（化学工程专业论文）穿流栅板塔流体力学性能的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 塔是化工工业中最常用的汽液分离设备。穿流塔作为筛板塔的一种，具有生产能力 大、不易堵塞、结构简单等特点，工业应用日益广泛。穿流式塔板根据板上开有栅缝或 筛孔，分别称为穿流栅板塔或穿流筛板塔。这种塔板没有降液管，气液两相同时相向通 过栅缝或筛孔。操作时蒸汽通过孔缝上升，进入液层，形成泡沫；与蒸汽接触后的液体， 也不断地通过孔缝流下。但气液并非在所有的孔缝中穿流，而是气体通过部分孔缝，在 塔板上与液体形成泡沫层，液体则经另部分孔缝落下，而且气液交互通过的孔缝位置是 不断变化着的。当气速太小时，板上不会积液，只有达到一定气速( 拦液点) 板上才开 始积液。进一步增高气速，阻力增加，液层增厚，泡沫层增高。气速大至一定后，液层 充满了整个塔板空间，向上倒流，这就是液泛。穿流塔可以在拦液点到液泛点之间操作。 本文基于当前穿流栅板塔缺少系统的流体力学特性资料的现状，结合前人的研究成 果，在f1 5 0 的试验塔内，以空气水为系统，通过冷模实验探讨了穿流塔流体力学性能。 考察了其气体流量、喷淋密度对板压降的影响，同时考察了气含率与气液流量的关系， 最终得出了塔板的负荷性能图，为穿流塔的设计提供参考。分别对采用堵缝法确定的开 孔率为1 1 、1 3 和1 5 的穿流塔板进行实验研究。在实验的基础上，导出了计算起泡 点和液泛点气速的经验公式，并对热模操作做出推测。 结果表明，穿流式栅板塔的气液接触状态可分为润湿区、鼓泡区和液泛区；气含率 随着气流量、水流量的增大而增大。气流量对板压降的影响大于水流量对气含率的影响。 栅板塔允许的气相变化范围较窄，而允许的液相变化范围却相当大：可采用堵缝法降低 塔板的开孔率，使气体动能增大而进入良好的操作区，从而提高塔效率。 关键词：穿流塔；冷模实验；流体力学；板压降；效率；性能 s t u d y o np e r f o r m a n c eo ff l u i dd y n a m i c so fd u a l - f l o wt r a y a b s tr a c t c o l u m ni sam o s tc o m m o n l yu s e dd e v i c ef o rs e p a r a t i n gl i q u i da n d v a p o r g a sm i x t u r e si n c h e m i s t r ya n dp e t r o l e u mi n d u s t r i e s a so n ek i n do fs i e v et r a y ，d u a l f l o wt r a yh a sb e e n i n c r e a s i n g l yu s e df o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sf o ri t sm e r i t so fb i gp r o d u c t i o nc a p a c i t y ，n o te a s y t ob es t u f l e da n ds i m p l es t r u c t u r e ，a n dt h u sb e i n g d u a l f l o wt r a yi sc a l l e dd u a l f l o ws l o to r d u a l f l o ws i e v et r a ya c c o r d i n gt ot h es l o to rs i e v eo p e n e do nt h et r a y t h i sk i n do ft r a yh a sn o d o w n c o m e r s ，s ob o t ht h eg a sa n dl i q u i dp h a s e sc a nt r a n s p o r ts i m u l t a n e o u s l yi no p p o s i t e d i r e c t i o nt h r o u 曲s l o to rs i e v e f o a mf o r m sd u r i n go p e r a t i o nw h e nv a p o r sr i s et h r o u g hs l o t a n de n t e rt h el i q u i dl a y e r a tt h es a m et i m e ，t h el i q u i d sc o n t a c t i n gw i t hv a p o r sk e e p sf l o w i n g d o w nt h r o wt h es l o t h o w e v e r ，g a sa n dl i q u i da r en o tp a s s i n gt h r o u g ha l lt h es l o t ，b u tt h a tt h e g a sp a s s e st h r o u g hp a r t so ft h es l o ta n df o r m saf o a