CN102527071B

CN102527071B - 一种夹层气液均布喷射塔板

Info

Publication number: CN102527071B
Application number: CN 201210015962
Authority: CN
Inventors: 王柱祥; 商恩霞; 张兵
Original assignee: TIANJIN CHUANGJU SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Tianjin pioneering Polytron Technologies Inc
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: CN102527071A

Abstract

本发明公开一种夹层气液均布喷射塔板，其特征是该塔板为上层塔板和下层塔板构成的夹层结构，上层塔板上设有上降液孔、受液套管、帽罩和挡液管；下层塔板上设有下降液孔和喷嘴；降液管固定于上层塔板的上降液孔上，并穿过下层塔板的下降液孔，其末端插入相邻下一组塔板的受液套管内；所述下层塔板上的喷嘴与上层塔板上的挡液管和帽罩的数量一致，且三者在同一中心线上，并在塔板上均布排列；上层塔板上的上降液孔数量为偶数，均布排列；上层塔板上每间隔一个上降液孔上安装一个受液套管；下层塔板上的下降液孔数量为上层塔板的上降液孔数量的一半，规格与上降液孔相同，且位置与下一组塔板中的受液套管中心对应。

Description

一种夹层气液均布喷射塔板

技术领域

本发明涉及化学工程中的传质设备，具体为一种化工传质分离用的夹层气液均布喷射塔板。

背景技术

塔板作为重要的传质设备元件在化工分离操作中得到广泛应用。一直以来人们把开发的着眼点放在了单体传质部件上，出现了以单体部件命名的多种形式的塔板，如筛孔、泡罩、浮阀以及在此基础上改进的导向筛孔、导向浮阀等。单体传质部件的改进与创新，尽管提升了塔板的点效率同时对整板效率有所改善，但它并不能从根本上解决整个传质区因错流、偏流、滞流和液面梯度等因素导致的塔板效率下降的问题。从整个塔板传质区域考虑，错流、偏流、滞流和液面梯度等因素对塔板效率的影响很大，但至今仍未见很好的解决手段。

错流对板效率的影响：对于大多数塔板类型，塔板上的气液接触形式都属错流，其液相在塔盘上作横向流动，与上升的气体形成交叉，会出现部分已经完成传质的液体多次重复和气体接触。错流本身导致了气液两相传质推动力的损失，其原因是：液体在塔盘上横向流动，在流动方向上经过与气体的多次接触，液相浓度由原来的初始浓度逐渐趋近于平衡浓度，导致气液两相间传质推动力逐渐降低，影响了气液两相传递速度和传递量，从而导致整板效率下降。显而易见，液相在塔板上流动路径越长，整板效率下降就越大。

偏流、滞流、液面梯度对板效率的影响：由于塔板传质区自身的结构和流体力学特点，还存在着液体的偏流、滞流、液面梯度等问题。偏流和滞留会带来返混，液面梯度会造成气量分布不均，总之这些都是制约塔板效率有效发挥的因素。尽管一些塔内件专业制造商开发了一些新型塔盘或塔板结构，试图消除或缓解塔盘上存在的这类问题，但是其着眼点主要是增加鼓泡，促进装置或者导流装置来优化液体的流场，例如梯形导向浮阀、斜孔塔盘等，虽有改善，但亦未从根本上解决问题。因此，解决好错流、偏流、滞流和液面梯度这些不利因素对塔板效率带来的影响，将成为提高塔板效率的创新手段。

