塔板技术应用研究进展

第４０卷第ｌ２期　２Ｏｌ１年１２月　化工技术与开发　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１２　

Ｄｅｅ．２Ｏｌ　ｌ　

塔板技术应用研究进展　李苏雅，王文建　（青岛科技大学化工学院，山东青岛２６６０４２）　

摘要：介绍了近几年国内外开发应用的新型塔板，按气液流向不同将塔板分为３类进行概括，并对其　结构特点和性能做出了评述。预测了未来塔板技术革新的方向。　关键词：板式塔；新型塔板；技术展望　中图分类号．ＴＱ　０５３．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１．９９０５（２０１１）１２．００３０．０５　

在石油化学工业领域中．精馏作为主要的一　种分离操作手段在提高生产过程的经济效益和　产品质量中起到举足轻重的作用。对大型的石油　工业和以化学反应为中心的石油化工生产过程，　分离装置的费用占总投资的５０％～９０％Ｉ　。塔器设　备作为精馏核心设备之一，得到广泛应用。按照　内件形式的不同，可分为填料塔和板式塔。板式　塔的兴起可以追溯到１８１３年Ｃｅｌｌｉｅｒ首次提出泡　罩塔，到如今已有近２００年的历史，它的应用比填　料塔大得多，约占应用设备总数的８０％以上，具有　生产能力大，传质效率高，操作弹性大等优点，但　结构相对复杂。本文就近年来板式塔塔板国内外　的发展状况作简要介绍。　板式塔的塔板可分为有降液管及无降液管　两大类。按照气液流向的不同，塔板可分为错流　式．逆流式．并流式。　１错流塔板　错流塔板主要包括泡罩型、筛孔型、浮阀型、　喷射型。　１．１泡罩塔板　是最早在工业上规模应用的板型之一．２Ｏ世　纪５０年代以前为工业主要用板。其结构特点在　于蒸汽的通道，在塔板开孔上设有升气管．其上　附有边缘开齿缝的泡罩。因升气管高于板面，当　气体负荷小时能防止液体泄漏，具有操作弹性　大、气液比范围大、抗堵等优点，但同时也因压降　高、雾沫夹带严重、造价高．被后来出现的浮阀塔　板、筛板所替代．现在仅在结构比较严重的特殊　场合应用。Ｓｅｉｂｅａ　Ｌ　］对高气含量液相连续精馏的　操作工况进行研究，结合筛板和填料的应用．突　破了传统泡罩塔只在低表观气速下操作的状况。　复合板型的耦合将是泡罩板改进的重要方向。　１．２筛孔塔板［　］　传统的筛板结构就是均匀在板面上钻孔．来　自上层塔板的液体流过筛板。越过溢流堰进入下　层板。筛孔塔板比泡罩塔的生产能力大１０％～　１５％，板效率高１５％左右，压降可降低３０％左右，　另外结构简单，造价低４０％左右．便于清理检修。　针对传统筛孔板入口鼓泡面积小、液面梯度大、　气液有效接触区域有限等实际存在问题。逐渐改　进推出如下新型塔板：　林德筛板，由美国联合碳化物公司的林德子　公司开发，适用压降低的减压塔操作，其主要特　点是：在降液管液体出口处将塔板向上凸起，并　在塔板上增设导向筛孔，提高了鼓泡面积．降低　了液面梯度，操作范围也有一定提高。　ＭＤ塔板，多降液管筛板（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｄｏｗｎｃｏｍ—　ｅｒｓ　Ｓｉｅｖｅ　Ｔｒａｙ），最早是美国联合碳化物公司在２Ｏ　世纪６０年代开发而成。塔板上设有多根矩形降　液管，且降液管挂在气相空间：出口堰的总长远　远大于一般塔板：每相邻两板的降液管互成９Ｏ。　排列；液流流程短。此后又出现了结构优化的多　降液管精馏塔板，克服了气液接触时间的不一致　性　］。　ＤＪ塔板是由浙江工业大学在ＭＤ塔板的基　础上开发的一种多降液管塔板．尤其适用于处理　高液气比负荷操作和加压操作　６Ｊ。其中ＤＪ　１型塔　

