喷射塔板研究综述.doc

喷射塔板研究进展摘要: 本文对国内外喷射塔板的现状和发展趋势进行综述。介绍了各种喷射塔板的结构特点，通过对各种塔板的流体力学和传质性能的分析，比较不同结构塔板各自的优缺点。关键词: 喷射塔板，流体力学，传质性能The development of Spray TrayWu Yongsheng, Wang Weide, Wei Yingying, Hong Mei, Yan Fang, Jiao Guangxia(College of Chemical Engineering Huaqiao University Xiamen 361021)Abstract: This paper tray status at home and abroad injection and trends reviewed. Describes the structural characteristics of various spray tray, Through a variety of tray hydrodynamics and mass transfer performance analysis, Compare their respective advantages and disadvantages of different structures tray.Key words: spray tray, hydrodynamics, mass transfer performance1 前言传统的泡罩类、筛孔类和浮阀类塔板，尽管其结构有各种差异，但是塔板上气液两相都是以错流方式相遇或者接触，两相的流体力学工况属于泡沫鼓泡类型。而喷射型塔板的出现，使得气液两相并流增大了气体负荷，强化了两相的接触1 ，实现了现代工业分离对高效、低阻、大通量的要求，在国际上受到广泛的重视。同时标志着塔板技术从传统的泡沫鼓泡操作到更为广阔的喷雾液滴的工况领域。虽然，人们也逐渐认识到喷射塔板有很好的传质分离效率，但是由于实现喷射并稳定的条件较难达到，或者制造成本等原因，也使得喷射塔板在很大程度上受到限制2 。2 国内外喷射塔板研究现状2.1 早期的喷射塔板2.1.1 固定的舌形塔板固定的舌形塔板是早期出现的喷射塔板之一，具有结构简单以及塔板压降低、负荷能力大良好性能。1957年经美国ESSO公司启用后，工业应用迅速扩大。1960年国际精馏会议宣布，当时已经有300多台精馏塔采用舌形塔板，广泛用于常减压原油分馏装置和脱丙烷等炼制工艺3。据称，与圆形泡罩塔板相比，舌形塔板可以节省投资12%50%。舌形塔板可以直接用金属板材冲制，耗材量仅泡罩塔的一半，制作简便，造价低廉（图1）。2.1.2 浮动的舌形塔板浮动的舌形塔板出现于20世纪60年代，是一种衍生构型。他巧妙的融合了浮阀板和舌形板的结构，优势互补，既有前者的弹性大、效率高、操作稳定的长处，又有后者塔板压降低、处理能力大的优点，在当时被誉为最佳塔板型之一3。 浮动的舌形塔板的构型分为美式构型和俄式构型，其中美式构型浮舌前部有三条长支脚，后部有一条短支脚，四条支脚都别在舌孔内以限定舌片浮动时的开度和张角。前苏联标准OCT16452-70公布的浮舌构型（如图2）。这实际上是具有长、短支脚的舌片，前部的两条长腿别在舌孔内，短腿插入并别在另开的孔中。在塔板上舌孔按错位排布，排距为50mm，孔距80mm，开孔率范围10%16%，有效操作区比率为60%80%，堰径比通常取0.70.8，舌片用2mm的合金钢冲制，单重不超过36g。2.1.3 网孔塔板网孔塔板（Perform-Kontaboden）4是一种构思新颖的斜喷型塔板，1969年前欧洲出现后，备受国际化工关注，日本迅速引进了这项技术，不少国家继续再研究工作。经历40年后的今天，网孔塔板仍是具有重要影响的塔板之一，广泛应用于石油炼制、芳烃分离、有机原料精致以及空气冷却等各种工艺过程中。其结构有两个显著特点：一是按照一定方向，呈网状分部的斜孔（网孔）；二是架在塔板上，互相平行的倾斜挡沫板（如图3）。网孔塔板不设出口堰，但需有特殊型式的进口堰，以克服液流在塔板入口处的严重漏液。板上气液两相流动工况属典型的喷雾液滴型。