ml a y e rw i t ht h el i q u i do nt h et r a yd e c k ， w h i l el i q u i df l o w sd o w nt h r o u g ho t h e rp a r t so ft h es l o t ，a n dt h ep o s i t i o no ft h es l o tt h r o u g h w h i c hg a sa n dl i q u i dp a s st h r o u g ht o g e t h e rk e e p sc h a n g e dc o n t i n u a l l y w h e nt h ev e l o c i t yo f g a si st o os m a l l ，t h e r ew i l ln o tb ea c c u m u l a t e dl i q u i dl e f to nt h et r a yd e c k o n l yw h e nt h e v e l o c i t yo fg a sr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ( h o l db a c kp o i n t ) ，t h el i q u i db e g i n st ob ea c c u m u l a t e d o nt h ep l a t e i n c r e a s i n gt h ev e l o c i t yo fg a sf u r t h e rw i l lc a u s ei n c r e a s e d h i n d r a n c ef o r c e ，m u c h t h i c k e rl i q u i dl a y e ra n dt h eh i g h e rf o a ml a y e r w h e nt h ev e l o c i t yo fg a si si n c r e a s e dt os o m e v a l u e ，t h el i q u i dl a y e rw i l lf i l if u l li nt h ew h o l ec o l u m ns p a c ea n df l o wr e v e r s e l yu p w a r d t h i s i sc a l l e dl i q u i df l o o d d u a l f l o wt r a yc a l lw o r kb e t w e e nh o l db a c kp o i n ta n df l o o dp o i n t b a s e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n dt h a td u a l - f l o wt r a ya r el a c ko fs y s t e m a t i cs t u d yw i t ht h e p e r f o r m a n c e so ff l u i dd y n a m i c su n t i ln o w ，t h ep r e s e n tw o r kc o m b i n e st h ep r e v i o u sr e s e a r c h r e s u l t sa n dt a k e st h ea i r - w a t e r s y s t e m a sa n e x a m p l e ，d i s c u s s i n gt h eh y d r o d y n a m i c s p e r f o r m a n c e so ft h ed u a l - f l o wt r a yt h r o u g hac o o lf i l me x p e r i m e n ti naf1 5 0c o l u m n t h e i n f l u e n c e so ff l u xo fg a sa n dl i q u i do nt h ep r e s sd r o po fp l a t eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da sw e l l a st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sh o l d u pa n df l u xo fg a sa n dl i q u i d t h el o a dp e r f o r m a n c e s c h e m a t i c so ft h ep l a t ea r et h e r e f o r eo b t a i n e dw h i c hp r o v i d e su s e f u lr e f e r e n c e sf o rd e s i g no f d u a l f l o wt r a y f u r t h e r m o r e ，t h ed u a l f l o wt r a yw i t ha