中国专利CN1298751A公布了一种用于气液传质的塔板，该塔板为双层塔板结构，在塔板上设置了出口堰和降液管，降液管安置在塔盘的一侧；塔板上方设置附加传质部件（筛孔、开孔板、网板和或者丝网编制板），利用塔板上部的空间，为气液两相提供更大的相界面积和更长的停留时间，同时减少了塔板液体的返混，但该专利中降液管的位置安置在塔盘的一侧，导致塔盘仍存在液位梯度和液体浓度差等问题。中国专利CN1597036A公布了一种复合喷射塔盘，该塔板上开有规则排列的升气孔，在升气孔上安装喷射罩，喷射罩与塔板之间留有缝隙，喷射罩上开有喷射孔，喷射罩上方安装两层水平板的气液分离板件，其中下层分离板上开有升气孔，上层分离板为盲板，两层气液分离板之间留有缝隙，该塔板结构中的降液管（含副降液管）安置在塔盘两侧，导致受液盘一侧的液面高度高于溢流堰一侧，造成塔盘存在明显液面梯度问题。中国专利CN101554538A公布了一种多降液管塔盘，其主要结构是含多个矩形的降液管与延伸元件，塔盘为单层结构，该结构存在液相返混现象，致使塔板效率较低。上述几种专利文献报道的塔板由于结构的不足，致使塔板上液体流动的液位梯度、液体滞留和液体环流现象无法根本避免，进而气体也无法实现均匀分布，从而导致塔板效率下降。

在美国专利（US6,682,633B1）中，UOP公司公布了一种气液并流精馏塔盘装置，其结构为单层塔盘结构，采用多降液并流喷射传质原理，在塔盘上布置同等的传质单元，并且在传质单元之间加入若干降液管导流来自上层塔盘的液体，降液管把液体分配到两个倾斜的气液接触腔内，气液从接触腔内排入整个模块的气液分离通道，气体上行进入到上层塔板，液体则流入下一层塔板的降液管。其不足之处在于：降液系统占据较大的塔盘空间，气液分散接触及传质空间较小，而且当气体流量较大时，降液管中容易发生液泛。另外，美国专利（US6,059,934）也报道一种塔板，它采用了单层塔盘的多降液管设计，并把液体导入气液接触腔内，气液并流传质后进入到气液分离组件中，其不足在于气液接触时间较短，气液分散的接触空间较小，当液体流量较大时，容易出现降液管液泛现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种夹层气液均布喷射塔板，该塔板改变了现有塔板技术中的错流接触形式，采用夹层结构实现对液体的分离、收集和均布，并充分利用气液喷射传质的高效率特性，充分重视气液接触时间和空间的提升，充分降低雾沫夹带，使之在整个塔板传质区的气液接触成为均布的、无错流的、喷射传质为主的过程，同时消除偏流、滞流和液面梯度的影响，使塔板效率得到全面提升。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种夹层气液均布喷射塔板，其特征是该塔板为上层塔板和下层塔板构成的夹层结构，上层塔板上设有上降液孔、受液套管、帽罩和挡液管；下层塔板上设有下降液孔和喷嘴；降液管固定于上层塔板的上降液孔上，并穿过下层塔板的下降液孔，其末端插入相邻下一组塔板的受液套管内，降液管的长度比本组塔板的上层塔板到相邻下一组塔板的下层塔板之间的距离小30-70mm；所述下层塔板上的喷嘴与上层塔板上的挡液管和帽罩的数量一致，位置相对应，即三者在同一中心线上，且喷嘴、挡液管和帽罩分别按照设计数量以塔板中心为圆心在塔板上均布排列；喷嘴尺寸小于帽罩内径；上层塔板上的上降液孔数量为偶数，按照设计数量以塔板中心为圆心均布排列；上层塔板上每间隔一个上降液孔上安装一个受液套管；下层塔板上的下降液孔数量为上层塔板的上降液孔数量的一半，规格与上降液孔相同，且位置与下一组塔板中的受液套管中心对应；所述帽罩在其侧板或侧壁上开有侧孔，开孔率为10-60%；帽罩的下端安装有支腿，支腿安装在上层塔板上；帽罩的顶板直径比帽罩本身的直径大1-90mm或者在帽罩上方安装有填料式除沫装置。

