CN100546688C - 汽液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔 - Google Patents

Abstract

一种平衡分凝蒸馏全效塔板和一种小板距精馏塔，是对于塔尤其是塔板的创新，目的是解决目前存在的板效率低、板数多、板间距大等问题。本发明抛弃了目前的气液两相在直接接触中进行的无法达到平衡的传质方式，采用气液两相在间接传热中气相被分凝同时液相被蒸馏的液态多组分平衡分离的方式。全塔的精馏过程很像多效蒸发器，冷凝与蒸发之间相互换热。本发明有如下优点：板效率高、塔板数少、板间距小、塔高低。

Description

汽液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔

所属技术领域

本发明是关于化工生产的汽液传质设备中的板式塔、尤其是塔板结构的创新。

背景技术

精馏塔是各种化工生产流程中进行液态多组分分离的最常用设备，精馏塔分为板式塔和填料塔，板式塔使用较多，板式塔的核心部件是塔板，有泡罩、浮阀、筛板等多种形式的塔板，现有塔板通过使汽液两相密切接触，接触中汽相被部分液化同时液相被部分汽化，达到传质的目的。这样不可能达到传质平衡、板效率总是小于1(王箭，化工辞典，化学工业出版社，200年8月第四版，p897)。

现有塔板的结构，汽相穿过板孔再穿过液相，这就带来板孔漏液、汽相中液沫夹带、甚至板间充满汽液混合物的“液泛”等一系列的不利现象，为此必须有较大的板间距。

发明内容

本发明的目的是为了解决如上所述精馏塔的板数多、板效率低、板间距大等问题。

本发明总的构思是：抛弃目前汽液两相在直接接触中汽相被部分液化同时液相被部分液化的传质方式，采用汽液两相隔离、互不接触，在间接传热中汽相被平衡分凝同时液相被平衡蒸馏的方式。

附图1中左图是t-X、t-Y图，(t温度、X液相组成、Y汽相组成)，结合右图可以表示汽、液相的具体换热、相变、运动方式等原理。第n+1块板下面的汽相V_(n+1)与第n+1块板上面的液相L_(n+1)，相互逆向流动并通过第n+1块板进行传热。汽相V_(n+1)从右向左流动(右图)，温度从初始的c点降至d点(左图)，液相L_(n+1)从左向右流动，温度从初始的e点升至a点。

通过传热，V_(n+1)、L_(n+1)分别被分凝和蒸馏.汽相V_(n+1)(c点)经分凝(虚线)得到冷凝液Lv_(n+1)(a点)与蒸汽Vv_(n+1)(d点)，液相L_(n+1)(e点)经蒸馏(实线)得到残液L_l(n+1)(a点)与蒸汽V_l(n+1)(d点)。蒸汽Vv_(n+1)与V_l(n+1)合并上升至n块板下，作为V_(n)被分凝；Lv_(n+1)与L_l(n+1)合并汇集，向下流至n+2块板上，作为第n+2块板上的液相L_(n+2)(a点)。

L_(n+2)再在第n+2块板上被加热蒸馏，得到残液L_l(n+2)(b点)与蒸汽V_l(n+2)(c点)，残液L_l(n+2)向下流至n+3块板上；蒸汽V_l(n+2)与n+2块板下的汽相V_(n+2)分凝所剩的蒸汽Vv_(n+2)合并上升至n+1块板下，作为汽相V_(n+1)进行放热分凝，得到冷凝液Lv_(n+1)(a点)与蒸汽Vv_(n+1)(d点)，这样，a点的液相L_(n+2)在n+2块板上被分离成b点的液相与d点的汽相，达到了最高的分离效果。

与现有塔板相比，本发明的塔板上被蒸馏的液相流动方式不变、蒸馏产生的汽相运动方式不同。被蒸馏液相仍然是通过溢流装置，从上至下依次流过各塔板；蒸馏产生的汽相冷却分凝后，得到轻组分浓度更高的蒸汽上升到上一层塔板下面，分凝产生的液相返回塔板继续蒸馏。

整个过程很像一个多效蒸发器，分凝与蒸馏两过程之间相互换热。

下面是实现本发明总构思的一种具体技术方案(附图2)。

塔板的原则结构如下。将现有精馏塔各式各样塔板上的板孔去掉作为换热板1，承载液相，1上设有蒸气上升管2，管口高出液面，距换热板1正下方约30毫米加一块集液板3，汇集凝液。换热板、集液板共同组成一层塔板。1下方与3上方之间为分凝室4；1上方与3下方之间为蒸馏室5。换热板1上产生的蒸汽从蒸馏室5经过集液板3与降液管9之间的通道7进入分凝室4(虚线箭头)被分凝，分凝产生的液体也是通过通道7从集液板3向下的折引板6流到换热板4(点划线箭头)、分凝的剩余蒸汽通过蒸汽上升管2、再通过通道7进入上层分凝室(虚线箭头)。

保留现有塔板的降液管9及溢流堰8，使液相从上至下依次从各换热板4上流过(实线箭头)。

以上的塔板可以直接用在现有精留塔上，提高效率、减少板数.

