CN101905088B - 一种立体传质液体同向流塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立体传质液体同向流塔，是一种在化工、炼油、石化、制药、环保等领域的传质、传热等过程中的气液接触设备。它包括塔体和多层连续传质塔板，每层连续传质塔板包括塔板、立体传质元件和降液系统，其降液系统能够使塔内每层塔板上的液体呈相同方向流动，使得塔板上不留有滞留区，增加了有效传质面积，增大了处理能力，提高了塔板上的气液传质平均推动力，进一步提高了塔板的传质效率。

Description

一种立体传质液体同向流塔

技术领域

本发明涉及一种气液接触设备，特别是一种在化工、炼油、石化、制药、环保等领域的传质、传热等过程中普遍应用的一种液体并流塔。

背景技术

目前，在石油、化工、制药、环保等领域的传质(如精馏、吸收、解吸、气提等单元操作)、传热等过程中应用的气液接触设备多为板式塔，板式塔以筛板式、浮阀式和泡罩式等液相连续型塔板为基本类型，是在一个筒形的塔体内分别设置多层塔板，塔板上还设置一些传质元件。一些新开发的塔板也是这几种塔板的改进形式，这些塔板的处理能力较小、塔板效率低，而且压降大、能耗也相对较高。近年来出现了一些气相连续型塔板，如垂直筛板式及其后续发展形式，其处理能力和效率等方面都有明显的提高，但还是存在一些不足，如罩体过多占用塔板上的液体通道，在液相处理量大时会产生较大的液面梯度，影响气液正常接触；并且气相连续型塔板的发展一般局限在气液传质元件结构和排布的改进，基本都是采用了气液错流接触的传统方式，气相经过塔板上的开孔逐级上升，液相通过降液管和塔板逐级下降，液相在相邻的两层塔板上形成逆向流动状态，气相和液相在塔板局部形成错流状态。但是不管是气相连续型塔板还是液相连续型塔板，由于相邻塔板间液体的流向相反，因此都存在弓形滞缓区和周边死区，大约占塔板面积的20-30％，致使有效传质区大为减少，并且返混现象严重，大大影响分离效率。

Lewis推导的同向流效应为：当相邻两层精馏塔板液体流动方向相同时，塔板上的传质推动力最大，塔板效率最高。并且经研究进一步指出，Lewis同向流效应是塔板效率提高20％以上唯一可行的策略。1981年，Jenkins首先提出了Parastillation的同向流塔结构，并对其进行了实验研究，在相同的分离要求下，并流塔板分离效率大幅提高、所需回流比也大幅度降低；后人对该塔型进行了更为深入的研究和改进，结果证明同向流结构对精馏塔塔板效率的提高有明显促进作用，但由于设备和技术经济性问题，至今未见该类型塔板工业化的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够增大传质推动力，提高分离效率的大通量立体传质液体同向流塔。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种立体传质液体同向流塔，包括塔体和多层连续传质塔板，每层连续传质塔板包括设置有升气孔的塔板、位于升气孔上方的立体传质元件和降液系统，所述降液系统的液体入口和液体出口在每一层塔板上的位置均互相对应，塔板上设置有使流入该层塔板的液体具有相同流动方向的导流装置。

本发明所述连续传质塔板的结构为：所述每层连续传质塔板分成互相独立的两部分，每个独立的塔板(2)上均设置有一套降液系统，降液系统为夹板式降液管，每套降液管包括降液板Ⅰ、降液板Ⅱ、降液挡板和溢流堰，降液板、降液挡板和塔板构成导流装置；平行设置的降液板Ⅰ、降液板Ⅱ之间为降液通道，降液通道上端、降液板Ⅰ上设置有垂直于塔板的溢流堰；降液挡板垂直位于塔板上，其长度小于塔内径；降液板Ⅰ、降液板Ⅱ与降液挡板垂直设置，降液板Ⅰ的上端与上层塔板上的另一降液管的溢流堰连接，下端与下一层的另一相交错的塔板固定连接；与降液板Ⅰ平行设置的降液板Ⅱ的上端与上层塔板上另一降液管的降液板Ⅰ的下端连接，降液板Ⅱ的下端与塔板之间设置有液体流出通道。