nf r e ea r e ao f1 5 ，1 8 a n d2 0 d e t e r m i n e dw i t hp l u g g i n gm e t h o da r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee m p i r i c a le q u a t i o nf o rc a l c u l a t i n gf r o t h yp o i n ta n df l o o dp o i n tw a s a c h i e v e da n dt h eh o tf i l mo p e r a t i o nw a se s t i m a t e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg a s l i q u i dc o n t a c ta r e ao fd u a l - f l o ws l o tt r a yc a nb ed i v i d e d i n t ow e t t i n ga r e a ，b u b b l ea r e aa n df l o o da r e a g a sh o l d u pi n c r e a s e sw i t ht h ef l u xo fv a p o ra n d t h ef l u xo fw a t e r t h ee f f e c t so ft h ef l u xo fv a p o ro np r e s sd r o po fp l a t ea r el a g e rt h a nt h a to f t h ef l u xo fw a t e ro ng a sh o l d u p f u r t h e r m o r e ，t h es c o p eo fg a st r a n s f o r m a t i o np e r m i t t e db y s l o tt r a yi sr e l a t i v e l yn a r r o w ，w h i l et h es c o p eo fl i q u i dt r a n s f o r m a t i o ni sc o n s i d e r a b l yl a r g e t h eg a sh o l d u po ft h ep l a t ec a nb ed e c r e a s e dw i t hp l u g g i n gm e t h o dt oe n h a n c eg a sk i n e t i c e n e r g ya n dl e ti te n t e rag o o do p e r a t i o n a la r e aa n dt h u si m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ec o l u m n k e yw o r d s ：d u a l f l o wt r a y ；c o o lf i l me x p e r i m e n t ；h u i dd y n a m i c s ；p r e s sd r o po fp l a t e ； e f f i c i e n c y ；p e r f o r m a n c e ； i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：如- 制日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：是塞立 导师签名：匹! 虱拉 大连理工大学硕士学位论文 引言 塔设备是石油、化工生产中的主要设备之一，它的性能将影响到生产装置的产品质 量、生产能力、回收率、消耗定额、三废处理以及环境保护等方面。因此，国内外都十 分重视塔设备的科研、设计、使用及革新等工作，以适应石油化工迅速发展的迫切需要。 在许多工业生产过程中，采用吸收和精馏的方法进行原料的纯化和产品的提纯。尽管， 新型的分离方法不断问世，并显示出优越性；但是，吸收和精馏作为基本的适合于大规模 工业生产的分离方法，在可以预见的未来，仍将占主导地位。板式塔和填料塔作为吸收 和精馏过程的两种主体设备，同样仍将广泛地应用于化工、石油化工、轻工、制药、冶 金、环保等行业中，继续为国民经济建设发挥作用。 1 0 0 多年来，人们围绕高效率、大通量、低压降的目标，开发了许多各具特点的塔 板和填料的结构形式，并对其性能进行了广泛的研究。自从1 8 1 3 年c e l l i e 提出泡罩塔以 来，世界各国开发了8 0 余种塔板。1 9 3 2 年筛板塔开始应用于生产，2 0 世纪5 0 年代成 功开发了浮阀塔板。泡罩塔、筛板塔、浮阀塔至今仍广泛应用于生产中。我国对塔板的 开发和研究兴起于2 0 世纪7 0 年代，各大学和研究机构开发了许多拥有我国自主知识产 权的塔板或根据国外有关资料，进行研究和再开发，并在生产中得到了推广应用，为国 家的经济建设作出了贡献。我国目前的塔器技术已经具有一定的基础和水平，能较好的 完成石油化工生产中传质过程的任务需要。