新型塔板的研究开发及应用
新型塔板的研究开发及应用
王柱祥刘玉秀
(河北工业大学 300130)
塔板是化工分离设备中常用的气液接触装置，有多种类型，如泡罩、筛孔、浮阀、MD塔板、新型垂直筛板等。每一种塔板都有各自的特点，就气液接触状态而言可分为两种类型，一种是鼓泡接触，另一种是喷射接触。新型垂直筛板是以喷射状态进行气液接触的，它具有传质效率高、处理能力大、操作弹性好、抗堵塞能力强等优点。具有很好的工业应用前景。研究新型垂直筛板塔的性能和开发新型塔内件具有重要意义。本文主要介绍新型垂直筛板的塔板结构、流体状况对气液接触的影响以及新型塔内件的开发和工业应用。
1. 实验研究
实验采用600 ， 800有机玻璃塔，用空气—水系统对新型垂直筛板的流体性能进行测试、比较。用氨气—空气—水吸收系统对塔板效率进行测试、比较。
1. 气液接触状况观测
新型垂直筛板的气液接触是以气液两相在喷射状态下进行的，与浮阀、筛孔塔板有着根本不同，后者的气液接触是以鼓泡状态下进行的。新型垂直筛板的气液接触过程可描述为，气体从板孔进入罩内，将帽罩底隙进入的液体提升，气液两相在罩内剧烈撞击、破碎、湍动，然后气液从帽罩测孔喷出，罩间对喷，最后气液分离，液滴落回塔盘，气体上升进入上层塔盘。
2. 气液接触效果分析
以喷射状态下进行的气液接触与鼓泡状态相比，我们认为前者效果好，主要原因是:a. 气液在罩内碰撞破碎、湍动剧烈，有利于气液接触。b. 气液从罩孔喷出，液相是被分散的大量小液滴，大大提高了传质面积，同时帽罩之间的气液对喷
进一步促进了传质。c. 喷射空间大使得塔板空间被充分有效的利用，而鼓泡状态的气液接触主要在鼓泡层内进行，大部分塔板空间未被利用。
3. 气速对喷射状况的影响
在一定的液体负荷下，气速是影响操作状况的重要因素，大致可分为三个阶段。(,)泄漏阶段。当气速较低时，气体的动能不足以将罩内的液体托起，一部分液体从板孔流下，另一部分在罩内呈股流状从罩孔流出，不能形成喷射状态。一般将此气速作为操作下限。(,)正常操作阶段。当气速达到一定值后，气体将罩内液体提升，气液在罩内剧烈撞击、破碎、湍动，气液混合物从罩孔喷射而出，液体被分散成大量的小液滴，气液分离，气体上升进入上层塔板。(,)超负荷阶段。当气速增大到一定程度后，可能会出现三种情况，其一是过量雾沫夹带;其二是部分气体开始从帽罩进液底隙吹出;其三是既不出现过量夹带也不会从底隙吹出，而是塔板压降过大。前两种直接影响传质效率，后者直接影响塔的操作。哪一种作为气速操作上限，将根据实际状况考虑确定。
4. 罩内液量对喷射状况的影响
当板孔气速确定后，罩内的液量直接影响气液的喷射状况。液量过小，造成提液量不足，塔板效率下降;液量过大，虽然提液量也大，但喷射状态并不好，原因是从罩孔喷出的液体大部分呈柱状，未被很好的分散就很快落回塔盘，气液接触不好。此外，罩内液层变厚，气体通道变窄，使塔板阻力急剧上升。所以，控制罩内的液量直接关系到气液接触的好坏以及塔板的正常操作。决定罩内液量的因素主要来自液相负荷、堰高和帽罩底隙高度。对于较大的液相负荷，帽罩底隙高度成为控制进液量的关键因素，应根据塔盘液层高度确定底隙液体通道面积，由此推算底隙的高度。此外，液相负荷大造成塔盘液面梯度也大，自然沿液体流动方向的前后帽罩的底隙高度也就不一样，实际设计时应予考虑。对于较小的液相负荷，塔盘液层高度决定于堰高，一般由堰高来确定帽罩底隙高度。气速和罩内液量决定着气液喷
射状况，那么提液量的多少才是最佳的喷射效果呢,我们对此进行了测定。在气速的正常操作阶段，板孔气体流量与提升液量体积比约为100:1~1.5。
5. 传质效率
用空气-氨-水吸收实验研究气速、罩隙高度对塔板效率的影响，同时测定浮阀塔板效率与New VST塔板效率。在液体负荷和堰高一定的条件下，不同的帽罩底隙高度，塔板效率不同。底隙过小，导致进液量不够，形成干喷，塔板效率低;底隙过高导致进液量过大，喷射状况不好，塔板效率同样下降。这与前面的分析结果吻合。浮阀和新型垂直筛板的塔板效率相比，实验测得垂直筛板塔板效率比浮阀一般高出5%~10%左右。
二、新型塔板的开发
在新型垂直筛板塔的基础上我们开发出适合大液体负荷的新型塔板—径向侧导喷射塔板。其结构是在特定罩体上有导向喷射装置，该塔板对于塔径较大、液相负荷较高的操作体现出的良好的性能。主要有:(1)通过导向喷射，大大降低塔盘上的液面梯度，使得塔盘气体分布较为均匀，它非常适合大塔径单溢流塔板。(2)喷出的液体方向与塔盘液体流动方向一致，从而降低了液相返混程度。(3)导向喷射减小了液面梯度和液层厚度，使得塔板的总体压降降低。这些特点均有利于提高塔板效率。
三、工业应用
1. 化肥厂碳化综合塔改造
