浮閥塔板最新應用研究進展

王少鋒，項曙光

（青島科技大學煉油化工高新技術研究所，山東 青島 266042）

進展與述評

浮閥塔板最新應用研究進展

王少鋒，項曙光

（青島科技大學煉油化工高新技術研究所，山東 青島 266042）

浮閥塔是一種應用極為廣泛的汽液傳質設備，本文介紹了國內研究開發的新型浮閥塔板。這些浮閥塔板是在F1型浮閥塔板的基礎上開發而成的，相比于F1型浮閥塔板，具有壓降低、霧沫夾帶量小、泄漏量小、處理量大等優點。本文以塔板的開發年代和塔板類型為主線，對這些浮閥塔板的結構特點、流體力學、傳質性能、優缺點等進行了概括總結，對每個系列浮閥塔板的設計開發理念進行了總結概括，同時介紹了導向浮閥塔板在齊魯石化公司丁二烯裝置中應用的成功實例，很大程度地提高了塔板負荷率和產品質量；并簡單介紹了一些常用塔板在工業生產中的應用情況，闡述了這些新型浮閥塔板的發展思路，即浮閥形狀以條形為主，并且大部分浮閥塔板都開有導向孔；最后指出了今后塔板技術的研究和發展動向。

傳質；鼓泡塔；流體力學；工業應用

塔設備是實現精餾、吸收、解吸、汽提、萃取等化工單元操作的氣液傳質設備，廣泛地應用在化工、石油化工、農藥、醫藥、環保等行業中。它的主要作用是完成氣液或液液兩相之間的傳質與傳熱，按其結構可分為板式塔和填料塔。在工業生產中，由于各自的特點不同，有不同的應用領域。板式塔是以塔板作為氣液兩相接觸構件的逐級接觸式傳質設備，塔板是板式塔的核心部件，主要有以下幾種類型：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、噴射型塔以及其他特殊類型的塔板。從1813年Cellier首次提出泡罩塔至今200多年中，國內外的科研工作者圍繞著低壓降、大通量、高彈性、高效率的塔板進行了大量研究，開發了很多種結構獨特的新型塔板。

浮閥塔板是在塔盤上開有一定形狀的閥孔（圓形或矩形），孔中安有可上下浮動的閥片，有圓形、矩形、盤形等，從而形成不同形式的浮閥塔板。浮閥塔板因其具有優異的綜合性能（生產能力大、操作彈性大、塔板效率高、傳質效果好等）已成為目前應用最廣泛的一種塔板。

浮閥塔是20世紀50年代開發的一種非常有效的氣液傳質設備，傳統浮閥的代表是美國Glitsch公司開發的V1型浮閥，國內稱之為F1型浮閥[1]。一開始國內很多化工裝置采用的基本都是F1浮閥塔板，在工業上得到了廣泛的應用，但隨著現代浮閥塔板的不斷發展，該浮閥逐漸暴露出以下幾個缺點：①F1浮閥塔板頂部為一圓面，氣體不能通過，浮閥上方幾乎沒有鼓泡，氣液接觸狀況比較差，從而降低了塔板的傳質效率；②塔板入口與出口液面落差較大，入口處液體量太大導致塔板漏液，而出口處液體量太小導致氣體噴射，二者均不利于塔板傳質；③F1浮閥的圓形結構使氣體從閥四周噴出，加大了塔板上液體的返混程度，降低了塔板效率；④塔板兩側弓形區域無法進行布閥，此區域液體流動較差，不利于傳質；⑤由于浮閥為圓形的，操作過程中易旋轉、磨損甚至脫落。針對F1型浮閥的不足，國內相繼出現一些性能優良的浮閥塔板。本文對華東理工大學、中國石油大學、天津大學、西安石油大學、清華大學等國內幾所主要大學開發的新型浮閥塔板進行一次綜述，展望了今后塔板技術的研究和發展方向。

