塔板技術(shù)應(yīng)用研究進展

李蘇雅，王文建

（青島科技大學化工學院，山東 青島266042）

塔板技術(shù)應(yīng)用研究進展

李蘇雅，王文建

（青島科技大學化工學院，山東 青島266042）

介紹了近幾年國內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用的新型塔板，按氣液流向不同將塔板分為3類進行概括，并對其結(jié)構(gòu)特點和性能做出了評述，預測了未來塔板技術(shù)革新的方向。

板式塔；新型塔板；技術(shù)展望

在石油化學工業(yè)領(lǐng)域中，精餾作為主要的一種分離操作手段在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起到舉足輕重的作用。對大型的石油工業(yè)和以化學反應(yīng)為中心的石油化工生產(chǎn)過程，分離裝置的費用占總投資的50%～90%［1］。塔器設(shè)備作為精餾核心設(shè)備之一，得到廣泛應(yīng)用。按照內(nèi)件形式的不同，可分為填料塔和板式塔。板式塔的興起可以追溯到1813年Cellier首次提出泡罩塔，到如今已有近200年的歷史，它的應(yīng)用比填料塔大得多，約占應(yīng)用設(shè)備總數(shù)的80%以上，具有生產(chǎn)能力大，傳質(zhì)效率高，操作彈性大等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)相對復雜。本文就近年來板式塔塔板國內(nèi)外的發(fā)展狀況作簡要介紹。

板式塔的塔板可分為有降液管及無降液管兩大類。按照氣液流向的不同，塔板可分為錯流式，逆流式，并流式。

1 錯流塔板

錯流塔板主要包括泡罩型、篩孔型、浮閥型、噴射型。

1．1 泡罩塔板

是最早在工業(yè)上規(guī)模應(yīng)用的板型之一，20世紀50年代以前為工業(yè)主要用板。其結(jié)構(gòu)特點在于蒸汽的通道，在塔板開孔上設(shè)有升氣管，其上附有邊緣開齒縫的泡罩。因升氣管高于板面，當氣體負荷小時能防止液體泄漏，具有操作彈性大、氣液比范圍大、抗堵等優(yōu)點，但同時也因壓降高、霧沫夾帶嚴重、造價高，被后來出現(xiàn)的浮閥塔板、篩板所替代，現(xiàn)在僅在結(jié)構(gòu)比較嚴重的特殊場合應(yīng)用。Seibert［2］對高氣含量液相連續(xù)精餾的操作工況進行研究，結(jié)合篩板和填料的應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)泡罩塔只在低表觀氣速下操作的狀況。復合板型的耦合將是泡罩板改進的重要方向。

1．2 篩孔塔板[3]

傳統(tǒng)的篩板結(jié)構(gòu)就是均勻在板面上鉆孔，來自上層塔板的液體流過篩板，越過溢流堰進入下層板。篩孔塔板比泡罩塔的生產(chǎn)能力大10%～15%，板效率高15%左右，壓降可降低30%左右，另外結(jié)構(gòu)簡單，造價低40%左右，便于清理檢修。針對傳統(tǒng)篩孔板入口鼓泡面積小、液面梯度大、氣液有效接觸區(qū)域有限等實際存在問題，逐漸改進推出如下新型塔板：

林德篩板，由美國聯(lián)合碳化物公司的林德子公司開發(fā)，適用壓降低的減壓塔操作，其主要特點是：在降液管液體出口處將塔板向上凸起，并在塔板上增設(shè)導向篩孔，提高了鼓泡面積，降低了液面梯度，操作范圍也有一定提高。

MD塔板，多降液管篩板（Multiple Downcomers Sieve Tray），最早是美國聯(lián)合碳化物公司在20世紀60年代開發(fā)而成。塔板上設(shè)有多根矩形降液管，且降液管掛在氣相空間；出口堰的總長遠遠大于一般塔板；每相鄰兩板的降液管互成90°排列；液流流程短。此后又出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多降液管精餾塔板，克服了氣液接觸時間的不一致性［4～5］。