与现有技术相比，本发明夹层气液均布喷射塔板采用独特的夹层结构设计，并设有适当数量的圆筒或圆管形降液管均布在塔盘内，通过多降液管的设计使液体在塔板上的梯度均匀，解决了现有塔板存在的错流、偏流、滞留和液面梯度等一系列问题，大大提升了塔板效率、产品收率和产品等级，并具有结构相对简单，高效、节能和环保等效果。实验表明，在处理同一物系和同等条件下，本发明塔板的板效率比现有的浮阀塔板提高25-40%；比新型垂直筛板提高15-25%；处理能力相应提高20-80%；操作弹性增加50-180%,技术效果显著。

附图说明

图1是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的三维立体整体结构示意图；

图2是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的三维立体半剖结构示意图；

图3是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例2组塔板的主视结构示意图；安装时，上一组塔板的降液管要安置于下一组塔板的受液套管内；

图4是图3的俯视结构示意图；

图5是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的下层塔板结构俯视示意图；

图6是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的帽罩主视结构示意图；

图7是图6的俯视结构示意图；

图8是本发明夹层气液均布喷射塔板另一种实施例的帽罩主视结构示意图；图中的顶板12直径比图6中的顶板12直径大1-90mm；

图9是图8的俯视结构示意图；

图10是本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的帽罩主视结构示意图；图中的16为填料式除沫装置；

图11是图10的俯视结构示意图；

图12为本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例的下层塔板安装换热系统的俯视结构示意图；图中的18为换热系统；

图13为本发明夹层气液均布喷射塔板一种实施例下层塔板安装催化剂模块组的俯视结构示意图；图中的19为催化剂模块或模块组。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，具体实施例仅用于举例详细叙述本发明，并不限制本申请的权利要求。

本发明设计的夹层气液均布喷射塔板（简称塔板，参见图1-13），其特征是该塔板为上层塔板1和下层塔板2构成的夹层结构，上层塔板1上设有上降液孔4、受液套管6、帽罩7和挡液管8；下层塔板2上设有下降液孔5和喷嘴9；降液管3固定于上层塔板1的上降液孔4上，并穿过下层塔板2的下降液孔5，其末端插入相邻下一组塔板的受液套管6内，降液管3的长度比本组塔板的上层塔板1到相邻下一组塔板的下层塔板2之间的距离小30-70mm；所述下层塔板2上的喷嘴9与上层塔板1上的挡液管8和帽罩7的数量一致，位置相对应，即三者在同一中心线上，且喷嘴9、挡液管8和帽罩7分别按照设计数量以塔板中心（即O点）为圆心在塔板上均布排列；喷嘴9尺寸小于帽罩7的内径；上层塔板1上的上降液孔4数量为偶数，按照设计数量以塔板中心（即O点）为圆心均布排列；上层塔板1上每间隔一个上降液孔4上安装一个受液套管6；下层塔板2上的下降液孔5的数量为上层塔板1的上降液孔4数量的一半，规格与上降液孔4相同，且位置与下一组塔板中的受液套管6中心对应。

本发明塔板采用了夹层或双层塔板结构设计，包括上层塔板1和下层塔板2，上层塔板1和下层塔板2之间的空间构成布液区,上层塔板1之上到相邻上一组或一层塔板的下层塔板2之间的空间为传质区。布液区的作用是将相邻上一组塔板降液管3送下来的液体收集，然后向本组下层塔板2的气体喷嘴9处流动分布，气体携带液体以喷射态进入本组的上层塔板1上（传质区）。布液区保证了塔板上每个喷嘴9处的液体均以初始浓度与喷嘴9处气体实现传质，确保整个塔板的传质区气液两相传质都在高推动力下进行，完全避免了现有塔板因错流造成的传质推动力的损失。在传质区，气液从喷嘴9处以较高的速度进入帽罩7内，依据自身的动能在帽罩7内形成强烈的撞击、混合，然后从帽罩7侧孔14喷出，液体落到本组塔板的上层塔板1后，流入降液管3中；气体则进入上一组塔板。传质区内每个帽罩7都是独立的工作单元，各自完成传质的液相全部进入下一组塔板的布液区，完全避免了传质区的返混现象。此外，本发明塔板采用了多个降液管3设计，可使布液区保持一定的液位高度，大大减低了流体液面梯度，使气体和液体在流量上分布更加均匀，从而有利于传质效率的进一步提高。