新型塔器的实验研究工作也很活跃，有些已 经接近或达到国外的先进水平。 随着石油化学工业发展的需要，对塔器技术提出了更多要求：塔器技术要更好地为 老厂技术改造、技术革新和挖掘潜力服务：塔器技术的发展要能满足新型石油化工装置 中对各种不同具体条件的多方面要求，做到技术上先进、经济上合理及切实有效，以适 应我国具体情况的需要。针对这些要求，尚有大量工作要做。这就需要我国塔器技术工 作者更好地积累实践经验，开展实验研究( 包括基础理论研究) ，大胆创新，在塔器技 术上做出更多成绩。 穿流塔作为筛板塔的一种，具有生产能力大、不易堵塞、结构简单等特点，工业应 用日益广泛。由于对穿流式栅板塔操作时气液两相的接触状态、流体力学和传质特性缺 乏实验依据，国内众多穿流栅板塔的某些重要参数的选取相差很大。因此，对穿流式栅 板塔进行全面的实验研究就显得十分必要。本文基于当前穿流栅板塔缺少系统的流体力 学特性资料的现状，结合前人的研究成果，在f1 5 0 的试验塔内，以空气水为系统，通 过冷模实验探讨了穿流塔流体力学性能。实验结果对穿流栅板塔的设计与应用具有参考 价值。 穿流栅板塔流体力学性能的研究 1文献综述 1 1塔设备的发展及现状 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。它可供气液或液液两相之间 进行相接触，以达到传质及传热的目的。常见的可以在塔设备中完成的单元操作过程 有精馏、吸收、解吸、萃取等。另外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法精制，如除 尘、除沫和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿等单元操作也可用塔设备来实 现。为处理多组分、且与理想溶液偏离较大的物系，逐渐发展起来的反应精馏( 一种 伴随有化学反应的精馏过程) ，也需应用塔设备。 在化工厂或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置产品的产量、质量、生产能力、 消耗定额、以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。据有关资料的报导， 塔设备的投资费用占整个工艺设备( 包括有换热器、储罐、反应设备等) 投资费用的 比例较大，塔设备所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，对塔设备的 设计和科研工作，受到了化工、炼油行业的极大重视。塔设备不仅应用于化学工业中， 还广泛应用于医药、轻工业等部门中【1 - 3 j 。 塔设备一般外形庞大，设备直径可达十几米，高度可达几十米，金属质量可达几百 吨，钢材消耗量大【4 击】。以年产6 0 r 1 2 0 万吨的催化裂化装置为例，塔设备所用钢材量 占耗用钢材总量的4 8 9 【7 1 。在石油炼制厂和化工生产装置中，塔设备的投资费用占整 个工艺设备费用的2 5 【剐。随着石油、化工等行业的迅速发展，塔设备的设计和研究 越来越受到人们的关注。 目前炼油厂中应用最多的塔设备是各种分馏塔，也称精馏塔。如常减压装置的常压 分馏塔、减压分馏塔可将原油分馏成汽油、煤油、柴油和润滑油等；铂重整装置中的 分馏塔，可将苯类混合物分馏为苯、甲苯、二甲苯等；烷基化装置中丙烷分馏塔可将 液态烃分馏为丙烷、丙烯、异丁烷等馏分；分子筛脱蜡装置分馏塔可将附蜡分馏为轻 脱附蜡、重脱蜡及柴油组分等。 自从1 8 1 3 年c e l l e r 提出泡罩塔【9 1 ，并在化工生产中应用以来，一直占有重要的地位。 1 9 3 2 年筛板塔开始在酿造工业中应用，也是出现较早的一种塔型【1 0 j 。填料塔最早是 1 9 0 4 年用在炼油工艺中的【1 1 】，当时的填料仅是碎瓦片、砖块、小石块和管子缩节等一 类物品。 大连理工大学硕士学位论文 二十世纪初，随着炼油工业的发展和石油化学工业的兴起，塔设备被广泛地采用， 并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的大量数据和经验。当时，炼油工 业大多采用泡罩塔，而无机酸碱工业则以用填料塔为多，筛板塔因受当时尚无较为精 确的设计方法和操作经验的影响，没能被广泛地应用。 二十世纪中期，为了满足各类化工行业生产发展的需求，不仅需要建设大量的新塔， 还得对原有的塔设备实行技术改造，因而，陆续出现了一大批能适应各种各样要求的 新型塔设备。这一时期出现了多种新型塔盘【9 , 1 1 】。 属泡罩塔的有： ( 1 ) 条形泡罩塔盘 ( 2 ) 单流式泡罩塔盘( u n i f l u xt r a y ) ，亦称s 形塔盘 ( 3 ) 蒙兹塔盘( m o n t zt r a y ) 属筛板型的有： ( 1 ) 有溢流的栅板塔盘 ( 2 ) 冲有筛孔的波纹状塔盘 属浮阀型的有： ( 1 ) 条形浮阀塔盘( n u t t e rf l o a tv a l v et r a y ) ( 2 ) 重盘式浮阀塔盘( b a l l a s tv a l v et r a y ) ( 3 ) a 型和t 型的圆盘形浮阀塔盘( f l e x it r a y ) 属喷射型的有： ( 1 ) 阶梯式塔盘( b e n t i r jk a s k a d et r a y ) ( 2 ) 条孔网状塔盘( k i t t e l ) ( 3 ) 舌形塔盘 这一大批新型塔盘的出现，不但打开了板式塔新结构形式发展的思路，进而设计制 造出综合性能更好的塔型，而且为设备大型化提出了选择塔型的方向。