CN100473439C - 一种螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，它是将完整的传统圆形塔盘，沿中心切除其面积的1/25～1/4的圆后得到一圆环式塔板，再将该圆环式塔板切割为n等份，n＝3～10，得到扇形塔盘，将它们按螺旋阶梯下降方式安装固定在贯穿分离塔中心的支撑管上，旋转一个周期的塔盘间的总高度相当于传统板式塔的板间安装高度，相邻两块扇形塔盘间采用径向的挡板连接，挡板的上部高出上一个扇形塔盘，构成液体溢流堰，扇形塔盘上有气液接触元件(如浮阀、筛孔或泡罩等等)。本发明的螺旋阶梯下降分布式塔板的优点在于：由于省略了全部或大部分降液管和受液区，增加了塔盘面积的可利用率；液体在螺旋式塔板上每下降一段塔高，流经更长的流程，气液间的传热传质更为充分。
Description
发明领域
本发明涉及板式分离塔的核心部件——塔板。
背景技术
在化工、石油化工和炼油等工业生产过程中，经常需要使用到板式分离塔，板式分离塔也称板式塔，用于处理各种各样的气相混和物和液相混和物，达到分离和纯化的目的。板式分离塔的种类也很多，主要是根据塔板的种类来划分的。塔板是板式分离塔的核心，是气液接触进行热量传递和质量传递的场所；常规塔板是由气液接触元件(如浮阀、筛孔、泡罩等等)、塔盘板、受液盘、溢流堰、降液管、塔盘支持件和紧固件等部件构成；按结构特点可分为整块式和分块式两种。板式塔的使用历史已有一百多年之久，在现代化工生产中仍占有非常重要的地位。随着生产工艺的改进、生产要求的提高，以及塔板生产技术的进步，目前出现了许多改良塔板，用于满足各种生产需要。
传统塔板的基本构造如图1所示，一般在塔板两侧或中间部分分别设有降液管和液体溢流堰，在圆柱形塔体内每隔一定距离安装一块塔板，液体自上而下顺着塔板流下，而气体则由下向上，在塔板上进行气液间的交换。但是，由于传统塔板需要设置液体受液盘和降液管等结构，需要占用塔板的一部分，同时考虑气液流动状况，使得整块塔板的有效利用面积大大降低；穿流式塔板虽省去了降液管，但其效率和操作弹性较差。考虑到这些问题，出现了许多改良塔板，但都主要集中在对于塔板上的气液接触器件即浮阀、泡罩等的改进。现今，随着反应精馏、精密精馏、复合精细精馏等技术的出现及应用，对塔板的使用效率提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是为了改变传统的塔盘整体型式及其气液流动状况，以提高塔板面积的有效利用率；同时考虑进一步加强塔板上的传质传热，降低塔板的压力差，减少分离能耗，提高塔板的分离效率，来满足复杂精馏和传统精馏分离过程对塔板分离性能的高要求。
本发明的目的可通过以下技术解决方案来实现：
一种螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，它主要包括：扇形塔盘、溢流堰、挡板和支撑管，其特征在于将完整的传统圆形塔盘，沿中心切除其面积的1/25～1/4的圆后得到一圆环式塔板，再将该圆环式塔板切割为n等份，n＝3～10，得到扇形塔盘，将它们按螺旋阶梯下降方式安装固定在贯穿分离塔中心的支撑管上，支撑管的直径与切除的圆的直径相同，旋转一个周期的塔盘间的总高度相当于传统板式塔的板间安装高度，相邻两块扇形塔盘间采用径向的挡板连接，挡板的上部高出上一个扇形塔盘，构成液体溢流堰，扇形塔盘上有气液接触元件(如浮阀、筛孔或泡罩等等)。
上述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，挡板底部可根据需要沿径向开有疏密不等的气孔，由气孔进入的蒸汽可为板上液体提供推动力，减少液体返混。
上述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，每隔(2～10)×n个扇形塔盘，可设置一个扇形降液管，其面积占单块扇形塔盘面积的1/3～1/2，即自顶部第一块扇形塔盘起，每隔(2～10)×n块扇形塔盘，切去最末一个塔盘的1/3～1/2面积用于安装降液管，仅靠其下方的扇形塔盘相对应的增加1/3～1/2面积作为受液盘，降液管可通过支撑或焊接方式固定至支撑管和扇形塔盘上；每隔一定的扇形塔盘设置扇形降液管的目的是为了防止液体流动不均匀性引起的浓度梯度因长期累积而扩大。