这种塔板更可以设计出塔高成倍降低的精馏塔.因为本发明的精馏塔无板孔漏液、液沫夹带等不利现象，可以将板间距降低到很小。换热板与其下方的集液板之间的分凝室一般高约为20-80毫米，只要保证其汽相有足够的停留时间，被适当分凝即可。集液板与其下方的换热板之间的蒸馏室高(也就是板间距)约30毫米，只要保证蒸汽的正常扩散即可.而现有板间距为300-800毫米(国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，1996年第2版，p4-452至p4-458)，新塔降低至了现有板间距的十分之一以下.现有的精馏塔如果采用20-80毫米的板间距，是根本不可想象的。

除了板间距小外，本发明的塔的技术特征还有：在进料口的两塔板之间必须是现有正常的板间距300-800毫米(以容纳突然涌进塔内的大量物料)；塔顶处第一块换热板产生的蒸汽靠冷却水进行分凝，凝液作为第一块换热上的液相，分凝剩余蒸汽作为塔顶产物，再被终凝器全凝。

本发明的塔板和现有技术相比有明显的优点和积极效果。现有塔板汽液两项直接接触进行传质，不可能达到汽液两相间的组分平衡，因为汽液两相间的传质推动力必须大于零，而一旦平衡该推动力等于零；本发明的塔板分凝和蒸馏的推动力就是换热板上下的温差，由于是汽液相逆向流动，全板上保持了一定的温差，在推动力大于零的条件下，实现了蒸发与分凝的平衡，因此，板效率可以达到1。

本发明的精馏塔，板效率高、板数少、板间距小、塔高大为降低。

具体实施例

下面结合附图和实施例(可以有多个实施例)对本发明进一步说明。

实施例1

每层塔板整体上就是一个塔节(附图3的实线)，塔节主要由垂直的柱壳10、集液板3和换热板1组成。换热板1为尽量薄(约0.5毫米，传热块)的薄板，板面冲压成一组走向垂直于溢流堰的“v”形凹槽(有点像石棉瓦、只是凹槽之间距离较大、板上有平面部分)，凹槽起着加强承重能力、引导板上液相流动、聚集板下冷凝液的作用。为使换热板上液层厚度均匀，换热板在溢流堰一侧要低5毫米左右(视液相黏度定)，沿流动方向的形成一个斜坡。集液板可以水平放置、也可与换热板平行倾斜便于冷凝液流动，集液板在降液管一侧向下弯折出(或焊有)矩形板6，引导凝液从通道7下移。柱壳10下方焊有两道圆形扁钢，形成圆形填料槽12，上层塔节(附图3的实线)的填料槽供下层塔节(附图3的双点划线)的柱壳的上方插入。所有插接面要加工平齐，在壁外均布的轴向螺杆拉筋(未画出)和槽内填料的作用下，各塔节形成密闭的整体。

柱壳10为高100毫米左右的柱状圆管，管内焊有矩形板11，11平行于矩形板6、与管壁之间形成弓形的降液管9，矩形板11上部高出换热板1的部分形成溢流堰。换热板1布有平行于矩形板6的一组圆管，就是蒸汽上升管2，管内供蒸汽流动，管间供回流液流动。

以上是塔板结构的描述，下面是全塔的工作过程。每块塔板的工作原理前面已介绍清楚，本实施例需重点说明的是塔顶与塔底工作过程(附图4、5)。

第一层塔板的换热板上的液相被蒸发所产生的蒸汽V_l1与该板下方的分凝室的分凝后剩余的蒸汽V_v2合并上升，与塔顶分凝器11内的冷凝水10换热而被分凝，得到的液相L_v1作为回流液L₁，分凝剩余的蒸汽V_v1作为塔顶的汽态产物V_D，送往塔外终凝器(附图4)。

塔底处，外来水蒸汽12通入再沸器15，加热并汽化部分器内的液相，产生的蒸汽14流入塔最底部的分凝室4，通过最下面一块换热板放热并被分凝，凝液作为回流到再沸器液体13的一部分，剩余蒸汽通过蒸汽上升管2进入上层分凝室4。最下面一块换热板的上液相被部分蒸发产生的蒸汽通过通道7也进入该分凝室，蒸发剩余的液相作为回流到再沸器液体13的另一部分。再沸器内液体被部分汽化后所剩的残液就是塔底产物16(附图5)。

实施例2

实施例2与实施例1不同之处是：在第1块塔板的换热板上方塔顶内设置列管水冷凝器由塔外分凝器代替。

Claims (4)

1.一种精馏塔的塔板装置，设有降液管和溢流堰，其特征在于，每层塔板由一块无板孔的换热板和一块集液板组成，形成蒸馏室与分凝室，并设有连接两室的气液相通道，还设有蒸汽上升管。

2.一种精馏塔，采用了权利要求1的塔板装置，其特征在于，进料口处上方集液板与下方换热板两板之间的净距离为300-800毫米，其它处这一距离为20-80毫米，塔顶有分凝器和终凝器。

3.根据权利要求2的精馏塔，其特征在于，全塔包括若干个塔节，塔节下方焊有一个圆形的填料槽，槽中填有填料，全塔有轴向螺杆拉筋，每个塔节包括柱壳、集液板和换热板，柱壳内焊有两块形状不同彼此平行的矩形板，分凝器位于塔内，塔顶有物料蒸汽出口，塔底有汽态物料进口和液态物料出口。

4.根据权利要求2的精馏塔，其特征在于，全塔包括若干个塔节，塔节下方焊有一个圆形的填料槽，槽中填有填料，全塔有轴向螺杆拉筋，每个塔节包括柱壳、集液板和换热板，柱壳内焊有两块形状不同彼此平行的矩形板，分凝器位于塔外。

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