大通量板式塔研究進展

江 山 胡大鵬 金 鑫 趙彬彬

（大連理工大學化工機械學院)

隨著化工行業生產規模的不斷擴大和處理量不斷增加，單純地擴大板式塔體積已經無法滿足工業需求，因為其空間利用率低、投資高、能耗高等特點已嚴重制約了經濟效益的提高。因此，圍繞著大通量、高傳質效率、寬操作彈性、低壓降等指標，國內外學者開發出各種類型的新式塔板。尤其是在保證傳質效率和操作彈性的情況下，增大板式塔的處理量近年來成為研究的熱點[1]。

1 大通量板式塔的分類

目前，大通量塔板的研究方向可分為兩類，一類是改善氣液接觸方式，另一類是引入分離裝置。

1.1 改善氣液接觸方式

傳統板式塔的氣液接觸方式主要為鼓泡式，液相為連續相，氣相為分散相，氣相以氣泡形式分散在連續的液相中，與液相發生傳質[2]，如篩板塔[3]、F1浮閥塔、T型浮閥塔[4]等。而大通量塔板多采用噴射式的氣液接觸方式，在噴射條件下液相被氣相撕裂為液膜或液滴，液相為分散相，氣相為連續相，如NVST塔[5]和垂直篩板塔[6]等。這種形式的塔板氣相負載高，氣相穿透的液層非常薄，甚至不穿過液層，因而氣相壓降也更低。

1.2 引入分離裝置

篩板塔本身并沒有分離氣液的裝置，因而霧沫夾帶問題直接限制了氣體速度，若氣速過高必然帶來過量的霧沫夾帶。此外，由于塔設備結構尺寸的限制，板間距有限，因而在兩層塔板間的垂直距離內僅依靠重力沉降，無法有效地將隨氣體上升的液滴分離出來。鑒于此，大通量塔板引入了兩種工業上常用的分離方法，即離心分離和撞擊分離。

（1） 離心分離

離心分離實質上是利用氣相和液相的密度差，通過離心力分離出氣相中的液滴。塔設備引入離心分離，這就增強了氣液分離的能力，進而可允許較大的氣體速度，也就是增大了塔設備的氣相處理量。引入離心分離的方法有兩種，一種方法是通過導流葉片來實現，沿塔的軸向向上運動的氣體，經過導流葉片的導流作用，變為旋轉運動，產生離心力，如旋流塔[7]和Swirl tube塔[8-9]；另一種方法是利用超重力技術，通過額外引入動力設備——電機，使塔板自身旋轉，帶動氣液兩相共同旋轉，產生離心力，促進氣液兩相的分離。

（2） 撞擊分離

撞擊分離[10]是利用氣體流、液滴與靶體的撞擊以及慣性力來實現氣液分離的。小液滴撞擊到靶體后，附著在靶體表面，也就是被 “捕集”。小液滴不斷匯聚，形成液膜，并通過一定的通道排泄出去，不再被夾帶。靶體形式多樣，可以是位于流道中的單一的擋板，也可以是成組排列的擋板。

2 國內大通量塔板研究現狀

2.1 立體傳質塔板

立體傳質塔板 （CTST）[11]是由河北工業大學研發的高效噴射型塔板，該塔板已經成功應用于煉油、石油化工、制藥等行業中的精餾、吸收、解吸和汽提等過程，其結構如圖1所示。

圖1 立體傳質塔板結構

CTST塔板采用矩形開孔，開孔上方安裝梯形噴射罩，噴射罩兩側為上部帶有篩孔的噴射板，兩端是梯形端板，上部是分離擋板，噴射板和塔板之間留有底隙。CTST的操作工況如圖2所示。

圖2 CTST操作工況

上升氣流通過矩形開空后，進入梯形噴射罩內。這時氣體流通面積縮小，動能增加，致使靜壓降低，且明顯低于塔板液層上方的氣體靜壓。在此壓差的作用下，液體被擠入噴射罩內，經過拉膜、提升、破膜、混合和噴射等過程，實現噴射式接觸傳質。分離裝置為一塊分離擋板，也就是撞擊分離原理中的 “靶”，氣液混合物中的液滴由于慣性被“捕集”，實現氣液分離。CTST塔板開孔率高，處理量大，結構簡單，抗堵塞性能高。

