CN101444678B - 一种多溢流环形塔板 - Google Patents
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Abstract
一种多溢流环形塔板，它至少包括有一圆形塔盘，所述的圆形塔盘的中心设置有一中心支撑管并构成一环形塔盘，在该环形塔盘上按照溢流数目等份切割成扇形块，每份扇形块又被切割成受液盘、扇形塔盘和降液区三块；所述环形塔盘的降液区正下方为下一层塔板的降液区，所述的降液区通过一个斜坡与下一层塔板的受液盘相接；所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一圆环形液体连通器，该连通器的底面和受液盘底面齐平，顶面比受液盘中最大液位高～50mm左右，外侧面和降液管连通；它具有提高塔板效率，降低塔板的压力降，减小分离能耗，缩小精馏塔尺寸，能降低设备成本，能满足现代分离过程对塔板分离性能高要求等特点。
Description
发明领域
本发明涉及的是一种板式精馏塔的核心部件——塔板，属于汽液分离装置技术领域。
背景技术
在石油化工领域的工作生产中，精馏操作显著地影响着石油化工工业的能量消耗。例如1989年美国全国约4万座精馏塔消耗能量占石油化工领域总能耗的41.2％，占全国总能耗中的2.99％。而精馏塔中板式精馏塔又占很大的比重，所以板式精馏塔效率的微小提高就可以产生巨大的经济效益。当前精馏的研究主要包括两个方面：精馏过程模拟和精馏设备设计。精馏模拟的主要任务就是理论上指导精馏设备设计。下面介绍精馏模拟中的塔板效率和塔板上点效率的关系，进而如何指导设计塔板。
塔板效率和塔板上点效率关系的推导使用如下假设。
活塞流模型：考虑一个二元精馏塔，其中塔板每层是长度一定的矩形塔板，并假设液体在塔板上进行活塞流动。
Lewis情况1：假设进塔板的气体是完全混合的，即塔板各处的气体组分是相同的，见图1所示。
Lewis情况2：假设塔板之间气体是完全不混合的，即气体离开塔板上的液体之后以活塞流的形式进入上一层塔板，并且所有塔板上液体流动方向是相同的，见图2所示。
Lewis情况3：假设塔板之间气体是完全不混合的，即气体离开塔板上的液体之后以活塞流的形式进入上一层塔板，但相邻两块塔板上液体流动方向相反，见图3所示。
在推导中另外假设气液相平衡为直线关系，即
y＝mx+b m——气液相平衡斜率 y——气相摩尔分数
x——液相摩尔分数 EOG——Murphree气相精馏塔板点效率
EMV——Murphree气相精馏塔板效率 ζ——塔板效率增效因子，ζ＝EMV/EOG
L——塔板上液体摩尔流率，mol/h V——塔板上气体摩尔流率，mol/h
R——操作线的斜率，R＝L/V λ——汽提因子，λ＝m/R
具体理论推导可以见宋海华教授编著的《精馏模拟》中的第8章内容。
下面是一个塔板效率增效因子ζ随点效率EOG和汽提因子λ在不同的Lewis情况下变化的数值表格。
上述计算模型虽然使用了几个假设，但不失普遍性，它指明了如何更好利用塔板上方液体和气体成分差异来提高塔板效率。另外这个原理可体通过换热器设计中两种流体采用逆流和并流时平均温差有差异的特点来理解。
现在塔板的研究开发，很大一部分集中在改善塔板液体流动状况上，如设置导向孔，采用流型更好的环流型塔板等等，而这么小小一改动许多资料和专利上反映塔板效率一下子猛增10％～20％，塔板压降减小5％～15％，甚至更多。遗憾的是绝大部分的研究开发者都不从理论上进行充分的解释，而事实上是这么一小小改进使塔板上液体流动形式接近了活塞流动，产生了塔板效率增效因子ζ。然而如何最大化增效因子呢，那就是设计的塔板让它更接近Lewis情况2，这样塔板的效率会最大化，单板的效率超过1也是正常的。
设计指导原则：
(1)液体采用活塞流。
(2)气体采用活塞流。