1 新型浮閥塔板

1.1 華東理工大學導向系列浮閥塔板

既要保留F1浮閥塔板的優點，同時又要克服其存在的缺點，為此華東理工大學開發了導向浮閥塔板[2]，其主要特征如下：①與F1浮閥相比，其上方開有導向孔，這樣一方面可以加快塔板上液體流動，從而能減小液面梯度；另一方面浮閥上方也可以形成鼓泡，從而提高了傳質效率；②導向浮閥為條形，有矩形和梯形兩種形狀，浮閥的兩端設有閥腿，氣體只能從浮閥的兩側噴出，噴出的方向與液體方向垂直，這樣就降低了塔板液體的返混程度；③兩側弓形區域導向浮閥的適當排布可以有效地消除塔板上的液體滯止區；④導向浮閥的條形設計使其在操作中不轉動，無磨損，不易脫落，增加了操作的穩定性。在導向浮閥基礎之上，華東理工大學又相繼開發出了組合導向浮閥塔板[3]、B型導向浮閥塔板[4]、波紋導向浮閥塔板[5]、組合波紋導向浮閥塔板[6]、齒形導向浮閥塔板[7]、HLFV浮閥塔板[8]等，圖1為導向系列浮閥塔板的發展過程。

從圖1中可以看出，華東理工大學設計開發的浮閥塔板主要有以下特點：①浮閥形狀均為條形，浮閥兩端均設有閥腿，這樣的設計可以有效地減輕塔板上液體返混程度；②閥面上均開有導向孔，這樣的設計可以減小塔板上液面梯度，增強傳質效果；③不同類型的浮閥塔板按照一定的比例搭配，組合成一種新型塔板，這樣的設計是通過合適的搭配，從而提高塔板的傳質效率；④通過改變閥面周邊設計，使氣體細分，鼓泡均勻，提高傳質效率。綜上所述，華東理工大學浮閥塔板的設計理念為具有導向作用的條形浮閥。

1.2 中國石油大學浮閥塔板

船型（HTV）浮閥塔板[9]是由中國石油大學于20世紀80年代開發的新一代高效塔板，該浮閥塔板吸取了條形浮閥、倒蠱型浮閥和管式浮閥等結構上的優點，其主要特征如下：①閥體為長方形，底部為半圓形，氣體從閥體兩側長邊噴出，在一定程度上降低了塔板上液體的返混程度；②閥體兩側帶有翻邊，可以減緩氣體流速，從而可以減輕霧沫夾帶，增強傳質效果；③閥單體尺寸比F1浮閥大將近一倍，這樣可以提高塔板上可排布的閥孔數，從而提高了氣體通量；④閥體一端有小凸起，閥體兩端有高度差，并且閥底有兩個淚孔，都可以加快塔板上液體流動，提高傳質效率。

HTV浮閥塔板被廣泛地應用于工業生產中，應用表明其分離效率高、操作彈性大、安裝方便，是一種高性能塔板。但是也存在著一些不足，例如液面梯度偏大、存在一定程度的返混、弓形區存在液體滯止區、壓降偏高等。因此，在HTV浮閥塔板的基礎上又開發了BVT浮閥塔板[10]，既保留了管式長條形的優點，又吸取導向浮閥、浮舌塔板[11]和偏心Nutter浮閥的優點。其主要特征如下：①采用獨特的半錐形結構，并在后端開有一個舌孔，這樣和閥孔吹出的氣體對塔板上液體產生雙重的推動力，能夠很大程度上降低塔板液面梯度，從而使塔板積液減少氣體分布均勻，提高了傳質效率，壓降也相應降低；②浮閥前輕后重，操作過程前端先開啟，類似于浮舌塔板，全開啟狀態類似HTV浮閥，操作彈性很大，其發展過程如圖2所示。中國石油大學綜合導向條閥和MMVG固閥的優點開發了雙層導向浮閥塔板[12]和SFV全通導向浮閥塔板[13]，其發展過程如圖3所示。

