（化学工程专业论文）泡罩立体筛板性能研究.pdf

泡罩立体筛板性能研究 摘要 板式塔作为一种非常重要的气液传质设备，在化工、石油化工和炼油等生产中有着 举足轻重的作用。因此，在塔器技术中对板式塔的研究意义重大。本论文在阐述了国内 外新型塔板的结构特点及研究现状的基础上，自主研发了四种不同结构的泡罩立体筛 板，并对它的各项性能进行了测定。 本次实验分为两阶段。第一阶段，在1 0 0 0 m i n x4 0 0 m m 规格的有机玻璃塔中，对分 布在2 层塔板上的4 种塔盘以空气一水体系进行了冷模实验，测定了不同气液负荷下泡 罩立体筛板的干板压降、湿板压降、雾沫夹带、泄漏量等流体力学性能，进而从每一层 塔板上选出一种性能较好的塔盘；第二阶段，调整两块塔盘的开孔率、出口堰高度、泡 罩高度和底隙开孔率等4 个结构参数，在实现垂直筛板和泡罩塔盘的两个传质过程的同 时，考察其流体力学性能，并拓宽其操作弹性，最后得到了一种结构最优的泡罩立体筛 板。同时，在一定的液流强度下，将泡罩立体筛板和垂直筛板进行流体力学性能对比研 究，并在氧气一水一空气体系中，利用氧解吸法标定其单板效率，并将其与垂直筛板进 行对比。 实验结果表明，泡罩立体筛板结构新颖，四种不同结构的塔盘均有相近的流体力学 性能，b t s 1 比b t s 2 、3 、4 的综合性能要好一些，但压降仍需进一步降低。b t s 1 能在 比较宽的气相负荷范围内完全实现拉膜雾化鼓泡传质，其操作弹性大于3 ，可满足一般 工业设计负荷6 0 - - 1 2 0 变化范围的要求，最高操作弹性超过3 5 ，单板效率比垂直筛板 提高了约2 0 。通过对实验数据进行分析，回归得到了压降、雾沫夹带、漏液的模型公 式，为其工业应用提供了理论支撑。本文首次提出了泡罩塔盘和垂直筛板技术耦合和集 成的思想。笔者预计b t s 1 初步满足了工业设计的要求，在实际应用中会有更高的分离 效率和处理能力。 关键词：泡罩立体筛板，压降，雾沫夹带，泄漏，板效率，流体力学性能 s t u d yo np e r f o r m a n c eo fb u b b l e c a pt r i d i m e n s i o n a ls i e v et r a y s a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a l ，o i lr e f e r r i n ga n do t h e rp r o d u c t i o n ，p l a t ec o l u m na sav e r y i m p o r t a n tg a s - l i q u i dm a s st r a n s f e rh a sap i v o t a lr o l e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h ep l a t ec o l u m n i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nc o l u m nt e c h n o l o g y t h es t u d yh a si n d e p e n d e n td e v e l o p m e n tf o u r d i f f e r e n ts t r u c t u r eo fb t s ( b u b b l e - c a pt r i d i m e n s i o n a ls i e v et r a y ) o nt h e b a s i so fs t a t e m e n t a b o u tt h ed e s i g nf e a t u r eo fn e w s t y l et r a ya n dr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a di nt h i sp a p e r , a n dt h e i rv a r i o u sp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e d t h ee x p e r i m e n tw a sd i v i d e di n t ot w os t a g e s t h ef i r s ts t a g e ，i na10 0 0m i l l 4 0 0t o n i p l e x i g l a s sc o l u m n ，t h ef o u rk i n d so ft r a y sd i s t r i b u t e do ni t st w oe x p e r i m e n tb o a r d s ，t h ec o l d m o d e le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti na i r - w a t e rs y s t e m , a n dt h ed r yp l a t ep r e s s u r ed r o p ， w e t - p