王雪

摘 要：本文對3D圓閥塔板和泡罩立體篩板兩種新型塔板進行了簡介。這兩種塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎獨特，能夠充分利用塔板有限空間進行充分傳質(zhì)，使其具有通量大、效率高、抗堵性能強、消泡性能好等塔板必備優(yōu)點，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用要求，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：板式塔；3D圓閥塔板；泡罩立體篩板

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來逐漸涌現(xiàn)出許多新型的分離技術(shù)，大大提高了分離效果，帶來了巨大的經(jīng)濟與社會價值。然而在實際生產(chǎn)過程中，作為一種傳統(tǒng)的、高效的分離方法，精餾操作仍占據(jù)著非常重要的位置。

其中，填料塔和板式塔作為兩種主要的精餾操作設(shè)備，長期受到大家的青睞。尤其是板式塔因具有設(shè)備造價低廉，操作范圍廣，對各種物系適應(yīng)性強，易于清理和檢修等優(yōu)點而占有一定的優(yōu)勢。當(dāng)然板式塔也有自身難以克服的缺點，比如，其通量較小、壓降較大、效率也較低[1]。所以，為了更好地適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)的需要，設(shè)計新型的、高效的、經(jīng)濟的板式塔已迫在眉睫、勢在必行。

一、新型塔板介紹

塔板作為板式塔的核心部件自然就成為了研究的重點與熱點。近年來國內(nèi)外相繼研發(fā)出若干新型塔板，實現(xiàn)了大通量、低壓降等優(yōu)勢逆轉(zhuǎn)。

例如，Koch-Glitsch公司的Max-Fractray、Super fractray、BiFrac tray、Nye tray和Ultrafrac tray[2]；Norton公司的Triton tray、Provalve tray；德國Stahl公司的高彈性浮閥塔板Varioflex-Valve Tray[3]；UOP公司的ECMDtray、VG-MD tray和MU tray（多升液管萃取篩塔板）[4]；英國諾丁漢大學(xué)開發(fā)的Flow control tray；Shell公司的Shell's ConSep tray[5]；當(dāng)然我國的諸多研究者也不甘落后陸續(xù)研究發(fā)明了若干新型塔板，下面重點對兩種新型塔板予以介紹。

1.3D圓閥塔板

自從20世紀50年代前后美國Glitsch公司前后開發(fā)出V—1、V—4、V—0與十字架形浮閥塔板后，圓形浮閥塔板備受重視，并得到廣泛應(yīng)用。60年代在國內(nèi)迅速推廣，形成了固定系列標準，且已有了較成熟的使用經(jīng)驗。但是，通過大量實際應(yīng)用后，浮閥塔板的缺點也逐漸暴露出來，日漸明顯。主要體現(xiàn)在如下幾方面：①塔板上的液面梯度較大；②塔板上液體返混較大；③塔板上存在液體滯止區(qū)；④浮閥易卡死、易磨損、易脫落，不僅影響塔板性能，而且增加檢修工作量。

針對這些不足與劣勢，西安石油大學(xué)首次提出分層次多方位鼓泡的立體傳質(zhì)模型，開發(fā)出3D39浮閥。這種浮閥主要具有如下幾點特征。

（1）3D圓閥塔板周邊設(shè)有氣體導(dǎo)流片，這種結(jié)構(gòu)能使氣體分流、分層次、多方位進入液體，以增加氣液相的接觸。

（2）3D圓閥閥蓋上開有3個向下沖壓形成的導(dǎo)向孔，如此設(shè)計既減小了液面梯度和傳質(zhì)死區(qū)又能消除閥頂?shù)膫髻|(zhì)盲區(qū)，大大增加了傳質(zhì)效果。

