新型工业塔板的开发与应用读书报告

1、2015年12月 XXX：新型工业塔板的开发与应用 ·9·9新型工业塔板的开发与应用XXX（天津大学化工学院，XXX班，XXXXXXXXXX）塔设备是实现蒸馏过程中用的最多的气液传质设备。在塔设备内，液相依靠重力作用自上而下流动，气相则靠压差作用自下而上，与液相呈逆流流动。而两相之间由塔内装填的塔板来提供良好的接触界面的它则为板式塔。板式塔早在1813年已应用于工业生产，是使用量最大，应用范围最广的气液传质设备。它是由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管以及受液盘等部件组成的。塔板作为其中的重要组成部分，对于板式塔的传质性能有着重要的影响。因此，一直以来人们为了获得更有的传质性

2、能，对塔板的研究不断深入，新型塔板也层出不穷。了解更多的塔板开发及其应用，对于化工人来说，是很有必要的。因此，本文将从结构、性能等方面介绍多种新型塔板的开发及其工业应用。1 塔板概述板式塔的塔板有许多种，但是大体上可以分为两类，即有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）及无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）。在有降液管式塔板上，气液两相呈错流方式接触，这种塔板效率较高，且具有较大的操作弹性，使用较为广泛。在无降液管式塔板上，气液两相呈逆流方式接触，这种塔板的板面利用率高，生产能力大，结构简单，但他的效率较低，操作弹性小，工业应用较少。所以工业研究较多的是有降液管式塔板。有降液管式塔

3、板主要可分为泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、喷射型塔板等。其中喷射型塔板又可以分为舌型塔板、浮舌塔板、斜孔塔板和垂直塔板等。各种类型的塔板都有着各自的优点，但也有着各自的不足之处，这也正是不断有新型塔板被研究出来的源泉所在。因此，新型塔板的类型也基本在这几类之中。2 各类新型塔板的开发和应用下面将从浮阀塔板、喷射型塔板、悬挂式降液管（多降液管）塔板、复合塔板四个大类出发，分别介绍各类新型塔板的开发以及应用情况。2.1 浮阀塔板2.1.1 奈特浮阀板与圆盘型浮阀相对应，50年代初，Nutter提出的条形浮阀经过改进后，因其性能优良，在石油和化学工业中得到采用，被命名为奈特浮阀。结构特点：条形浮阀不

4、会旋转，因而不易磨损，阀片不会卡死、脱落。由于条形浮阀的气体从两侧喷出，不像圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体返混较弱，效率较高。随后几十年，国外对奈特浮阀的研究较多，尤其对其流体力学性能进行了详细的研究，提出了用于设计的关联式。2.1.2 VV塔板80年代末，德国 Stahl公司推出了一种高弹性浮阀塔板，简称 VV塔板。结构特点：阀片中央开有直径为20mm的圆孔，阀片升起之前，塔板开孔率由直径20mm的孔决定；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。据介绍，其操作弹性可达12:1又确保阀片不会卡死或脱落在低。气速下效率仍较高，且随着通量的增加，效率曲线变化平缓。在结构上比

5、 F-1浮阀塔板稍为复杂。2.1.3 导向浮阀塔板条形浮阀的效率、弹性、通量均高于 F-1型浮阀，而且压降也较小。但长期以来，在我国没有得到广泛的应用，直到 80年代才引起了重视，进行了研究，其中以华东理工大学开发的导向浮阀塔板最为引人注目。导向浮阀吸取了条阀和导向筛板导向孔的各自特点，在条阀阀面上开 12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止区。导向浮阀目前有三种形式：矩形导向浮阀、梯形导向浮阀及组合导向浮阀。一般而言，液流强度较小时用矩形浮阀较好；液流强度较大时，梯形浮阀较好；适当配比K(塔板上梯形浮阀数与浮阀