l a t ep r e s s u r ed r o p ，e n t r a i n m e n t ，w e e p i n ga n do t h e rh y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e sw e r e m e a s u r e da td i f f e r e n tg a s - l i q u i dl o a d ，a n dt h e no n et r a yb e i n go fg o o dp e r f o r m a n c ew a s e l e c t e df r o me a c hb o a r d t h es e c o n ds t a g e ，f o u rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r ea d j u s t e do ft h e s e l e c t e dt r a y , s u c ha st h et r a yo p e n i n gr a t i o ，t h ee x i tw e i rh e i g h t ，t h eb u b b l e - c a ph e i g h ta n d t h eb a s eg a po p e n i n gr a t i o t h et w om a s st r a n s f e rp r o c e s so fv s t ( v e r t i c a ls i e v et r a y ) a n d b u b b l e c a pt r a yw a sr e a l i z e d ，m e a n w h i l e ，t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew a se x a m i n e d ，i t s o p e r a t i n gf l e x i b i l i t yb r o a d e n , a n df i n a l l y t h e o p t i m i z e d b t ss t r u c t u r ew a sg a i n e d h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft w ok i n d so ft r a y sw e r ec o m p a r e du n d e rt h es a m el i q u i df l o w s t r e n g t h , t r a ye f f i c i e n c yw a sd e t e r m i n e dt h r o u g ht h em e t h o do fo x y g e n a d s o r p t i o ni n o x y g e n w a t e r - a i rs y s t e m ，a n di tw a sc o m p a r e d 诵t l lv s t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tb t sw a so fn o v e ls t r u c t u r e ，f o u rd i f f e r e n ts t r u c t u r eo f t r a y sh a v es i m i l a rh y d r o d y n a m i c s b t s lw a sp r o v e nt ob eab e t t e rt r a yi nt e r m so fo v e r a l l p e r f o r m a n c ec o m p a r e d 诵t hb t s 一2 ，3 ，4 ，b u ti t sp r e s s u r ed r o pa l s on e e dt ob ef u r t h e rr e d u c e d i th a sa ni m p o r t a n ti n s t r u c t i o nf u n c t i o nt ot h ea c t u a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h em e m b r a n e a t o m i z a t i o nb u b b l i n gm a s sw a sf u l l yr e a l i z e dw i t h i nr e l a t i v e l yw i d er a n g eo fg a sl o a d i n gb y t h eb t s l ，i t so p e r a t i n gf l e x i b i l i t yg r e a t e rt h a n3 ，w h i c hc o u l dm e e tr e q u i r e m e n t so fg e n e r a l i n d u s t r i a