2.2 板式旋轉塔

大連理工大學開發的板式旋轉塔[12]，其結構如圖3所示。塔板由靜塔板和動塔板相互嵌套而成，動塔板固定在轉動軸上，靜塔板和塔壁固定，動靜塔板上均固定有折流板。

圖3 板式旋轉塔結構

操作狀態下，氣液的接觸如圖4所示。液體從中間入口進入塔板，在動塔板的旋轉作用下沿徑向向外運動。在每一塊動塔板的折流板上沿處，由于離心力的作用，液體與動塔板分離，并以較高速度撞擊到靜塔板的折流板上，破碎為大量微小液滴，分散在整個傳質區間，與氣相逆流噴射式接觸，高效傳質。動塔板的高速旋轉提供了足夠的離心力，使液滴始終與氣體逆流接觸，向塔板外側遷移，這就大大減小了霧沫夾帶。

圖4 板式塔操作狀態下氣液接觸

2.3 復合塔板

浙江大學開發了一種新型復合大通量塔板[7]，其操作工況如圖5所示。復合塔板由帶中心降液管的浮舌噴射塔板和一塊旋流塔板組成，其結構如圖6所示。

圖5 復合塔板操作工況

圖6 復合塔板

浮舌噴射塔板用四塊弧形擋板將塔板面均勻地分隔為四個弧形流道，塔板中心設置有降液管，弧形流道延長了液體的流徑，增加了液體的停留時間，氣體經浮舌與液體噴射式接觸，傳質后上升至旋流塔板。旋流塔板 （也稱旋流板）由中心布液盤和環向均勻布置的旋流葉片組成，在旋流板葉片的導向作用下液體作旋轉運動。從上一層浮舌噴射塔板的中心降液管降下來的液體，流到旋流板的中心布液板后被分配到旋流板的各個葉片上，附著在葉片表面形成較薄的液層。薄液層被旋轉的氣流分散為大量液滴，氣液接觸面積極大，形成良好的氣液接觸傳質。同時，液滴隨氣體一起旋轉，受到離心力作用，被甩至塔壁，在塔壁上匯聚到一定程度后，就會在重力的作用下向下流動，流經旋流板和塔壁的環隙，落到下層的浮舌噴射塔板上。

3 國外大通量塔板研究現狀

3.1 Con-Sep塔板

Con-Sep來源于 “contact and separate”， 取意接觸和分離，是Shell公司開發的大通量塔板[8,13]，如圖7所示。

圖7 Con-Sep塔板結構和實物圖

Con-Sep塔板的主要傳質區域還是篩板，只不過在篩板的正下方加裝一層分離板，分離板上安裝著許多旋風管，旋風管內部安裝有導流葉片。氣液混合物經過旋風管時產生旋轉運動，通過離心力的作用分離出液滴。這樣就允許篩板上有更大的操作氣速，也就是增大了塔板的處理量。分離板上分離出的液體，通過單獨的降液管流入篩板層的主降液管，和從篩板上溢流到主降液管的液體一起流入下一級篩板。主降液管采用方形設計，與弓形降液管相比，它提供更長的溢流堰和出口堰。同時，主降液管在塔板上呈中心對稱分布，使得篩板上液層的分布非常均勻，不存在滯留區。研究結果顯示，Con-Sep塔板在維持傳質效率不變的情況下，雖然比傳統篩板塔的壓降上升了30%，但處理能力提高了 120%～140%[13]。

3.2 渦流旋轉塔板

俄羅斯開發的渦流旋轉塔板[14]具有較大的氣相處理能力，其獨特之處在于安裝在塔板上的圓柱形接觸分離元件，如圖8所示。上升的氣相進入接觸分離元件，通過軸流式或切向式的導向葉片產生旋轉，呈螺旋式上升。液體通過供液管進入到中央區，被旋轉的氣流強烈沖擊，分散為大量液滴。液滴和旋轉的氣流相互作用，充分混合，相表面更新迅速，傳質效率高。同時在離心力的作用下，液滴逐漸遷移至元件的內壁面，形成液膜，并隨氣流向上流動，然后在出口處甩出，與氣相實現分離。渦流旋轉塔板具有高的分離效率，允許更高的氣相通過速度，在分離元件內氣相速度可以達到8～15 m/s，此速度大大超過了鼓泡型設備中的氣速。

