板式塔的现状和发展趋势.doc

1、板式塔的现状和发展趋势 杨 溢 （化工学院16班，2011200260）摘要：综述了板式塔板研究的最新进展以及相关的工业化情况，同时根据塔板结构简图介绍了各个塔板的原理和特点，对其传质和流体力学性能进行了简要的分析，讨论了塔板的发展前景。关键词：新型塔板；板式塔；传质；流体力学Abstract: the development and industrial application of new trays are introduced.Their principle and characteristics are also illustrated with their structure ma

2、ps. The Mass transfer and hydrodynamic performance are analyzed in brief，and the development prospect of tray is discussed.Key words: New tray; Tray column; Mass transfer; Hydrodynamics塔设备是炼油和化工生产的核心设备之一，广泛应用在化肥、制药、环保等的物质分离。塔设备按塔内件是填料或塔板以及其他方式分为填料塔、板式塔和结晶塔。在某些条件下，填料塔有压力降小、操作弹性高、生产能力大、持液量小的突出优点，但有些填料

3、的造价较高，以及对初始分布敏感，在高压下分离效率和通量一般比在常、减压下得低很多；相对而言，板式塔结构较为简单，易于放大，而且造价低，对于常压以及加压的物系，特别市大塔径和多侧线气液传质设备，板式塔有较大的优势，在操作和设计中已经具备了较为成熟的经验。所以对板式塔的开发研究在塔器技术中依然占有不可或缺的作用。板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收,有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动

4、下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。1.沿革工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。筛板塔出现于1830年，很长一段时间内被认为难以操作而未得到重视。泡罩塔结构复杂，但容易操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到推广，直到20世纪50年代初，它始终处于主导地位。第二次世界大战后，炼油和化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板塔重新受到重视。通过大量的实验研究和工业实践，逐步掌握了筛板塔的操作规律和正确设计方法，还开发了大孔径筛板，解决了筛孔容易堵塞的问题。因此，50年代起，

5、筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型。与此同时，还出现了浮阀塔，它操作容易，结构也比较简单，同样得到了广泛应用。而泡罩塔的应用则日益减少，除特殊场合外，已不再新建。60年代以后,石油化工的生产规模不断扩大,大型塔的直径已超过 10m。为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板不断出现，已有数十种。 2.塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，通常主要由以下三部分组成： （1）气体通道为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。气体通道的形式很多，它对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。筛板塔塔板的气

6、体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔）,气体穿过筛孔上 升并分散到液层中。泡罩塔塔板的气体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩。浮阀塔塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片,根据气体的流量,阀片自行调节开度。（2）溢流堰为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面,塔板上须保持一定深度的液层，为此,在塔板的出口端设置溢流堰。塔板上液层高度在很大程度上由堰高决定。对于大型塔板，为保证液流均布，还在塔板的进口端设置进口堰。 （3）降液管液体自上层塔板流至下层塔板的通道，也是气（汽）体与液体分离的部位。为此，降液管中必须有足够的空间，让

7、液体有所需的停留时间。此外，还有一类无溢流塔板，塔板上不设降液管，仅是块均匀开设筛孔或缝隙的圆形筛板。操作时，板上液体随机地经某些筛孔流下，而气体则穿过另一些筛孔上升。无溢流塔板虽然结构简单，造价低廉，板面利用率高，但操作弹性太小，板效率较低，故应用不广。 3.操作特性各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接触，从而得到较好的传质效果。可用塔板负荷性能图来表示塔板正常操作时气液流量的范围，图中的几条边线所表示的气液流量限度为：漏液线。气体流量低于此限时，液体经开孔大量泄漏。过量雾沫夹带线。气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。液流下限线。若液体流量

8、过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致使板效率降低。液流上限线。液体流量太大时，液体在降液管内停留时间过短,液相夹带的气泡来不及分离,会造成气相返混，板效率降低。液泛线。气液流量超过此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。如果塔板的正常操作范围大，对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大。浮阀塔和泡罩塔的操作弹性较大，筛板塔稍差。这三种塔型在正常范围内操作的板效率大致相同。 4.工业要求工业生产对塔板的要求主要是： （1）通过能力要大，即单位塔截面能处理的气液流量大。 （2）塔板效率要高。 （3）塔板压力降要低。 （4）操作弹性要大。（5）结构简单，易于制造