DJ塔板是由浙江工業(yè)大學在MD塔板的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種多降液管塔板，尤其適用于處理高液氣比負荷操作和加壓操作［6］。其中DJ-1型塔板的結(jié)構(gòu)與MD塔板相似，改進點是突破了MD塔板降液管寬度小于200mm的限制，但是這種塔板的傳質(zhì)效率卻比F1浮閥塔板和篩孔塔板都低；DJ－2型塔板在塔板上增設(shè)了導流裝置，使進入塔板上的液體分布均勻，減小了滯留區(qū)面積，塔板效率與篩孔塔板相當；DJ－3型塔板在降液管兩側(cè)增加了薄層規(guī)整填料，當氣液負荷高時可以減少霧沫夾帶，而當氣液負荷低時填料層可起強化傳質(zhì)作用，塔板效率比篩孔塔板高10%～15%。

南京大學開發(fā)的95型大通量塔板，因該板的有效傳質(zhì)區(qū)面積約占全部塔板面積的95%而得名，其采用月牙型、流線型溢流堰或三角型縱剖面的拖尾式設(shè)計，在加入導流板后可基本消除渦流區(qū)，使流形趨于合理［7~8］。

NYE塔板是格單奇公司開發(fā)的高通量塔板，1991年獲得專利。塔板上沒有受液盤，降液管懸掛設(shè)置，整個板面都為開孔區(qū)域［9］。

VORTEX塔板是SULZER CHEMTECH公司開發(fā)與生產(chǎn)的專利產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)上設(shè)計了一種獨特的懸掛式防旋渦降液管，增大了有效鼓泡區(qū)面積，但塔盤結(jié)構(gòu)比較復雜。

SLIT塔板［10］由瑞士KUHNI公司在篩孔塔板的基礎(chǔ)上開發(fā)成功，這種塔板在結(jié)構(gòu)上以一對細縫代替篩孔，同時穿過細縫的氣體沿水平方向與液體接觸，霧沫夾帶明顯減少。目前一共有A、B兩種類型，雖然降液管的設(shè)置不同，但操作彈性相當，B型較A型液體負荷大得多。此類塔板尤其適用容易起泡的體系或帶有固體顆粒的物料。

Perform塔板，塔板由開有定向小孔的壓延金屬板網(wǎng)制成，充分利用氣相動能，強化兩相間的傳質(zhì)；同時設(shè)有碎流板，起到分液作用；氣液在塔板不同區(qū)域方向發(fā)生90°的改變，因此在轉(zhuǎn)折位置發(fā)生旋轉(zhuǎn)，相際接觸更充分?？傮w說來，該塔板具有高負荷、低壓降、塔板孔速大、抗堵塞能力強等特點，缺點是操作彈性較小，只有3左右。

P－K篩孔（縫）塔板，是針對工業(yè)中處理含有較多固體顆粒的精餾而設(shè)計，如催化精餾塔。其塔板是波紋形，增大了塔板的開孔面，相鄰波面上的斜孔（縫）的開口方向相反，交錯排列，牽制氣流對液流的推動作用，促進橫向混合。較大的氣相水平分速度可以防止固體顆粒結(jié)垢，波谷出氣體具有較大的垂直速度，將沉積的固體顆粒吹起。P－K篩孔（縫）塔板具有處理能力較大、壓降低、板效率較高的優(yōu)點。

從以上各種新型篩孔塔板的介紹可以看出，篩板塔的改進和優(yōu)化是為了增大氣液傳質(zhì)面積，主要集中在擴大開孔面積和降液管結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面，也有一些是為滿足特殊工況條件下而開發(fā)?？傮w而言，工藝條件和塔內(nèi)件的一體化匹配還有待提高，雖然上述塔板做了很多結(jié)構(gòu)改進，但結(jié)構(gòu)復雜，造價較高，塔板傳質(zhì)行為理論機理不能普遍適用，預測結(jié)果與實驗存在偏差，精密精餾的節(jié)能還有待進一步增強。

1．3 浮閥塔板

浮閥塔于20世紀50年代初期在工業(yè)上開始推廣使用，由于它兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點，已成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔型，特別是在石油、化學工業(yè)中使用最普遍，對其性能研究也較充分。浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干大孔，每個孔上裝有一個可以上下浮動的閥片，浮閥的形式很多，目前國內(nèi)最常用的有F1型、V－4型和T型。針對F1的缺點國內(nèi)外又開發(fā)出了很多高效浮閥塔盤。