ld e s i g nl o a dr a n g e6 0 - - 12 0 ，t h em a x i m u mo p e r a t i n gf l e x i b i l i t ys u r p a s s3 5 ，t h e l t t r a ye f f i c i e n c yw a si m p r o v e db ya b o u t2 0 t h a nv s t t h ep l a t ep r e s s u r ed r o p ，e n t r a i n m e n t ， w e e p i n gw e r er e g r e s s e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , i th a sp r o v i d e dt h et h e o r ys u p p o r t f o ri t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l ep r o p o s e db t sa n dv s t t e c h n o l o g yc o u p l e da n d i n t e g r a t e dt h o u g h tf o rt h ef i r s tt i m e b t s 一1i n i t i a l l yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a l d e s i g n ，t h ea u t h o ri se x p e c t e dt ob eh i g h e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e si n i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：b u b b l e c a pt r i d i m e n s i o n a ls i e v et r a y , p r e s s u r ed r o p ，w e e p i n g ，e n t r a i n m e n t ，t r a y e f f i c i e n c y , h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 耋刍擎 指导教师签名： 秀碧迢 为膨怨 矽f 晦护钥17 日7 , o rq 年6 月夕e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：誊j 7 孚 2 , c , 1 哞占月，7 e l 西北大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，它可使气液或液液两 相之间进行紧密接触，从而达到相际传质和传热的目的。在能源、资源、环保、生物、 新材料等领域中占有很重要的地位，对化学工业的可持续发展具有十分重要的意义。 作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能够充分接触，以获得较高 的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求f l l ： ( 1 ) 生产能力大。在较大的气( 汽) 液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液 或液泛等破坏正常操作的现象。 ( 2 ) 操作稳定、弹性大。当塔设备的气( 汽) 液负荷量有较大的波动时，仍能够在 较高的传质效率进行稳定的操作，并且塔设备应保证能够长期连续操作。 ( 3 ) 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动 力消耗，以降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持 必要的真空度。 ( 4 ) 结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费 用。 ( 5 ) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅在某些 方面具有独到之处。人们对于高效率、大生产能力、稳定操作和低压降的追求，推动着 塔设备新结构型式的不断出现和发展。 塔设备主要可以分为连续微分接触式和逐级接触式两大类，前者以填料塔作为代 表，后者以板式塔为代表，广泛应用于精馏、蒸馏等气液传质过程。无论传质过程与形 式如何变化，提高传质效率的本质就是在一定塔体空间内最大限度的提高相际接触面 积，为气液接触提供更多的机会，并尽可能减少压降。普遍认为，在一些场合下，填料 塔有压力降小的突出优点，但是填料的造价普遍较高，并且对初始分布较为敏感，在液 相负荷较小时，传质效果急剧下降，当液相负荷较大时，容易产生液泛。设计良好的板 式塔则具有大得多的操作范围。对于常压和加压物系，特别是大塔径、侧线出料时板式 】 第一章绪论 塔有较大的优势。