圖1 華東理工大學導向系列浮閥塔板發展過程

圖2 HTV和BVT浮閥塔板發展過程

從圖2中可以看出，BVT浮閥塔板為HTV浮閥塔板的一種發展改型，二者均為長條形結構，這樣的設計可以有效地降低塔板上液體的返混程度；浮閥尺寸比F1要大很多，這樣可以增加塔板布閥數量、提高開孔率、增加氣體通量；閥底的開孔可以加快塔板上液體流動，降低液面梯度。

從圖3中可以看出，雙層導向和SFV全通導向浮閥塔板都是在條形浮閥閥面上開設微型固閥，同時具備兩者的優良特性，并且在閥腿上都開有導向孔，這樣可以加快塔板上液體流動，降低塔板上液面梯度，消除塔板兩端液體滯留區，改善塔板上液體流體力學與傳質性能。

圖3 雙層導向和SFV全通導向浮閥塔板發展過程

1.3 天津大學浮閥塔板

天津大學在條形浮閥塔板基礎上開發了復合條形細分浮閥塔板（CRSV）[14]、全周向通氣條形導向浮閥塔板[15]，結合舌形浮閥塔板開發了BJ浮閥塔板[16]，結合梯形浮閥塔板[17]開發了箭形浮閥塔板[18]，其發展過程如圖4所示。

天津大學在F1浮閥的基礎上開發了滑片式籠罩浮閥塔板（WHY）[19]，結合梯形浮閥開發了滑片式梯形導向浮閥塔板[20]和斜孔梯形導向浮閥塔板[21]，其發展過程如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，天津大學開發的大部分塔板都是條形的，并且開有導向孔，這樣的設計可以一定程度上減輕塔板返混，降低液面梯度，提高塔板傳質性能。

1.4 西安石油大學3D系列浮閥塔板

西安石油大學為了更大程度地提高氣液接觸面積，提出了分層次多方位鼓泡的立體傳質模型，開發了3D系列浮閥塔板，主要產品有3D圓閥塔板[22]、浮閥鼓泡器塔板[23]、鋸齒邊窄條閥塔板[24]、3D窄條閥塔板[25]，其發展過程如圖6所示。

從圖6 可以看出，西安石油大學開發的3D系列浮閥周邊都是齒邊形，這樣的設計可以使氣體細分，鼓泡均勻，減少霧沫夾帶，有利于增強傳質效果。

1.5 清華大學ADV微分浮閥塔板和HAVTH塔板

清華大學澤華公司與美國AMT公司在1997年開發出ADV微分浮閥塔板[26]。該塔板是在F1浮閥塔板基礎上開發的，主要做了以下改進：①在閥頂開有小閥孔，增加了傳質空間，提高了傳質效率；②在入口處安裝鼓泡促進器，有利于鼓泡，防止在入口處出現漏夜，有利于提高效率和生產力；③新的閥孔結構使浮閥只能上下移動，不能旋轉，增加了浮閥的使用壽命；④對降液管進行優化，增加鼓泡區面積；⑤局部采用具有導向作用的浮閥，可以降低液面梯度，使氣液分布均勻增強傳質。其結構圖如圖7所示。

圖4 BJ、CRSV、箭形和全周向通氣條形導向浮閥塔板發展過程

清華大學化工系結合固閥和浮閥塔板的優缺點開發了一種兩者相結合的高性能自適應浮閥塔板，即HAVTH塔板[27]。該塔板由MVG固閥塔板和Superfrac微分浮閥塔板組合而成，這樣的設計可以充分利用塔板上方的傳質空間，提高塔的操作彈性。其結構圖如圖8所示。

圖5 WHY、滑片式梯形和斜孔梯形導向浮閥塔板發展過程

圖6 西安石油大學3D系列浮閥塔板發展過程

圖7 ADV微分浮閥塔板

圖8 HAVTH塔板

1.6 導向浮閥塔板在齊魯石化公司橡膠廠丁二烯裝置中應用[28]