VV塔盤，德國Stahl公司在20世紀80年代推出的一種高彈性浮閥塔板 （Varioflex-Valve Tray），閥片上面開孔，開孔率會隨氣量的增加而增大，操作彈性相當大，閥片使用壽命也比較長。

SUPERFRAC塔板是GLITSCH公司開發(fā)的系列專利產(chǎn)品，目前已有SUPERFRACI～Ⅳ型、SUPERFRAC＋型產(chǎn)品。傳質(zhì)元件包括兩種結(jié)構(gòu)的小圓形浮閥和降液管出口的鼓泡裝置。降液管可設(shè)計成扇形，塔板之間搭接處開有篩孔，是一種高性能塔板［11］。

導向浮閥塔板，在閥面上開導向孔，發(fā)揮氣相推液的作用，降低液體梯度。目前有3種形式：矩形導向浮閥、梯形導向浮閥及組合導向浮閥。導向浮閥改善了F1型浮閥液面梯度較大的缺點，液相的返混程度也得到一定程度的降低。

20世紀90年代末清華大學開發(fā)的ADV微分浮閥塔板源自導向浮閥塔板，但其氣體分散更細密均勻，氣液接觸更充分，與F1型浮閥相比，微分浮閥的塔板效率提高了15%，塔板處理能力提高40%以上，塔板壓降降低10%，塔板操作彈性獲得大幅度提高。

Swirl塔板是Shell工程公司研究開發(fā)的產(chǎn)品，塔板上安裝一系列的固定罩閥，氣相以高速通過孔上的罩閥，同時將板上的液相吸入罩內(nèi)完成氣液接觸。此外由高速旋轉(zhuǎn)的氣相產(chǎn)生的離心力可以將液體甩到罩壁外，經(jīng)過匯集后流到下一層塔板。此種塔板非常適用于低液氣比的場合。

與圓盤形浮閥對應(yīng)的條形浮閥經(jīng)改進后證明性能優(yōu)良，其基本結(jié)構(gòu)是長條式閥片，氣體從兩側(cè)吹出，特殊的排列方式有效減少霧沫夾帶。BVT塔板是由石油大學在HTV船型浮閥塔板的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，保留了HTV船型浮閥管式長條形的優(yōu)點，又吸取了浮舌塔板、導向浮閥、偏心Nutter浮閥的長處。閥孔分為矩形孔和梯形孔兩種。其排列方式采取以長軸順液流方向，克服沿液流方向逆向返混大的缺點，提高傳質(zhì)效率［12］。

從上述對浮閥塔板的簡要概述可以看出，加強流體的導向作用和氣體的分散作用，是浮閥塔板的重點開發(fā)方向，操作彈性和塔板效率能得到進一步的提高。實現(xiàn)的措施主要沿著閥片微小型化和形狀多元化兩條途徑進行［13～14］。

1．4 噴射型塔板

噴射型塔板是為了克服上述塔板存在的不同程度的霧沫夾帶現(xiàn)象而研發(fā)的。在噴射型塔板上，氣體沿水平方向噴出，不再通過較厚的液層而鼓泡，因而塔板壓降降低，液沫夾帶量減少，可采用較大的操作氣速，提高生產(chǎn)能力。

舌形塔板，在塔板上沖出舌形孔，向液流出口側(cè)張開，氣流噴出速度可達20～30m·s－1，舌形塔板的優(yōu)點是開孔率大、可在較高的空塔氣速下操作，液面落差小。但氣體噴射的液流會夾帶氣泡，此現(xiàn)象會降低塔板效率。

浮舌塔板是為提高舌形板型的操作彈性而提出，同時吸取了浮閥的優(yōu)點，將固定舌片改為浮動舌片，因此該塔板兼有浮閥塔板和固定舌形塔板的特點，特別適宜于熱敏性物系的減壓分離過程。

斜孔塔盤的篩孔為斜開孔，相鄰兩排開孔相反，既可避免液體在流動方向上被不斷加速，又使液體不會在塔板的一邊積聚，塔板上的液層低而均勻，其特殊結(jié)構(gòu)允許在高氣相負荷下操作，同時具有自清洗作用，物料不易堵塞。斜孔塔板的生產(chǎn)能力比浮閥塔板大30%，效率與之相當，是一種性能優(yōu)良的塔板。