因此，对板式塔的研究开发在塔器技术中占有举足轻重的作用。 近年来，大量的研究发现，新型组合型塔盘在精馏装置中的应用越来越普遍，今后 也是工作者重点研究的方向之一。2 0 0 7 年西安思瑞迪精馏公司与西北大学联合开发的泡 罩立体筛板，具有垂直筛板和泡罩塔盘的双重传质作用。本文对其流体力学性能和传质 性能在不同的结构参数下进行了实验研究，为工业应用提供了初步的设计依据。 1 2 塔器的发展 1 2 1 塔设备的作用 表1 - 1 各类工艺设备所占投资比例 t a b l e1 - 1v a r i o u st y p e so fp r o c e s se q u i p m e n tf o rt h ei n v e s t m e n tr a t i o 塔器技术是一套综合技术，包括先进的理论、工艺的优化、设备的强化、先进的设 计、安装的稳妥、控制的精确、操作的准确等诸多方面。在化工厂、石油化工厂、炼油 厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三 废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响，是其不可少的设备之一。可在塔设备 中完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸、萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气 体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。据有关资料的报 道，塔设备的投资费用占整个设备的投资费用很大的比例【2 】( 见表1 1 ) 。因此，塔设备 的研究和设计，受到了化工，炼油等行业的极大重视。 2 西北大学硕士学位论文 1 2 2 塔设备的分类 塔设备经过长期发展，形成了各式各样的结构，以满足各方面的特殊需求。为了方 便比较和研究，研究者分别从不同的角度对塔设备进行分类。根据单元操作可分为吸收 塔、解吸塔、精馏塔、萃取塔、干燥塔和反应塔；根据操作压力可分为减压塔、常压塔 和加压塔；根据形成相际接触界面的方式可分为具有固定相界面的塔和流动中形成相界 面的塔；亦可根据塔釜型式进行分类的，但此种方法不常见。从塔设备的发展历程来看， 最常用的是根据塔内件的结构进行分类，主要分为板式塔和填料塔两大类。 尽管从上个世纪7 0 年代开始，高效规整填料在工业上的成功应用改变了精馏塔设 备长期以来以板式塔为主的状况，但板式塔因其设计方便、准确，安全系数可取的更小， 操作范围大，对各种物系适应性很强，易于清洗和检修等优点。在工业应用上，板式塔 仍占有一定的优势。板式塔是分级接触型的气液传质设备，气体主要以鼓泡或者喷射的 形式穿过塔盘上的液层使两相进行接触传质，两相的组分浓度随塔高呈现阶梯式变化。 根据目前国内外在工业上的实际使用情况，主要塔型有筛孔型塔盘、浮阀型塔盘、泡罩 型塔盘和喷射型塔盘。板式塔作为重要的气液传质设备一直受到重视，这批新型塔盘的 出现，不仅为设计综合性能更好的新塔型提供了思路，而且为以后设备的大型化及选择 塔型指明了方向。在此期间，许多研究者总结了塔设备长期的操作经验，并对泡罩塔进 行了系统研究，其发展速度最快，由表1 2 可知 2 1 ，泡罩塔板在液量、操作弹性、价格、 可靠性方面都很优越，尤其在操作弹性上，泡罩塔盘有其独特的优越性。 表1 - 2 各种塔板的比较 t a b l e l - 2 c o m p a r i s o no f v a r i o u st r a y s 1 2 3 塔板的研究进展 泡罩塔是1 8 1 3 年c e l l i e r 提出来的3 1 ，从1 8 3 2 年开始用于酿酒工业，是出现较早的 并且获得了广泛应用的一种塔型。其经过近2 0 0 年的不断改进和创新，在板式塔发展史 3 第一章绪论 上起了重要作用。泡罩塔技术成熟，操作稳定，操作弹性较大，加之塔板上液层较高， 两相接触时间较长，因此板效率较高。它在化工生产中一直占有重要的地位。 2 0 世纪初期，随着炼油工业的不断发展和石油化学工业的迅速兴起，塔设备开始广 泛应用，并积累了关于设计、制造、安装、操作等方面的相关数据和经验。当时，泡罩 塔广泛应用于炼油工业上，而筛板塔因为没有准确的设计方法和操作经验，所以未能被 普遍使用。 2 0 世纪中期，为了适应大量的化工产品的生产和发展需求，不仅要建立大量的新塔， 而且还需要对原来的塔进行相关技术改造，从而出现了一大批能适应各方面生产需求的 新塔型。这一阶段发展的新塔盘有如下： 1 泡罩型 ( 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。 