CN100428975C - 一种高速汽液传质构件 - Google Patents

Abstract

一种高速汽液传质构件，包括塔板、板孔、升气筒、分配管、顶罩、降液管，塔板上通过板孔装有升气筒，在升气筒的下部对应设有分配管，升气筒的顶部设有顶罩，分配管与降液管相连，塔板上并联了一个以上的由板孔、升气筒、分配管、顶罩组成的传质元件，升气筒的上部为直筒形，下部为锥底，锥底在直筒下方，锥底带开口，锥底下方安装了液体旋流部件，分配管一端伸入升气筒的锥底，一端与上层塔板的降液管底部相连。它利用汽体高速通过塔板开孔时产生负压的原理，吸引液体上升，汽液相在构件内充分接触传质。与已有技术相比，该构形压降较低，液体容易提升，而且传质发生在元件中，汽液相在元件外基本是单相流动，因此能消除塔设备的放大效应、增大处理能力、强化传质过程。

Description

一种高速汽液传质构件

技术领域

本发明涉及一种用于石油和化学加工工业板式塔中的高效高速汽液传质构件。

背景技术

板式塔是最常见的汽、液传质设备，塔板类型一般以鼓泡类的泡罩塔板、浮阀塔板和筛孔塔板为主，随着塔器技术的发展，对分离设备的要求也越来越高，相继开发了很多新型的塔板和内构件，以适应不断增长的需求。

板式塔内件的改进基本上都围绕塔板上汽液接触构件、吹气方式、塔板空间的合理利用、减少机械阻力等方面的改进，以降低雾沫夹带、泄漏等，提高塔板的处理能力；或减少返混、提高塔板效率；改善降液管结构和形式，提高降液管液泛处理能力以及其它机械结构等方面进行的改进，因此这些新构形都属于泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板的改进和发展，塔设备的处理能力和传质效率还要受汽、液两相的重力分离(涉及气相主体流动中的液滴分离和液相主体流动中的气泡分离问题)的限制而使处理能力无法产生质的突破。

由此看来，要提高板式塔的处理能力和传质效率，必需考虑利用超重力实现汽液相分离的办法。高速喷射类的塔板正是利用汽液相高速运动时存在的惯性力差来实现的汽液相分离，可以不受自然重力的制约。

喷射类塔板相对来说更适用于气相负荷相对较高的操作体系，它与鼓泡类塔板产生用于气液传质的相界面的机制完全相同，都消耗气体的能量，都存在着放大效应的影响问题、先天性的液体滞留区的影响等问题，控制塔设备生产能力的因素是气液密度差和塔板上的气液分散程度。

目前常见的喷射提升类塔板主要有垂直筛板(VST)类塔板，它是1963年日本三井造船株式会社开发的一种塔板，由开孔的塔板和侧壁开孔的VST罩构成，其操作原理为气体通过板孔喷射，形成伯努利效应，在板孔附近形成低压区，将塔板上的液体卷吸、提升到VST罩中，然后气体携带着被分散的液相由管壁上的开孔水平喷出，进行传热传质。1968年日本三井造船株式会社对VST塔板进行了改造，发展了新型垂直筛板，并申请了多项专利(专利号：“US3,633,882”，“US3,779,527”)。与普通塔板相比，该塔板雾沫夹带相对降低，处理量显著增大，但是该塔板操作在大处理量时，板效率明显降低，同时塔板压降较高。

从80年代起，中国对VST塔板进行了大量的研究，涉及大连工学院的文丘利开孔，西北工业大学的矩形VST罩和不同结构的VST罩壁开孔，河北工业大学的CTST塔板，还有天津大学开发的“汽液并流喷射接触无返混式塔板装置”(专利号：98124512.9)等。

现有喷射提升类塔板存在的主要问题如下所示：

(1)在大处理量下塔板效率会急剧下降。现有喷射提升类塔板的发展主要体现在对喷射元件罩子的改进，未对造成大处理量时板效率降低的原因进行分析，实际上经过实验研究发现，造成塔板板效率降低的原因是由于高气速操作时液体相对提升量的降低造成的，而现有喷射类塔板基本上都是通过传质元件底隙从塔板上吸液，必需要形成足够的负压才能保证液体的提升量，这就要求有足够高的汽速，以牺牲塔板压降为代价，并且汽速大到一定程度后对提升量的影响甚微。

(2)传质后的液体与未传质(未提升)的液体发生混合是其板效率低的另一种主要原因。而且，液体在提升管射流的初始段存在着液体循环问题，也会制约液体提升量的提高。有些专有技术虽然在传质塔板上方再增加一层塔板，用来收集传质后的液体，能解决液体返混的问题，但会大大增加塔板压降和结构的复杂化，造成不必要的能耗损失。