網(wǎng)孔塔板是一種新穎的斜孔塔板，以一定方向成網(wǎng)狀分布的網(wǎng)孔代替篩孔，并在塔板上架設(shè)互相平行的傾斜擋板，塔板上空間得到充分利用，其主要缺點是操作彈性較小。

垂直篩板，是近幾年開發(fā)的新型噴射型塔板，它是由直徑為100～200mm的大篩孔和側(cè)壁開有小篩孔的圓形泡罩組成。相當于篩孔和泡罩的復合板，同時也集中了噴射型塔板的特點。1968年日本三井株式會社開發(fā)出新型垂直篩板，它的塔板和降液裝置結(jié)構(gòu)與浮閥、篩板、泡罩并無不同，其主要特點是在帽罩上開有孔或縫（稱為物沫分離孔）。因孔是圓形或柵縫又分為S型和C型。

立體傳質(zhì)塔板（CTST）也是近年來推廣較快的立體噴射型塔板之一，由開矩形孔的塔板、設(shè)有篩孔的梯形噴射罩和分離板組成，具有處理能力大、板壓降低、抗堵性能強的優(yōu)點［15］。

Ultra-Frac tray是由Koch公司與Glitsh公司聯(lián)合開發(fā)的一種新型塔板。這種塔板主要是利用氣相高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將液相充分混合后再拋出泡罩外以實現(xiàn)氣液分離，在這個過程中同時進行傳質(zhì)。Ultra-Frac塔板特別適合于高壓、高液相負荷的工況［16～25］。

以上簡要介紹的噴射型塔板是針對某種特定要求而開發(fā)的，改變了傳統(tǒng)的氣相為分散相的設(shè)計，將氣液接觸分離的場所由整個塔板分散在各個噴射罩內(nèi)，霧沫夾帶量小、生產(chǎn)能力大、傳質(zhì)效率高是他們的共同特點。為了提高噴射塔板的通用性，復合各種板式的優(yōu)勢于一體開發(fā)新型噴射塔板將是今后的研究發(fā)展方向，但具體塔型的選擇還是應(yīng)當根據(jù)不同的工藝及生產(chǎn)需要來確定。

2 逆流塔板

以上塔板均屬于有降液管式塔板，此外還有無降液管式的塔板，主要是無溢流塔板，亦稱淋降塔板。其優(yōu)點是氣液逆流接觸，塔板全部面積都可用來開孔或安置柵格，壓降低。缺點是若液體負荷過大，氣體將不能正常進入上一層塔板，導致氣體脈沖震動上升；若液體負荷過小，則液體不能正常進入下一層塔板，亦是脈沖下流。這一類型的塔盤有穿流塔板、波紋塔板和復合塔。

美國Glitsch公司設(shè)計開發(fā)的Screen塔板又稱紋柵塔板即屬此列，為文丘里條縫塔板。它是由多根截面積為梯形的金屬棒緊密排列而成，適用于大處理量工況，具有壓降低、效率高、開孔率大的優(yōu)勢，但其板效率低。

3 并流塔板

自1936年Lewis推導出液體并流塔板能夠提高塔板效率理論后，又有不少學者從理論上和實踐上加以證實。1975年Haselden指出要使塔板效率提高20%，只有采用液體并流塔板才有可能。并流塔可能會成為板式塔今后發(fā)展的一個新的方向。

該塔板的主要特點是：（1）利用氣相動能來強化氣液傳質(zhì)；（2）不存在錯流塔板的液泛限制。由于這種塔板的特殊設(shè)計，使得液相在塔板上形成小循環(huán)，增加了液相在塔板上的停留時間，提高了塔板的點效率。

NVST在塔板上布置有許多帶側(cè)壁小孔的圓形泡罩，液體從泡罩下的縫隙流入升氣孔，被上升氣流拉成液膜，通過側(cè)壁小孔分散成很細的液滴，兩相發(fā)生強烈的接觸。該型塔板的特殊結(jié)構(gòu)使它具有以下特點：（1）處理能力大；（2）效率高；（3）操作彈性大；（4）壓降很小。其缺點主要是結(jié)構(gòu)較復雜，塔板剛度需加強，造價較高，同時對設(shè)計的要求也較高。