2 筛板型 ( 1 ) 有溢流的栅板塔盘 ( 2 ) 波纹筛板塔盘( r i p p l et r a y ) 3 浮阀型 ( 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 v l et r a y ) ( 3 ) a 型和t 型的圆盘形浮阀塔盘( f l e x i t r a y ) 4 喷射型 ( 1 ) 文丘里阶梯式塔盘( b e n t u r ik a s k a d et r a y ) ( 2 ) 条孔网状塔盘( k i t t dt r a y ) ( 3 ) 舌形塔盘( j e tt r a y ) ( 4 ) 导向浮阀塔盘( 1 i n d es i e v et r a y ) 从2 0 世纪6 0 年代起，化肥和石油化工的生产，在能源的综合利用方面提高到了一 个新水平，从而带动整个炼油工业向大型化迅速发展。根据有关资料报道，炼油装置的 年处理能力也达到1 0 0 0 万吨，年产6 0 - - 9 0 万吨的乙烯厂、6 0 万吨的甲醇化工厂、4 5 万吨的氯乙烯厂等等，也相继兴建。直径在1 0 m 以上的板式塔经常出现( 如某炼油厂的 4 西北大学硕士学位论文 减压蒸馏塔塔径为1 2 2 m ，并在酝酿设计1 8 m 直径的塔) ，塔板数量多达上百块，塔高 达到8 0 多米，设备重量上了几百吨。在此期间，为了适应塔设备大型化和工艺上提出 的减压、高压、高弹性等的要求，许多新型塔盘相继出现了，但是按其结构特点来分， 仍属于泡罩塔盘、筛板塔盘、浮阀塔盘等几种典型塔型的改进或者相互结合。 进入2 0 世纪7 0 年代后，有关塔设备传质理论和塔盘结构方面的研究已不如以前那么 多了，这体现了对塔设备基础理论研究工作的进度放慢了，同时也表明人们通过实践接 受了h a a n e k c a n n p o b 的观点：当负荷达到最高负荷的8 5 时，所有不同结构的塔盘， 其效率大致是相同的。研究结果表明，塔盘的效率并不取决于塔盘的结构，而主要取决 于物系的性质，如相对挥发度、黏度、混合物的组成等。国外塔设备的发展趋势已转向 “要求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降，并 尽量提高塔板的效率。随着塔器设备技术的发展，各工业国家还相继制定了多种气液接 触元件和有关塔盘制造、安装、验收的标准、规范和技术条件等等，用来保证塔设备运 行的质量以及缩短其制造、安装周期，进而减少设备的投资费用。当然，盲目地套用标 准或是忽视标准等的修订工作，也对塔器技术的发展起了阻碍作用。 近几十年，国外塔板技术有了显著的进步，相继推出了一系列新板型，如德国s t a h l 公司研发的高弹性浮阀塔板v a r i o f l e x v a l v e t r a y 【4 】以及一种带金属薄片传质元件的复合 塔盘f 5 1 ；日本三井造船社研发的新型垂直筛板( n e wv s t ) ；美国u o p 公司的v g m dt r a y 、 e c m dt r a y 和m ut r a y ( 多升液管萃取筛板塔) 6 - 9 、k o c h g l i t s c h 公司的m a xf r a c t r a y 、 s u p e rf r a ct r a y 、b i f r a ct r a y 、n y et r a y 、u l t r a f r a ct r a y 和g e m p a k t l o 1 3 】；f r i 公司的m v g t r a y t l 4 】；匈牙利一家制药工程公司对新型n u t t e rv a l v et r a y 1 5 】和v i b r a t i n g v a l v et r a y 1 6 】的研 究；英国诺丁汉大学开发的f l o wc o n t r o lt r a y 1 7 1 ；加拿大阿尔伯塔大学研究的s p t r a y l l 8 】； s h e l l 公司的研发s h e l l sc o n s e pt r a y 1 9 , 2 0 l ；s u l z e r 公司研发的v o r t e xt r a y 2 1 】；j a e g e r 公司 研发的c o f l ot r a y 5 】；俄罗斯先后开发了新型气相分流式塔盘、斜孔喷射塔盘、补偿并 流浮阀塔盘、冲压纹板喷射塔盘和新型高速旋转并流喷射塔盘【冽。还有其他公司开发的 t - b ys i e v et r a y 等。到目前为止，我国常用的板式塔仍是泡罩塔盘、浮阀塔盘、筛板塔盘 和舌形塔盘。国内开发了网孔型塔板、并流喷射型塔板、梯形立体喷射型塔板( c t s t ) 、 旋流塔板 2 3 , 2 4 1 以及各种形式的组合型塔盘等。如：泽华公司的a d v 塔盘技术；河北工 业大学的垂直筛板技术；浙江工业大学的d j 塔盘技术；华东理工大学的导向浮阀技术； 5 第一章绪论 还有西安思瑞迪精馏公司的3 d 塔盘技术等等，这一切都显示出板式塔在我国发展中的 强劲势头。下面对几种典型的新型塔盘作详细的介绍。 ( 1 ) 圆形浮阀 圆形浮阀塔板从2 0 世纪5 0 年代由美国g l i t s c h ：坠司得到开发和应用，主要包括以下几 种型号：v 型、a 型、t 型( 十字架浮阀) ，由于浮阀与塔盘板之间的流通面积能自动调 节因而在较宽的气体负荷范围内均能保持稳定操作。其中以v _ l 型塔板应用最为广泛， 它有轻阀、重阀之分。