CN103977590A - 一种气液传质元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流线形导流气液传质元件，它涉及化学工程等工业领域的气液传质设备。该新型气液传质元件采用流线形的外形来代替传统圆形或矩形，元件上供气体通过的齿缝或孔旁设置导流翅片，齿缝或孔和导流片不均匀布置，使气体经过齿缝或孔时最大限度地推动液体更加均匀、稳定地流动。本发明可以减小流体流经气液接触元件时所受的阻碍和扰动，减小液面落差并减小或消除塔板上流体流动的涡流和滞流现象，促使物料在塔板上均匀稳定流动，促进气液均匀传质，从而提高塔板效率和生产能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种带导向作用的流线形气液传质元件，属于化学工程等工业领域中的气液传质设备，具体的说是精馏(包括吸收、气提)塔板的气液传质元件。
背景技术
传统精馏技术经过近2个世纪的发展，已经取得了长足的进展，研究者开发了种类众多的塔板和气液传质元件。但是，目前的塔板仍有一些方面需要改进，其中之一就是继续提高塔板的传质效率。
影响塔板效率的因素很多，板上液体的流动状态就是其中之一。近年来的研究表明，传统塔板上液体的流动并不是很规则的流动，而是存在涡流、回流、滞留以及返混等现象。这其中，以传统塔板上弓形区存在的湍流和滞流影响最为严重。对常规圆形塔板，液体并不是以均匀的流速在整个塔板宽度方向均匀向前流动，而是中间的液体流速快，两侧则较慢。这样大部分的液体是从入口堰到溢流堰的直线路径流过，而两侧弓形区内的液体的流动则很缓慢，且存在严重的湍流和滞流。常规塔板的湍流区大小与堰高和液流强度有关，其面积可占塔板面积的25％～40％。因为湍流区的液体流动缓慢，严重影响该区域的气液传质效果，并浪费大量塔板面积。对于诸如反应精馏等特殊的场合，严重的湍流和滞留能产生很宽的液相停留时间分布，造成反应选择性下降。
研究者开发了一些方案来解决上述问题，导向塔盘就是其中之一，即在塔盘上或气液接触原件上增加一些导向孔，利用气体的推动作用规范液体的流动，使板上液体的流动更加均匀稳定，并降低液面落差。这种技术已经在导向筛板和导向浮阀中得到了成功的应用，如CN200610043178、CN200620046889、CN00261944、CN01220319、CN02112748公开的方案所示。但是，这些导向孔一般是为导流而特殊设计的，与气液传质功能相比属于补充和从属地位，并未将导流和气液传质很好的结合起来。专利CN02148496和CN03822439中公开的条形泡罩塔盘采用了另一种形式的导流片，但仅限于条形泡罩塔盘，应用受限制较多，如CN03822439中塔盘的弓形区因为条形泡罩的限制完全没有导流孔，而CN03822439中或者仍是设置专门的常规导流孔作为附属；同时齿缝和导流片形式、尺寸和方向完全相同，限制了其导流效果。以上类型的导流塔盘都还有改进的空间。
另外，对于板式塔，最核心的是气液接触元件，而板上的流体流经气液接触元件时，势必受到阻碍和扰动，产生湍流、滞流等非理想流动现象，从而影响塔板效率；一些对流动要求比较高的场合，如反应精馏，严重的非理想流动还会影响反应转化率和选择性。但是人们对气液接触元件形状对板上液体流动的影响研究尚不多，目前应用最广泛的泡罩、浮阀、筛板塔盘大量采用的圆形、矩形气液接触元件，气体普遍无差别的向四周或两侧喷射，存在的气体与液体流动方向相反的情况，造成严重的湍流和滞流，影响了塔板效率的继续提高，并增加了塔板压降，限制了生产能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种带导流作用的流线形气液传质元件，通过将气体出口和导向作用完全有机结合，同时借助优化的元件形状，可以优化塔板上的液体流动，减小或消除塔板上流体流动的涡流和滞流现象，促使物料在塔板上均匀稳定流动，并可以有效减少或消除塔板上的液面落差，促进气液均匀传质，从而提高塔板效率和生产能力。
在本申请中，塔板与塔盘具有相同的意义。
根据本发明的第一个实施方案，提供：
1.一种带导流作用的流线形导流气液传质元件，其特征在于：
a)气液传质元件采用流线形的形状，该元件的长宽比大于1，优选1.2～20:1，优选2～10:1，更优选2.5～8:1，
b)气液传质元件上开有供气体通过的多个齿缝和/或孔(齿缝和/或孔的数量例如但不限于是1～1000个，例如10－500个，优选30-300个)，以及在齿缝和/或孔的旁边设置多个导流片(导流片的数量例如但不限于是1～1000个，例如10－500个，优选30-300个)，所述导流片的方向与沿入口堰到溢流堰的直线方向呈0～90°角，优选0～60°角，最优选0～45°角；以及
c)所述齿缝和/或孔以及导流片沿着液体流动方向不均匀布置(优选分布在元件的外周上)，优选，齿缝或孔的分布在方向上和/或数量上和/或面积上和/或形状上和/或高度上具有不均匀性，例如可以是一个帽罩上的齿缝或孔的分布或方向不均，也可是多个帽罩的齿缝或孔的分布或方向各不相同。
2.根据以上项1所述的气液传质元件，其中，所述流线形形状是沿流体流动方向元件宽度平缓变化，不存在尖锐折角，折角处采用平缓曲线过渡，优先是选自长圆形、椭圆形、圆角矩形、梯形、多边形、鲸形或者渐变截面结构中的一种或多种。
