板式塔

板式塔

板式塔是一類用於氣液或液液系統的分級接觸傳質設備,由圓筒形塔體和按一定間距水平裝置在塔內的若干塔板組成。廣泛套用於精餾和吸收,有些類型(如篩板塔)也用於萃取,還可作為反應器用於氣液相反應過程。操作時(以氣液系統為例),液體在重力作用下,自上而下依次流過各層塔板,至塔底排出;氣體在壓力差推動下,自下而上依次穿過各層塔板,至塔頂排出。每塊塔板上保持著一定深度的液層,氣體通過塔板分散到液層中去,進行相際接觸傳質。

基本介紹

  • 中文名:板式塔
  • 外文名:plate tower
  • 設計意圖:氣液兩相保持密切而充分的接觸
  • 特點:結構複雜,但容易操作
簡介,塔設備,板式塔發展沿革,設計意圖,結構,操作特性,工業要求,新型塔板的開發,開發需求,幾種新型塔板,

簡介

塔設備

塔設備是化工、石油等工業中廣泛使用的重要生產設備。塔設備的基本功能在於提供氣、液兩相以充分接觸的機會,使質、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行;還要能使接觸之後的氣、液兩相及時分開,互不夾帶。因此,蒸餾和吸收操作可在同樣的設備中進行。根據塔內氣液接觸部件的結構型式,塔設備可分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔內沿塔高裝有若干層塔板(或稱塔盤),液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底,並在各塊板面上形成流動的液層;氣體則靠壓強差推動,由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內進行逐級接觸,兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。
板式塔板式塔
填料塔內裝有各種形式的固體填充物,即填料。液相由塔頂噴淋裝置分布於填料層上,靠重力作用沿填料表面流下;氣相則在壓強差推動下穿過填料的間隙,由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進行接觸,其組成沿塔高連續地變化。
在工業生產中,當處理量大時多採用板式塔,而當處理量較小時多採用填料塔。蒸餾操作的規模往往較大,所需塔徑常達一米以上,故採用板式塔較多;吸收操作的規模一般較小,故採用填料塔較多。

板式塔發展沿革

工業上最早出現的板式塔是篩板塔泡罩塔。篩板塔出現於1830年,很長一段時間內被認為難以操作而未得到重視。泡罩塔結構複雜,但容易操作,自1854年套用於工業生產以後,很快得到推廣,直到20世紀50年代初,它始終處於主導地位。第二次世界大戰後,煉油和化學工業發展迅速,泡罩塔結構複雜、造價高的缺點日益突出,而結構簡單的篩板塔重新受到重視。
通過大量的實驗研究和工業實踐,逐步掌握了篩板塔的操作規律和正確設計方法,還開發了大孔徑篩板,解決了篩孔容易堵塞的問題。因此,50年代起,篩板塔迅速發展成為工業上廣泛套用的塔型。與此同時,還出現了浮閥塔,它操作容易,結構也比較簡單,同樣得到了廣泛套用。而泡罩塔的套用則日益減少,除特殊場合外,已不再新建。60年代以後,石油化工的生產規模不斷擴大,大型塔的直徑已超過10m。為滿足設備大型化及有關分離操作所提出的各種要求,新型塔板不斷出現,已有數十種。

設計意圖

板式塔為逐級接觸式塔,氣液傳質在板上液層空間內進行;兩相的組成沿塔高呈階梯式變化,在正常操作下,液相為連續相,氣相為分散相。
板式塔板式塔
(1)在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸,為傳質過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面,以減小傳質阻力;
(2)在塔內應儘量使氣液兩相呈逆流流動,以提供較大的傳質推動力。
板式塔在總體上氣液呈逆流流動;每塊塔板上呈均勻錯流。

結構

塔板是板式塔中氣液兩相接觸傳質的部位,決定塔的操作性能,通常主要由以下三部分組成:
板式塔板式塔
(1)氣體通道:為保證氣液兩相充分接觸,塔板上均勻地開有一定數量的通道供氣體自下而上穿過板上的液層。
氣體通道的形式很多,它對塔板性能有決定性影響,也是區別塔板類型的主要標誌。篩板塔塔板的氣體通道最簡單,只是在塔板上均勻地開設許多小孔(通稱篩孔),氣體穿過篩孔上升並分散到液層中。泡罩塔塔板的氣體通道最複雜,它是在塔板上開有若干較大的圓孔,孔上接有升氣管,升氣管上覆蓋分散氣體的泡罩。浮閥塔塔板則直接在圓孔上蓋以可浮動的閥片,根據氣體的流量,閥片自行調節開度。
(2)溢流堰:為保證氣液兩相在塔板上形成足夠的相際傳質表面,塔板上須保持一定深度的液層,為此,在塔板的出口端設定溢流堰。塔板上液層高度在很大程度上由堰高決定。對於大型塔板,為保證液流均布,還在塔板的進口端設定進口堰。
(3)降液管:液體自上層塔板流至下層塔板的通道,也是氣(汽)體與液體分離的部位。為此,降液管中必須有足夠的空間,讓液體有所需的停留時間。
此外,還有一類無溢流塔板,塔板上不設降液管,僅是塊均勻開設篩孔或縫隙的圓形篩板。操作時,板上液體隨機地經某些篩孔流下,而氣體則穿過另一些篩孔上升。無溢流塔板雖然結構簡單,造價低廉,板面利用率高,但操作彈性太小,板效率較低,故套用不廣。

