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1、 2015 年 12 月天津大学读书报告Reading Report of Tianjin University 11新型工业塔板的开发与应用XXX（天津大学化工学院，XXX 班，XXXXXXXXXX）塔设备是实现蒸馏过程中用的最多的气液传质设备。在塔设备内，液相依靠重力作用自上而下流动，气相则靠压差作用自下而上，与液相呈逆流流动。而两相之间由塔内装填的塔板来提供良好的接触界面的它则为板式塔。板式塔早在 1813 年已应用于工业生产，是使用量最大，应用范围最广的气液传质设备。它是由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管以及受液盘等部件组成的。塔板作为其中的重要组成部分，对于板式塔的传质性能有着重要的
2、影响。因此，一直以来人们为了获得更有的传质性能，对塔板的研究不断深入，新型塔板也层出不穷。了解更多的塔板开发及其应用，对于化工人来说，是很有必要的。因此，本文将从结构、性能等方面介绍多种新型塔板的开发及其工业应用。1 塔板概述板式塔的塔板有许多种，但是大体上可以分为两类，即有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）及无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板） 。在有降液管式塔板上，气液两相呈错流方式接触，这种塔板效率较高，且具有较大的操作弹性，使用较为广泛。在无降液管式塔板上，气液两相呈逆流方式接触，这种塔板的板面利用率高，生产能力大，结构简单，但他的效率较低，操作弹性小，工业应用较少。所
3、以工业研究较多的是有降液管式塔板。有降液管式塔板主要可分为泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、喷射型塔板等。其中喷射型塔板又可以分为舌型塔板、浮舌塔板、斜孔塔板和垂直塔板等。各种类型的塔板都有着各自的优点，但也有着各自的不足之处，这也正是不断有新型塔板被研究出来的源泉所在。因此，新型塔板的类型也基本在这几类之中。2 各类新型塔板的开发和应用下面将从浮阀塔板、喷射型塔板、悬挂式降液管（多降液管）塔板、复合塔板四个大类出发，分别介绍各类新型塔板的开发以及应用情况。2.1 浮阀塔板2.1.1 奈特浮阀板与圆盘型浮阀相对应，50 年代初，Nutter 提出的条形浮阀经过改进后，因其性能优良，在石油和化学工业
4、中得到采用，被命名为奈特浮阀。结构特点：条形浮阀不会旋转，因而不易磨损，阀片不会卡死、脱落。由于条形浮阀的气体从两侧喷出，不像圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体返混较弱，效率较高。随后几十年，国外对奈特浮阀的研究较多，尤其对其流体力学性能进行了详细的研究，提出了用于设计的关联式。2.1.2 VV 塔板2015 年 12 月 XXX：新型工业塔板的开发与应用 2280 年代末，德国 Stahl 公司推出了一种高弹性浮阀塔板，简称 VV 塔板。结构特点：阀片中央开有直径为 20mm 的圆孔，阀片升起之前，塔板开孔率由直径 20mm 的孔决定；气量增大时，阀片开始升起，开孔率增加，一直到阀片达到盖
5、板。据介绍，其操作弹性可达 12:1 又确保阀片不会卡死或脱落在低。气速下效率仍较高，且随着通量的增加，效率曲线变化平缓。在结构上比 F-1 浮阀塔板稍为复杂。2.1.3 导向浮阀塔板条形浮阀的效率、弹性、通量均高于 F-1 型浮阀，而且压降也较小。但长期以来，在我国没有得到广泛的应用，直到 80 年代才引起了重视，进行了研究，其中以华东理工大学开发的导向浮阀塔板最为引人注目。导向浮阀吸取了条阀和导向筛板导向孔的各自特点，在条阀阀面上开 12 个导向孔，以发挥气流推液的作用。由于导向孔的设置，导向浮阀具有较小的液面梯度、塔板上液相返混较小且可消除塔板上液体滞止区。导向浮阀目前有三种形式：矩形导