另外，在此期 间，许多学者总结了长期使用的经验，并对筛板塔作了系统的试验研究，认为经过合 理设计的筛板塔，不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点，而且在较大弹 性范围的操作负荷下，仍能达到理想的效率。故而，近年来，随着对筛板塔研究工作 的不断深入和设计方法的日趋完善，筛板塔也成为生产上广泛采用的塔设备之一。 这一时期填料塔也进入了一个新的发展阶段【1 2 】。在瓷环填料，亦称拉西环填料 ( r a s c h i gr i n g ) 被广泛采用后，马鞍形填料( b e r l s a d d l e ) 随之问世，特别是出现了斯 特曼填料( s t e d m a n ) 后，大大地促进了规整填料的发展。其中有帕纳帕克填料 ( p a n a p a k ) 、古德洛填料( g o o d l o e ) 、斯普雷帕克填料( s p r a y p a k ) 等，以后又相继 穿流栅板塔流体力学性能的研究 出现了麦克马洪填料( m c m a h o n ) 、鲍尔环填料( p a l lr i n g ) 、狄克松环填料( d i x o nr i n g ) 、 坎农填料( c a n n o n ) 和槽鞍形填料( i n t a l o xs a d d l e ) 等颗粒型填料。除了各种填料大 量涌现外，还发展了多管塔、乳化塔等被称为强化填料塔的新型塔设备。 从六十年代起，由于化工机械工业成功地解决了高压离心压缩机的转动密封和高温 高压废热锅炉的结构强度设计等技术问题，使化肥、石油、化工得以从能量综合利用 的角度出发，进入到了一个新的发展时期，继而带动了整个化学、炼油工业向大型化 方向迅速发展。如乙烯生产规模已达3 0 - 4 5 万吨年，炼油装置的年处理能力也达7 0 0 1 0 0 0 万吨。据有关资料报导【1 3 】，年产6 0 - - - - 9 0 万吨的乙烯工厂、6 0 万吨的甲醇工厂、 4 5 万吨的氯乙烯工厂、3 4 万吨的低密度聚乙烯工厂、3 1 5 万吨的苯乙烯工厂、2 2 5 万 吨的异丙苯工厂等也将相继兴建。在大型装置中，为解决塔设备处理能力效率和压力 降之间的矛盾，塔设备的单台规模也随之增大，板式塔的直径1 0 米以上的己时有出现 ( 如某炼油厂的减压蒸馏塔塔径为1 2 2 米，并在酝酿设计1 8 米直径的塔) ，板数多达 上百块，塔高到8 0 余米，设备重量有几百吨( 塔重最大可为1 5 0 0 吨) 1 4 】；填料塔的 最大直径也有1 5 米的，塔高为1 0 0 米。近年来，由于出现了世界性的能源危机，从反 面暴露了单台设备大型化后带来的不容忽视的问题，即大型设备必须保证在全负荷下 长期连续开车，否则损失将是非常大的。这一问题，已使一些计划中的大型化工装置 缓建或停建【”j 。 在此期间，为了满足单台设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高弹性 等特殊要求，出现了众多的新型塔盘，但就其结构特点来说，基本上仍然是泡罩、筛 板、浮阀、舌型等几种典型塔型改进或它们的相互结合。其中，属泡罩型的有： 旋转泡罩塔盘 带有导流叶片的泡罩塔盘 扁平型泡罩塔盘 属筛板型的有： 林德筛板( l i n d es i e v et r a y ) m d 多降液管筛板( m u l t id o w n c o m e rs i e r et r a y ) 用多孔材料作为塔盘的网状筛板( h y f l u xt r a y ) 另外筛板可以平放也可以斜置，筛板上的孔形除了直圆孔外还发展了斜孔、针孔和 大孔径、双孔径等。 属浮阀型的有： 旋转浮阀塔盘 大连理工大学硕士学位论文 锥心浮阀塔盘( h y c o n t a c tv a l v et r a y ) 管式浮阀塔盘 长条形浮阀塔盘( k 2 a 型浮阀) 链网式浮阀塔盘( g r i dv a l v et r a y ) 带螺旋叶片的浮阀塔盘( s p i r a lv a l v et r a y ) 方形浮阀塔盘( s p e i c h i m ) 长方形错流式浮阀塔盘 属喷射型的有： 浮动喷射塔盘 浮动舌形塔盘 活动舌形塔盘 带垂直档板的舌形塔盘 片状喷射塔盘 带倾斜挡沫板的斜孔塔盘 网孔塔盘( p e r f o r m ) 旋流塔盘 t h o r m a n n 塔盘 属多种塔型复合类型的有： 泡罩与筛板 筛板与浮阀 筛板与舌形 双层浮阀 从整个塔盘的结构来说，无溢流装置的穿流式塔盘也有较多的发展，如： 穿流式栅板塔盘 穿流式筛板塔盘 双孔径穿流筛板塔盘 可调开孔率穿流式筛板塔盘 条形或圆形的浮阀穿流塔盘 穿流式旋叶塔盘 这一时期，新型填料也有了较快的发展。属于颗粒型填料的有海佐涅尔( h y d r i n y l ) 填料、c a s c a d e 环形填料、多角螺旋填料以及阶梯填料。