6、总数之比 )的组合导向浮阀兼有矩形浮阀和梯形浮阀的优点，克服了二者的缺点，具有更广的适用范围和更好的操作性能。导向浮阀塔板开发成功以来，已在煤气厂脱苯塔（1400）、蒸氨塔、炼油厂常压塔（3800）、加氢裂化精馏塔（4164）、乙醛装置、丁二烯装置、醋酸装置（1600）等方面获得广泛应用，并取得了显著的经济效益。2.1.4 顺排导向条形浮阀及T形导向条形浮阀兰州石油机械研究所开发了顺排导向条形浮阀塔盘和 T型排列条形浮阀塔盘。顺排导向条形浮阀塔盘技术特点：条形浮阀在塔板上呈顺排布置，采用独特的波形阀盖，减少了气相阻力和雾沫夹带；在靠近降液管一侧的阀腿上设置导向孔；借助从导向孔喷出的气流减低液面

7、梯度、压降，提高了传质效率和处理量；导向孔面积可随负荷的波动而调节，避免了漏液及吹出短路现象。该塔盘可用于所有 F1浮阀塔板可适用的场合，还可用于 F1浮阀塔板不能胜任的某些低压降真空操作工况。其塔盘效率较高，基本消除液相返混。T形排列条形浮阀塔盘的技术特点：采用独特的“ T”型排列，任意两相邻条阀均互相垂直，其吹出的气相均呈90度交错，避免了气相对冲，抑制塔板上液滴的向上运动，减小雾沫夹带，增大了允许操作气速，提高了分离效率和处理量。2.1.4 SFV全通导向浮阀塔板SFV全通导向浮阀塔板技术的核心是鼓泡原件SFV全通导向浮阀，其结构如图1所示。SFV全通导向浮阀的主要特点是其阀面为矩形并开

8、有微型固定阀，前阀退开有导向孔，导向孔的上端设有侧条。它将导向浮阀和微分浮阀的优点集于一身，气液可以更充分的接触，塔板上的液面梯度、液相返混较小，液相滞留区基本消除，传质效率较高。图1 SFV全通浮阀的结构 截至2008年底，SFV全通导向浮阀塔板在国内已经成功的应用于原油蒸馏、催化裂化、气体分馏及焦化等多种装置近百余套塔的改造或新建项目中，取得良好的经济效益。其在焦化分馏塔的工业应用实例如下：某一套催化裂化装置主分馏塔，规格尺寸为1400/1600,29层塔板，开车初期设计采用固舌型塔板，加工能力为70kt/a，后来全部改为条形浮阀塔板，处理能力提升至120kt/a。但是随着加工量的增加，分

9、馏塔难以正常负荷。最后将采用SFV全通导向浮阀塔板技术进行改造，结果使分馏效果明显改善，塔处理量也从15t/h提高到18t/h，从而提高了经济效益。2.2 喷射型塔板2.2.1 网孔塔板 网孔塔板由金属薄板压延制成 ,没有出口堰 ,但需设特殊型式的进口堰 ,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：（1）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；（2）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；(3)由于设置了挡沫板，从而减少了雾沫夹带，允许较小的板间距；并且挡沫板本身也是一个有效的传质区；(4)大型网孔塔板上的液体受到斜

10、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。在喷射条件下，与浮阀塔板相比，气液负荷可提高 30%40%，压降则下降 30%40%。主要缺点:（1）操作弹性较小，一般 23；（2）仅限于大型塔板(塔板直径不宜小于1.2m)。2.2.2 斜孔塔板斜孔塔板是清华大学发明的一种高效能塔板，结构特点：（1）每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向相反，既可避免液体在流动方向上被不断加速，又使液体不会在塔板的一边积聚，塔板上的液层低而均匀，( 2)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。由于斜孔塔板以上特殊的结构，因而其