本发明塔板的帽罩7为新型垂直筛板帽罩，是现有公开技术的改进型结构。该帽罩7在其侧板或侧壁13上开有侧孔14，开孔率为10-60%；帽罩7的下端安装有支腿15，支腿15安装在上层塔板1上。所述帽罩7的一种实施例结构为帽罩7的顶板12直径比帽罩7本身的直径大1-90mm（参见图8、图9），这种设计可以更有效地降低雾沫。帽罩7的另一种实施例结构为帽罩7上方安装有填料式除沫装置17（参见附图10、11）。填料式除沫装置17本身为现有技术。

本发明的实施例采用了15个帽罩7、15个挡液管8、15个喷嘴9、6个上降液孔4、3个下降液孔5、3个降液管3和3个受液套管6的结构，其数量按照所用的气液两相工艺条件进行设计。上层塔板1和下层塔板2之间的间距为31-400mm；挡液管8的高度为10-300mm，直径为50-200mm；喷嘴9的高度或长度（下同）为1-200mm，直径为40-100mm；实施例降液管3的长度为300-800mm；上降液孔4和下降液孔5直径均为50-300mm；帽罩7的高度为50-600mm，帽罩7的直径为60-300mm，帽罩7的侧孔14直径为5-12mm,帽罩7下端面与上层塔板1之间的间隙为5-50mm；受液套管6的下端面高于下层塔板2的距离为30-70mm，受液套管6的上端面高于上层塔板1上表面10-300mm。

本发明塔板的支撑结构与普通塔板相同，采用作为支撑圈或塔板圈支撑塔板，包括上层塔板1支撑圈10和下层塔板2支撑圈11；塔板分为若干个分块，由自身支撑梁拼接而成。相邻两组塔板安装时，上一组塔板的受液套管6位置应当与下一组塔板的下降液孔5相对应（中心线一致）。

本发明塔板采用独特的夹层结构设计，并有适当数量的圆筒或圆管形降液管3均布在塔板内，尤其采用受液套管6作为下层塔板的液封部件，既可防止上层塔板1的液体返混，又可以防止夹层中的气体通过降液管3与塔板之间的缝隙逃逸，还便于降液管3与上层塔板1的对接。本发明塔板设计还采用了挡液管8，该部件安装在喷嘴9之上，帽罩7之下，且三者中心一致，其作用是防止上层塔板1的液体倒流到下层塔板2，又起到了导流气、液流垂直向上喷射的作用。通过优化设计下层塔板2上的喷嘴9的高度和上、下层塔板的间距，可以自由调整液体的停留时间，增加反应的转化率。

本发明塔板的突出优点是，它实现了全塔板各传质传热单元气液相浓度均一、传质传热效率均一、气液流量分布均一，称之为“三均”，基本消除了液体在塔板上的液位梯度、浓度梯度和气液流速梯度，避免了气液在塔板上传质过程的返混现象。液体、气体在整个塔的截面积的各个点阻力相同，所以消除了气液偏流、滞流和液体夹带气体等现象，实现液体分布均匀、气体分布均匀、传质推动力均匀，同时利用气液喷射态传质有效提升单点传质效率；由于功能部件排布均匀，充分利用了整个塔板区域，消除了无效的降液区，大大提高了塔板的有效传质区面积；帽罩7采用了改进型的新型垂直筛板帽罩，气液混合物水平喷射，并有顶板12对气液混合物进行导流、分离，有效降低了雾沫夹带，特别适用于液量大、易堵塞或易发泡物系的处理。

为适应反应精馏与吸收过程中需要催化剂的情况，本发明塔板的进一步特征是，在所述下层塔板2上的喷嘴9之间填装或布置催化剂模块或模块组19。该塔板应用于反应精馏工艺时，可以明显减少反应时间和增加转化率。在已公开的国内外几种典型专利塔板设计中，液体在塔板上的停留时间无法有效调节，塔板上也没有设计安装催化剂的空间，无法有效应用于反应精馏中。