上述连续传质塔板中所述降液板的改进在于：所述平行设置的降液板结构为折流式、直降式或曲线式中的任意一种。

本发明所述连续传质塔板的另一种结构为：所述连续传质塔板每层的塔板为一块，所述降液系统设置在塔体的同侧，包括降液板Ⅰ、中间受液盘、主受液盘、降液挡板和溢流堰，其中降液板Ⅰ、中间受液盘、主受液盘和降液挡板四部分构成降液系统的导流装置，所述降液板Ⅰ、降液挡板、主受液盘两两互为垂直设置，主受液盘与塔板位于同一水平面上并为一体；降液挡板位于降液板的一侧将降液板Ⅰ分为两个区域，降液挡板的顶端与中间受液盘的一端连接，下端与主受液盘连接；中间受液盘的另一端与降液板Ⅰ连接，中间受液盘与塔板上的降液通道上下对应；在降液板Ⅰ的一端，降液板Ⅰ与主受液盘之间设置有液体流出通道，在降液板Ⅰ另一端的下方、塔板的边缘还设置有溢流堰。

上述连续传质塔板的改进在于：所述降液板Ⅰ、中间受液盘，主受液盘和塔体四者之间互相垂直设置，共同形成弓形降液系统。

本发明所述连续传质塔板的结构还可以为：所述连续传质塔板每层的塔板为一块，所述降液系统包括中心降液管、中间受液盘、降液挡板、导流管和环形受液盘，其中中间受液盘、降液挡板和导流管构成导流装置；在塔板上对应中心降液管的进口周围设置有溢流堰，中心降液管穿越塔板中心并位于中间受液盘的上方，中间受液盘的周边间隔设置有导流管，各导流管之间设置有降液挡板，中间受液盘与中心降液管之间设置有液体流出通道；环形受液盘位于下一层塔板的周边，导流管出口与环形受液盘对应。

上述连续传质塔板的改进在于：所述中心降液管和中间受液盘为圆形或规则多边形；所述导流管为圆形管、矩形管或上开口槽钢中的一种；所述环形受液盘通过进口堰与塔板固定连接。

本发明所述立体传质元件的改进在于：所述立体传质元件为帽罩，帽罩包括侧板、顶板和位于侧板下端用于与塔板固定连接的支脚，顶板与侧板之间的空隙为天窗，帽罩与塔板之间留有空隙。

所述帽罩的改进在于：所述帽罩的侧板上设置有喷射孔，喷射孔的形状为圆形、矩形、栅板形或类鳞形中的任意一种。

本发明的改进还在于：所述帽罩与塔板之间空隙的高度为0～25mm。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：

本发明与传统塔器相邻两层塔板液相逆流操作相比，其塔内每层塔板上的液体呈同向方式流动，消除了传统塔板上的液体滞留区，增加了有效传质面积，增大了处理能力，大大提高了塔板上的气液传质平均推动力，进一步提高了塔板的传质效率。本发明在达到相同分离要求的情况下提高传质效率可以降低操作回流比，减少运行费用，同时可以减少实际塔板数或减小塔体直径，降低基础设施投资。

本发明中降液系统减少了相同塔径下液体在塔板上的流动长度，同时由于立体传质元件对液体的抽提作用也能降低塔板液面落差，因此相对于传统塔板具有更低的液面梯度，并且液相中的气含率也比较低，所以具有更大的液相处理能力，配合具有喷射能力的帽罩可形成塔内的气相连续，因此本立体传质液体同向流塔板具有更大的处理能力及更宽的操作弹性。

本发明溢流堰的高度可以根据流量设置；立体传质元件设置成带有喷射孔的帽罩，可以使气相和液相充分接触，并使混合后的连续型带有液滴的气相从喷射孔和天窗喷出，不会使液滴在帽罩内沿侧板下流，帽罩与塔板的之间的底隙可以根据流量进行设置，以保证气相和液相的充分混合。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图中：1.塔体，2.塔板，21.升气孔，31.降液板Ⅰ，31’降液板Ⅰ，32.降液板Ⅱ，33.降液挡板，34.中心降液管，35.液体流出通道，36.中间受液盘，37.主受液盘，38.环形受液盘，39.导流管，4.溢流堰，5.帽罩，51.顶板，52.喷射孔，53.侧板，54.支脚，55.天窗，56.底隙，6.降液通道，7.进口堰。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例如图1所示是一种双螺旋液体同向流塔，用于酒精的提纯。它包括塔体1和设置在塔体1内的多层连续传质塔板，每层连续传质塔板包括设置有升气孔21的塔板2、位于升气孔上方的帽罩5和降液系统。