11、允许气相负荷高，生产能力大，比浮阀塔板大20%40%；塔板效率高，一般等于或稍高于浮阀塔板；有自清洗作用，物料不易堵塞。2.2.3 旋流塔板旋流塔板是我国70年代自行开发、90年代得到进一步发展、广泛应用于中小氮肥企业的一种喷射型塔板。 结构特点及工作原理：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25的叶片，使气体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，并被气流分散成细滴，形成良好的气液接；然后被离心甩到塔壁上，受重力下流，经集液槽、溢流管，流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。进入 90年代，通过激光测速

12、、彩色频闪摄影、双探针液滴分布仪等先进手段，对塔板上的气液运动做了进一步深入研究，在此基础上得出塔板效率模；关于塔板效率不因直径放大而下降，反而有所上升的结论，在生产中得到证实。工业应用开辟了烟气脱硫新领域，为某热电厂新建锅炉脱硫除尘一体化装置；并成功地将几家热电厂的水膜除尘器改造为脱硫除尘一体化装置。2.2.4 新型垂直筛板新型垂直筛板是以气相为连续相，液相为分散相的新型高效喷射型塔板，日本三井株式会社于1968年前后开发成功。我国 80年代初期开始对其性能与结构进行研究，尤其是河北工业大学杜佩衡等人做了较多的工作，对二维传质效率模型及其板间传质作用进行了较深入的研究，取得了一定的成果。新型

13、垂直筛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更换改造浮阀、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，可望在化工、石油化工、炼油、煤化工等领域得到进一步推广应用。2.2.5 梯形立体喷射塔板CTST是河北工业大学化学工程研究所多年理论研究和科技开发的成果，已获国家专利。CTST塔板采用矩形开孔，开孔上方设置带筛孔的梯形喷射罩及分离板。在塔板上气体、液体经过拉膜碰顶返回破碎喷射互喷分离六个过程。该塔板打破了传统塔板传质区域为平面型的局限。将气、液传质区域发展到罩内、罩顶、罩间的立体空间范围，

14、使板式塔塔板间的空间得以充分利用。CTST采用喷射型的结构，使液体在气体中分散成液滴，即气液在喷射状态下接触，从而扩大传质面积，提高塔的负荷能；采用矩形开孔，使得塔板开孔率可大幅度提高(超过20%) ，气体不再由塔板上较深的液层通过，可显著降低压力；罩顶分离板使得雾沫夹带大幅度减小，同时又提供新的传质机会，提高板效率。在扩产、技改、设备更新时，采用CTST板，可在原塔外壳不变的条件下，仅更换塔板即可，这样即可节省设备投资，又可提高产品质量降低能耗及原料消耗，从而提高企业技术水平和竞争能力。该塔板已在纺织、氯碱、制药、化肥等行业中得到推广应用。2.2.6 新型高效导向筛板高效导向筛板是根据普通筛

15、板和其他塔板的生产实践以及技术发展的需要而研究开发的新型塔板,它在普通筛板的基础上,主要采取了两项重要的改进措施闭：在塔板上除了筛孔外还开有一定数量的导向孔。在液体进口区开设了向上凸起的斜台状鼓泡促进器，使塔板进口区的液层变薄，形成一个易被气体突破的部分，且诱导液体刚进入塔板即出现大量鼓泡。在高效导向筛板的基础上，对导向孔的开设（包括导向孔的开设高度、缝宽、以及开设的密度和转角等）进行了大幅度的改进和探 索，开发出了新型高效导向筛板。其在工业上也获得了应用，如：在广西维尼纶(集团)有限公司的回收一塔技术改造中，塔径1600mm,塔板数40层,采用高效导向筛板塔,扩产50%,同时回流比由原来的2

