塔的分类 种形式的塔板气相负载高,气相穿透的液层非常 薄。甚至不穿过液层,因而气相压降也更低。 1.2引入分离装置 筛板塔本身并没有分离气液的装置,因而雾沫 夹带问题直接了气体速度,若气速过高必然带 来过量的雾沫夹带。此外,由于塔设备结构尺寸的 目前,大通量塔板的研究方向可分为两类,一 类是改善气液接触方式,另一类是引入分离装置。 1.1改善气液接触方式 ,板间距有限,因而在两层塔板间的垂直距离 内仅依靠重力沉降,无法有效地将随气体上升的液 滴分离出来。鉴于此,大通量塔板引入了两种工业 上常用的分离方法,即离心分离和撞击分离。 传统板式塔的气液接触方式主要为鼓泡式,液 相为连续相,气相为分散相,气相以气泡形式分散 江山,男,1989年生,硕士研究生。大连市,116024。 32 化工装备技术 第36卷第5期 (1)离心分离 离心分离实质上是利用气相和液相的密度差. 通过离心力分离出气相中的液滴。塔设备引入离心 分离,这就增强了气液分离的能力,进而可允许较 大的气体速度,也就是增大了塔设备的气相处理 量。引入离心分离的方法有两种,一种方法是通过 导流叶片来实现,沿塔的轴向向上运动的气体,经 过导流叶片的导流作用,变为旋转运动,产生离心 力,如旋流塔用和Swirl tube塔[。 ;另一种方法 是利用超重力技术。通过额外引入动力设备——电 机,使塔板自身旋转,带动气液两相共同旋转。产 生离心力,促进气液两相的分离。 (2)撞击分离 撞击分离 是利用气体流、液滴与靶体的撞 击以及惯性力来实现气液分离的。小液滴撞击到靶 体后,附着在靶体表面,也就是被“捕集”。小液 滴不断汇聚,形成液膜,并通过一定的通道排泄出 去,不再被夹带。靶体形式多样,可以是位于流道 中的单一的挡板,也可以是成组排列的挡板。 2国内大通量塔板研究现状 2.1立体传质塔板 立体传质塔板(CTST)[111是由河北工业大学 研发的高效喷射型塔板,该塔板已经成功应用于炼 油、石油化工、制药等行业中的精馏、吸收、解吸 和汽提等过程,其结构如图1所示。 (a)整塔截面 (b)传质元件 图1 立体传质塔板结构 CTST塔板采用矩形开孔。开孔上方安装梯形 喷射罩,喷射罩两侧为上部带有筛孔的喷射板,两 端是梯形端板,上部是分离挡板,喷射板和塔板之 间留有底隙。CTST的操作工况如图2所示。 上升气流通过矩形开空后。进入梯形喷射罩 内。这时气体流通面积缩小,动能增加,致使静压 降低,且明显低于塔板液层上方的气体静压。在此 图2 GTST操作工况 压差的作用下,液体被挤入喷射罩内,经过拉膜、 提升、破膜、混合和喷射等过程,实现喷射式接触 传质。分离装置为一块分离挡板,也就是撞击分离 原理中的“靶”,气液混合物中的液滴由于惯性被 “捕集”,实现气液分离。CTST塔板开孔率高,处 理量大,结构简单,抗堵塞性能高。 2.2板式旋转塔 大连理工大学开发的板式旋转塔 ,其结构 如图3所示。塔板由静塔板和动塔板相互嵌套而 成,动塔板固定在转动轴上,静塔板和塔壁固定, 动静塔板上均固定有折流板。 口 静塔板 动塔板 出液口 固定轴转动轴进气口 图3板式旋转塔结构 操作状态下,气液的接触如图4所示。液体从 中间入口进入塔板。在动塔板的旋转作用下沿径向 向外运动。在每一块动塔板的折流板上沿处,由于 离心力的作用,液体与动塔板分离,并以较高速度 撞击到静塔板的折流板上,破碎为大量微小液滴, 分散在整个传质区间,与气相逆流喷射式接触,高 效传质。动塔板的高速旋转提供了足够的离心力, 使液滴始终与气体逆流接触,向塔板外侧迁移,这 2015年10月 江山等:大通量板式塔研究进展 33 图4板式塔操作状态下气液接触 就大大减小了雾沫夹带。 2.3复合塔板 浙江大学开发了一种新型复合大通量塔板_7j, 其操作工况如图5所示。复合塔板由带中心降液管 的浮舌喷射塔板和一块旋流塔板组成,其结构如 图6所示。 液流方向 气流方向 图5复合塔板操作工况 (a)浮舌喷射塔板 (b)旋流塔板 图6复合塔板 浮舌喷射塔板用四块弧形挡板将塔板面均匀地 分隔为四个弧形流道.塔板中心设置有降液管。弧 形流道延长了液体的流径。增加了液体的停留时 间.气体经浮舌与液体喷射式接触,传质后上升至 旋流塔板。旋流塔板(也称旋流板)由中心布液盘 和环向均匀布置的旋流叶片组成.在旋流板叶片的 导向作用下液体作旋转运动。从上一层浮舌喷射塔 板的中心降液管降下来的液体.流到旋流板的中心 布液板后被分配到旋流板的各个叶片上,附着在叶 片表面形成较薄的液层。薄液层被旋转的气流分散 为大量液滴,气液接触面积极大,形成良好的气液 接触传质。