(3)上下层塔板的液体流动方向一致。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种利用Lewis情况2的塔板增效因子最大这一特点来指导设计塔板进而提高塔板效率，降低塔板的压力降，减小分离能耗，缩小精馏塔尺寸，从而降低设备成本和满足现代分离过程对塔板分离性能高要求的多溢流环形塔板。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现，它至少包括有一圆形塔盘，所述的圆形塔盘的中心设置有一中心支撑管并构成一环形塔盘，在该环形塔盘上按照溢流数目等份切割成扇形块，每份扇形块又被切割成受液盘、扇形塔盘和降液区三块；所述环形塔盘的降液区正下方为下一层塔板的降液区，所述的降液区通过一个斜坡与下一层塔板的受液盘相接；所述环形塔盘的中心支撑管分为内管和外管；内管的顶部封住，底部和塔底相通，外管和内管的中间形成一个环形区域设置圆环形液体连通器和圆环形气体连通器；所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一圆环形液体连通器，该连通器的底面和受液盘底面齐平，顶面比受液盘中最大液位高50mm，外侧面和降液管连通；所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一个圆环形气体连通器，该连通器的底面为液体连通器的顶面，连通器的顶面与上层塔板齐平，外侧面和塔板不同扇区的气体空间连通。
所述环形塔盘的中心支撑管横截面积占整个塔盘横截面积的1/4～1/16。
本发明属于对现有技术的一种大的改良，它具有提高塔板效率，降低塔板的压力降，减小分离能耗，缩小精馏塔尺寸，能降低设备成本，能满足现代分离过程对塔板分离性能高要求等特点。
附图说明
图1为Lewis情况1的模型图。
图2为Lewis情况2的模型图。
图3为Lewis情况3的模型图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为图4的A-A视图，其中：I为内管；II为气体连通器；III为液体连通器。
图6为图4的B-B视图，反映降液区的设计。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的结构示意图。本实用新型至少包括有一圆形塔盘，所述的圆形塔盘的中心设置有一中心支撑管并构成一环形塔盘，在该环形塔盘上按照溢流数目等份切割成扇形块，每份扇形块又被切割成受液盘1、扇形塔盘3和降液区5三块。
所述环形塔盘的降液区5正下方为下一层塔板的降液区5，所述的降液区5通过一个斜坡与下一层塔板的受液盘1相接。
所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一圆环形液体连通器，该连通器的底面和受液盘底面齐平，顶面比受液盘中最大液位高～50mm左右，外侧面和降液管连通。
所述的环形塔盘的中心支撑管中间设置有一个圆环形气体连通器，该连通器的底面为液体连通器的顶面，连通器的顶面与上层塔板齐平，外侧面和塔板不同扇区的气体空间连通。
所述的环形塔盘的中心支撑管分为内管和外管；内管的顶部封住，底部和塔底相通，外管和内管的中间形成一个环形区域设置圆环形液体连通器和圆环形气体连通器。
所述的环形塔盘的中心支撑管横截面积占整个塔盘横截面积的1/4～1/16。
附图4所示的是溢流数目为3的多溢流环形塔板俯视图，其中：1为受液盘；2为进口堰、3为扇形塔盘、4为出口堰、5为降液区；6为中心支撑管。
图5所示的是：I为内管；II为气体连通器；III为液体连通器。
图6所示的是：它反映了降液区的结构。
根据以上附图所示，将传统的圆形塔盘，在中心去除一块占整个塔横截面积1/4～1/16的一个圆，放置中心支撑管，然后得到一个环形塔盘，再将环形塔盘按照溢流数目等份切割成扇形，每份扇形又被切割成受液盘、扇形塔盘和降液区三块。所有扇形塔盘上的液体流动方向是一致的，都是顺时针或逆时针方向。液体在塔内旋转一周经过的塔板数目和溢流数目相等。