16、.5降为1.8，塔顶醋酸甲酯含量由65%提高到83%，大人降低了该塔和后续工段的负荷与能耗。塔釜醋酸甲酯含量由0.2%降为0.05%，提高了其回收率，达到了很高的技术指标和很好的经济效益。新型高效导向筛板的应用实例还有很多，比如在聚氯乙烯高低沸塔、PVA聚合一塔、PVA回收一塔、醋酸乙烯精馏以及甲醇精馏等中的应用，这里不再详述。2.3 悬挂式降液管（多降液管）塔板2.3.1 MD塔板 1964年美国联合碳化物公司(UCC)提出了多降液管筛板 (Multiple Downcomer Sieve Tray)，简称 MD板。多降液管塔板是对传统塔板降液管结构最大的改进，其结构特点为：（1）塔板上设有

17、多根矩形降液管，溢流周边比一般塔板增加 25倍，适合液体负荷大的操作；（2）降液管悬挂在气相空间，而不是浸没在塔板上的液层中；（3)每相邻两板的降液管互成 90度排列；（4）板间距小 ,仅为一般塔板的50%70%；（5）降液管可起到支撑梁的作用，节省其它支撑结构。以 MD代替常规板，取消了受液盘，处理量可提高15%左右。据 1985年统计各国已用此板型塔 400余座。1992年国际精馏与吸收会议上，推广应用 MD板的 UOP公司又提出了一种更大通量的MD板(New enhanced capacity MDtray)，用它改造建于 1975年的 MD板，使其通量又提高15% 以上。对于设计新塔

18、,具有塔径和板间距较小的优点;用于旧塔改造 ,可提高塔的处理能力。2.3.2 高通量Nye塔板1992年国际精馏与吸收会议上，美国Bruyn等介绍了他们研究开发的一种新型高通量Nye塔板。结构特点：（1）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，以供液体流动。在降液管底部垂直面上，气流水平吹入液层，较垂直吹出有利；（2）筛孔或浮阀的布置区可以扩大，在一定通量下，孔速可以降低；（3）塔板上的受液区开孔，以增大塔板上的鼓泡面积，使塔的通量可增加10%25%。Nye塔板最大的优点是对老塔改造，在较小改动情况下可达到增加通量的目的。南京大学前几年开发成功比Nye塔板通量高10%15%

19、，效率高5%以上的大通量塔板，并且在国内已获得成功应用。其基本构思是：（1）采用月牙型溢流堰 ,使其非传质区面积控制在5%范围内以增加塔的通量，一般比传统塔板通量增加 10%25%；（2）采用管尾向塔壁开口的降液管，使液体直接从塔壁降下，延长塔板上液体的平均停留时间，从而提高板效率；（3）采用全塔板液体均分导流，使板上液体呈活塞流状态。工业应用表明，在空塔F因子大于2.5时 ,此塔板仍能维持正常操作。2.3.3 国内开发的新型固定阀DJ系列塔板 70年代初期 ,国内浙江工业大学化学工程设计研究所开始研究 MD板 ,在考察 MD塔板技术的过程中 ,发现 MD板存在以下三个问题：降液管的宽度和溢流

20、强度的限制应重新考虑；（1）MD塔板上液流分布并不均匀，影响了塔板效率；（3）受液区存在冲击液漏问题。针对MD板在液流分布及传质效率方面存在的不足，着重在基础理论和改善结构等方面作了一系列系统研究，在 80年代末开发形成了具有我国特色的DJ系列塔板。 图2新型固定阀结构 图3 DJ塔板结构示意图DJ塔板继承了MD塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面有所创新、有所突破。已在工业上获得成功应用的DJ板有三种型号。DJ-1型塔板是为了适应特大液气比的吸收操作而开发的，主要结构特点是采用宽型降液管，并对降液管的根数和排列作改进和优化。工业应用的典型例子是在合成氨生产中的水洗脱碳塔 (280