圖8 渦流旋轉塔板結構

3.3 Ultra-Frac塔板

Koch-Glitsch公司推出的Ultra-Frac塔板[15]，也是通過高速氣體在旋風管內產生的離心力實現氣液傳質和分離的，其結構如圖9所示。

圖9 Ultra-Frac塔板結構

該塔板與眾不同處在于，從上一層塔板上落下的液體，經過降液管直接進入下一層塔板上的旋風管內，沒有在塔板上滯留，這樣就可連續地與氣相高效傳質。同時由于設置了多個降液管，Ultra-Frac塔板更適合大的液量負載。Ultra-Frac塔板已廣泛應用于各種塔板的改造。

3.4 Co-Flo塔板

Co-Flo塔板[8,16]是由美國Jaeger公司開發的一種新型塔板，其結構如圖10所示。接觸板為傳統的篩板，每層接觸板的下方安裝分離板，分離板為按組排列的導槽，其結構如圖11所示。分離板采用撞擊分離的原理，氣液混合物在經過分離板時，液體由于其慣性撞擊到導槽，并附著在導槽表面形成液膜。液體匯聚到一定程度后便落入導槽中，統一引流到降液管。降液管跨層布置，長度為兩層塔板間距。分離板和降液管是經特殊設計的，允許氣體高速通過接觸板，完全夾帶液體上升，然后經過分離板的高效分離，液體進入降液管，氣體繼續上升至上層接觸板。與其他塔板相比，Co-Flo塔板操作氣速大大提高，處理能力大幅增強。

圖10 Co-Flo塔板結構

圖11 分離板結構

4 結論

目前，大通量板式塔的研究主要集中在對氣液接觸方式和氣液分離裝置的改進上，氣液接觸方式正由傳統的鼓泡式向噴射式發展，而氣液分離裝置也轉向更高效的撞擊分離、離心分離等方式發展。大通量板式塔的發展將會是這些改進思想的復合和優化，并盡可能實現優勢互補和結構簡化。

[1] 丁夢軍,王成習.大通量塔板研究進展 [J].化學工程,2010 (10)：37-41.

[2] 計建炳,譚天恩.我國塔器技術的進展 [J].化工進展,2000 (6)：51-57.

[3] Smith V C，Delnicki W V.篩板塔的最佳設計 [J].化工煉油機械通訊,1976 (4)：79-84.

[4] 劉家斌.F1浮閥塔盤與T形排列條形浮閥塔盤的對比[J].石油化工設備技術,1987 (5)：51-53.

[5] 李春利,王志英,李柏春,等.塔板技術最新進展和研究展望 [J].河北工業大學學報,2002(1)：20-25.

[6] 王愛軍,李群生,吳海龍,等.矩形垂直篩板的流體力學性能研究 [J].石油化工,2005(2)：148-151.

[7] 丁夢軍.新型大通量復合塔板的特性研究 [D].杭州：浙江大學,2011.

[8] Wilkinson P,Vos E,Konijn G,et al.Distillation trays that operate beyond the limits of gravity by using centrifugal separation [J].Chemical Engineering Research and Design,2007,85 (1)：130-135.

[9] Olujic Z,J?decke M,Shilkin A,etal.Equipment improvementtrendsin distillation [J] .Chemical Engineering and Processing：Process Intensification,2009,48 (6)：1089-1104.

[10] Perry H，Perry R.化學工程手冊 [M].第6版.北京：化學工業出版社,1993.

[11] 呂建華,張文林,劉繼東,等.立體傳質塔板 (CTST)水力學性能與吸收塔的應用 [A].見：2005年全國塔器及塔內件技術研討會 [C].杭州： 2005.

[12] 鄭瓊.板式旋轉塔的流體力學性能研究 [D].大連：大連理工大學，2012.

[13] Bravo J L,Kusters K A.Tray technology for the new millennium [J].Chemical Engineering Progress,2000,96 (12)：33-37.

[14] 曹緯.俄羅斯新型塔板的開發 [J].化工裝備技術,2000,21(1)：54-58.

[15] US Patent.5626799[P].1997.

[16] Fair J,Trutna W,Seibert A.A new ultra-capacity distillation tray for columns [J].Chemical Engineering Research and Design,1999,77 (7)：619-626.