9、。在这些要求中，对于要求产品纯度高的分离操作，首先应考虑高效率；对于处理量大的一般性分离（如原油蒸馏等），主要是考虑通过能力大。 塔板是板式分离塔的核心，是气液接触进行热量和质量传递的场所。为了满足上述要求,近30年来,在塔板结构方面进行了大量研究。针对以往普通塔板的缺点，近年来国内外各大塔器生产商研制开发出了一些新型塔板，用以改造原有的筛板塔和浮阀塔，新型塔板无论是操作性能还是改造费用上都显示出广阔的应用前景。然而这些新型塔板性能各异，因此在我查文献将其做扼要的评述。5新型浮阀塔板浮阀塔板是应用最为广泛的塔板之一，由于其高效率、高弹性以及高生产力等有点在炼油行业中倍受青睐。Fl型浮阀是其中应

10、用时间很长的一种塔板，然而，伴随着技术的不断提高，这种浮阀逐渐被人们发现了以下缺点：（1）液面梯度大，使得气体在液流方向上分布不均；(2)浮阀为圆形，使得从阀孔出来的气体想四周吹出，液体返混程度大；(3)阀盖上方无鼓泡区，其上方气液接触较差，降低了塔板的传质效率；(4)浮阀容易磨损、脱落。因此针对Fl浮阀的上述缺点，国内外学者对浮阀塔板进行了研究，陆续推出一些新型的浮阀塔板。5.1 VarioflexValve Trays(VV浮阀)VV浮阀塔板由Billet在1992年提出，又称高弹性浮阀塔板。VV浮阀塔板的主要结构是由3根支撑杆、1个顶板、1个可以自由上下滑动而不会发生转动的开孔阀片以及一

11、个固定圈组成的。在气相流量减少时，阀片落在塔板上，气体直接通过阀片中央的孔在盖板下进入液层；而在气相流量增大时，阀片升起，部分气体从阀片的缝隙中进入液层，另外的气体直接从阀片中央的孔进入液层。VV浮阀单板效率可达70%75%，塔板压降比普通浮阀塔板大约低15%。而在操作中阀片不会因为旋转而卡死、磨损、脱落。使得寿命较长。VV塔板适用于普通的精馏塔和尿素工业的预蒸馏塔，吸收塔等中。5.2 FSV浮动筛片塔板FSV浮动筛片塔板是中国洛阳石化工程公司研制开发及应用的，阀件主要由条形阀盖、格栅式阀件和浮片组成。阀盖上有一导流孔，与水平方向呈30度夹角；阀体由格栅围成长条形，两端为半圆形，固定在塔板上；

12、浮片上有长条形以及双圆形2种孔，浮片角耳由阀体侧面窗口伸出，架在塔板上，阀片在格栅内上下浮动。如果气流量小时，浮片关闭，塔板开孔率只为浮片开孔率；当气流量增大时，浮片上浮使塔板开孔变为升气孔面积。因此，该塔板的主要优点是操作弹性大。此外，该塔还具有效率高、压降低、不易磨损、方便安装等优点。5.3 BVT4浮阀塔板BVT4是在BVT3的基础上开发研制的一种新型浮阀塔板，主要特点是浮阀单体上开设2个与塔板上液流方向一致的舌孔，起导向和鼓泡的作用。阀体两遍是齿形，向下翻遍使得浮阀升起时通过的气体能够均匀分散，使气液两相接触充分；而向下翻边的结构使得气体自阀体两侧吹出时，气体流道截面积变化较小，流道通

13、畅，气体收缩、膨胀、方向改变较为均匀，基本客服了F1型浮阀由于伯努利效应带来的不稳定状态，增加了操作稳定性，泄漏量也减少。另外，由于气体从阀体两侧吹出液层的时候，先通过了一条圆滑向下的通道。所以，减少了雾沫夹带量。此塔板广泛应用在了炼油工业，可有效降低塔板上得结焦结盐等现象，也适合焦化分离塔。5.4 半椭圆固定浮阀半椭圆固定阀在垂直塔板的剖面上投影为半椭圆形，在塔板上的投影为梯形。来自塔板下方的气体流过半椭圆固定阀时，较大的阀腿对气流有一个沿液流方向的推动分量，有利于降低塔板的液面梯度，减小塔板上的液体返混，消除塔板上的液体滞留区。阀面上有微型的固定阀，使气液两相多方位平面接触，且气体分散更加

14、细密均匀，消除了阀面上方的传质死区，有助予改善塔板的传质效率。半椭圆固定阀塔板的压降略高筛孔塔板，比Fl浮阀塔板小；而且雾沫夹带率低于筛孔塔板和Fl浮阀塔板；泄漏率比筛孔塔板低，比F1浮阀塔板高；传质效率优于筛孔塔板和F1浮阀塔板，它是一种高效、高通量、低成本、抗堵塞塔板，适用于炼油化工精馏装置的新建及现有装置的扩能改造。6.新型筛板塔板 筛板塔板是有较为悠久历史的塔板，其广泛应用于工业中。筛板塔具有生产能力大、塔板效率高、成本低等优点，经过多年的发展形成了一系列优良板型，比如导向筛板、MD筛板、泡罩筛孔塔板、网状塔板、带挡板的筛板以及新型垂直筛板等等。我主要介绍几种工业目前广泛应用的新型筛孔