操作特性

各種塔板只有在一定的氣液流量範圍內操作,才能保證氣液兩相有效接觸,從而得到較好的傳質效果。可用塔板負荷性能圖來表示塔板正常操作時氣液流量的範圍,圖中的幾條邊線所表示的氣液流量限度為:
塔板負荷性能圖塔板負荷性能圖
(1)漏液線。氣體流量低於此限時,液體經開孔大量泄漏。
(2)過量霧沫夾帶線。氣體流量高於此限時,霧沫夾帶量超過允許值,會使板效率顯著下降。
(3)液流下限線。若液體流量過小,則溢流堰上的液層高度不足,會影響液流的均勻分布,致使板效率降低。
(4)液流上限線。液體流量太大時,液體在降液管內停留時間過短,液相夾帶的氣泡來不及分離,會造成氣相返混,板效率降低。
(5)液泛線。氣液流量超過此線時,引起降液管液泛,使塔的正常操作受到破壞。
如果塔板的正常操作範圍大,對氣液負荷變化的適應性好,就稱這些塔板的操作彈性大。浮閥塔和泡罩塔的操作彈性較大,篩板塔稍差。這三種塔型在正常範圍內操作的板效率大致相同。

工業要求

工業生產對塔板的要求主要是:通過能力要大,即單位塔截面能處理的氣液流量大;塔板效率要高;塔板壓力降要低;操作彈性要大;結構簡單,易於製造。
在這些要求中,對於要求產品純度高的分離操作,首先應考慮高效率;對於處理量大的一般性分離(如原油蒸餾等),主要是考慮通過能力大。

新型塔板的開發

開發需求

為了滿足上述要求,近30年來,在塔板結構方面進行了大量研究,從而認識到霧沫夾帶通常是限制氣體通過能力的主要因素。
在泡罩塔、篩板塔和浮閥塔中,氣體垂直向上流動,霧沫夾帶量較大,針對這種缺點,並為適應各種特殊要求,開發了多種新型塔板,主要是有以下幾類。

幾種新型塔板

(1)舌形塔板
舌形塔板示意圖舌形塔板示意圖
塔板上設有傾斜的舌孔,使噴出氣流的方向接近水平,因而霧沫夾帶大為減少,同時氣流對液流有推進作用,因此氣液流通過能力均較高;但由於塔板上液層太薄,板效率顯著降低。
(2)斜孔塔板
由中國開發,它的結構特點是使舌孔的開口方向與液流垂直,相鄰兩排的開孔方向相反,這樣既允許較大氣速且液層不會過薄,保證高效率。
(3)網孔塔板
由沖有傾斜開孔的薄板組成,板上還裝有幾塊攔截液流的碎流板,以阻止液體被連續加速,這是一種氣液通過能力大,而板效率無明顯降低的新塔板。
(4)林德篩板
專為真空精餾設計的高效率低壓力降塔板,結構特點是在整個篩板上設定一定數量的導向篩孔,在塔板入口處設定斜台。林德篩板利用部分氣體的動量推動液體流動,以抵消液體流經塔板因受到流動阻力而形成的水力坡度,均勻降低液層,減少氣液兩相在空間上的反向流動和不均勻分布,因此既降低塔板壓力降,又提高塔板效率。斜台的作用是避免低氣速下在塔板入口處發生漏液現象。
(5)多降液管塔板
特別適用於大液體負荷操作。每塊塔板上設有多根平行的降液管(一般其間隔約0.5m),相鄰兩塔板的降液管成90°交錯,降液管下端懸空在下面塔板的鼓泡區上方,液流從管底的縫隙下落。靠管內積液的液封作用,阻止氣體竄入管中。一般因積液層淺,可以採用較小的板間距,這樣能抵償它板效率稍低的缺點。
(6)旋流塔板
這種氣體通過能力大、板間距小的新型塔板,也是中國開發的。當氣流通過類似於風車葉片式的塔板時,發生旋轉運動,並將降液管流下的液體噴散,使氣液較好地接觸。因為離心力的作用,霧沫夾帶大為減小,故可採用較高氣速;但因氣液接觸時間短,板效率較低。

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