我国参照国外v l 型浮阀塔板的标准，进行了系统研究，自行开 发出f l 型浮阀嘲，6 0 年代在国内迅速推广，在炼油、化工中使用最普遍，大家对其性能 掌握比较完成，最早于1 9 6 8 年将f l 型浮阀确定为部颁标准，后分别在1 9 8 1 年幕1 2 0 0 1 年进 行修订，目前适用标璀b t 1 1 1 8 - 2 0 0 1 ) ，且已具备较成熟的使用经验。 如图1 1 所示，f l 型浮阀塔板由于具有浮动部件，因此它具备以下几个方面的优点： 浮阀与塔板之日j 流通面积能随气体负荷的变动自行调节，操作气体负荷弹性较大： 气体以“水平”方向吹出，气液接触时间较长，雾沫夹带少，液面落差小；结构简单， 制造安装方便，节省材料；传质效率高。从而被广泛应用于石油和化学工业中。但是， 随着塔器技术的不断进步，发现f 1 型浮阀塔板存在一些缺点，主要有：无导向功能； 液相梯度较大：存在液体滞止区：液体返混较大； 阀孔易磨损，阀片易脱落， 不仅影响塔盘性能，而目增加检修t 作最。 皇一枣 图1 - 1f l 型浮阀图1 - 2a d v 微分浮阀目i - 33 d 浮阀 f 唾l 一1 f iv a l v e ) r a y f i g 1 0 a d vv a h e t r a y 耶9 1 - 33 d v a l v e t r a y 山北京洋华公司研究开发出的a d v 微分浮阀口6 。2 7 1 ，如图1 - 2 所示这种浮阀在浮阀 顶部开小阀孔，充分利用塔盘上方的传质空间，使气液接触更加充分。局部采用带有导 向作用的微分浮阀，提高气液接触的均匀度。采用鼓泡促进器改进了降液管结构，增加 了塔盘| 1 勺处理能力年u 提高了传质效率。脚阀采用了新的结构设计，使浮阀不易旋转、脱 落。与之配套的还有进n 鼓泡设施强化传质，插入式塔板搭接可在其上布阀，从而可在 6 日北太学研学位论史 整个鼓泡区域内均匀布阀，塔板操作弹性大幅度提高了，这无疑提高了塔扳的整体传质 效果。此外，a d v 微分浮阀安装简便，明显缩短了施工周期，在对常压和加压f 操作的 塔的改造中均获得了成功应用。 近年来，楮雅志开发了3 d 系n 浮n t 2 8 驯，它的设计亮点是分层次多方位鼓泡，并 获得了实用新型专利。其结构如图1 - 3 所示，主要特征为：3 d 圆阀塔板与f 1 浮阀塔 扳不仅具有相同的浮阀和阀孔尺寸，而且周边还设有气体导流片，u t 使通过浮阀的气体 分流分层次多方位进入液体。阀盖上开有3 个向下冲压的导向孔，充分利用浮阀上面 的传质空问，具有很好的导流作用。3 d 圆阀周边的导流片和阀顶导向孔的低位设计 可显著提高单位开孔面积的气液接触周边，同时减少了雾沫夹带量。阀腿的不对称设 计可以使浮阎开启自如，浮动平稳，避免了f 1 浮阀的转动，不会脱落。实验结粜表明： 3 d 圆阀塔板比传统f i 浮阀塔板的塔扳效率提高5 1 5 ，塔板压降约低1 0 0 p a ，泄漏 量和雾沫夹带量少，足一种综合性能优良的新型浮阀塔板。 ( 2 1 导向浮阀 图1 4 导向浮阀塔盘凹1 - 5 导向梯形浮阔 f 噜1 4d i r 髑t e d v a l v ef i g 1 - 5g u i d a n c e t r a p e z o i d a l f l o a t v a l v e 导向浮阈塔板【”i 是对f 一1 型浮阀塔板的改进，由华东理工大学开发并获国家专利。 其结构如图1 - 4 所示，在条阎阀面上开一个或两个导向孔，以发挥气流推液的作用，由 于导向孔的设置，导向浮阀具有较小的液面梯度、塔板上液相返混较小且可消除塔板上 液体滞流区。对于加压或者常压操作条件下的精馏、吸收、汽提等传质操作，用导向浮 阀代替f 1 型浮阀塔板，可获得显著的经济效益。例如，吉化公司电石厂原生产能力为35 万吨，年工业级醋酸，改造后采用了导向浮阀塔板，与原来的塔板相比，该装置的生产能 力达n 52 万吨年，年经济效益3 0 0 0 万元咀上，产品质量由工h k 级提高到化学试剂绒。 沓。嚣 第一章绪论 导向梯形浮n e 3 1 】是是由天津大学国家重点实验室开发的一种新型塔板。其结构如图 1 5 所示。该塔板结合了v 型栅板、导向筛板、条形浮阀塔板和固舌塔板的结构优点， 它采用梯形阀片，两端设有阀腿。在操作过程中，气体具有向前的分速度和垂直于塔板 上液流方向的分速度，对塔板上的液体起一定的导向推动作用，从而减小板上的液面梯 度；浮阀上设有导向孔，导向孔的开口方向与板上液流方向一致。此结构可以加速塔板 两侧的弓形区域内的液体流动，从而可消除塔板上的液体滞止区。与f 1 浮阀相比，导 向梯形浮阀具有以下优点：不易卡死和脱落，不对称结构不易装错方向，安装简便； 独特的液流推动机理大大降低塔板上液面梯度和液相返混程度；干板压降和总板压 降大大降低；漏液下限大大降低；雾沫夹带量小；板上清液层高度降低；操作 弹性和稳定性提高；抗堵塞性能增强；传质性能提高。 ( 3 ) 条形浮阀 l 1 型条阀3 2 , 3 3 1 塔板是由洛阳石化工程公司于1 9 8 5 年研制开发的一种优秀塔板，该 塔板的结构与b d p 条阀塔板相近，如图1 - 6 所示。它的活动部件为长方形浮阀，两边设 阀腿，长边为气体通道。此种条阀塔板的阀体采用错排形式，气液流动互相垂直，返混 程度明显减小。