CN102961888B - 一种分隔流无返混喷射塔盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分隔流无返混喷射塔盘，该塔盘由上层塔盘和下层塔盘组合而成，每层塔盘均包括降液槽、降液管、受液槽、立体喷射传质单元和导液槽；其特征在于在塔盘中心的水平位置开有长条形的受液槽，在相邻两个受液槽之间开有长条形的降液槽，在降液槽的底部设计有降液口，每个降液口对应一根降液管，每个降液管伸入并固定在降液槽内；降液槽和受液槽之间有立体喷射传质单元；在立体喷射传质单元帽罩的周围设置导液槽，导液槽为隔流板式导液槽，一个导液槽对应一组立体喷射传质单元；所述上下层塔盘形状结构基本一致，上层塔盘降液槽下边的一组降液管与下层塔盘的一个受液槽相对应，错位安装，组合为双层的分隔流无返混喷射塔盘。

Description

一种分隔流无返混喷射塔盘

技术领域

本发明涉及化学工程中的传热、传质设备，具体为一种化工传热、传质分离用的分隔流无返混喷射塔盘。该塔盘尤其适用于处理大液量、易发泡物系的工况。

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，但至今仍未能很好的解决。

在处理大液量的精馏或吸收工艺过程中，往往把塔盘的降液系统设计成多个降液管，现有常用的多降液管塔盘，如国外的MD筛板，或国内的DJ塔盘，其主要结构特征是：（1）降液管为矩形槽，布置在塔盘中间，降液管的四周都起溢流作用，大大增加了溢流堰的长度；（2）降液管悬挂在气相空间，塔盘上没有受液盘，增大了塔盘的有效鼓泡面积。但是现有的多降液管塔盘仍然存在一些不足，特别是液体流动过程中的偏流和分布问题比较突出。其应用于精馏和吸收过程的塔盘效率较低，不适用于大液量、易发泡物系的处理。其中的一部分原因是：现有的多降液管塔盘，其塔盘上的传质单元主要是筛板，也有选用浮阀、固阀等形式的传质单元，均为鼓泡传质为主的结构形式，在高负荷状态下运转时，尽管其传质方式由鼓泡态向喷射态转换，仍然会产生大量的泡沫，泡沫在传统淋降式降液系统中往往无法有效分离，形成明显气相返混，而且容易导致降液管液泛，同时有过量雾沫夹带的现象。

传统的穿流塔板，也就是没有降液管的多孔塔板，也称为无溢流塔板。气液在塔板上呈逆流流动，由于液体是穿过塔板的部分孔淋降到下一层塔板上，因此，这种塔板又称为淋降塔板。它的特点是结构简单，造价低廉，压降小，板间距小，气体通量大。但由于操作范围较窄，弹性较小，使其在工业上的应用受到一定的限制。如果能合理设计，保证在高效率区运行，其传质效率并不低于有降液管的塔板。

多降液管塔盘和穿流塔盘的液体自上向下流动时均为淋降状态，一方面在传质过程中产生的大量泡沫会挟带到下一层塔盘，增加液流强度的同时，也由于气相夹带返混效应降低了传质效率；另一方面淋降过程本身也会使得上层塔盘的液流冲击下层塔盘液面，造就一些泡沫，同时还会对受液区造成一定的冲击漏液，不能应用于大液量、易发泡物系的化工过程物料吸收、精馏处理。

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，该结构塔盘存在液相返混现象，致使塔板效率较低。美国专利（US 6,059,934）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。

以新型垂直筛板为代表的立体喷射传质塔盘具有高效率、大通量、适用于处理易发泡、易堵的物系，已经广泛应用于诸多精馏和吸收领域，但是对于液气比较大、塔径较大、物系发泡较为严重的工业装置，其应用效果较差，不能解决在塔径放大过程中产生的液面梯度过大、气液接触不充分、液体返混严重等问题。另外该传质单元为喷射型传质，液滴在塔盘空间传质后下落到塔盘的液面上，会导致液团冲击，液面起泡。