21、0)改造中以DJ-1板替换原螺旋双溢流斜孔塔板。DJ-2型塔板上设置了导流装置，在相应位置上开设导流孔，安装导流板，改善液流的初始分布，使塔板上的液流接近于活塞流。DJ-2型板已在化肥厂脱碳塔 (1600)、镇海炼化总厂芳烃装置邻二甲苯塔上获得成功应用。DJ-3型是一种复合型塔板，在 DJ-2型塔板的下方复合一簿层规整填料，填料层处于气相空间，起到了抑制雾沫夹带作用，使塔板效率提高10%15%，通量提高15%20%。使用DJ-3板替换其它塔板改造的装置有汽提塔、饱和塔等。DJ-5型板在丁二烯装置中的丁二烯精馏塔、联合催化装置溶剂再生塔以及甲醇、乙醇溶剂回收塔和乙烯装置和化肥装置中得到了广泛应用

22、。2.3.4 双层固阀塔板 双层固阀塔板的阀面两侧向下弯曲的折边对气体有一个斜向下的导向作用，减缓了与相邻固阀侧孔出来的气流发生的正面对冲，可有效减小雾沫夹带，加速塔板上的液体流动，减小塔板压降。阀面上冲有一微型固阀，一部分气流从微型固阀侧孔喷入液层，可以增大气液接触面积，强化阀顶空间的气液接触，有助于塔板效率与通量的提高）双层固阀在塔板上的投影为梯形，塔板下面来的气体流经固阀时，较大尺寸的阀腿对气流有一个沿液流方向的推动力分量，可大幅度降低塔板的液面梯度，有利于气液分布，可减少泄漏量，改善传质效率。 相比于传统的F1浮阀塔板，双层固阀塔板具有压降小、雾沫夹带量少、传质效率高、抗堵性能好及通量

23、大等特点，特别适用于耐堵塞性要求高的场合，如焦化分馏塔、催化裂化主分馏塔、原油常减压蒸馏塔汽提段、污水汽提塔、PVC浆料汽提塔、脱丙烷塔以及脱丁烷塔等。2.4 复合塔板2.4.1 JF复合浮阀塔板JF复合浮阀在结构上吸取F1型浮阀、条形浮阀及舌形塔板的优点,巧妙地将条浮阀与舌形塔板有机地结 合起来,形成一种复合式浮阀，其外形类似条阀，但阀片上开有小固舌或小浮舌。下面具体介绍开有小固舌的复合浮阀塔板：这种塔板在结构尺寸上注意尽可能降低阀片的最小开度，以减少塔板的漏液，设计的最小开度约为F1型浮阀的60%，最大升举高度约为F1型浮阀的1.5倍，以保证在最大升举高度时有较低的阀片下环隙气速，这将有利

24、于降低液沫夹带量。根据精馏塔所处理物料的不同性质以及具体的操作工况和目的,JF复合 浮阀塔板分别采取顺排或错排两种不同的排列形式,其中以错排形式应用较为广泛。如适当改变舌孔方位,还 可采取T形排列的设计方案。JF复合浮阀也分为重阀和轻阀两种,阀片厚度分别为2mm和1.5mm。可通过冷漠实验来进行塔板的性能测试。经研究知，尽管JF型浮阀较重，可降低漏液量，但是其漏液量还是很大，这一点仍需改进。JF复合浮阀结构如图1所示。 图4 JF复合浮阀结构示意图 图5 帽罩结构示意图 JF复合浮阀塔板已成功地应用于化工和炼油生产中的催化裂化分馏塔、常压塔、丙烯塔等多套工业装置中，用以代替F1型浮阀塔板或固舌

25、塔板，取得了理想的经济效益，证明了这种塔板具有广阔的工业应用前景。2.4.2 新型复合塔板JCPT喷射式并流填料塔板( Jet Coflow Packing Tray ,以下简称 JCPT) 是天津市新天进科技开发有限公司发明并委托天津大学化学工程研究所进行实验的一种新型填料塔板 。该塔板的结构特点是: 在塔板上按一定的排列方式开出一定数目的圆孔 ,在圆孔的上方安装帽罩。帽罩上半部的方形框架内装有规整填料, 其上有顶盖; 帽罩下半部分为圆形升气筒 , 升气筒下部有可调支脚以调节帽罩与塔板间的底隙。由于JCPT成功地将填料和塔板结合在一起, 使其具有雾沫夹带小、处理量大及效率高等特点 ,是一种具