每层连续传质塔板分成互相独立的两部分，每个独立的塔板2上均设置有一套降液系统。降液系统为夹板式降液管，两套降液管在塔体1内的直径方向相对同向设置。每套降液管包括折流式降液板Ⅰ 31、降液板Ⅱ 32、降液挡板33和溢流堰4，平行设置的降液板Ⅰ和降液板Ⅱ之间为降液通道6，降液通道顶端设置有垂直于塔板的溢流堰4；降液挡板33垂直固定于塔板的中心线上，其长度小于塔内径；降液板与降液挡板垂直设置，降液板Ⅰ的上端与上层塔板上另一降液管的溢流堰4连接，下端与下一层的另一相交错的塔板和塔体固定密封连接，与降液板Ⅰ平行设置的降液板Ⅱ32的上端与上层塔板上另一降液管的降液板Ⅰ 31’的下端连接，另一端与塔板之间设置有液体流出通道35。位于同一层塔板上两套降液管的降液板Ⅱ的上沿均位于与降液挡板垂直的塔内直径上，降液板Ⅰ上沿的宽度小于塔内直径；而两套降液管降液板Ⅰ的下沿则均位于下一层塔板上，并与垂直于降液挡板的塔内直径重合，降液板Ⅱ下沿的宽度则小于塔内直径。即每套降液管将塔板平分成两部分。

塔板水平设置在塔体内，由两套降液管的降液板Ⅱ分隔而成的两部分塔板上对称设置有数量相同的矩形升气孔，塔板上升气孔的上方设置有通过支脚固定的帽罩5；帽罩包括侧板53、顶板51和位于侧板下端用于与塔板固定连接的支脚54，侧板上开有圆形喷射孔52，顶板与侧板之间的空隙为天窗55，帽罩与塔板之间的空隙为底隙56，底隙的高度为12mm。

本实施例在工作时，整个塔内空间被两套降液管分隔成对称的两部分，每套降液管流下的液体只流过每层塔板的一半空间，塔板上的两部分液体对称流动。液态酒精被分离成两部分，自塔顶部沿两套降液管下行，由上层降液管流下，通过降液板Ⅱ下方的液体流出通道35进入塔板，液体穿过降液挡板与塔体之间的通道流入另一侧塔板，然后越过溢流堰进入降液管并流入下层塔板，塔内液相整体呈双螺旋方式同向流动，液体在塔板上逆时针流动。

塔内的气态酒精也被分成独立的两部分，从塔的底部穿过塔板上的升气孔逐层上升，在帽罩内与液态酒精充分接触后，从帽罩的喷射孔和天窗中携带酒精液滴喷射而出；由于酒精中乙醇和水的沸点不同，这种携带有液滴的气态酒精在相邻塔板所形成的空间内进行分离，水降落在液态酒精中随液态酒精向下继续流动，直到塔底分离成纯水；而乙醇的沸点较低仍然成气态形式随气态酒精继续上升，直到塔顶分离出纯乙醇气体。最终完成精馏过程。

实施例2

本实施例如图2所示是一种立体传质液体并流塔，与实施例1的不同之处在于：每层只有一块连续传质塔板，连续传质塔板的降液系统设置在塔体的同侧，包括降液板Ⅰ 31、中间受液盘36、主受液盘37和降液挡板33；降液挡板33位于降液板Ⅰ的纵向中心线上，并与降液板Ⅰ垂直设置，降液挡板与主受液盘垂直设置，降液挡板33的顶端与中间受液盘36的一端连接，下端与主受液盘37连接；中间受液盘位于降液板Ⅰ的横向中心线上与降液板Ⅰ垂直设置，中间受液盘36的另一端与降液板Ⅰ 31的下端连接，中间受液盘36与塔板上的降液通道6相对应；降液板Ⅰ被降液挡板分为两个区域，在降液板Ⅰ的一端，降液板Ⅰ与主受液盘之间留有液体流出通道35，在降液板Ⅰ另一端的下方、塔板的边缘垂直设置有溢流堰4，溢流堰的长度为降液板横向长度的二分之一。因此整个降液系统共同形成弓形降液系统。

液态酒精自塔顶部沿降液系统下行，经降液板Ⅰ、中间受液盘、降液挡板、主受液盘流入下一层塔板，由于降液挡板和中间受液盘的导流作用，液体自主受液盘绕流至另一侧塔板，再越过溢流堰流入下层降液通道。塔板上液体的流型为逆时针流动，从而实现塔内各层塔板上液体同向流动的流动方式。