塔板液体流动状态设计：设计原则：(1)从进口堰上同时流出的液体必须同时流入降液管。(2)液体在扇形塔板上作圆弧线活塞流动。为符合以上两条设计原则，进行了如下设计。进口和出口堰采用平堰，堰高顶边延径向由内向外略微降低，另外在扇形塔板上设置导向孔，该导向孔是在我公司研究所的中国专利912070846基础上经过多年的改进研发而成，导向孔在塔板上冲压而成，有一水平缺口，气体从水平缺口中喷出给液体传递动量，提高液体的流动速度和改变液体的流动方向，该导向孔设置方式是延扇形塔板径向由外向内递减，扇形塔板外侧设置最多，扇形塔板的内侧一般不设置，只有扇形塔板内侧形成较大液面梯度时才设置，导向孔的具体位置和数量必须通过严格的计算。
降液区的设计：降液区的正下方为下一层塔板的降液区而不是下一层塔板的受液盘，液体在降液区内是通过一个斜坡被送到下一层塔板的受液盘。这种设计的优点是，液体从出口堰流入降液管的斜坡上可以产生更少气泡，从而减小气体返混，另外使塔盘上的气体向上运动时减小混合，还有把降液区上方的一部分无限区域划给受液盘，从而提高了塔板的有限区域。
液体连通器设计：设计原则是使同一层塔板上不同扇区受液盘中液体的液位和组分一致。设计方式是在中心支撑管内采用一个圆环形的连通器，连通器的底面和受液盘底面齐平，顶面比受液盘中最大液位高～50mm左右，外侧面和降液管连通。这种液体连通器不需要在每层塔板都设置，可以间隔一定的塔板设置一个，建议是5层塔板设置一个。
气体连通器设计：设计原则是使同一层塔板不同扇区气体的压力相等。设计方式也是在中心支撑管内采用一个圆环形的连通器，连通器的底面为液体连通器的顶面，连通器的顶面与上层塔板齐平，外侧面和塔板不同扇区的气体空间连通。该连通器每层塔板都必须设置。
中心支撑管设计：该中心支撑管分为内管和外管；内管是真正意义上的支撑管，内管的顶部封住，底部和塔底相通，外管和内管的中间形成一个环形区域设置液体连通器和气体连通器。
实施例1，空分设备型号KOD-900型高纯氮设备中氮塔，塔的设计参数：溢流数目为2，塔体直径是600mm，中心支撑管的直径是200mm，理论塔板为43块，实际塔板为60块；试车报告反映第50块实际塔板处氮气的成分达到设计值，塔总压降和设计值基本吻合，塔在34％工况下还可以稳定运行。也就是说比常规设计整塔的效率提高20％，每块理论板的压力降低20％，调负荷的能力可以达到34％工况。
Claims (2)
1.一种多溢流环形塔板，它至少包括有一圆形塔盘，其特征在于所述的圆形塔盘的中心设置有一中心支撑管并构成一环形塔盘，在该环形塔盘上按照溢流数目等份切割成扇形块，每份扇形块又被切割成受液盘(1)、扇形塔盘(3)和降液区(5)三块；所述环形塔盘的降液区(5)正下方为下一层塔板的降液区(5)，所述的降液区(5)通过一个斜坡与下一层塔板的受液盘相接；所述环形塔盘的中心支撑管分为内管和外管；内管的顶部封住，底部和塔底相通，外管和内管的中间形成一个环形区域设置圆环形液体连通器和圆环形气体连通器；所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一圆环形液体连通器，该连通器的底面和受液盘底面齐平，顶面比受液盘中最大液位高50mm，外侧面和降液管连通；所述环形塔盘的中心支撑管中间设置有一个圆环形气体连通器，该连通器的底面为液体连通器的顶面，连通器的顶面与上层塔板齐平，外侧面和塔板不同扇区的气体空间连通。
2.根据权利要求1所述的多溢流环形塔板，其特征在于所述环形塔盘的中心支撑管横截面积占整个塔盘横截面积的1/4～1/16。
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