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板式塔


banshita
板式塔
plate column


   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(图1[板式塔结构]板式塔结构)。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。
   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,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。
   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(图2[筛板塔塔板]筛板塔塔板)。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(图3[ 泡罩塔塔板] 泡罩塔塔板)。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(图4[浮阀塔塔板]浮阀塔塔板)。
   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。
   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(图5[ 塔板负荷性能图] 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:①漏液线。气体流量低于此限时,液体经开孔大量泄漏。②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。③液流下限线。若液体流量过小,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。④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。⑤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。
   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。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。
   新型塔板的开发  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,从而认识到雾沫夹带通常是限制气体通过能力的主要因素。在泡罩塔、筛板塔和浮阀塔中,气体垂直向上流动,雾沫夹带量较大,针对这种缺点,并为适应各种特殊要求,开发了多种新型塔板,主要是:①舌形塔板(图6[舌形塔板]舌形塔板)。塔板上设有倾斜的舌孔,使喷出气流的方向接近水平,因而雾沫夹带大为减少,同时气流对液流有推进作用,因此气液流通过能力均较高;但由于塔板上液层太薄,板效率显著降低。②斜孔塔板。由中国开发,它的结构特点是使舌孔的开口方向与液流垂直,相邻两排的开孔方向相反,这样既允许较大气速且液层不会过薄,保证高效率。③网孔塔板。由冲有倾斜开孔的薄板组成,板上还装有几块拦截液流的碎流板(图7[网孔塔板]网孔塔板),以阻止液体被连续加速,这是一种气液通过能力大,而板效率无明显降低的新塔板。④林德筛板。专为真空精馏设计的高效率低压力降塔板,结构特点是在整个筛板(图8[林德筛板]林德筛板)上设置一定数量的导向筛孔,在塔板入口处设置斜台。林德筛板利用部分气体的动量推动液体流动,以抵消液体流经塔板因受到流动阻力而形成的水力坡度,均匀降低液层,减少气液两相在空间上的反向流动和不均匀分布,因此既降低塔板压力降,又提高塔板效率。斜台的作用是避免低气速下在塔板入口处发生漏液现象。⑤多降液管塔板。特别适用于大液体负荷操作。每块塔板上设有多根平行的降液管(一般其间隔约0.5m),相邻两塔板的降液管成90°交错,降液管下端悬空在下面塔板的鼓泡区上方,液流从管底的缝隙下落。靠管内积液的液封作用,阻止气体窜入管中。一般因积液层浅,可以采用较小的板间距,这样能抵偿它板效率(见级效率)稍低的缺点。⑥旋流塔板。这种气体通过能力大、板间距小的新型塔板,也是中国开发的。当气流通过类似于风车叶片式的塔板时,发生旋转运动,并将降液管流下的液体喷散,使气液较好地接触。因为离心力的作用,雾沫夹带大为减小,故可采用较高气速;但因气液接触时间短,板效率较低。
   参考书目
萧成基等著:《气液传质设备》(《化学工程手册》第13篇),化学工业出版社,北京,1979。
              陆震维 袁瑶
作者:佚名  来源:互联网 
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