实施例3

本实施例如图3所示为一种立体传质液体同向流塔，与实施例

的区别在于：降液系统包括中心降液管34、中间受液盘36、降液挡板33、导流管39和环形受液盘38；中间受液盘和中心降液管均设置成圆形，塔板上对应中心降液管进口的周边设置有溢流堰4；中心降液管穿越塔板中心并位于中间受液盘的上方，中心降液管的直径小于中间受液盘的直径；中间受液盘的周边间隔垂直设置有导流管39，各个导流管之间设置有降液挡板33，导流管为上开口型槽钢，导流管的底部高度高于中间受液盘且低于降液挡板的高度；环形受液盘38位于下一层塔板的圆周上，呈平板型，并与塔板通过进口堰7固定连接；导流管的出口对应在环形受液盘38内。

液态酒精自塔顶部沿降液系统下行，液体由塔壁四周的环形受液盘越过进口堰流入塔板，在帽罩内与上升的气体激烈接触，进行气液传质，继续流动越过溢流堰后进入中心降液管，并降液至中心受液盘，经过降液挡板分配后由导流管导流至下层塔板的环形受液盘，然后再向中心降液管方向流动。每层塔板上的液体流动方向都是由塔体流向中心降液管，在塔内实现各层塔板液体同向流动的流动方式。

Claims (9)

1.一种立体传质液体同向流塔，包括塔体(1)和多层连续传质塔板，每层连续传质塔板包括设置有升气孔(21)的塔板(2)、位于升气孔上方的立体传质元件和降液系统，其特征在于：所述降液系统的液体入口和液体出口在每一层塔板上的位置均互相对应，塔板上设置有使流入该层塔板的液体具有相同流动方向的导流装置；所述立体传质元件为帽罩(5)，帽罩包括侧板(53)、顶板(51)和位于侧板下端用于与塔板固定连接的支脚(54)，顶板与侧板之间的空隙为天窗(55)，帽罩与塔板之间留有空隙。

2.根据权利要求1所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述每层连续传质塔板分成互相独立的两部分，每个独立的塔板(2)上均设置有一套降液系统，降液系统为夹板式降液管，所述降液管包括降液板I(31)、降液板II(32)、降液挡板(33)和溢流堰，平行设置的两块降液板之间为降液通道(6)，降液通道的上端、降液板I(31)上设置有垂直于塔板的溢流堰(4)；降液挡板(33)垂直位于塔板上，其长度小于塔内径；降液板I(31)、降液板II(32)与降液挡板垂直设置，降液板I(31)的上端与上层塔板上另一降液管的溢流堰(4)连接，下端与下一层的另一相交错的塔板固定连接，与降液板I平行设置的降液板II(32)的上端与上层塔板上另一降液管的降液板I(31’)的下端连接，降液板II(32)的下端与塔板之间设置有液体流出通道(35)。

3.根据权利要求2所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述平行设置的降液板结构为折流式、直降式或曲线式中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述连续传质塔板每层的塔板为一块，所述降液系统设置在塔体的同侧，包括降液板I(31)、中间受液盘(36)、主受液盘(37)和降液挡板(33)，所述降液板I、降液挡板和主受液盘两两互为垂直设置，主受液盘与塔板位于同一水平面上并为一体；降液挡板(33)位于降液板I(31)的一侧将降液板I分为两个区域，降液挡板(33)的顶端与中间受液盘的一端连接，下端与主受液盘连接；中间受液盘(36)的另一端与降液板I连接，并与塔板上的降液通道(6)上下对应；在降液板I(31)的另一端，降液板I与主受液盘之间设置有液体流出通道(35)；在降液板I(31)另一端的下方、塔板(2)的边缘还设置有溢流堰(4)。

5.根据权利要求4所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述降液板I、中间受液盘、主受液盘和塔体四者之间均互相垂直设置，共同形成弓形降液系统。

6.根据权利要求1所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述连续传质塔板每层的塔板为一块，所述降液系统位于塔中心，包括中心降液管(34)、中间受液盘(36)、降液挡板(33)、导流管(39)和环形受液盘(38)；在塔板(2)上对应中心降液管(34)的进口周围设置有溢流堰(4)，中心降液管(34)穿越塔板中心并位于中间受液盘(36)的上方，中间受液盘的周边间隔设置有导流管(39)，各导流管(39)之间设置有降液挡板(33)；环形受液盘(38)位于下一层塔板的周边，导流管出口与环形受液盘(38)对应。

7.根据权利要求6所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述中心降液管和中间受液盘为圆形或规则多边形；所述导流管为圆形管、矩形管或上开口槽钢中的一种；所述环形受液盘(38)通过进口堰(7)与塔板固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述帽罩(5)的侧板上设置有喷射孔(52)，喷射孔的形状为圆形、矩形、栅板形或类鳞形中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的一种立体传质液体同向流塔，其特征在于：所述帽罩与塔板之间空隙的高度为12mm～25mm。

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