实践表明，网孔塔板具有明显的压降低、气液负荷大、液沫夹带小、能充分利用传质空间等特点被广泛应用。此外，还有双溢流网孔塔板5 ，谢依曼塔板等都是非常优秀的喷射型塔板。2.2 现阶段的喷射塔板2.2.1 新型舌形塔板 带垂直挡板的舌形塔板2 是一种新型的舌形塔板（如图4），其板面上冲有若干半径为1525mm的半圆行舌片，舌片的张角为20o40o。开孔率通常取15%，改变舌孔数目、半径和张角都可以用来调节塔板的开孔率。其舌片开口方向与液流一致，这样可以液相不断加速形成“三角喷射”，而且挡板可以限制塔板上液流速度，保持一定液流量，增加两相接触时间，减少液体的返混和雾沫夹带等。但是，这种结构也造成中央区域与两侧弓形区域液流停留时间不均衡，中央过滤，两侧缓滞，造成效率的降低。 此外，还有纵向挡板的舌形塔板，装有接触式破沫器的舌形塔板，带有喷射诱导器的舌形塔板等2 。2.2.2 浮动的舌形塔板改进型 浮舌塔板与固定舌形塔板一样，同属气液并流喷射类型。由于气带液不断加速，降液管上方液沫浓集，塔板上持液减少气液接触不良。这类塔板在工业上得到的评价是：生产能力较高，塔板压降较低，但传质效率不高。然而，经过改进和创新后，可以达到提高效率的目的。其主要是从两方面对浮舌塔板上气液两相并流机制进行补偿：改气液单向并流为多向并流，均衡两相在塔板上的流动，延长气液接触时间；在液流方向上设置横向挡板或破沫板之类，缓冲气液单向喷流，保持塔板上必要的存液量。为此，就几种典型的新型浮舌塔板构型作简要的介绍。（1）多向浮舌塔板。这是前苏联在80年代十分推崇的改进型浮舌塔板。其机构特点是在舌片下附设形隔板，它的作用是将舌孔气流分切为股，各股可具有不同方向和速度。之后，又出现了另外一种多向浮舌塔板，其主要改进是：在拱形隔板上巧妙开出若干条形孔。条形孔上带有护板，可以引导另外一股气流通过，定向在与液流并行和错流之间某一个角度。因此，对气液并流补偿具有柔性。（2）设有挡沫板的浮舌塔板（如图6）。这是70年代推出的一种新型塔板，能有效的抑制液沫带出，是一项成功的补偿技术。其机构主要是在浮舌板上加设一道道挡沫板。挡沫板与液流方向垂直，正好补偿逆向喷流的气液两相。（3）具有分段截流挡板的浮舌塔板。在液流方向上设置分段的截流挡板是浮舌塔板的又一改良措施（如图6）。每一舌孔前面都设有一段挡板，其对液流的调节和分流作用，放行一部分，截流一部分。调节适当的挡板比（每排截流挡板长度加和与挡板所在弦的长度之比）可以使塔板上气液两相均衡，塔板压降较低。2.2.3 斜孔塔板 斜孔塔板（如图7）是我国70年代创制的一种新型塔板6 ，经过30年的实验研究和工业实践，技术上趋于成熟，成为能够适应多种操作条件的通用板型，工业上特别是在石油炼制上有广泛应用。在不断的改进的基础上，近年形成三类构型，即THT-，普通型；THT-，复合型；THT-，多溢流型，并申报了中国专利。斜孔塔板的结构型式属于气液并流喷射塔板，板上排布的斜孔有如倒扣的簸箕，一面开口。但斜孔排布与前述的舌型塔板等不同。第一，斜孔的开口与液流方向垂直；第二，斜孔孔开口方向采取反向交错排列方式，即同一排斜孔的孔口方向一致，相邻两排的斜孔口方向相反；第三，可以设出口堰，塔板上保持一定厚度的液层。由于气液并流塔板出现以下主要问题：（1）因被气流不断加速，液体在板上迅速掠过，两相没有足够的接触时间；（2）在喷射工况下，液相作为分散相。被打散的液滴不易重复聚散，传质界面趋于老化。（3）气液向一个方向喷射，液滴在溢流口上方浓集，即形成所谓的“三角喷射”，雾沫夹带异常增大和降液管气泡夹带严重。有些学者认为6 合理的斜喷塔板应具有以下特点：保持气液并流以求允许高气速，能够避免因气液并流造成的气流加速效应或者气流对冲2 ，和在塔板上适当保留浅液层，以利于分散液滴再聚结，使气液接触表面不断更新。 图7 斜孔喷射塔板2.2.4 立体传质塔板立体传质塔板7 是一种新型的塔板类型，其主要特点是：全塔上下均在进行传质，而不是局部的、间歇的，且工况为喷射型，我们把这类塔板统称为立体传质塔板。而这其中的新型垂直筛板（New-VST） (如图8)是典型的代表，它是由日本三井造船公司(MSE)于1963年至1968年开发的并流喷射塔板8 ，1971年美国分馏公司（FRI）测定认定，这种塔板具有处理能力大、传质效果好、压降低等特点，倍受大家的关注，并在日本、美国等国取得了专利权。