属于规则填料的有苏采尔( s u l z e r p a c k i n ) 填料、重迭纱网波纹板填料、重迭式波形金属板填料、格利希栅格( g l i t c h s hg r i d ) 穿流栅板塔流体力学性能的研究 填料、格子填料、压延金属板填料、多孔金属板填料、塑料蜂窝填料、z 形格子填料 和p e r f o r m 喷射式填料等。此外，还有使用浮动小球湍动来强化传质的湍球塔型。 为了加强竞争能力，长期以来，各国都相继建立了技术专利的管理机构。在这些专 利中，新型塔盘及高效填料的开发工作，也占有一定的数量。从这里，可以看出各国 塔设备发展的方向，作为我们开展科研工作的参考。但是，进入七十年代以来，有关 塔设备传质理论和塔盘结构方面的文献，已不如以前那么多了。这一方面反映了基础 理论研究工作的进展放慢了。研究的成果表明，塔盘的效率并不取决于塔盘的结构， 而主要取决于所分离物系的性质，如相对挥发度、粘度、混合物的组份等。国外塔设 备研究已转向，在提高处理能力和简化结构的前提下，保持一定的操作弹性和适当的 压力降，并尽量提高塔盘的效率。至于新型填料的研究，则希望找到有利于气液分布 均匀、高效和制造方便的填料。 随着塔设备技术的发展，各工业国家还陆续制定了多种传质元件( 如泡罩、浮阀、 各种填料等) 及有关塔盘的制造、安装、验收标准和技术条件，以缩短塔设备的设计 周期和制造、安装时间，进而减少设备的投资。当然，盲目地乱套标准或是忽视标准 的修订工作，也会对技术发展起到阻碍作用。 我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。新中国成立以后，随着国民经济 的发展，逐步引进了一批现代化的石油化工装置。这些装置的引进为我国操作、使用、 设计这些设备，积累了大量的第一手材料，带动了国内塔设备科研设计工作的兴起， 促进了这方面的技术发展。 目前，我国常用的板式塔塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等几种，填料 种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及金属丝网填料、波纹填料等规则填料也常被采 用。近年来，我国还结合国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作。 除自行研究提出了斜孔塔外，对多降液管塔盘( m d 塔盘) 、导向筛板( l i n d e 筛板) 、 网孔筛板( p e r f o r m 塔盘) 等，也都做了较多的研究。其它如大孔径筛板、双孔径筛板、 可调开孔率穿流式筛板、浮阀筛板复合塔盘，以及喷杯塔盘( 国外叫杯形浮阀塔 盘) 、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型的流体力学性能、传质 性能和结构等方面的试验工作，也都进行了研究，有些已取得了一定的成果并在生产 上使用。 从塔设备的化工设计到结构、强度设计，在设计方面上，国内也在不断的改进，并 陆续引进了一些新方法和核心的规范标准。特别是由于电子计算机技术的发展，在化工 设计中，计算繁复的逐板计算法的结果，已能快速而方便地得到。在结构强度设计中，电 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 子计算机也可以把受载情况异常复杂的塔设备强度问题，逐项加以考虑，做出详细的计 算。目前正在考虑作塔设备最优化设计方面的工作，并有所进展。 1 2 塔设备的分类 1 2 1 板式塔 长期以来，人们围绕高效率、大通量、宽弹性、低压降的宗旨，对塔板的气液接触 元件和降液管的结构改进以及对塔内空间的利用等方面进行了大量的研究，开发了不少 于8 0 种的各种类型塔板n6 1 ，具有代表性的塔板有泡罩塔板、筛板、浮阀塔、喷射型塔 板、旋流塔板、多降液管塔板、穿流塔板和复合塔板等。其中既有国内自行开发的，也 有从国外引进的，但引进的一般只是硬件，设计方法仍主要为国内研究开发。 ( 1 ) 泡罩型塔板 泡罩塔的工业应用己有一百多年的历史n7 1 。是最早应用的板式塔。2 0 世纪5 0 年代 以前，在气液传质设备中占据主导地位。5 0 年代以后逐渐被浮阀塔、筛板塔代替。针对 泡罩塔压降大、通量小的弱点，7 0 年代以后，先后开发了高效率、低压降的伞型泡罩刚， s 型泡罩引。泡罩塔最大的优点是操作弹性大，抗污防塞，所以在一些特殊的场合还有 用武之地，例如，酒精生产中，缪液蒸馏塔，大多使用泡罩塔，可以防止发酵液中的固 体颗粒堵塞。 ( 2 ) 筛孔型塔板 筛板是结构最为简单的塔板之一。根据资料介绍早在2 0 世纪3 0 年代，在酿造工业 就已应用。在5 0 年代以前，筛板被认为操作弹性小，稳定差，工业上一直没有广泛的 应用。随着对筛板研究的深入，发现设计合理的筛板，其操作稳定性比设想的大。吉田 信之心0 i ，p r o c t e r 乜妇的试验研究表明，筛板塔比泡罩塔效率高1 5 ，通量可增加1 2 ， 压降可减少3 0 。筛板由于结构简单维修方便，造价低廉，又有较大的操作范围和较高 的效率，因此，到目前为止仍在生产上广泛应用。 ( 3 ) 浮阀塔板 圆盘形浮阀自从1 9 5 3 年开发后，证明具有操作弹性大，效率高等许多优点，很快 得到大量应用，其中以美国g 1 i t s t c h 公司推出的v 一1 型浮阀，应用最为广泛，国内称 之为f 一1 型浮阀。