齊魯石化公司烯烴廠丁二烯裝置第二萃取精餾塔原為60層V1浮閥塔板，開工后負荷率只有75%， 1994和1995年經過兩次停車整理，負荷率達到90%左右。為了提高負荷，決定對此塔進行改造，用導向浮閥塔板替換原來的V1浮閥塔板，經過改造后，負荷率由原來的90.5%提高到96.7%，塔頂丁二烯中乙烯基乙炔含量由原來的50mg/L降至5mg/L以下，塔頂產品合格率和開工率都得到了明顯改善，該改造項目獲得齊魯石化科技進步獎。

1.7 塔板工業應用情況

以上介紹的新型浮閥塔板在工業生產中已經得到廣泛應用，應用于化工、制藥、化肥等行業中，應用效果顯著，性能優良，為企業創造了良好的經濟效益，其工業應用情況匯總見表1。

表1 新型浮閥塔板工業應用情況匯總

（續表1）

2 新型浮閥塔板研究展望

通過對以上新型浮閥塔板的分析研究，未來浮閥塔板的發展方向有以下幾方面。

（1）針對F1浮閥塔板形狀為圓形，浮閥易磨損、脫落的缺點，未來浮閥塔板發展從塔板形狀來看主要以條形為主，相比圓形浮閥，條形浮閥有很多優點，例如條形浮閥不易旋轉、不易磨損及脫落、返混程度較小、處理能力較大等。

（2）隨著現代化工生產裝置的大型化，目前的塔板可能滿足不了要求，因此未來浮閥塔板會向著高效率、大通量、高彈性方向發展。

（3）針對一些有特殊要求的化工裝置開發一些有特殊功能的浮閥塔板，例如防堵抗臟型塔板、具有機械消泡功能的塔板、無返混塔板等[37]。

（4）設計的新型浮閥塔板閥面上大部分都開有導向孔，從而可以更加充分地利用浮閥上方的傳質空間，形成多層次三維空間傳質模式[38]。

3 結 語

（1）以上介紹的浮閥塔板能應用到不同的化工裝置中，有各自特定的應用場合。

（2）通過不同類型塔板的復合，能起到更好的傳質效果。

（3）不同的浮閥塔板有其適宜的操作范圍，傳質效果、分離效率、操作能力相差不大。但若要大規模提高液體處理能力或分離易發泡物系，還應優化設計降液管的結構，如采用多降液管、懸掛式矩形降液管等[39]。

（4）科研工作者大部分都是從浮閥的結構入手，開發低壓降、低霧沫夾帶和低漏液的塔板，增強傳質效果，進一步提高水力學性能。

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Application and research progress of valve trays

WANG Shaofeng，XIANG Shuguang
（Hi-Tech Institute for Petroleum and Chemical Industry，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，Shandong，China）

Float valve tower is a widely used vapor-liquid mass transfer equipment. The new valve trays developed from F1 valve tray in China are introduced. These new value trays have lower pressure drop，lower entrainment rate，lower weeping rate，and higher processing capacity. The structure，hydrodynamics，mass transfer efficiency，advantages and disadvantages are summarized，focusing on time of development and type of tray. Valve tray design and development concepts of each series are summarized. The successful example of directed valve trays applications in Qilu Petrochemical butadiene unit is described. The quality of product and tray loading rate are greatly improved. Some common trays used in industrial production are introduced. The development ideas of these new valve trays are described. The float valve is mainly bar shape and a directed hole is opened in most valve trays. Future research and development of tray technology are prospected.

mass transfer；bubble column；fluid mechanics；industrial applications

TQ 053.5

A

1000-6613（2014）07-1677-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.07.004

2013-12-24；修改稿日期：2014-01-23。

王少鋒（1987—），男，碩士研究生，從事塔板水力學計算研究。聯系人：項曙光，教授，博士生導師，研究方向為過程系統工程。E-mail xsg@qust.edu.cn。