6、向浮阀、梯形导向浮阀及组合导向浮阀。一般而言，液流强度较小时用矩形浮阀较好；液流强度较大时，梯形浮阀较好；适当配比 K(塔板上梯形浮阀数与浮阀总数之比 )的组合导向浮阀兼有矩形浮阀和梯形浮阀的优点，克服了二者的缺点，具有更广的适用范围和更好的操作性能。导向浮阀塔板开发成功以来，已在煤气厂脱苯塔（1400） 、蒸氨塔、炼油厂常压塔（3800） 、加氢裂化精馏塔（4164） 、乙醛装置、丁二烯装置、醋酸装置（1600）等方面获得广泛应用，并取得了显著的经济效益。2.1.4 顺排导向条形浮阀及 T 形导向条形浮阀兰州石油机械研究所开发了顺排导向条形浮阀塔盘和 T 型排列条形浮阀塔盘。顺排导向条形浮阀
7、塔盘技术特点：条形浮阀在塔板上呈顺排布置，采用独特的波形阀盖，减少了气相阻力和雾沫夹带；在靠近降液管一侧的阀腿上设置导向孔；借助从导向孔喷出的气流减低液面梯度、压降，提高了传质效率和处理量；导向孔面积可随负荷的波动而调节，避免了漏液及吹出短路现象。该塔盘可用于所有 F1 浮阀塔板可适用的场合，还可用于 F1 浮阀塔板不能胜任的某些低压降真空操作工况。其塔盘效率较高，基本消除液相返混。T形排列条形浮阀塔盘的技术特点：采用独特的“ T”型排列，任意两相邻条阀均互相垂直，其吹出的气相均呈 90 度交错，避免了气相对冲，抑制塔板上液滴的向上运动，减小雾沫夹带，增大了允许操作气速，提高了分离效率和处理量
8、。2.1.4 SFV 全通导向浮阀塔板SFV 全通导向浮阀塔板技术的核心是鼓泡原件 SFV 全通导向浮阀，其结构如图 1 所示。SFV 全通导向浮阀的主要特点是其阀面为矩形并开有微型固定阀，前阀退开有导向孔，导向孔的上端设有侧条。它将导向浮阀和微分浮阀的优点集于一身，气液可以更充分的接触，塔板上的液面梯度、液相返混较小，液相滞留区基本消除，传质效率较高。图 1 SFV 全通浮阀的结构截至 2008 年底，SFV 全通导向浮阀塔板在国内已经成功的应用于原油蒸馏、催化裂化、气体分馏及焦化等多种装置近百余套塔的改造或新建项目中，取得良好的经济效益。其在焦化分馏塔的工业应用实例如下：2015 年 12
9、 月 XXX：新型工业塔板的开发与应用 33某一套催化裂化装置主分馏塔，规格尺寸为 1400/1600,29 层塔板，开车初期设计采用固舌型塔板，加工能力为 70kt/a，后来全部改为条形浮阀塔板，处理能力提升至 120kt/a。但是随着加工量的增加，分馏塔难以正常负荷。最后将采用 SFV 全通导向浮阀塔板技术进行改造，结果使分馏效果明显改善，塔处理量也从15t/h 提高到 18t/h，从而提高了经济效益。2.2 喷射型塔板2.2.1 网孔塔板网孔塔板由金属薄板压延制成 ,没有出口堰 ,但需设特殊型式的进口堰 ,以阻止液体在塔板入口处的严重漏液。网孔塔板具有以下优点：（1）网状分布的定向斜孔使
10、气流动能得到合理利用，在塔板上建立喷射操作；（2）气液两相在流动方向上是“Z”形曲折运动，产生强烈的湍动，相接触界面得到不断更新；(3)由于设置了挡沫板，从而减少了雾沫夹带，允许较小的板间距；并且挡沫板本身也是一个有效的传质区；(4)大型网孔塔板上的液体受到斜孔气流和挡沫板的约束，阻止了液体倒流、返混、保证液体分布均匀。在喷射条件下，与浮阀塔板相比，气液负荷可提高 30%40%，压降则下降 30%40%。主要缺点:（1）操作弹性较小，一般 23；（2）仅限于大型塔板(塔板直径不宜小于 1.2m)。2.2.2 斜孔塔板斜孔塔板是清华大学发明的一种高效能塔板，结构特点：（1）每排斜孔的开口方向一致