上述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，所述的溢流堰的堰高顶边沿径向由内向外略微降低，其连线与水平面夹角为0～5°。
上述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，所述的溢流堰堰头可采用平头堰或齿形堰。若采用平头堰则堰高顶边沿径向自内向外略微降低，其顶端连线与水平面呈0～5°的夹角；若采用齿形堰，则齿底沿径向连线与水平面呈0～5°夹角，齿口自内向外逐渐扩大；由此可相对提高外侧液体流速，防止液体螺旋向下流淌时产生短路现象。
本发明所述的塔板可以是筛板，也可以是固定有各种常用的气液接触部件的塔板，如浮阀塔板、泡罩塔板等。塔板可用各种金属材料制造，必要时亦可以用金属材料和非金属材料复合制成，视具体工况而定。塔板与塔壁则可采用支撑方式或焊接方式固定。
本发明的螺旋阶梯下降分布式塔板的优点在于：
(1)由于省略了全部或大部分降液管和受液区，塔盘面积的可利用率增加，以支撑管占有全塔板面积按1/16≈6％计，因省略降液区和受液区而增加的塔盘可利用面积可达全塔板面积的5％～24％，依传统塔板的弓形堰长变化而不同。塔盘采用螺旋阶梯方式排列，液体在其上除受重力作用外，还受到向心力作用，呈螺旋式自上往下流动，并在塔板上与气体接触进行质量和热量交换。这种流动方式使得液体在单块扇形塔盘上流程缩短，减小了液体的返混程度；相对传统塔板而言，液体在螺旋式塔板上每下降一段塔高，流经更长的流程，停留时间变长，故其与气体接触时间变长，气液间的传热传质更为充分。
(2)挡板底部可根据需要沿径向自内向外由疏至密开有气孔，气体通过其中，对液体产生向前推动力，对其起到加速作用，从而可提高外侧流体相对流速，以保持内外侧液体的均匀性。
(3)溢流堰高度沿径向自内向外略微降低，使得液体除受向心力和重力作用外，还受到一离心力作用，一方面可防止外侧液体自上一扇区下落时直接走内侧造成液体短路，同时也可减缓内侧流体流速，防止内侧流体流淌过快而降低传质传热效果。
(4)这种塔盘及其排布方式尤其适用于中小塔径(<1.2m)的精馏塔装置，其板效率高，压降小，板上的气液传质与分离可由传统塔板的阶段平面分离(每一塔板一个阶段和平面)转变为近似于连续的多扇区立体分离(每一塔板多个高低错落的扇区)，每一扇区的传质推动力、分离效率都很接近，使得全塔转变成一个近似为等熵的分离过程，从而达到分离能耗接近最小值。
(5)该塔盘及其排布方式与传统塔板相比略显复杂，但结构依然简单，耗费材料增加有限，安排方便，经济性依然很好。
本发明的目的、特点及其优点，将通过下文对其的优选实施例的非限制性说明并结合图示给予解释，且这些实施例是参考附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1为传统板式塔结构示意图，其中：I为安装区；II为降液区；III为受液区；IV为有效气液传质区。
图2为传统板式塔结构示意图，其中：L为液相流向；G为气相流向。
图3为本发明的n＝4的单块扇形塔盘示意图。
图4为图3A侧液体溢流堰和挡板主视图，其中图4(1)为采用平头堰的，图4(2)为采用齿形堰的；图4(3)为底部开有气孔的挡板示意图。
图5为扇形塔盘安装及流体流动示意图。
图6为图5的A-A视图。
图7为图5的B-B视图。
图8为安装有扇形降液管(占扇形塔盘面积的1/3)的扇形塔盘(n＝4)的立体结构示意图。
以上图中：1为扇形塔盘，2为溢流堰，3为挡板，4为支撑管，5为气孔，6为扇形降液管，7为该扇形塔盘上的有效气液传质区，α为溢流堰堰高顶边连线与水平面的夹角。
具体实施方式
以下将通过实施例进一步阐述本发明的优点
实施例1：
乙醇—水精馏分离体系，采用的实验塔径为400mm，原先采用5块传统浮阀塔板进行实验，塔板均为单降液管型，其截面形状为弓形，有效传质面积与塔总截面积之比约为82％，采用的是F1型浮阀。采用本发明螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，将同等大小的塔板自中心切除1/9面积的圆，然后等份切割为n＝5块，得到25块扇形塔盘(1)，按螺旋阶梯方式焊接至直径与塔板切除的圆的直径相同的支撑管上，总的塔板有效传质面积比原塔板提高约11％，单板开孔率比传统浮阀塔板提高了10％，且液体流经塔板周期变长，更有利于气液间的交换。经测定表明，采用本发明的塔盘及其排布方式，单板压降下降15％左右，效率提高18％以上，气体通量比传统浮阀塔板提高20％以上，而且塔板的操作弹性也增大了。