美国g 1 i t s c l ：公司同时还推出了v 一4 型浮阀，它与v l 型不同的是阀 孔为文丘里结构，以降低塔板阻力乜引。圆盘型浮阀自5 0 年代以来，尽管仍在工业生产 上广泛应用，但存在阀片易卡死或脱落的问题，影响塔的正常操作。8 0 年代末德国s t a h l 公司推出了一种高弹性浮阀塔板v a r i o f l e x - v a l v et r a y ，简称v v 塔板乜丑2 4 1 ，据介绍， 其操作弹性可达1 2 ：1 ，又确保阀片不会卡死或脱落。阀片中央开有由2 0 m m 的圆孔，阀 穿流栅板塔流体力学性能的研究 片升起之前，塔板开孔率由中2 0 r a m 的圆孔决定，当气量增大时，阀片开始升起，开孔率 增加，一直到阀片达到盖板。v v 塔板因有上述特点，故在低气速下效率仍较高，这是其 最大优点，并且随着通量的增加，效率曲线变化平缓幢钔。在结构上则比f 一1 型浮阀塔板 稍为复杂。 与圆盘形浮阀相对应，5 0 年代初，n u t t e r 瞵1 提出的条形浮阀经过改进后，证明性能 优良，在石油和化学工业中大量采用，被命名为奈特浮阀( n u t t e rv a l v e ) 。从结构上 来看，条形浮阀不会旋转而不易磨损，阀片不会卡死、脱落。由于条形浮阀的气体从两 侧喷出，不象圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体返混较弱，应有较高的效率。条 形浮阀在我国直到8 0 年代才引起重视，进行了研究船剐。研究表明，条形浮阀的效率、 弹性、通量均高于f - i 型浮阀，而且压降也较低。在国内除了对条形浮阀的性能进行研 究之外，还开发了多种形式的条形类浮阀，例如h t v 船型浮阀噜引、导向浮阀瞳刖、梯形导 向浮阀乜们和复合浮阀口叫等，这些条形阀各有特点，有的己在工业生产上大量应用。 另外，还有了一种介于浮阀与筛板之间的塔板，称为固定阀塔板或称梯形盖式塔板 o “1 ，固定阀略成梯形状，直接在板上冲压而成，与塔板是一个整体。塔板操作时，气体 从固定阀两侧水平喷出，并有一个向前的分速度，有利于减少雾沫夹带量和降低塔板上 液面梯度。从其结构看，固定阀的漏液下限气速应低于筛板。研究。坦州1 表明，固定阀塔 板的流体力学性能优于大孔径筛板。固定阀具有气体从水平喷出的优点，又没有可动部 分而降低了制造和维修费用，且可靠性大，雾沫夹带和漏液较筛板小，操作弹性较高， 是一种值得进一步研究和推广的塔板。 ( 4 ) 喷射型塔板 喷射型塔板有一个共同的特点是在喷射条件下，液体被气体撕裂，成为分散相，气 体为连续相。这种型式的塔板气相负荷高，塔板上液层薄而压降低。在生产上应用较为 广泛的有舌形塔板6 瑚3 、浮动舌形塔板口刀、网孔塔板汹删和斜孔塔板n 们等。 舌形塔板是舌形按一定方式排列，舌片由冲压成型，切口为孔口。舌形塔板具有结 构简单、塔板压降低、通量大的特点。其主要缺点是，塔板上的液体被舌孔气流不断加 速，停留时间短：气液喷流在塔壁遇阻形成了在溢流口上方的液滴浓集区，使雾沫央带 增大并妨碍降液管中气液分离：气量较小时易于漏液，这些都将导致传质效率下降。 浮舌塔板是6 0 年代初提出的，这种塔板把浮阀塔板和舌形塔板两者的结构巧妙地 结合起来，既有前者弹性大、效率高的长处，又有后者处理能力大、压降低的优点。这 种塔板的缺点是结构比较复杂。 大连理工大学硕士学位论文 网孔塔板是一种构思新颖的斜孔塔板，有两个显著特点：一是按一定方向成网状分 布的网孔，二是架设在塔板上互相平行的倾斜挡板。网孔塔板由金属薄板压延制成，没 有出口堰，但需要设有特殊型式的进堰，以阻止液体在塔板入口处的严重漏液。网孔塔 板具有以下优点： 网状分布的定向斜孔使气流动能得到合理利用，在塔板上建立喷射操作。在喷射条 件下，写浮阀塔板相比，气液负荷可提高3 0 - 4 0 ，压降则下降3 0 4 0 。 气液两相在流动方向上是“z 形曲折运动，产生强烈的湍动，相接触界面得到不断 更新。 由于设置了挡沫板，克服了喷射操作雾沫夹带过大的弊病，允许较小的板间距。 挡沫板本身也是一个有效的传质区，因此塔板上空间得到利用。 大型网孔塔板上的液体受到斜孔气流和挡沫板的约束，阻止了液体倒流、返混，保 证液体分布均匀。 网孔塔板直径不宜小于1 2 m 。因为在小塔内，塔板网状斜孔不易作“z ”形排布而 效果甚差，并且倾斜挡沫板的布置也较困难。网孔塔板的主要缺点是操作弹性较小( 一 般为2 3 ) 及网孔窄而较易堵塞。 斜孔塔板是我国7 0 年代创制的一种新型塔板，曾获得国家发明奖，与舌形塔板、 浮舌塔板不同。第一，每一排斜孔的开口方向一致并与液流方向垂直，但相邻两排斜孔 的开口方问相反：第二，与一般的喷射塔板不同，斜孔塔板设有出口堰，操作时塔板上 保持一定的液量，属于泡沫工况或泡沫与喷射的过渡工况。由于塔板上的斜孔开口方向 与液流方向垂直，避免液体在流动方向上被不断加速，相邻两排斜孔的开口方向相反， 使液体不会在塔板的一边积聚，塔板上的液层低而均匀。斜孔塔板的效率可高于浮阀塔 板，通量比浮阀塔板大2 0 - 4 0 ，干板压降低4 0 。由于雾沫夹带较少，可以采用较小的 板l e 足f i 。但低气速下则浅漏大于浮阀塔板。 