上述现有技术塔板由于结构设计的缺陷，会出现液体返混、液位梯度大、液体滞留和液体环流等现象，或者雾沫夹带严重、塔效率低下等情形，无法根本避免。

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，提供一种分隔流无返混喷射塔盘。该塔盘综合采用了多降液管结构、导液槽结构和立体喷射传质单元结构，具有传质效率高、操作弹性大、通量大、抗堵性强、雾沫夹带小、实现液体无返混等特点，可解决现有塔板存在的错流、偏流、滞留和液面梯度大等一系列问题，大大提升了塔板效率、产品收率和产品等级，节能环保效果明显。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种分隔流无返混喷射塔盘，该塔盘由上层塔盘和下层塔盘组合而成，每层塔盘均包括降液槽、降液管、受液槽、立体喷射传质单元和导液槽；其特征在于在塔盘中心的水平位置开有长条形的受液槽，受液槽包括中心受液槽和其他受液槽，中心受液槽开在塔盘的中心线上，其他受液槽对称平行开在中心受液槽的左右两侧，受液槽的长度取决于其所处位置的直径或弦长，中心受液槽的长度与塔盘直径相同，其他受液槽的长度取决于该受液槽所处位置的弦长；在相邻两个受液槽之间开有长条形的降液槽，在降液槽的底部设计有降液口，每个降液口对应一根降液管，每个降液管通过降液口伸入并固定在降液槽内；在降液槽和受液槽之间安排有立体喷射传质单元；在立体喷射传质单元帽罩的周围设置导液槽，所述导液槽为隔流板式导液槽，该导液槽设置在立体喷射传质单元帽罩的周围，其结构为三面有壁，一端开口，中间有凸管，凸管的尺寸及数量与立体喷射传质单元上帽罩相一致，与开口一端相对应的另一端导液槽的板壁高度与帽罩等高，导液槽的开口一端朝向降液槽，导液槽的宽度与立体喷射传质单元在水平塔板上所占的宽度相同，一个导液槽对应一组立体喷射传质单元；所述上层塔盘和下层塔盘形状结构基本一致，上层塔盘降液槽下边的一组降液管与下层塔盘的一个受液槽相对应，错位安装，组合为双层的分隔流无返混喷射塔盘。

与现有技术相比，本发明分隔流无返混喷射塔盘具有以下优点：

1、降液槽、受液槽均采用长条形结构设计，且多个降液槽、多个受液槽均布在塔盘上，每个降液槽底部设有多个降液管，降液管通过降液口伸入到降液槽内。多个降液管的设计，实现液体分流，抗堵性强；通过调整降液槽的深度、降液管管径、降液管伸入降液槽的深度可以自由调整塔板上液层的厚度，即可调节液体停留时间，降低发泡，提高气液分离效率。

2、降液槽设计为窄条状，所占塔截面积较小，特别适用于大液量的工况，既能保证全塔板液流下降均匀，又能保证板上液位的均匀。与同等工况下的传统多降液管塔盘及淋降塔板相比，液位低，压降小，消除了气液鼓泡传质机制。

3、降液管上开有导液孔，其作用是增加气液在降液管中的分离时间，增加降液管的操作弹性，降低雾沫夹带。

4、导液槽的设置，将已传质和未传质的液体进行隔离，使发生气液传质的液体可以直接从导液槽通过降液槽流到下一层塔盘，避免了与塔盘上的未发生气液接触的液体返混，使液体组分浓度与气体组分浓度之间形成最大差值，从而大幅提高了传质推动力和塔板效率。

5、液位平衡槽与降液槽相连通，使各端降液槽中的液体在液位平衡槽汇集后，平均分配到各降液槽中，使得液体分布均匀，降低液面梯度。液位平衡槽的设计，解决了传质区的错流、偏流、滞流和液面梯度等问题，提高塔板效率。

6、采用立体喷射传质单元充分利用气液喷射传质的高效率特性，重视气液接触时间和空间的提升，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。

