兩種新型塔板的簡介

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。這兩種塔板結構設計新穎獨特，能夠充分利用塔板有限空間進行充分傳質，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點，完全可以滿足工業應用要求，應用前景廣闊。

關鍵詞：板式塔；3D圓閥塔板；泡罩立體篩板

隨著科學技術的不斷發展，近年來逐漸涌現出許多新型的分離技術，大大提高了分離效果，帶來了巨大的經濟與社會價值。然而在實際生產過程中，作為一種傳統的、高效的分離方法，精餾操作仍占據著非常重要的位置。

其中，填料塔和板式塔作為兩種主要的精餾操作設備，長期受到大家的青睞。尤其是板式塔因具有設備造價低廉，操作范圍廣，對各種物系適應性強，易于清理和檢修等優點而占有一定的優勢。當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，為了更好地適應科學技術的發展以及工業生產的需要，設計新型的、高效的、經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。近年來國內外相繼研發出若干新型塔板，實現了大通量、低壓降等優勢逆轉。

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]；英國諾丁漢大學開發的Flow control tray；Shell公司的Shell's ConSep tray[5]；當然我國的諸多研究者也不甘落后陸續研究發明了若干新型塔板，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，并得到廣泛應用。60年代在國內迅速推廣，形成了固定系列標準，且已有了較成熟的使用經驗。但是，通過大量實際應用后，浮閥塔板的缺點也逐漸暴露出來，日漸明顯。主要體現在如下幾方面：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；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，西安石油大學首次提出分層次多方位鼓泡的立體傳質模型，開發出3D39浮閥。這種浮閥主要具有如下幾點特征。

（1）3D圓閥塔板周邊設有氣體導流片，這種結構能使氣體分流、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向孔，如此設計既減小了液面梯度和傳質死區又能消除閥頂的傳質盲區，大大增加了傳質效果。

（3）導流片和導向孔的設計可顯著提高氣液接觸面積，同時實現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、西安思瑞迪公司和西北大學聯合開發的一種新型的塔板。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化應用，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。

在結構上，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。如此結構特點就導致氣體在升氣管內通道變窄，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域垂直接觸。

（2）在噴射罩內，在動量作用下氣體將液體提升、拉膜，使之破碎。

（3）罩內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計上的獨具匠心使其打破了傳統塔板以板上液層為主要傳質區域的平面型模式，大大增加了氣液兩相的傳質區域，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）、傳質效率高（傳質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勢。

二、結束語

板式塔作為工業生產中最重要的傳質設備之一，在各種實際分離過程中應用廣泛，意義重大。因而設計出傳質效率高、壓降低、通量大的各類新型塔板，對于改善分離效果、提高產品質量、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，經過實踐檢驗，結構新穎，充分利用塔板空間進行傳質，具有通量大、效率高、抗堵性能強、消泡性能好等優點，完全可以滿足工業應用上操作彈性的要求，必然具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]杜佩衡，董艷河，黃 敬，王榮良，等.國外塔板技術的最新發展[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開發[J].石油化工設備，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化設計[J].化工進展，2008，27（10）.

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

（作者單位：西安石油大學化學化工學院）