作者简介：李苏雅（１９８６一），女，山东济南人，青岛科技大学硕士研究生，主要研究方向为多相流体流动与分离　收稿日期：２０１１－０９—２２　第ｌ２期　李苏雅等：塔板技术应用研究进展　３ｌ　板的结构与ＭＤ塔板相似，改进点是突破了ＭＤ　塔板降液管宽度小于２００ｍｍ的限制．但是这种塔　板的传质效率却比Ｆ１浮阀塔板和筛孔塔板都　低；ＤＪ一２型塔板在塔板上增设了导流装置，使进　入塔板上的液体分布均匀，减小了滞留区面积．　塔板效率与筛孑Ｌ塔板相当：ＤＪ一３型塔板在降液管　两侧增加了薄层规整填料，当气液负荷高时可以　减少雾沫夹带，而当气液负荷低时填料层可起强　化传质作用，塔板效率比筛孑Ｌ塔板高１０％～１５％。　南京大学开发的９５型大通量塔板，因该板　的有效传质区面积约占全部塔板面积的９５％而得　名，其采用月牙型、流线型溢流堰或三角型纵剖　面的拖尾式设计．在加入导流板后可基本消除涡　流区，使流形趋于合理［７－－８］。　ＮＹＥ塔板是格单奇公司开发的高通量塔板，　１９９１年获得专利。塔板上没有受液盘，降液管悬　挂设置，整个板面都为开孔区域　。　ＶＯＲＴＥＸ塔板是ＳＵ【ＪｚＥＲ　ＣＨＥＭＴＥＣＨ公司　开发与生产的专利产品，结构上设计了一种独特　的悬挂式防旋涡降液管，增大了有效鼓泡区面　积．但塔盘结构比较复杂。　ＳＬＩＴ塔板［１０　由瑞士ＫＵＨＮＩ公司在筛孔塔板　的基础上开发成功．这种塔板在结构上以一对细　缝代替筛孔。同时穿过细缝的气体沿水平方向与　液体接触，雾沫夹带明显减少。目前一共有Ａ、Ｂ　两种类型．虽然降液管的设置不同．但操作弹性　相当。Ｂ型较Ａ型液体负荷大得多。此类塔板尤　其适用容易起泡的体系或带有固体颗粒的物料。　Ｐｅｒｆｏｒｍ塔板．塔板由开有定向小孔的压延金　属板网制成，充分利用气相动能，强化两相问的　传质；同时设有碎流板，起到分液作用；气液在塔　板不同区域方向发生９Ｏ。的改变，因此在转折位　置发生旋转。相际接触更充分。总体说来，该塔板　具有高负荷、低压降、塔板孔速大、抗堵塞能力强　等特点，缺点是操作弹性较小，只有３左右。　Ｐ—Ｋ筛孔（缝）塔板，是针对工业中处理含有　较多固体颗粒的精馏而设计，如催化精馏塔。其　塔板是波纹形．增大了塔板的开孔面．相邻波面　上的斜孔（缝）的开口方向相反，交错排列，牵制　气流对液流的推动作用，促进横向混合。较大的　气相水平分速度可以防止固体颗粒结垢，波谷出　气体具有较大的垂直速度，将沉积的固体颗粒吹　起。Ｐ—Ｋ筛孔（缝）塔板具有处理能力较大、压降　低、板效率较高的优点。　从以上各种新型筛孔塔板的介绍可以看出，　筛板塔的改进和优化是为了增大气液传质面积。　主要集中在扩大开孔面积和降液管结构优化两　方面，也有一些是为满足特殊工况条件下而开　发。总体而言，工艺条件和塔内件的一体化匹配　还有待提高，虽然上述塔板做了很多结构改进．　但结构复杂，造价较高，塔板传质行为理论机理　不能普遍适用，预测结果与实验存在偏差，精密　精馏的节能还有待进一步增强。　１．３浮阀塔板　浮阀塔于２０世纪５０年代初期在工业上开始　推广使用．由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点．　已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、　化学工业中使用最普遍，对其性能研究也较充　分。浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干大　孔．每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片．浮　阀的形式很多，目前国内最常用的有Ｆ１型、Ｖ一４　型和Ｔ型。针对Ｆ１的缺点国内外又开发出了很　多高效浮阀塔盘。　ＶＶ塔盘．德国Ｓｔａｈｌ公司在２０世纪８０年代　推出的一种高弹性浮阀塔板（Ｖａｆｉｏｆｌｅｘ—Ｖａｌｖｅ　Ｔｒａｙ），阀片上面开孔，开孔率会随气量的增加而　增大，操作弹性相当大，阀片使用寿命也比较长。　ＳＵＰＥＲＦＲＡＣ塔板是ＧＵＴＳＣＨ公司开发的　系列专利产品，目前已有ＳＵＰＥＲＦＲＡＣＩ～１Ｖ型、　ＳＵＰＥＲＦＲＡＣ＋型产品。传质元件包括两种结构的　小圆形浮阀和降液管出口的鼓泡装置。降液管可　设计成扇形。塔板之间搭接处开有筛孔，是一种　高性能塔板…］。　