附图说明

图1是本发明分隔流无返混喷射塔盘一种实施例的上层塔盘俯视结构示意图。

图2是本发明分隔流无返混喷射塔盘一种实施例的主视结构示意图，该图为图1中A-A向剖视图。

图3是本发明分隔流无返混喷射塔盘一种实施例的下层塔盘俯视结构示意图。

图4是本发明分隔流无返混喷射塔盘一种实施例的一组双层塔盘左视结构示意图。

图5是本发明分隔流无返混喷射塔盘另一种实施例的一组双层塔盘主结构示意图，图中设置了液位平衡槽8。

图6是本发明分隔流无返混喷射塔盘另一种实施例的上层塔盘的俯视结构示意图，图中液位平衡槽8与降液槽3连通。

图7是本发明分隔流无返混喷射塔盘另一种实施例的上层塔盘的俯视结构示意图，图中液位平衡槽8与受液槽5连通。

图8是本发明分隔流无返混喷射塔盘另一种实施例的一组双层塔盘的左视结构示意图，图中液位平衡槽8在塔盘中间放置。

图9是本发明分隔流无返混喷射塔盘一种实施例的导液槽的俯视结构示意图。

图10是图9中间B-B剖视结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图进一步叙述本发明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明技术方案，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明设计的分隔流无返混喷射塔盘（简称塔盘，参见图1-10），该塔盘由上层塔盘1和下层塔盘2组合而成，每层塔盘均包括降液槽3、降液管4、受液槽5、立体喷射传质单元6和导液槽9；其特征在于在塔盘中心的水平位置开有长条形的受液槽5，受液槽5包括中心受液槽51和其他受液槽52，中心受液槽51开在塔盘的中心线上，其他受液槽52对称平行开在中心受液槽51的左右两侧，长条形受液槽的长度取决于其所处位置的直径或弦长，中心受液槽51的长度与塔盘直径相同，其他长条形受液槽52的长度取决于该受液槽52所处位置的弦长；在相邻两个受液槽5之间开有长条形的降液槽3，根据降液槽3所处的位置分为中心降液槽31和其他降液槽32，其他降液槽32相互平行对称安排在中心降液槽31的左右两侧；在降液槽3的底部设计有一定数量的降液口7，每个降液口7对应一根降液管4，降液管4通过降液口7伸入并固定在降液槽3内；在降液槽3和受液槽5之间安排有一个或一组立体喷射传质单元6，在立体喷射传质单元6的帽罩周围设置导液槽9；所述导液槽9为隔流板式导液槽，该导液槽9三面有壁，一端开口，中间有凸管11，凸管11的尺寸及数量与立体喷射传质单元6上帽罩相一致，与开口端相对应的另一端导液槽的板壁12高度与帽罩等高，安装时导液槽9的开口一端朝向降液槽3，一组立体喷射传质单元6对应一个导液槽9，导液槽9的宽度与立体喷射传质单元6在水平塔板上所占的宽度相同，根据导液槽9所处的位置分为中心导液槽91和中心导液槽91左右两侧相互平行对称的其他导液槽92；本发明所述上层塔盘1和下层塔盘2形状结构基本一致，上层塔盘1的降液槽3下边的一组降液管4与下层塔盘2的受液槽5相对应，错位安装组合为双层的分隔流无返混喷射塔盘，相邻任意两层塔盘均可组合成本发明所述的双层塔盘，换言之本发明塔盘的上层塔盘与下层塔盘的位置可以互换。

本发明塔盘的进一步的特征是：在塔盘中心与受液槽5相垂直的位置设置长条形的液位平衡槽8，液位平衡槽8设计在塔盘中间，液位平衡槽8左右两侧的塔盘结构对称一致；根据塔径及液量的大小，液位平衡槽8设计为1～5个，各液位平衡槽8相互平行且与受液槽5垂直排列；液位平衡槽8和降液槽3连通；或者液位平衡槽8和受液槽5连通。