阀体的合理结构及排列形式，以充分利用气液相能量之间的转换，强化 传质过程，并造成良好的流体力学性能。该成果是用于炼油厂分馏塔的一种高能力、高 效率塔板，在洛阳石油化工工程公司炼油厂、广州石化总厂炼油厂和济南炼油厂应用效 果显著。 锯齿边窄条阀s t v 【3 4 】的结构特点如图1 7 所示。周边是锯齿形结构，这样的特殊结 构使得开孔面积相同的阀，其周边长度大大增长。而且窄条阀本身具有较大的长宽比， 其周长进一步增长，相同情况下，周长比f 1 浮阀增) j 1 3 0 以上，周边越长，鼓出的气泡 更加细化，因此大大增加了气液接触面积，使得整个板的传质效率大大提高。此外还具 有以下几个方面的特点：两条腿长度不同，气体喷出时阀是斜向开启的，加之长腿开 有导向孔，使得导向作用更加显著，同时可以减少板上的液面梯度；窄条阀为细长矩 形，气体从浮阀的两侧流出，这样明显的减少了液体的返混，而且阀顶开有“天窗”， 可以消除滞流死区；由于条阀在操作中不能转动，浮阀无磨损，不脱落。所以，锯齿 边窄条阀塔盘有着极高的处理能力和分离效率，同时还具有低压降的优点。尤其在工业 生产中需要提高塔设备的处理能力、降低全塔压降和低能消耗的要求下，锯齿边窄条阀 8 西北太学硕学位论文 具有优越的性能 宫铲 圈1 石l l 型呆阍结构图l - 7s t v 浮阀 f i g 1 - - 6 n u t t e r f l o a tv a l v e t r a yo f l l f i 9 1 - 7 盯v f l o a t v a l v e ( 4 1 m d 型塔板 多降液管筛板( m u l t i p l e d o w n c o m e r s s i e v e t r a y ) ，简称m d 板p 5 4 1 ，由美国联合碳化 物公司在2 0 世纪6 0 年代开发。其结构特点如图1 - 8 所示：塔板上设有多根矩形降液管， 且降液管悬挂在气相空间，而不是浸没在塔板上的液层中，使得降液管下方也能设置浮 阀或筛板，提高了开孔率，同时也降低了压降；出口堰的总长远远大于一般塔板。适 合液体负荷大的操作； 每相邻两板的降液管相互成9 0 度排列：液流流程短，不存在 塔板上液层高度不均的问题，雾沫央带大大减少。其缺点是：液体在塔板上流程短， 停留时问相应缩短，单块塔板效率低：要使每个降液管液体分布均匀较难。以m d 板 代替常规板，取消了受液盘，处理量可提高1 5 左右。由于m d 塔盘具有高通量低压降 的独特优点，在工业上迅速得到广泛应用。 囤 图1 4 tm d 型塔板图1 - 9d j 塔盘 f i g 1 8m d t r a yf i g 1 9 d j i r a ( 5 1 d j 塔板 2 0 世纪7 0 年代初期，浙江工业大学针对m d 塔盘在液流分布及传质效率方面存在 9 的不足，着重在基础理论和改善结构等方面做了一系列研究，在8 0 年代末开发形成了 具有我国特色的d j 系列塔盘( 图1 9 ) 删。己在工业上获得成功应用的d j 板有三种型 号：d j 2 1 型、d 1 2 2 型和d j 2 3 型塔板。d j 系列塔板具有板间距小、板压降低、通量大、 操作稳定、气液分布好，而且具有再分布能力，尤其适用于高气液操作和加压操作的气 液传质过程。该塔盘已在石油化工、化学工业中大量应用。 ( 6 ) 导向筛板 这是由美国u n i o nc a r b i d e 公司的l i n d e 子公司于2 0 世纪6 0 年代初首创的塔板( 见 图1 - 1 0 ) ，它是在普通的筛板基础上作出了2 点改进。在塔板上开设了一定量的导向 孔，开孔方向与液流方向一致，故由孔喷出的气流可以推动液流。在液体进口区域增 加了斜面鼓泡装置，这样增加了传质区域，亦使得塔板上液面落差减少，液层厚度分配 较均匀，减少了塔板压力降，同时可以提高气速而雾沫夹带并没有增大。总体来说它具 有低的塔板压降、大的气相负荷能力及良好的传质效率等优点。北京化工大学对此板进 行了长期大量的研究岬“i ，已经基本上掌握了它的性能与结构参数，并从1 9 7 6 年起对 兰化合成橡胶厂乙苯一苯乙烯分离塔( 浮阀塔) 用此板进行改造，经过多年连续稳定生 产的考验，证明各项主要技术经济指标都十分接近国外同类塔的水平。目前已经有上百 套导向筛板塔在工业上运行。 謦 图1 1 0 导向筛板塔盘 囤1 - 1 1 舌形塔板 脚1 1 0 l i a d es i e v e t 。_ ， f i g 1 - 1 1 1 e t t r a y ( 7 ) 舌形塔板 浮动舌形塔盘是兰州炼油机械研究所于1 9 7 1 年开始研制的塔型1 4 1 4 2 1 ，其结构如图 1 - 1 1 所示：采用浮动喷射和固定舌形塔盘的气液并流特点，气相将液相分散传质的喷射 型塔板，它不仅具有处理能力大、压降低的优点，还吸收了浮阀能随气速变化而自动调 节的特点，克服了固舌扳操作弹性太小的缺点。由于浮舌孔交错排列，使得比浮喷塔板 1 0 西北大学硕士学位论文 因呈现片状喷射使流体相互叠加、相互制约的现象有一定的改善，塔板效率较好，再加 上，由于舌片的灵活浮动及舌片转角( 最大为2 0 度) 的限制，使其漏液及雾沫夹带量 都较小，这也是我国自行开发的新塔板。