15、塔板。6.1 新型高效导向筛板高效导向筛板是根据普通筛板和其他塔板的生产时间以及技术发展的需要而开发的新型塔板技术。其在普通筛板基础上，主要采取了2种重要的改进措施：一，在塔板上除了筛孔外还开有一些导向孔，导向孔三面与塔板相连，一面开孔，开孔方向和液流方向一致的；二，在液体进口区域开设了向上凸起的斜台状鼓泡促进器，使得塔板进口区域的液层变薄，形成一个容易被气体突破的部分，且诱导液体刚进入塔板就会出现大量鼓泡。新型高效导向筛板还对导向孔的开设进行了大量的改进和研究。此塔板具有生产能力大、塔板效率高、压降比低、抗堵塞性能较好、结构简单、造价低廉、维修方便等优点。其适合于化工、化纤、石化等行业进行生

16、产。6.2 多降液管筛板我们知道，20世纪60年代时美国联合碳化公司UCC开发了MD塔板，就为一种多降液管筛板。之后在90年代多次进行改进和创新。如ECMD、DJ系列塔板（浙江工业大学研发），而对于DJ塔板有三种型号：DJ1型塔板适用于大液气比的吸收操作。主要特点为采用了宽型降液管，且对降液管得根数和排列做了改进和优化；DJ2型塔板上设置了倒流装置，在相应位置上开设了导流孔，安装了导流板，改善了液流的初始分布，使得塔板上的液流接近活塞流；DJ3型塔板下方复合了一薄层规整填料，填料层处于气相空间，起抑制雾沫夹带作用，使得板效率比较F1浮阀提高了10%以上，通量提高了15%以上。DJ塔板能胜任大液

17、量以及加压操作，之后研究发现，加上诱导型防冲击漏液装置，DJ系列塔板性能更加提高。6.3 大通量筛板Kock-Glitsch公司开发的NYE塔板在结构上设计了独特的悬挂式降液管入口装置，增大了鼓泡区域的面积，与常规塔板相比，塔的处理能力提高了10%30%，传质效率也提高到了10%以上。此外还有MAXFRAC塔板。南京大学开发的95型大通量塔板，通过改进了降液管结构和版面设计，从而提高了塔板的有效传质面积。改动为：一，采用了月牙形溢流，使得非传质区域面积控制到了5%以内，塔的通量增加了10%以上；二，采用尾管向塔壁开口的降液管，使得液体直接从塔壁流下，延长了液体在塔板的平均停留时间，从而提高了板

18、的效率。三，使用全塔板液体均匀导流，使得板内液体呈活塞流状态。该塔板与NYE塔板相比，通量提高10%以上，效率提高5%以上。此外，还有SLIT塔板，VORTEX塔板等。7.复合塔板复合塔板是穿流筛板与规整填料相结合的一种新型塔板，结构特点：不设降液管，气液呈逆向流动。穿流筛板与填料的复合，使其具有如下特点：一，穿流筛板实际上相当于下面填料层的液体分布器，对填料起液体均匀分布的作用；二，填料起气体均布的作用，改善穿流塔板上鼓泡气相的分布，防止气相集中通过中间筛孔而短路，强化塔板上鼓泡层的传质效果，而且填料的存在，基本消除了雾沫夹带；三，复合塔不设降液管，使得空塔截面积增大15%左右，可增大通量；

19、四，穿流筛板开孔率大，使得板压降也较小。7.1 立体喷射型塔板近年来立体传质塔板的研究越发受到重视，其优势明显，可能成为今后新型塔板的重要方向。立体传质塔板在液相为分散相、气相为连续相得状态下操作，传质面积增大了许多；同时，气体不再由板上液层通过，压力降得到很大的降低幅度。并且这类的塔板还具有气液分离结构，可以敖征在很高的气速和液体充分分散的情况下，很好地进行气液分离，减少了雾沫夹带量，并提供了新的传质的面积。7.2 新型垂直筛板（New VST）New VST是于1980年左右在我国进行性能和结构的研究的，之后加以推广使用。主要特点为：在楼盘上布置了一些圆柱形帽罩，有顶盖，可以有效抑制雾沫夹