所述立体喷射传质单元6可以是现有技术中的新型垂直筛板、径向侧导喷射塔板、膜喷射无返混塔板、浮阀塔板或泡罩塔板。

所述降液槽3的深度为10-300mm，宽度为50～400mm；降液槽3上端超出水平塔盘，超出水平塔盘的部分构成塔盘的溢流堰10，溢流堰10的高度取值与现有技术相同。

所述降液管4的数量为2～20个，上层塔盘1、下层塔盘2的降液管数量相同；降液管4伸入降液槽3内的深度为0～280mm；降液管4的直径为降液槽3宽度的20%-50%；受液槽5的宽度为50～400mm。

所述降液管4上开有导液孔41，开孔位置在降液管4伸入到降液槽3内部的部分；导液孔41的形状可以为圆形、矩形或长条形（参见图1），根据液量的大小在每个降液管上开1-8排导液孔，开孔面积为降液管4伸入到降液槽3内管道总面积的20-80%。

每层降液槽3与受液槽5的数量相差为1，即降液槽3为奇数时，受液槽5为偶数；同理亦然；每层降液槽3的数量为1～20个。

所述降液口7及降液管4的横截面是圆形、矩形或菱形；降液槽3的纵向截面是矩形或梯形；受液槽5的纵向截面是矩形或梯形。

当液位平衡槽8与降液槽3连通时，液位平衡槽8的深度大于降液槽3的深度20～300mm；当液位平衡槽8与受液槽5连通时，液位平衡槽8的深度大于受液槽5的深度20～300mm；液位平衡槽的宽度为200～400mm。

本发明塔盘综合采用了多降液管结构、导液槽结构和立体喷射传质单元结构，采用多降液管结构，可以实现液体分流，提高液体停留时间，避免雾沫夹带，抗堵性强，尤其适合大塔径、易发泡物系的工况；采用导液槽结构，可将已传质液体及未传质液体进行隔流，实现液体无返混；采用立体喷射传质单元结构可以充分利用气液喷射传质的高效率特性，重视气液接触时间和空间的提升，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。

本发明塔盘的突出优点是，它实现了气液相在塔板的浓度均一，对气液相偏流具有很好的改善作用；降液区所占塔截面积很小，提高了塔截面的利用率；由于液体在塔板上的流动路程变短液位会相应的降低，降低了液面梯度，避免了液相在塔板上的返混现象，同时还能降低发泡；这种塔板同样具有传质分离设备所要求的压降小的特点。

下面给出本发明的具体实施例。

实施例1

设计一种分隔流无返混喷射塔盘（参见图1-4），该塔盘由上层塔盘1和下层塔盘2组合而成，上层塔盘1包括2个降液槽32、16根降液管4、1个中心受液槽51和2个其他受液槽52、4组立体喷射传质单元6、2组中心导液槽91和2组其他导液槽92；下层塔盘2包括3个降液槽3、16根降液管4、2个受液槽5、4组立体喷射传质单元6、2组中心导液槽91和2组其他导液槽92；降液槽3、受液槽5采用矩形槽结构；降液管4采用圆筒管式结构；立体喷射传质单元6为新型垂直筛板。

其工作原理和过程是：从上组塔盘传质后的液体通过降液管4落入本组塔盘内的受液槽5内，受液槽5中的液体往上溢流进入到该层塔盘，通过立体喷射传质单元6下部的底隙进入帽罩61，在帽罩61内与下层塔盘2吹上来的气体进行充分接触传质、传热，而后传质后的液体通过帽罩61的罩孔611喷射至导液槽9，并从导液槽9的开口端流入该层的降液槽3，通过导液槽3对应的降液管4流入下层塔盘2的受液槽5上，该层塔盘的受液槽5中的液体往上溢流至本层塔盘的立体喷射传质单元6内，在帽罩61内与下组塔盘吹上来的气体进行接触传质、传热，而后再通过导液槽9流入降液管4进入下一组塔盘内的受液槽5，完成一个传质过程。