图8 新型垂直筛板（New-VST）立体传质塔板的结构特点是在塔板上开孔（有圆形、方孔、矩形孔），孔上相应布置有各种形式的帽罩，并设有降液管，降液管的设置跟普通塔板基本一样。其创新点就要体现在帽罩结构上，帽罩底部开有小孔或设缝隙以便液体流通，顶部盖板起阻止气液向上流动作用，罩体和塔板上的圆孔同心固定，在塔板上呈三角或者矩形排列。这样的结构能使塔板上的气液流动呈喷射状态，并以并流接触形式。从流动力学角度看其传质比普通的塔板高9 。 立体传质塔板有负荷能力大、传质效率高、压降小、塔板间距小、操作弹性好、适应性强、防堵塞能力好、操作简单可靠等优点，一直是喷射塔板研究必不可少的材料。其中立体传质塔板又有喷嘴孔立体传质塔板10 ，宝塔罩型立体传质塔板11 ，立体连续传质塔板等。2.3 复合喷射塔板Coflo并流喷射塔板12 ，它是符合喷射塔板类型（如图7），其结构特点是：它在常规塔板上增设了集液器，通过集液器实现气液分离，强化了常规意义的气液自然重力分离，并通过集液器提高降液管的有效空间高度，且降液管中基本为清液流动，从而大幅度的提高塔板的气液处理能力13 。 图9 Coflo并流喷射塔板示意图其他并流喷射塔板有Parastillation塔板、气体并流塔板、液体并流塔板、旋流塔板、波型挡板塔板14 等也受到人们的研究和重视。3 理论研究和生产应用前景 理论研究表明，喷射塔板具有较高的传质效率3 ，一般而言，雾沫液滴直径的觉范围为0.8-2mm15 ，而气泡的直径大气泡在10mm以上，小气泡在10mm以下。取液滴直径的典型值为1mm，气泡直径的典型值为10mm，则液滴的比表面积为6000m2/m3，而气泡的比表面积仅为600m2/m3，前者比后者大10倍。特别是并流喷射塔板更具有很大的理论研究价值和意义。 但是，喷射塔板要求很高的气速，负荷量较大对操作技术要就更高，塔板制作成本也相应增大，稳定性不如常规塔板，且当液滴被高速气流不断加速，塔板上会形成喷雾液滴层，从上游到下游不断增厚，封住降液管上方，恶化脱气过程（俗称“三角喷射”）。又因为两相向一个方向加速，不利于液滴聚散和表面更新过程；液滴表面陈化或停留接触时间过短或高速飞溅都要降低分离效率16 。所以，在今后的喷射塔板研究过程中，尽量朝着制作简单、压降低、易达到稳定喷射条件、操作弹性大等优秀性能的塔板。 喷射塔板已经在传质和分离工业中发挥着非常重要的作用，特别是石油的炼制、分离，芳烃的分离，有机原料的精致，以及各种传质分离工艺中应用最为广泛。但是填料塔和填料复合板塔的出现给喷射塔板的应用带来了新的挑战和机遇。虽然在成本上控制上和技术要求上都有限制，但是喷射塔板的工业应用也会因为它优良的传质效率得到更广泛的认可。参考文献1 kittel w and D.G.Schneider.Die Chemische Fabrik,1937, 10(2):41602 兰州石油机械研究所.现代塔器技术M.20053 石油五厂设备研究所.浮舌塔板流体力学性能初步试验简报M.19964 Hoppe,K.,G.Kruger.,A.Bahr.,and M.Hentsche.Chem.Techn.1969,21(9).15215 Hoppe,K.,and P.Barthel.Chem.Techn.1980,32(2):71756 清华大学化工系.化学工程.1975, (1):79887 杜佩衡,沈自求.新型垂直筛板塔的流体力学性能J.化工学报,1983, (2):1841938 杜佩衡.喷射新型板式塔板间空间传质作用的研究J.1991,20(2):2628 9 兰州石油机械研究所塔板组.关于新型垂直筛板塔的初步研究J. 化工工程,1982, (2):253410 徐维勤,仲崇明,安家明.喷嘴孔型垂直筛板塔的流体力学和传质性能研究.石油化工设备J,1991，20(2):172111 郑学明,何鸿业.宝塔罩型塔板性能研究J. 化工工程,1995,23(2):101312 Fair J R, Trutna W R, Seibert A F. A new, ultracapacity tray for distil