1 9 7 5 年在独山子炼油厂直径6 4 0 0 m m 减压塔 中替换原来的固舌及部分浮喷塔板后，处理能力提高了三分之一，操作弹性与板效率都 有所提高，压力降也有所减少，经过1 6 个月运行操作，一直比较稳定。该板还在直径 1 9 8 0 m m 裂化粗柴油复分馏塔应用后，也证明其性能良好，目前在工业生产中已经得到 了一定的应用。 ( 8 ) t r i t o n 塔板 t r i t o nt r a y 4 3 】是加拿大n o r t o n 公司推出的新一代处理能力大的塔盘，外形结构和通 用的f l 型浮阀塔板基本一致( 如图1 1 2 ) 。其结构特点是：塔板上的浮阀按一定的规律 排列，同一塔盘上安装两种不同质量的浮阀，还装有一种专利阀来优化塔板上的鼓泡和 液体流动，既能增大塔板的鼓泡区，并能使气相分布均匀且有效的抑制喷射液泛的发生。 此外，t r i t o n 塔板兼有运动阀和固定阀的优点，减少阀的磨损，维修工作量小，并配合 有特殊设计的斜截降液管，底部高于降液区的板面，可使得在低气速下塔板上的气液接 触更为充分合理，操作弹性范围更宽，性能更好。即使提高了处理能力，专利阀仍能使 液流均匀地横越整个鼓泡区。此种塔盘在提高传质效率的同时，还可使处理能力比标准 浮阀塔板提高4 5 。某炼油厂烷基化装置脱异丁烷塔改造采用t r i t o n 塔盘，整塔的处理 能力和分离效率均有明显提高。 拶 图1 1 2t r i t o n 塔板 f i g 1 1 2 t r i t o nt r a y ( 9 ) 新型垂直筛板( n e wv s t ) 1 9 6 8 年前后，日本三井株式会社开发了垂直筛板技术，其气相连续、液相分散，具 第章绪论 有处理能力大、n 三降低等优点，很快被应用到化工生产领域中，为以后的塔板研究开辟 了一片新天地，至1 9 8 3 年，仅在阿本就建立了2 0 0 多座这样的塔型i 叫。以n e wv s t 为 基础开发的矩形喷射塔板c 4 5 】、喷射式并流填科塔板( 简称j c p t ) 【“】在某些性能上都有 所改善。我国2 0 世纪8 0 年代初期开始对其性能与结构进行研究( 圈1 - 1 3 ) ，9 0 年代加快 了工业推广应用，取得了_ - 定的成果。新型垂直筛板与通常在泡沫状态下操作的板式塔 喃根本区别。新型垂宜筛板的结构能使塔盘上的汽液流动与接触状况发生根本性的变化 ( 图1 - 1 4 ) 4 7 , 4 8 1 。 新型垂直筛板塔板目前已在国内诸多蒸馏( 精馏) 、吸收及热交换等单元操作塔中 替换改造浮阀、泡罩、s 型泡罩、筛板及拉西环填料塔取得成功，行业涉及聚氯乙烯、 化肥、制药等，尤其是在聚氯乙烯行业的成功应用，引起不少厂家的兴趣。可望在石油 化工、炼油、煤化工等领域推广应用【”蜘。 叼嚣 圈i - 1 3n e w v s t 塔板 f i g 1 - 1 3n e w v s t p a y ( 1 0 ) c t s t 立体传质塔板 图l - 1 4 新型垂直筛板传质模拟过程 f 嘻l 一1 4 m a t r a n s f e rs i m u h f i o np r o c e s s o f n e w v s t 立体传质塔板c t s t 1 由河北工业大学化学工程研究所研发的，并已获得国家专利。 如图1 - 1 5 所示，立体传质塔盘豹特点主要体现在结构独特的梯形喷射犟。气渡流动接 触呈现喷射状态，采取并流接触形式。帽罩内气液两相处于湍流状态进行激烈的传质交 换，之后气液混合流从罩壁的小孔沿水平方向喷射而出，气相和液滴在板上空阃翻腾并 分离后，气相上升到上层塔板，液相回落到塔板上，其中一部分再次被拉膜、破碎，其 余部分随着板上流液进入下一排帽罩或者迂回于罩筒之间，最后经降液管流到下一层塔 板，c t s t 塔板最大的优势是其具有很高的操作弹性。 图l - 1 5c t s t 立体传质塔板图1 一1 6 泡罩立体塔盘传质原理 f 嘻1 1 sc t s t t r a yf 堙1 - 1 6m a s s t r a n s f e r p r i n c 砸ko f b t s ( 1 1 1 泡罩立体筛板 2 0 0 7 年由西安思瑞迪精馏工程公司和西北大学联合开发的泡罩立体筛板，具有垂直 筛板和泡罩塔盘的双重传质作用 。h 1 ，其传质原理如图1 一1 6 所示：随着气体在梯形气 管内的上升，通道变窄，流速增大，雾化效果加剧，通过升气管项部格栅条孔进入升气 管外侧泡罩通道，仍以雾化状态延续传质过程，晟后通过斜面泡犟下部的细缝鼓泡传质 可使气体很好的分散在液相中，从而实现了喷射和鼓泡的双重的传质作用，该结构还可 以在板式塔板问距之间设置填料或者催化剂，将板式塔和填料塔进行复合，这样充分利 用了塔板间的空间，改善了塔内的气液分布，对催化精馏过程也有着很好的工业指导作 用，应用前景十分广阔。由于其传质效率大幅度提高，塔盘数减少，对于板效率较低的 工况效果就更加显著，应用于像醋酸这样高腐蚀性的工况，节约贵金属，效益就十分可 观了。 泡罩立体塔盘与垂直筛扳和泡罩塔盘结构上最大的不同在于升气管和泡罩是斜面 的这种特有的结构比普通垂直面泡罩分散气体的范围更为宽广。下面是气液接触传质 的整个过