河南新乡化肥总厂碳化工段Φ2000综合塔，过去采用泡罩塔板，处理能力为3万吨NH/ 年，3 由于回收效果差，软水的加入量不能保证系统水平衡，造成大量稀氨水外排，氨损失严重，并对环境构成污染。同时，净化后气体中的氨、二氧化碳时常超标，影响后序工段正常运行。96年该厂借扩产改造之机，我们利用原塔
体将塔内件更换为新型垂直筛板，并将能力提高一倍，达到年产6万吨NH。经改造后，塔底氨水浓度由原来的30tt提高到100tt,保证了系统水平衡，无稀3 氨水外排，净化后气体中的二氧化碳含量远远低于控制指标。与过去相比，每年多回收氨1000吨以上，仅此一项该厂年增效益在120万元以上。在处理能力方面，新型垂直筛板比泡罩塔板提高一倍，有效利用了原有设备，节省了设备投资。
2. 化肥厂饱和热水塔改造
山东鲁西化肥厂两套变换系统，其中一套系统Φ2800饱和热水塔改造采用了由我们设计制造的新型垂直筛板，另一套系统Φ2800的饱和热水塔使用不锈钢孔板波纹填料，两塔的处理能力均为12万吨NH/ 年，投资和运行情况见表一。 3 表一鲁西化肥厂饱和热水塔投资和运行情况
塔内件投资费用饱和段塔顶汽水热水段变换气出系统阻力降
温差:C 塔温度:C
万元 MPa 变换系统? 规整填料 50 10~15 90~95 0.03~0.04 变换系统? 新型垂直筛板 15 3~5 75~80 0.04~0.05
从表中数据来看，规整填料除阻力降比垂直筛板低外，其它各项指标均劣于垂直筛板。饱和热水塔分上下两段，上段为饱和段，下段为热水段。饱和段是以热水与半热煤气进行汽液接触以达到对半水煤气的升温、增湿，进塔热水的温度一般在130:C左右。塔顶的汽(出塔半水煤气)水(进塔热水)温差越小，半水煤气的饱和度就越高，热能的利用率也就越高。热水段是将变换气的热能通过饱和段出来的热水回收下来，对变换气进行降温、减湿。变换气出塔温度越低，热能回收的效果就越好。从两个系统饱和段塔顶汽水温差进行比较，汽水温差每相差一度其热值相差是很大的。从表中记录可以看出，两塔的热能利用的差距是很大的，采用新型垂直筛板塔的饱和热水塔比采用规整填料的饱和热水塔效果好的多。
3. PVC行业氯乙烯精馏塔的改造
天津大沽化工厂氯乙烯低沸精馏塔，原先用Φ600mm的浮阀塔，全塔共有36
块塔板，处理能力为3万吨/年。扩产改造后要求处理能力达到4.5万吨/年，如还改用浮阀塔板，原Φ600mm浮阀塔体已不能满足要求，该厂利用旧塔体将内件改为由河北工业大学设计的新型垂直筛板。原塔板数、板间距、进料位置等均不变，只是更换了塔板。此塔于1988年12月正式投入使用，从投试起运行四年，各项技术性能良好。体现的技术特点有以下几个方面。
(1)传质效率高:原来用浮阀塔时所产氯乙烯单体含低沸物(乙炔为主)为
10PPm，使用新型垂直筛板塔以后，低沸物含量几乎为零(用日本的色谱仪测不出来)，这就可避免因含低沸物过多而造成转型，避免因低沸物阻聚而导致聚合反应时间过长以及树脂挥发物不合格等现象，从而使聚氯乙烯树脂品级率提高10%以上，单釜利用率也有相当提高。
(2)处理能力大:现在用原Φ600mm浮阀塔塔体，用New-VST代替浮阀塔板，已证明它能胜任4.5万吨/年生产能力，而原来的浮阀塔则只适用于3万吨/年，足见新塔可提高处理能力40%以上。
(3)压降小、能耗低:原Φ600mm浮阀精馏塔全塔压降为0.02-0.04MPa，现在New-VST低沸精馏塔全塔压降仅为0.01-0.02MPa，且通常在0.01MPa，即压降减少大约一半。
3 (4)操作弹性好:开始投试时处理量为800m/hr.(以气体量计)，各项指标相当好，以后处
3理量增加到26000m/hr.，各项技术指标仍很好。大沽化工厂认为在进一步提高处理量也还可使用，单以现在的数据看操作弹性已接近3.5，这已是相当好的操作弹性了。
(5)抗堵塞能力强:原低沸精馏塔(为浮阀塔)运行4-6个月就因单体氯乙烯自聚而出现异常现象，即全塔压降大增，精馏效果大大下降，塔底氯乙烯单体产品中乙
炔含量大为提高，至7-8个月必须停车检修。在New-VST低沸精馏塔运行四年多时间，运行情况依然良好。实践证明该塔板具有很好的抗堵塞能力。
表2 天津大沽化工厂低沸塔的经济效益 (万元) 年度 89年 90年 91年 92年6月止累计新增产值 380 171 80
新增利税 152 8.4 32.2
节支金额 16 1.3 2.1 其它收入 6 36 25 511.3 年增收金额 172. 174 105.7 59.3
由上表说明从1989年初至1992年6月的三年半时间内，大沽化工厂低沸精馏塔使用New-VST后共取得增收金额为511.3万元，年平均增收金额为146万元，年平均在100万元以上，最高为90年增收金额为174万元。
几年来，我们已为化肥、氯碱、石油化工、制药等行业的200多座工业塔进行了改造，都取得了较好的运行效果，创造了很好的经济效益和社会效益。