11、并与液流方向垂直，但相邻两排斜孔的开口方向相反，既可避免液体在流动方向上被不断加速，又使液体不会在塔板的一边积聚，塔板上的液层低而均匀，( 2)斜孔塔板设有出口堰，操作时塔板上保持一定的液量，属于泡沫工况或泡沫与喷射的过渡工况。由于斜孔塔板以上特殊的结构，因而其允许气相负荷高，生产能力大，比浮阀塔板大 20%40%；塔板效率高，一般等于或稍高于浮阀塔板；有自清洗作用，物料不易堵塞。2.2.3 旋流塔板旋流塔板是我国 70 年代自行开发、90 年代得到进一步发展、广泛应用于中小氮肥企业的一种喷射型塔板。 结构特点及工作原理：自板中央布液板到外周罩筒的环形区域，均布与板平面约成 25的叶片，使气体
12、由下而上通过叶片间通道时，产生旋转运动；而液体流到布液板上，均匀地分配到各叶片，形成薄液层，并被气流分散成细滴，形成良好的气液接；然后被离心甩到塔壁上，受重力下流，经集液槽、溢流管，流至下层塔板的布液板上。依上又进行第二次气液接触、传质、传热。进入 90 年代，通过激光测速、彩色频闪摄影、双探针液滴分布仪等先进手段，对塔板上的气液运动做了进一步深入研究，在此基础上得出塔板效率模；关于塔板效率不因直径放大而下降，反而有所上升的结论，在生产中得到证实。工业应用开辟了烟气脱硫新领域，为某热电厂新建锅炉脱硫除尘一体化装置；并成功地将几家热电厂的水膜除尘器改造为脱硫除尘一体化装置。2.2.4 新型垂直筛
13、板新型垂直筛板是以气相为连续相，液相为分散相的新型高效喷射型塔板，日本三井株式会社于 1968 年前后开发成功。我国 80 年代初期开始对其性能与结构进行研究，尤其是河北工业大学杜佩衡等人做了较多的工作，对二维传质效率模型及其板间传质作用进行了较深入的研究，取得了一定的成果。新型垂直筛板目前已在国内诸多蒸馏 (精馏)、吸收及热交换等单元操作塔中更换改造浮阀、泡罩、S 型泡罩、筛板及拉西环填料塔取得成功，行业涉及聚氯乙烯、化肥、制药等，尤其是在聚氯乙烯行业的成功应用，引起不少厂家的兴趣，可望在化工、石油化工、炼油、煤化工等领域得到进一步推广应用。2.2.5 梯形立体喷射塔板CTST 是河北工业大
14、学化学工程研究所多年理论研究和科技开发的成果，已获国家专利。CTST 塔板采用矩形开孔，开孔上方设置带筛孔的梯形喷射罩及分离板。在塔板上气体、液体经过拉膜碰顶返回破碎2015 年 12 月 XXX：新型工业塔板的开发与应用 44喷射互喷分离六个过程。该塔板打破了传统塔板传质区域为平面型的局限。将气、液传质区域发展到罩内、罩顶、罩间的立体空间范围，使板式塔塔板间的空间得以充分利用。CTST 采用喷射型的结构，使液体在气体中分散成液滴，即气液在喷射状态下接触，从而扩大传质面积，提高塔的负荷能；采用矩形开孔，使得塔板开孔率可大幅度提高(超过 20%) ，气体不再由塔板上较深的液层通过，可显著降低压力
15、；罩顶分离板使得雾沫夹带大幅度减小，同时又提供新的传质机会，提高板效率。在扩产、技改、设备更新时，采用 CTST 板，可在原塔外壳不变的条件下，仅更换塔板即可，这样即可节省设备投资，又可提高产品质量降低能耗及原料消耗，从而提高企业技术水平和竞争能力。该塔板已在纺织、氯碱、制药、化肥等行业中得到推广应用。2.2.6 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实践以及技术发展的需要而研究开发的新型塔板,它在普通筛板的基础上,主要采取了两项重要的改进措施闭：在塔板上除了筛孔外还开有一定数量的导向孔。在液体进口区开设了向上凸起的斜台状鼓泡促进器，使塔板进口区的液层变薄，形成一个易被气体突破的部分，且诱导液体刚进入塔板即出现大量鼓泡。在高效导向筛板的基础上，对导向孔的开设（包括导向孔的开设高度、缝宽、以及开设的密度和转角等）进行了大幅度的改进和探 索，开发出了新型高效导向筛板。其在工业上也获得了应用，如：在广西维尼纶(集团)有限公司的回收一塔技术改造中，塔径 1600mm,塔板数 40 层,采用高效导向筛板塔,扩产 50%,同时回流比由原来的 2.5 降为 1.8，塔顶醋酸甲酯含量由 65%提高到 83%，大人降低了该塔和后续工段的负荷与能耗。塔釜醋酸甲酯含量由 0.2%降为 0.05%，提高了其回