实施例2：
空气—水体系，精馏塔实验塔径800mm，分别采用传统塔板及固定方式和本发明所阐述的扇区塔盘及其固定方式；传统塔板采用截面为弓形的降液管，其有效传质面积与塔总面积之比约为70％，塔板间安装高度为300mm。采用螺旋阶梯下降方式固定时，将每块传统塔盘切割为n＝4块扇形塔盘(1)，中心切除部分与塔板总面积比为1：16，扇形塔盘(1)间安装高度75mm，溢流堰(2)出口采用齿形，齿底连线与水平面夹角α为1°，有效传质面积相对传统整块式塔板增加了近22％，板上液体返混程度明显下降，液面落差下降近50％，雾沫夹带量下降近40％，单板分离效率提高25％。
实施例3：
乙醇—水体系，实验塔径800mm，传统塔板中心切除部分与其总面积比为1：16，再将其等份切割为n＝6块扇形塔盘(1)，共有6×10＝60块扇形塔盘(1)(原塔为10块塔板)，溢流堰(2)采用平头堰，其堰高顶边连线与水平面夹角α为2°，每隔3×6＝18块扇形塔盘设置一个降液管(6)，降液管(6)面积占扇形塔盘(1)面积的1/2，相应的在其下方扇形塔盘(1)增加1/2面积作为受液盘，即在切割传统塔板时将具有降液管(6)的扇形塔盘切割成1/8大小，下一级具有受液盘的扇形塔盘切割成3/8大小，改造后的塔板相比原塔板，有效传质面积增加约10％。经实验比较发现，装置运行稳定，相对传统塔板，液体在以发明所述的排布方式的塔盘上的停留时间增加约120％，气液接触充分，单块塔板即每6个扇形塔盘(1)上压降与原塔整块式塔板相比下降约14％，塔板效率提高16％，且分离产物纯度(94.5％乙醇)也比传统排布方式的塔板分离得到的纯度(93.4％乙醇)增加1％左右。
Claims (9)
1.一种螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，它主要包括：扇形塔盘(1)、溢流堰(2)、挡板(3)和支撑管(4)，其特征是：它是将完整的传统圆形塔盘，沿中心切除其面积的1/25～1/4的圆后得到一圆环式塔板，再将该圆环式塔板切割为n等份，n＝3～10，得到扇形塔盘(1)，将扇形塔盘按螺旋阶梯下降方式安装固定在贯穿分离塔中心的支撑管(4)上，支撑管(4)的直径与切除的圆的直径相同，旋转一个周期的扇形塔盘(1)间的总高度相当于传统板式塔的板间安装高度，相邻两块扇形塔盘(1)间采用径向的挡板(3)连接，挡板(3)的上部高出其相连接的两块扇形塔盘(1)中的上面一个扇形塔盘(1)，构成液体溢流堰(2)，扇形塔盘(1)上有气液接触元件。
2.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：挡板(3)底部根据需要沿径向开有疏密不等的气孔(5)。
3.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：每隔(2～10)×n个扇形塔盘(1)，设置一个扇形降液管。
4.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：所述的溢流堰(2)的堰高顶边沿径向由内向外略微降低，其连线与水平面夹角(α)为0～5°。
5.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：所述的溢流堰(2)堰头采用平头堰或齿形堰。
6.根据权利要求5所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：若采用齿形堰，则齿口自内向外逐渐扩大。
7.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：所述的塔板是筛板，或是固定有各种常用的气液接触部件的塔板。
8.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：塔板用各种金属材料制造，或用金属材料和非金属材料复合制成。
9.根据权利要求1所述的螺旋阶梯下降分布式分离塔塔板，其特征是：塔板与塔壁间采用支撑方式或焊接方式固定。
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