同时,液滴随气体一起旋转,受到离心 力作用,被甩至塔壁,在塔壁上汇聚到一定程度 后.就会在重力的作用下向下流动。流经旋流板和 塔壁的环隙,落到下层的浮舌喷射塔板上。 3国外大通量塔板研究现状 3.1 Con—Sep塔板 Con—Sep来源于“contact and separate”,取意 接触和分离.是Shell公司开发的大通量塔板 3】, 如图7所示。 (a)塔板结构 (b)塔板实物 图7 Con—Sop塔板结构和实物图 Con—Sep塔板的主要传质区域还是筛板,只不 过在筛板的正下方加装一层分离板,分离板上安装 着许多旋风管,旋风管内部安装有导流叶片。气液 混合物经过旋风管时产生旋转运动,通过离心力的 作用分离出液滴。这样就允许筛板上有更大的操作 气速,也就是增大了塔板的处理量。分离板上分离 出的液体,通过单独的降液管流入筛板层的主降液 管,和从筛板上溢流到主降液管的液体一起流入下 一级筛板。主降液管采用方形设计,与弓形降液管 相比.它提供更长的溢流堰和出口堰。同时,主降 液管在塔板上呈中心对称分布。使得筛板上液层的 分布非常均匀,不存在滞留区。研究结果显示, Con—Sep塔板在维持传质效率不变的情况下,虽然 比传统筛板塔的压降上升了30%.但处理能力提 高了120% 140%【”]。 3.2涡流旋转塔板 俄罗斯开发的涡流旋转塔板[141具有较大的气 相处理能力,其独特之处在于安装在塔板上的圆柱 化工装备技术 第36卷第5期 形接触分离元件,如图8所示。上升的气相进入接 触分离元件.通过轴流式或切向式的导向叶片产生 高效传质。同时由于设置了多个降液管,Ultra— Frac塔板更适合大的液量负载。Ultra—Frac塔板已 广泛应用于各种塔板的改造。 3.4 Co—Flo塔板 旋转,呈螺旋式上升。液体通过供液管进入到 区.被旋转的气流强烈冲击,分散为大量液滴。液 滴和旋转的气流相互作用,充分混合,相表面更新 Co—Flo塔板 6]是由美国Jaeger公司开发的 一迅速,传质效率高。同时在离心力的作用下,液滴 逐渐迁移至元件的内壁面,形成液膜,并随气流向 种新型塔板,其结构如图10所示。接触板为传 统的筛板,每层接触板的下方安装分离板。分离板 上流动.然后在出口处甩出,与气相实现分离。涡 流旋转塔板具有高的分离效率,允许更高的气相通 过速度,在分离元件内气相速度可以达到8~15 m/s。此速度大大超过了鼓泡型设备中的气速。 B 、 A—A ◎ (a)轴流式 (b)切向式 图8涡流旋转塔板结构 3.3 Ultra—Frac塔板 Koch—Glitsch公司推出的Ultra—Frac塔板_l5]. 也是通过高速气体在旋风管内产生的离心力实现气 液传质和分离的,其结构如图9所示。 (a)塔体结构 (b)轴截面 1一塔 2一支架 3一安全板4一旋风管 5一液体回收板 6一排液缝7一降液管8一叶片9一挡板 图9 Ultra—Frac塔板结构 该塔板与众不同处在于,从上一层塔板上落下 的液体,经过降液管直接进入下一层塔板上的旋风 管内,没有在塔板上滞留,这样就可连续地与气相 为按组排列的导槽,其结构如图l1所示。分离板 采用撞击分离的原理,气液混合物在经过分离板 时,液体由于其惯性撞击到导槽,并附着在导槽表 面形成液膜。液体汇聚到一定程度后便落人导槽 中,统一引流到降液管。降液管跨层布置,长度为 两层塔板间距。分离板和降液管是经特殊设计的, 允许气体高速通过接触板,完全夹带液体上升,然 后经过分离板的高效分离,液体进入降液管,气体 继续上升至上层接触板。与其他塔板相比,Co—Flo 塔板操作气速大大提高,处理能力大幅增强。 接 降 图10 Co—FIo塔板结构 十 十 千 千 U U+U I_11LJ L_J LJ U U U U’ LJtU U U+U。U (a)主视图 (b)左视图 图11分离板结构 4结论 目前。大通量板式塔的研究主要集中在对气液 接触方式和气液分离装置的改进上,气液接触方式 正由传统的鼓泡式向喷射式发展,而气液分离装置 也转向更高效的撞击分离、离心分离等方式发展。 大通量板式塔的发展将会是这些改进思想的复合和 优化,并尽可能实现优势互补和结构简化。 (下转第40页) 化工装备技术 [19]Saka S,Kusdiana D.Biodiesel fuel from rapeseed 0il as prepared in supercritical methanol[J].Fuel,2001,80 (2):225-231. 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