(3)现有喷射类塔板还有一个共同缺点是塔板压降大，因为该类塔板的固有特点就是利用高汽速下在传质元件入口形成负压，吸引液体上升，而且在传质元件的顶部还要加上罩子或填料，这种输液方式的局限性会增大流体通过塔板的阻力系数，降低操作能力上限，而且也制约了该类塔板的使用范围。

(4)现有塔板结构复杂、造价高，检修维护难度大，不能应用于易结焦体系和减压操作。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高速汽液传质构件，能够改善传质元件中液体提升的困难，塔板由多个传质元件并联构成，塔板上没有滞留区，能消除塔设备规模扩大产生的放大效应；塔板压降低，结构简单，采用离心分离技术，可以突破重力场的限制，允许在高气速和大喷淋量下操作，增加湍动程度和相接触面积，有效提高处理能力和塔板效率，使传质过程得到强化。

本发明是这样实现的：

包括塔板、板孔、升气筒、分配管、顶罩、降液管，塔板上通过板孔装有升气筒，在升气筒的下部对应设有分配管，升气筒的顶部设有顶罩，分配管与降液管相连。

塔板上并联了一个以上的由板孔、升气筒、分配管、顶罩组成的传质元件，升气筒的上部为直筒形，下部为锥底，锥底在直筒下方，锥底带开口，锥底下方安装了液体旋流部件，分配管一端伸入升气筒的锥底，一端与上层塔板的降液管底部相连。

由板孔、升气筒、分配管、顶罩组成的传质元件为可插式构件。

相邻两层塔板上的由板孔、升气筒、分配管、顶罩组成的传质元件是间错开排列。

分配管的端口和升气筒的底部之间设有间隙。

塔板上由板孔、升气筒、分配管、顶罩组成的传质元件采用直圆筒和圆锥底结构，或者采用多边形直筒和多边形锥底结构，或者采用横截面形状为弧线形直筒和弧线形锥底结构。

升气筒的锥底安装的液体旋流部件为叶片形结构。

本发明的优点在于：

(1)本构件由集液板上并联多个传质元件而成，传质主要发生元件中，汽相和液相在元件外的流动基本是相对无关的单相流动，所以可将整个塔板上的汽液相传质过程分割成一个一个小的单元内进行，塔板上没有液体滞留区，因而可消除塔设备规模扩大引起的放大效应。

(2)液体提升量大。该构件利用汽体通过塔板开孔时产生负压的原理，吸引液体上升，汽液相在构件内进行充分接触传质。与现有技术相比，本结构从上层降液管底部通过分配管直接向传质元件底部供液，比从塔板上吸液更有效。

(3)与现有喷射类塔板相比，本结构为单层塔板，塔板上方不再额外安装塔板收集液体，塔板上的传质元件采用升汽筒结构，内部装有导向旋转叶片，因而塔板压降较低，能耗较低，适用的压降范围也较宽。

(4)本结构采用离心分离技术，突破了目前鼓泡类塔板汽液相分离受自然重力差的制约，气液混合物并流通过传质元件，离心力大小可通过汽速大小调节，气液分离性能好，充分利用了塔板间空间，可以降低雾沫夹带量，因此相分离可以得到强化，极大地提高设备的处理能力。

(5)效率高，试验结果表明，该类塔板的分离效率较浮阀塔板可提高了10～20％以上。因为汽速可以较高，气体流经元件时，可将液体喷射成细小的液滴，两相接触面积、湍动程度都很大，可以强化传质过程；而且雾沫夹带量少，塔板上汽液分布均匀，所以塔板效率提高。

(6)传质前的液体由上层降液管通过分配管送到传质元件底部，传质后的液体从元件顶部喷出后落到该层塔板上，然后由降液管输送到下层塔板，因此，可解决传质后的液体与未传质(未提升)的液体发生混合的问题，能够改善塔板效率而不用增加集液板，同时分配管也可以对元件起到支撑作用，分配管上可以安放填料以降低雾沫夹带。

(7)该构件的降液管比常规塔板的要长，一直伸到下层塔板下方，因此可以延迟降液管液泛，大大提高液相处理能力，对起泡体系的适应性也增强。

(8)该塔板结构简单，容易实现，对现有塔设备进行改造时只需更换塔板，内构件不需变动，改造费用较低，而且可针对不同体系和不同操作工况作调整，应用灵活。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式：