裝有渦流旋轉(zhuǎn)器的氣液并流塔板是俄羅斯開發(fā)的新型塔板，該設(shè)備的接觸裝置為直徑70～120mm的圓柱形短管，其上裝有蒸汽“渦流旋轉(zhuǎn)器”。接觸區(qū)內(nèi)的兩相并流流動，與液體和蒸汽流的離心分離運動配合，相互作用后消除了設(shè)備的液泛。該過程可在高的蒸汽速度下進行（8～15m·s－1）。而且裝置沒有放大問題。目前已在俄羅斯各企業(yè)推廣使用，獲得較高經(jīng)濟效益［26］。

旋轉(zhuǎn)并流噴射塔板是為獲得優(yōu)質(zhì)石化和化工產(chǎn)品，滿足真空精餾和萃取要求，由俄羅斯開發(fā)的傳質(zhì)設(shè)備，比上述塔板結(jié)構(gòu)都復雜，旋轉(zhuǎn)軸上固定有抽吸裝置和分散裝置，抽吸裝置由兩個同心圓筒構(gòu)成，兩圓筒間裝有抽吸葉片；分散裝置是一個多孔圓筒。抽吸裝置將液盤中的液體連續(xù)供給分散裝置，后者再將液體噴入接觸元件的自由空間。液體撞擊到貼器壁懸掛的液滴收集器的薄板落下，匯集在液盤周邊，再沿溢流管進入液盤供液槽中。這樣周而復始，循環(huán)工作。該塔板最重要的特性就是具有低流體阻力。

噴射式并流填料塔板（JCPT）在NVST的基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)整填料，開發(fā)出兩種結(jié)構(gòu)形式：條形和圓筒形。這種塔板的特點是在升氣筒上方設(shè)置了一塊方形或條形波紋填料以加強傳質(zhì)，帽罩開口方向與塔板上的液流方向垂直。這種新穎的設(shè)計使得塔板的效率比NVST提高了10%，而壓降降低了8%，由于填料阻力很小，故操作上限比NVST大，霧沫夾帶也大為減少［27～28］。

4 結(jié)語［29～30］

從20世紀50年代初浮閥塔板出現(xiàn)，尤其是F1浮閥掀起了高效塔板的革新熱潮，泡罩、篩板、浮閥塔板的設(shè)計不斷改進和創(chuàng)新，這些結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的塔板在工業(yè)應(yīng)用中因效果良好而頗受人們重視。上述塔板的特點主要集中在改進降液管以增大鼓泡區(qū)和改變氣液接觸形式來強化傳質(zhì)兩方面。對于有降液管的塔板，突出的缺點是降液管在塔板上占用了有效的傳質(zhì)區(qū)域和空間；對于無降液管的板式塔，突出的缺點是傳質(zhì)效率較低［31］。塔板的開發(fā)由普適性向個性化轉(zhuǎn)變，越來越多地集中到提高效率和滿足某些特定要求上來，如滿足低壓降、大通量等［32］。傳質(zhì)元件小型化、復合化，強調(diào)工藝與塔內(nèi)件一體化的匹配將是塔板技術(shù)發(fā)展的新方向。

板式塔作為重要的傳質(zhì)設(shè)備之一，在各種分離過程中應(yīng)用廣泛，開發(fā)新型的傳質(zhì)效率高、壓降低、通量大的板式塔，對于改善分離效果、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低裝置能耗具有重要的意義。

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Application Progress and Development of Plates Technology

LI Su-ya，WANG Wen-jian
（Department of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China）

The development and application of domestic and foreign new trays were introduced in recent years．According to direction differences of gas and liquid flows，they had been classified in three kinds．Their distinctive structure characteristics and performance were commented in this article．The direction of future plate technology was put forward．

plate tower；new trays；technical outlook

TQ 053．5

A

1671-9905（2011）12-0030-05

李蘇雅（1986-），女，山東濟南人，青島科技大學碩士研究生，主要研究方向為多相流體流動與分離

2011-09-22