26、有广泛应用前景的新型高效塔板。帽罩的结构如图2所示。喷射式并流填料塔板以其优越的性能, 应用在石油、化工、化肥等行业, 作为压、高压蒸馏、吸收、解吸、增湿等单元操作的关键设备。在问世短时间内就在工业上得到推广应用。例如，吉化公司有机合成厂芳烃装置要求苯产量由3.15万t/a提高到3.85万t/a, 原有的D1200mm苯/甲苯浮阀精馏塔不能满足该要求。为此, 采用了喷射式并流填料塔板对原有精馏塔进行改造,结果表明效果很好。采用喷射式并流填料塔板 , 只是将原浮阀塔板拆除, 保留原支撑圈, 既节省了改造投资 ,又缩短了改造工期, 并且改造后运转效果很好,不但达到了扩产的目的 ,产品质量也有很大提

27、高。根据运转情况分析, 改造后的苯塔还有很大潜力。2.4.3 填料与塔板相结合的复合塔板板式塔两塔板间可分为鼓泡区和气相空间两个区，其中气相空间的高度对传质没有作用；若能将此空间加以利用，则板式塔传质效率会大幅度提高。填料塔的传质效率高低，关键在于气液分布是否良好，若能使填料都处在气液分布良好的状态下操作，其传质效率可大大提高。据此，浙江工业大学提出了利用板式塔两塔板间的气相空间，使筛板与填料结合的复合塔板。此种板压降低、传质效率高、雾沫夹带小的复合塔板已获国家发明专利 ,并在工业上获得成功应用 ,最大塔径为2600mm。2.4.4 新型多溢流复合斜孔塔板新型多溢流复合斜孔塔板是清华大学从19

28、95年开始在斜孔塔板基础上，借鉴国外MD塔板研制开发的、特别适用于处理大液相负荷的新型塔板。该塔板采用类似MD塔板的降液管形式，但只用一根或两根而不是很多根，结构比较简单，液体流动距离较长，塔板效率比较高；另外由于板面采用了斜孔塔板代替筛孔塔板，进一步提高了塔的处理能力。新型多溢流复合斜孔塔板是一种既有MD塔板允许大液相负荷，又有斜孔塔，允许大汽相负荷特点的复合型创新塔板，可广泛应用于石油、化工、医药等许多行业的精馏塔、吸收塔和解吸塔上。1996年在燕化公司气体分离装置脱丙烷塔上进行了成功的工业化应用，结果表明，设计方法是可靠的，可用于工业塔的设计；1999年燕化公司新建丙烯塔采用了新型多溢流

29、复合斜孔塔板，一次开车成功并通过了装置标定考核验收。2.4.5 NS倾斜长条立体复合塔板NS 倾斜长条立体复合塔板吸取了新型立体垂直筛板的立体结构，采用可降低压降的正八字型条形开孔，孔上方设置带有开孔的长条倾斜立体罩，长条倾斜立体罩外倒锥形空间设置有规整填料,既提高了传质效率，由可减少雾沫夹带量。长条形罩体作为塔板的加强筋板，提高了塔板的强度，解决了塔器大型化塔内件结构和安装的难题。图6 NS倾斜长条立体复合塔板安装示意图应用实例：改造前环氧乙烷精制塔塔体直径1700mm，采用小型浮阀塔板，塔板数 98 块，装置生产能力为2.45 t/h。 扩能改造要求塔生产能力增至4.45 t/h，产品达到国际优级品标准，并要求塔径、塔板数及降液管不变，仅更换高效塔板。经中石化北京石化工程公司对多种塔板的选择和核算，采用新型 NS 倾斜长条复合塔板可以满足扩能