实施例2

设计一种分隔流无返混喷射塔盘（参见图5-6），区别是该塔盘在实施例1的主要结构基础上，在塔盘的中间位置与受液盘相垂直的方向设置有1个长条形液位平衡槽8，且液位平衡槽8与降液槽3相连通；其与实施例1的工作原理基本相同，因设置了液位平衡槽8，且该液位平衡槽8与降液槽3相连通，因而可以使各端降液槽3中的液体在液位平衡槽8汇集后，平均分配到各降液槽3中，使得液体分布均匀，降低液面梯度。该结构更适合于塔径大于DN3000的情形。

实施例3：

设计一种分隔流无返混喷射塔盘（参见图7），塔盘结构与实施例2基本相同，区别是：液位平衡槽8与受液槽5相连通；工作原理是：液位平衡槽8与受液槽5相连通，可以使各端受液槽5中的液体在液位平衡槽8汇集后，平均分配到各受液槽5中，使得液体分布均匀，有利于降低液面梯度。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种分隔流无返混喷射塔盘，该塔盘由上层塔盘和下层塔盘组合而成，每层塔盘均包括降液槽、降液管、受液槽、立体喷射传质单元和导液槽；其特征在于在塔盘中心的水平位置开有长条形的受液槽，受液槽包括中心受液槽和其他受液槽，中心受液槽开在塔盘的中心线上，其他受液槽对称平行开在中心受液槽的左右两侧，受液槽的长度取决于其所处位置的直径或弦长，中心受液槽的长度与塔盘直径相同，其他受液槽的长度取决于该受液槽所处位置的弦长；在相邻两个受液槽之间开有长条形的降液槽，在降液槽的底部设计有降液口，每个降液口对应一根降液管，每个降液管通过降液口伸入并固定在降液槽内；在降液槽和受液槽之间安排有立体喷射传质单元；在立体喷射传质单元帽罩的周围设置导液槽，所述导液槽为隔流板式导液槽，该导液槽设置在立体喷射传质单元帽罩的周围，其结构为三面有壁，一端开口，中间有凸管，凸管的尺寸及数量与立体喷射传质单元上帽罩相一致，与开口一端相对应的另一端导液槽的板壁高度与帽罩等高，导液槽的开口一端朝向降液槽，导液槽的宽度与立体喷射传质单元在水平塔板上所占的宽度相同，一个导液槽对应一组立体喷射传质单元；所述上层塔盘和下层塔盘形状结构基本一致，上层塔盘降液槽下边的一组降液管与下层塔盘的一个受液槽相对应，错位安装，组合为双层的分隔流无返混喷射塔盘。

2.根据权利要求1所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于在每层塔盘中，在塔盘中心与受液槽相垂直的方向设置有1-5个液位平衡槽，液位平衡槽左右两侧的塔盘结构对称一致；所述液位平衡槽与降液槽连通、或者液位平衡槽与受液槽连通，且液位平衡槽的深度大于降液槽的深度。

3.根据权利要求1所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于降液管伸入到降液槽内的部分开有设计数量的导液孔。

4. 根据权利要求1所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于所述降液槽的深度为10-300mm，降液槽的宽度为50～400mm；所述降液管的数量为2～20个，降液管的直径为降液槽宽度的20-50%；所述受液槽的宽度为50～400mm，受液槽的深度为50～400mm。

5.根据权利要求2所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于所述液位平衡槽的深度大于降液槽的深度20～300mm；液位平衡槽的宽度为200～400mm。

6.根据权利要求1或4所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于所述降液口及降液管的横截面是圆形、矩形或菱形；降液槽的纵向截面是矩形或梯形；受液槽的纵向截面是矩形或梯形。

7.根据权利要求1所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于所述立体喷射传质单元为新型垂直筛板、径向侧导喷射塔板、膜喷射无返混塔板、浮阀塔板或泡罩塔板。

8.根据权利要求3所述的分隔流无返混喷射塔盘，其特征在于每个降液管上开有1-8排导液孔，且导液孔开孔面积为降液管伸入到降液槽内管道总面积的20-80%。