新型垂直筛板“4 2 3 是另一种型式的喷射型塔板。罩筒底部与塔板留有缝隙，四周开 有筛孔，中间有一隔板把罩筒一分为二，以防止进入罩筒内的液体发生撞击。从下一块 塔板上升的气流经罩筒，把罩筒底部的液体拉成液膜，气液同时在罩筒内上升，然后从 筛孔水平喷出。由于气液在罩筒内外经过两次传质，传质效率较高：又由于气液水平喷 出，雾沫夹带较小，气速上限得以提高。我国对新型垂直筛板的性能进行了研究和改进， 在氯碱、化肥、制药工业中获得成功应用h 3 “1 。 并流喷射塔板h 5 - 删是在新型垂直筛板的基础上发展的一种塔板。罩筒分为提液管和 填料框两部分，其内部有装填料，气体带动液体并流经过填料层，然后从罩筒上部的填 料框水平方向喷出。气液在塔板上犹如经过一个个并流操作的小型填料塔，具有较高的 穿流栅板塔流体力学性能的研究 效率。由于填料框四周可供气液流通的面积较大，故其压降、雾沫夹带小于新型垂直筛 板，而通量较大。并流喷射塔板己在生产上获得成功的应用。 ( 5 ) 旋流塔板 旋流塔板是我国7 0 年代自行开发、应用广泛的一种喷射型塔板h 7 一引，由于结构特殊 而另列一节介绍。自板中央布液板到外周罩筒的环形区域，均布与板平面约成2 5 度的 叶片，使气流由下而上通过叶片间通道时，产生旋转运动：而液体流到布液板上均匀地 分配到各叶片，形成薄液层，并为气流分散成细滴，形成良好的气液接触：然后被离心 力甩到塔壁上，受重力下流，经集液槽、溢流管，导至下层塔板的布液板上。依上又进 行第二次气液接触、传质、传热。 旋流塔板除了属喷射型而压降低( 通常每板1 5 0 - 3 0 0 p a ) 外，由于离心力除雾及破泡， 而比一般塔板的处理能力大：还因气液流速大而不易堵。试验表明，其操作弹性范围为 设计值的4 0 到1 5 0 。即它具有负荷高、压降低、弹性宽、不易堵等特点。 旋流塔板经实验室及工业试验表明上述特点后，很快在小氮肥中推广、用于半水煤 气的脱硫、除尘、冷却、热水饱和( 水气接触传热、相变) 等。到8 0 年代初期，除大面 积地在小氮肥中应用外，还逐步用于中氮肥及其它行业，粗略统计己有几百家厂。据1 9 8 3 年已作过核算的十余家厂，应用旋流塔板后年节约数万至数十万元。1 9 8 4 年获国家发明 奖。此后仍继续进行基础研究及扩大应用范围 4 9 - 5 9 。 ( 6 ) 悬挂式降液管( 多降液管) 塔板 多降液管塔板是对传统塔板降液管结构最大的改进，1 9 6 4 年美国联合碳化物公司提 出了多降液管筛板( m u l t i p l ed o w n c o m e rs i e v et r a y ) 简称m d 筛板。这种塔板与一般 的弓形降液管不同，主要有两点：一是降液管悬挂在塔板间的气相空间而非浸没在塔板 上的液层中，二是采用多根矩形降液管。两相邻塔板之间，降液管旋转9 0 度。它有以 下优点： 没有受液区，增大了塔板上的鼓泡面积，有利于增大气通量； 溢流堰远长于其它型式的塔板，适合于液负荷大的情况： 由于溢流堰长，在液体负荷发生较大变化的时候，泡沫层高度能得到较好的控制， 操作稳定性好； 降液管可起到支承梁的作用，可节省其它支承结构。在塔的通量受液相负荷控制的 场合，例如高液气比的吸收、加压精馏等，m d 筛板优越性更加明显，比其它塔板的通量 可增加3 0 以上。 大连理工大学硕士学位论文 自1 9 7 4 年开始，国内对m d 筛板进行了研究，并成功地应用于合成氨厂的水洗塔和 氨水碳化塔删1 。在此基础上，对m d 筛板进行了改进，在塔板上增加了导流装置，使塔 板上液体停留时间分布较为均匀，提高了传质效率：增加了降液管的宽度，使塔板上降 液管的数目减少：根据不同的液量采用不同形式的降液管底孔，使操作弹性达到3 以上， 改进后的m d 筛板在国内称为d j ( d u oj i a n g ) 塔板，已在石油化工、化学工业中大量应用 6 3 8 4 n y e 塔板即是另外一种形式的悬挂式降液管塔板，传统塔板的降液管浸没在塔板上 的液层中，受液区不开孔，n e y 塔板的降液管悬挂在气相空间，降液管的底部用板封住， 底板上开有小孔，以供液体流下，塔板上的受液区因而可以开孔增大了塔板上的鼓泡 面积，使塔的通量可增大1 0 - 2 5 。n y e 塔板与m d 塔板的共同点是，两者均为悬挂式降 液管，区别在于，n y e 塔板仅使塔板受液区成为鼓泡区，可增大气体通量：m d 塔板是矩 形降液管，溢流堰长，可大大增加塔板的液通量。n y e 塔板最大的优点是对老塔改造在 较小改动的情况下，可达到增大通量的目的。 1 2 2 填料塔 填料塔与板式塔相比，具有压降低、效率高( 指单位高度的分离效果，下同) 、持液 量小的优点。进入2 0 世纪7 0 年代以来，填料塔技术得到了迅速的发展，在工业尘产上 得到大量的应用，改变了板式塔长期占主导地位的局面。填料塔主要包括塔填料和塔内 液体分布器。 ( 1 ) 塔填料 塔填料简称填料，归纳起来主要有四种类型：环型、鞍型、球型、规整填料。 我国对鲍尔环、阶梯环、矩鞍型、矩鞍环、波纹填料等进行了大量的研究呻6 刊，并在此 基础上开发出了网孔波纹板、压延孔波纹板、共扼环、改进矩鞍环、扁环等口嗍习新型填 料并获得了成功的应用。在众多的塔填料中，波纹规整填料、矩鞍环以其优良的综合性 能，在生产上应用最为广泛。 波纹规整填料 波纹规整填料