本发明涉及的一种高速汽液传质构件如附图所示，一般安装在板式塔内，主要包括塔板1、板孔2、升气筒3、分配管4、顶罩5、降液管6，塔板1上通过板孔2装有升气筒3，在升气筒3的下部对应设有分配管4，升气筒3的顶部设有顶罩5，塔板1与降液管6联结，塔板1上并联了多个传质元件，传质元件由板孔2、升气筒3、分配管4、顶罩5组成，升气筒3的上部为直筒形，下部为锥底，锥底在直筒下方，锥底带开口，锥底下方安装了液体旋流部件，分配管4一端伸入升气筒3的锥底，一端与上层塔板1的降液管6底部相连，传质元件为可插式构件，其大小尺寸可以相同，也可以不同，根据具体的工艺条件进行设计。相邻两层塔板1上的由板孔2、升气筒3、分配管4、顶罩5组成的传质元件不直接正对，而是间错开排列。分配管4端口与传质元件升气筒3的底部之间有间隙，间隙大小根据具体的工艺条件进行设计。塔板上的传质元件可以采用直圆筒和圆锥底结构，也可以采用多边形直筒和多边形锥底结构，还可以采用弧线形直筒和弧线形锥底结构。传质元件内部装有旋转形叶片。分配管4上可以安放填料，也可以不安放填料。

本构件利用“小塔无放大效应，大塔有放大效应并随着塔径的增加而猛增”的现实，提出了通过无数个“小塔”来并联构造“大塔”的新机制，可以按传质元件的个数将塔板划分为若干个区域，汽液传质过程只是在元件内发生，而塔板上只是汽相和液相的单相流动，所以传质元件的汽液接触传质效果不受塔设备规模的限制，塔板上基本没有滞留区，可以显著降低甚至消除塔设备规模扩大引起的放大效应。

该构件利用汽体通过塔板开孔时产生负压的原理，吸引液体上升，汽液相在构件内进行充分接触传质。与现有技术相比，本结构从上层降液管底部通过分配管直接向传质元件底部供液，比从塔板上吸液更有效。

同时本结构采用离心分离技术，突破了目前鼓泡类塔板汽液相分离受自然重力差的制约，气液混合物并流通过传质元件，离心力大小可通过汽速大小调节，气液分离性能好，充分利用了塔板间空间，可以降低雾沫夹带量，因此相分离可以得到强化，极大地提高设备的处理能力。

该构件的降液管比常规塔板的要长，一直伸到下层塔板下方，因此可以延迟降液管液泛，大大提高液相处理能力，对起泡体系的适应性也增强。

与现有喷射类塔板相比，本结构为单层塔板，塔板上方不再额外安装塔板收集液体，塔板上的传质元件采用升汽筒结构，内部装有导向旋转叶片，因而塔板压降较低，能耗较低，适用的压降范围也较宽。

试验结果表明，该类塔板的分离效率较浮阀塔板可提高了10～20％以上。因为汽速可以较高，气体流经元件时，可将液体喷射成细小的液滴，两相接触面积、湍动程度都很大，可以强化传质过程；而且雾沫夹带量少，塔板上汽液分布均匀，所以塔板效率提高。传质前的液体由上层降液管通过分配管送到传质元件底部，传质后的液体从元件顶部喷出后落到该层塔板上，然后由降液管输送到下层塔板，因此，可解决传质后的液体与未传质(未提升)的液体发生混合的问题，能够改善塔板效率而不用增加集液板，同时分配管也可以对元件起到支撑作用，分配管上可以安放填料以降低雾沫夹带。

该塔板结构简单，容易实现，对现有塔设备进行改造时只需更换塔板，内构件不需变动，改造费用较低，而且可针对不同体系和不同操作工况作调整，应用灵活。

Claims (7)

1、一种高速汽液传质构件，包括塔板(1)、板孔(2)、升气筒(3)、分配管(4)、顶罩(5)、降液管(6)，其特征在于：塔板(1)上通过板孔(2)装有升气筒(3)，在升气筒(3)的下部对应设有分配管(4)，升气筒(3)的顶部设有顶罩(5)，分配管(4)与降液管(6)相连。

2、根据权利要求1所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：塔板(1)上并联了一个以上的由板孔(2)、升气筒(3)、分配管(4)、顶罩(5)组成的传质元件，升气筒(3)的上部为直筒形，下部为锥底，其锥底在直筒下方，锥底带开口，锥底下方安装了液体旋流部件，分配管(4)一端伸入升气筒(3)的锥底，一端与上层塔板(1)的降液管(6)底部相连。

3、根据权利要求2所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：由板孔(2)、升气筒(3)、分配管(4)、顶罩(5)组成的传质元件为可插式构件。

4、根据权利要求1所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：相邻两层塔板(1)上的由板孔(2)、升气筒(3)、分配管(4)、顶罩(5)组成的传质元件是间错开排列。

5、根据权利要求1所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：分配管(4)的端口和升气筒(3)的底部之间设有间隙。

6、根据权利要求2所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：塔板(1)上由板孔(2)、升气筒(3)、分配管(4)、顶罩(5)组成的传质元件采用直圆筒和圆锥底结构，或者采用多边形直筒和多边形锥底结构，或者采用横截面形状为弧线形直筒和弧线形锥底结构。

7、根据权利要求2所述的一种高速汽液传质构件，其特征在于：升气筒(3)的锥底安装的液体旋流部件为叶片形结构。

Images