导向浮阀塔板．在阀面上开导向孔，发挥气　相推液的作用，降低液体梯度。目前有３种形式：　矩形导向浮阀、梯形导向浮阀及组合导向浮阀。　导向浮阀改善了Ｆ１型浮阀液面梯度较大的缺　点，液相的返混程度也得到一定程度的降低。　２０世纪９０年代末清华大学开发的ＡＤＶ微　分浮阀塔板源自导向浮阀塔板，但其气体分散更　细密均匀，气液接触更充分，与Ｆ１型浮阀相比．　微分浮阀的塔板效率提高了１５％，塔板处理能力　提高４０％以上，塔板压降降低１０％，塔板操作弹性　获得大幅度提高。　Ｓｗｉｒｌ塔板是Ｓｈｅｌｌ工程公司研究开发的产　品，塔板上安装一系列的固定罩阀．气相以高速　３２　化工技术与开发　第４０卷　通过孔上的罩阀．同时将板上的液相吸入罩内完　成气液接触。此外由高速旋转的气相产生的离心　力可以将液体甩到罩壁外，经过汇集后流到下一　层塔板。此种塔板非常适用于低液气比的场合。　与圆盘形浮阀对应的条形浮阀经改进后证　明性能优良．其基本结构是长条式阀片，气体从　两侧吹出．特殊的排列方式有效减少雾沫夹带。　ＢＶＴ塔板是由石油大学在ＨＴＶ船型浮阀塔板的　基础上开发而成的，保留了ＨＴＶ船型浮阀管式长　条形的优点。又吸取了浮舌塔板、导向浮阀、偏心　Ｎｕｔｔｅｒ浮阀的长处。阀孔分为矩形孔和梯形孔两　种。其排列方式采取以长轴顺液流方向，克服沿　液流方向逆向返混大的缺点，提高传质效率　Ｉ２］。　从上述对浮阀塔板的简要概述可以看出。加　强流体的导向作用和气体的分散作用，是浮阀塔　板的重点开发方向，操作弹性和塔板效率能得到　进一步的提高。实现的措施主要沿着阀片微小型　化和形状多元化两条途径进行［１￣－１４］。　１．４喷射型塔板　喷射型塔板是为了克服上述塔板存在的不　同程度的雾沫夹带现象而研发的。在喷射型塔板　上，气体沿水平方向喷出，不再通过较厚的液层　而鼓泡，因而塔板压降降低，液沫夹带量减少，可　采用较大的操作气速。提高生产能力。　舌形塔板．在塔板上冲出舌形孔，向液流出　口侧张开，气流喷出速度可达２０～３０ｍ・Ｓ～，舌形塔　板的优点是开孔率大、可在较高的空塔气速下操　作，液面落差小。但气体喷射的液流会夹带气泡，　此现象会降低塔板效率。　浮舌塔板是为提高舌形板型的操作弹性而　提出。同时吸取了浮阀的优点。将固定舌片改为　浮动舌片。因此该塔板兼有浮阀塔板和固定舌形　塔板的特点．特别适宜于热敏性物系的减压分离　过程。　斜孔塔盘的筛孔为斜开孑Ｌ＇相邻两排开孔相　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，其特殊结构允许在高气相负荷下操作，　同时具有自清洗作用，物料不易堵塞。斜孔塔板　的生产能力比浮阀塔板大３Ｏ％，效率与之相当，是　一种性能优良的塔板。　网孔塔板是一种新颖的斜孔塔板，以一定方　向成网状分布的网孔代替筛孔，并在塔板上架设　互相平行的倾斜挡板，塔板上空间得到充分利　用，其主要缺点是操作弹性较小。　垂直筛板，是近几年开发的新型喷射型塔　板，它是由直径为１００～２００ｍｍ的大筛孔和侧壁开　有小筛孔的圆形泡罩组成。相当于筛孔和泡罩的　复合板，同时也集中了喷射型塔板的特点。１９６８　年Ｅｌ本三井株式会社开发出新型垂直筛板，它的　塔板和降液装置结构与浮阀、筛板、泡罩并无不　同．其主要特点是在帽罩上开有孔或缝（称为物　沫分离孔）。因孔是圆形或栅缝又分为Ｓ型和Ｃ　型。　立体传质塔板（ＣＴＳＴ）也是近年来推广较快　的立体喷射型塔板之一，由开矩形孔的塔板、设　有筛孔的梯形喷射罩和分离板组成，具有处理能　力大、板压降低、抗堵性能强的优点ＥｌＳ］。　Ｕｌｔｒａ—Ｆｒａｃ　ｔｒａｙ是由Ｋｏｃｈ公司与Ｇｌｉｔｓｈ公司　联合开发的一种新型塔板。这种塔板主要是利用　气相高速旋转产生的离心力将液相充分混合后　再抛出泡罩外以实现气液分离。在这个过程中同　时进行传质。Ｕｌｔｒａ—Ｆｒａｃ塔板特别适合于高压、高　液相负荷的工况＿ｌ６－２５］。　以上简要介绍的喷射型塔板是针对某种特　定要求而开发的，改变了传统的气相为分散相的　设计。将气液接触分离的场所由整个塔板分散在　各个喷射罩内，雾沫夹带量小、生产能力大、传质　效率高是他们的共同特点。为了提高喷射塔板的　通用性，复合各种板式的优势于一体开发新型喷　射塔板将是今后的研究发展方向。但具体塔型的　选择还是应当根据不同的工艺及生产需要来确　定