对于热耦合精馏工艺，或者特殊吸收过程中设计有中间换热系统的，现有技术的塔板由于其塔板结构限制，无法加装换热装置，或者说尚无有效的解决方案。本发明塔板进一步特征是，在下层塔板2上的喷嘴9之间布置或安装加热或者冷却塔板上液体的换热系统18，换热系统或装置18本身为现有技术，实现反应精馏和气体吸收过程的换热和加热，应用于热耦合精馏工艺，或者说用于热耦合精馏过程作为精馏塔的中间再沸器，可明显改善精馏吸收过程的热效率，带来显著的经济效益和社会效益。

需要补充说明的是，本发明塔板应用于工业中的塔器时，第一组或第一层塔板和最后一组或最后一层塔板的结构略有不同。因为在塔体顶部和侧线液体进料位置，主要是通过液体分布管（为现有技术）均匀地把液体导入第一组本发明塔板的受液套管6内，通过受液套管6将液体分配给第一组本发明塔板的下层塔板2上，然后逐级进行气液接触传质，通过≥1组本发明塔板后，进入塔底的最后一组塔板；在塔底部的最后一组塔板，每个降液管3的下端则安装液封槽（现有技术），以保证气体的液封和液体的停留时间。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种夹层气液均布喷射塔板，其特征是该塔板为上层塔板和下层塔板构成的夹层结构，上层塔板上设有上降液孔、受液套管、帽罩和挡液管；下层塔板上设有下降液孔和喷嘴；降液管固定于上层塔板的上降液孔上，并穿过下层塔板的下降液孔，其末端插入相邻下一组塔板的受液套管内，降液管的长度比本组塔板的上层塔板到相邻下一组塔板的下层塔板之间的距离小30-70mm；所述下层塔板上的喷嘴与上层塔板上的挡液管和帽罩的数量一致，位置相对应，即三者在同一中心线上，且喷嘴、挡液管和帽罩分别按照设计数量以塔板中心为圆心在塔板上均布排列；喷嘴尺寸小于帽罩内径；上层塔板上的上降液孔数量为偶数，按照设计数量以塔板中心为圆心均布排列；上层塔板上每间隔一个上降液孔上安装一个受液套管；下层塔板上的下降液孔数量为上层塔板的上降液孔数量的一半，规格与上降液孔相同，且位置与下一组塔板中的受液套管中心对应；所述帽罩在其侧板或侧壁上开有侧孔，开孔率为10-60%；帽罩的下端安装有支腿，支腿安装在上层塔板上；帽罩的顶板直径比帽罩本身的直径大1-90mm或者在帽罩上方安装有填料式除沫装置。

2.根据权利要求1所述的夹层气液均布喷射塔板，其特征在于所述下层塔板上的喷嘴之间填装催化剂模块或模块组。

3.根据权利要求1所述的夹层气液均布喷射塔板，其特征在于在所述下层塔板上的喷嘴之间布置加热或者冷却塔板上液体的换热系统。

4.根据权利要求1所述的夹层气液均布喷射塔板，其特征在于所述塔板采用了15个帽罩、15个挡液管、15个喷嘴、6个上降液孔、3个下降液孔、3个降液管和3个受液套管的结构，上层塔板和下层塔板之间的间距为31-400mm；挡液管的高度为10-300mm，直径为50-200mm；喷嘴的高度为1-200mm，直径尺寸为40-100mm；降液管的长度为300-800mm；上降液孔和下降液孔的直径均为50-300mm；帽罩的高度为50-600mm，直径为60-300mm，帽罩的侧孔直径为5-12mm,帽罩下端面与上层塔板之间的间隙为5-50mm；受液套管的下端面高于下层塔板的距离为30-70mm，受液套管的上端面高于上层塔板的上表面10-300mm。