（3）導(dǎo)流片和導(dǎo)向孔的設(shè)計可顯著提高氣液接觸面積，同時實現(xiàn)氣體在液層中分層次、多方位地鼓泡。

（4）通過3D圓閥的部分導(dǎo)向作用可以改善液體分布情況，使其接近理想的流動分布，從而為大大提高塔板效率提供了可能性[6]。

2.泡罩立體篩板

泡罩立體篩板是近年來由西安石油大學(xué)、西安思瑞迪公司和西北大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的一種新型的塔板。這種塔板集合了垂直篩板和泡罩塔盤的雙重傳質(zhì)作用，而且可以明顯減少塔盤的泄漏量。目前通過實踐中的試驗和工業(yè)化應(yīng)用，表明泡罩立體篩板除了可以較好地用于精餾、吸收、解吸和分餾外，還對于氣液比極大的工況（如工業(yè)尾氣吸收）或板效率較小的工況（如脫硫脫碳過程）實際分離效果較為顯著。

在結(jié)構(gòu)上，泡罩立體篩板不同于垂直篩板的特點在于其升氣管和泡罩是斜面的。如此結(jié)構(gòu)特點就導(dǎo)致氣體在升氣管內(nèi)通道變窄，繼而流速增大，加劇其霧化效果，能更好地將氣體分散于與其接觸的液相中，從而增加了分散氣體的范圍。通過使用泡罩立體篩板，具體的氣液兩相接觸過程可以描述為如下幾步。

（1）自下而上的氣相通過板孔進入噴射罩，而液體自罩體底隙進入噴射罩，氣液兩相在罩體底隙區(qū)域垂直接觸。

（2）在噴射罩內(nèi)，在動量作用下氣體將液體提升、拉膜，使之破碎。

（3）罩內(nèi)上升的氣液混合物碰撞到分離板后有部分氣液相向下折返，與罩內(nèi)高速上升的氣液混合物激烈碰撞。

（4）氣液混合物通過噴射板上開有的噴射孔向兩側(cè)斜上方噴射出罩體。

（5）噴出罩體的氣液混合物與鄰罩噴出的氣液混合物在泡罩間激烈對噴、碰撞。

（6）氣液混合物再通過外面的泡罩二次鼓泡傳質(zhì)后，氣體上升至上層塔板，而液體則回落到塔板上，通過降液管流向下層塔板。

由上述氣液兩相接觸過程可知，該泡罩立體篩板在設(shè)計上的獨具匠心使其打破了傳統(tǒng)塔板以板上液層為主要傳質(zhì)區(qū)域的平面型模式，大大增加了氣液兩相的傳質(zhì)區(qū)域，所以塔板的空間利用率也顯著提高了。同時，由于氣體縮孔引流的作用，使得塔板液面梯度對操作工況的不利影響也大為降低。

綜上所述，泡罩立體篩板具有負荷能力大（氣速可達普通塔板的1～1.5倍）、傳質(zhì)效率高（傳質(zhì)效率高出普通浮閥塔板10%～20%）、壓降小、操作彈性良好、防堵塞能力好、操作簡便可靠等明顯優(yōu)勢。

二、結(jié)束語

板式塔作為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的傳質(zhì)設(shè)備之一，在各種實際分離過程中應(yīng)用廣泛，意義重大。因而設(shè)計出傳質(zhì)效率高、壓降低、通量大的各類新型塔板，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。本文介紹的3D圓形浮閥和泡罩立體篩板兩種塔板，經(jīng)過實踐檢驗，結(jié)構(gòu)新穎，充分利用塔板空間進行傳質(zhì)，具有通量大、效率高、抗堵性能強、消泡性能好等優(yōu)點，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用上操作彈性的要求，必然具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]杜佩衡，董艷河，黃 敬，王榮良，等.國外塔板技術(shù)的最新發(fā)展[J].過濾與分離，2003（02）.

[2]Billet R. Varioflex valve tray，a high performance mass transfer device [A].Ichem E Symp Series No 128[C].London：The Chameleon Press，1992.

[3]曹 緯.國外板式塔最新進展與新分離技術(shù)開發(fā)[J].石油化工設(shè)備，1997（04）：39—41.

[4]Andrew W.Siloley.Should you switch to high capacity trays [J]. Chemical Engineering Progress， 1999，95（01）：23—35.

[5]禇雅志，秦麗萍，王勝利.甲醇精餾工藝及其塔器優(yōu)化設(shè)計[J].化工進展，2008，27（10）.

[6]計建炳，譚天恩.我國塔器技術(shù)的進展[J].化工進展，2000，32（06）： 51—57.

（作者單位：西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）