20、带；其圆筒壁上部有很多小圆孔及缝隙，气液混合物从此喷出；在圆筒底与塔板板面中间留了一定高度的缝隙，液体由此缝隙流入了罩内；罩体下方的板面商有圆形孔，为气体通道。操作时，从下层塔板上升的气体，经过板孔与从罩底缝隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等等过程，完成气液接触传质。New VST的操作有点为处理量大。板压降较低、效率高、操作弹性大。新型垂直筛板已经广泛应用于胺类、甲氧甲酚、乙烯、DMT、乙醇等分离装置中，在环保装置的洗涤、吸收过程中也得到了很好的应用。7.3 立体传质塔板（CTST）CTST是再New VST的基础上深入研究的新型结果，其核心为：气液接触、传热、传质元件

21、为梯形喷射罩和分离板组成。喷射罩底部和塔板之间有缝隙，为液体流入罩体的通道。气体自板孔进入喷射罩，液体由其底部的缝隙进入喷射罩内。整个过程经过了拉膜、破碎、碰顶折返、喷射、对喷、分离这主要六个接触过程。CTST的特殊结构和喷射操作工况使得其打破了传统塔板以板上液层为主要传质区域的平面型模式，降传质区域旷达到了塔板至罩顶得立体空间范围，使其空间的利用率提高到50%70%；且气液在罩内和罩间接触非常充分，故而塔板效率很高；矩形开孔使得开孔率大幅提高了20%，和浮阀塔相比可知，CTST的通量可提高50%以上。由于CTST的半开放式帽罩结构，并且操作条件下气体不用通过液层，故而其板压降大幅降低。通过文

22、献可知，CTST的板压降比上一种的低了10%，而比F1浮阀塔板的低20%左右；其操作负荷下限受到了漏液的控制，略低于New VST；操作负荷上限却相对而言较高，所以它的操作弹性很大，可达5.47.2；在相同的气象板孔动能因子时，雾沫夹带量却很小。8.板式塔技术未来的发展通过对新型塔板的分析，可总结出今后的板式塔研究方向为：（1）传质元件结构要进行改进。消除塔内液体梯度以及液体滞留区域，开发结构相对简单的喷射型塔板，使得液体雾化，气液接触更加充分，提高塔的传质效率。（2）采用无降液管，加大优化板面结构，要充分利用板上的区域，增加气液接触的机会，扩大传质面积，从而提高通量，改善气液流动状况。（3）

23、开发液体导流装置。板上返混与级别间返混都会降低塔效率，所以，在塔板上和降液管的入口区域应该设置液体导流装置，使得气体按照一定方式可以推动液体流动，使得板上接近活塞流，从而减少返混。今后新型塔板会进一步对气液流动行为进行研究。（4）可利用塔板空间，使得传质区域向塔板空间扩展，踏板结构趋向于立体结构。上述有些新型塔板就从这点出发的，立体结构可大幅度提高气液两相的接触面积，并且液滴表面积也会不断更新，有利于提高传质效率。（5）改进降液管结构。降液管流体力学性能会直接影响塔板本身的操作和性能，操作上限直接受降液管的限制，液体可通过气液分离效果、抗液泛能力等等和降液管的设计有直接关系，故而改进其结构可以

24、提高塔操作性能。（6）传质元件进行复合化。目前板式塔内件越来越多采用了复合塔板，充分利用了填料压降低，传质效果好等优点，来满足塔内各段不同的分离要求和不同工况，从而强化板上的两相传质，提高处理能力和分离效果。其板填复合塔板的工作原理为：气体从塔板下方以一定的气速通过塔板上的开孔进入提液管，液体通过提液管与塔板间隙被带人提液管中，并被拉成液膜，二者并流上升；上升过程中，在液膜表面进行气液传质；接着气液并流进入填料中，在填料表面液体被碰碎，进一步实现与气体的传质；从填料中喷出的气体进入上层填料，液体下降到下层塔板，继续进行传质与分离。由于气流高速通过塔板开孔，并将液膜夹带进入填料层，因此板填复合塔

25、板生产能力大，一般空塔动能因子可达0835 ms，且由于经过了提液管与填料两类传质，故其板效率高，可达7590。这种塔板压降很低，一般为294490Pa。这类复合塔也是将来发展的一种趋势。9.结语随着工业的发展，塔器技术也势必受到越来越多的重视。尤其是板式塔作为重要的传质设备之一，在各类工艺流程中广泛使用。开发新型传质效率高、压降小、通量大得板式塔及其复合塔将会是板式塔技术的主攻方向。感谢导师您的论文题目，使我在查文献的时候发觉问题，并亲手解决困惑。从中学到了知识。参考文献1.董艳河;黄敬;王荣良国外塔板技术的最新发展期刊论文-过滤与分离 2003(01)2.杜佩衡;于文奎;王庆瑶新型垂直筛板

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