3.根据以上项1或2的气液传质元件，其中当该元件布置在包括受液盘和溢流堰的精馏塔板、吸收塔板或气提塔板中时，该元件较长的方向沿受液盘到溢流堰的液体流动方向布置。
4.根据以上项1或2所述的气液传质元件，其特征在于，齿缝或孔的分布在方向上和/或数量上或面积上和/或形状上和/或高度上具有不均匀性包括：其中在从气液传质元件的液体流动方向的上游端(或前端)到下游端(或后端)的方向上：分布在气液传质元件上(优选分布在元件的外周上)的齿缝或孔和/或导流片的分布数量密度逐渐增大(例如但不限于，在元件背对液体流向的最上游不开孔，中间段设置4～10个，在下游段设置14～24个)，和/或，分布在气液传质元件上(优选分布在元件的外周上)的多个齿缝或多个孔的面积依次变大；和/或，齿缝或孔和/或导流片与沿入口堰到溢流堰的直线方向的角度，在元件最宽处之前逐渐减小或不变，在元件最宽处之后逐渐减小或不变。
5.根据以上项3或4所述的气液传质元件，所述齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向平行于塔板的平面或垂直于塔板的平面，或者是与塔板的平面呈倾斜的角度。齿缝的流体流动方向优选与塔板垂直。
6.根据以上项5所述的气液传质元件，其中当齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向平行于塔板的平面时，齿缝或孔的高度为1～50mm(优选2-40mm，更优选3-20mm，进一步优选3.5-10mm，例如4、5或6mm)；或，当齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向垂直于塔板的平面时，齿缝或孔的宽度为1～50mm(优选2-40mm，更优选3-20mm，进一步优选3.5-10mm，例如4、5或6mm)；或，当齿缝或孔的流体(即气液)流动方向与塔板呈倾斜的角度(例如流体(即气液)流动方向与塔板的平面之间的角度是从>0度到<90度，优选5-85度，更优选10-80度，例如30，45，60度)时，并且塔板水平放置时，齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向斜向上或斜向下，优选斜向上，流体(即气液)流动方向与塔板的平面之间的角度是从>0度到<90度，优选5-85度，更优选10-80度，优选15～75度，最优选45～60°，例如50或55度。
7.根据以上项1～6中任何一项所述的气液传质元件，气液传质元件上的气体通道优选为齿缝，沿齿缝方向设置导流片，导流片向外突出或向内凹进。
8.根据以上项1～7所述的气液传质元件，所述气液传质元件是选自泡罩、筛板、浮阀、固阀、垂直筛板和并流喷射塔板元件中的一种或多种。
9.塔板，它包括以上1-8中任何一项的流线形导流气液传质元件。
每一个塔板中该元件的数量是2-1000，优选5-500，优选10-400，例如20，50，80，100，150，200，250，300，350。
10.根据以上9的塔板，其中塔板是包括受液盘和溢流堰的蒸馏塔板、精馏塔板、吸收塔板或气提塔板。
另外，根据本发明，还提供一种带导流作用的流线形导流气液传质元件，其特征在于，气液传质元件采用流线形的形状，元件上开有供气体通过的齿缝或孔，齿缝或孔旁设置导流翅片，齿缝或者孔和导流片沿着液体流向不均匀布置。
通过采用流线形的形状，可以减小流体流经气液接触元件时所受的阻碍和扰动。另外，通过使齿缝或者孔和导流片沿着液体流向不均匀布置，使气体经过齿缝或孔时最大限度地推动液体更加均匀、稳定地流动。
所述气液接触元件采用拉长的流线形形状以减小元件对液体的阻碍和扰动作用，流线形形状是指沿流体流动方向元件宽度平缓变化，不存在尖锐折角，折角处采用平缓曲线过渡，包括但不限于长圆形、椭圆形，圆角矩形、梯形、多边形，鲸形或者变截面。优选地，元件长宽比大于1，优选大于2，例如1.2～20，优选2～10，更优选2.5～8。较大的长宽比有利于提高气液接触周边，但应综合考虑到加工难度及气体通过的阻力进行选择。元件较长的方向(纵向)沿受液盘到溢流堰的液体流动方向布置。某些情况下，为了获得更好的效果，元件较长的方向可与受液盘到溢流堰的直线方向呈一定角度。
传统泡罩、浮阀等类型的塔盘，虽然也在塔盘或气液接触元件上设置导向孔或翅片，但往往作为塔盘的附属而需专门设置，本发明中将气体通道齿缝边设置导流翅片，使气体通过孔道时产生沿翅片的导向运动，自然的推动液体向更均匀的方向流动。从而实现了气体传质和导向的有机结合，而不是使导流作为传质的附属设置存在。而齿缝旁设置的导流翅片可在加工元件气体齿缝时通过模具冲制齿缝处材料到特定形状和方向实现，不会增加多余的费用，高效易得。
传统气液接触元件的气体通道是元件四周或两侧均匀分布的，为了获得更好地导流和传质，所述齿缝或孔分布是不均匀的，效果是使气体对液体具有沿从入口堰到溢流堰方向的推动力，其齿缝或孔的分布可在方向上或数量上或面积上或形状上或高度上具有不均匀性，可以是一个帽罩上的齿缝或孔分布不均，也可是多个帽罩的齿缝或孔分布各不相同。传统的气体通道在元件四周均匀分布并未很好的考虑气体对液体的反冲和阻碍以及塔盘不同区域液体流动的差异。而通过不完全对称的设计，齿缝在数量上分布不均匀，与液体同向的方向上分布多，与液体流动反向的分布少或没有；齿缝截面积不均匀，与液体同向的方向上齿缝截面积大，与液体流动反向的齿缝截面积小，可提高气体对液体的导流作用，从而起到优化液相流场的效果。
所述齿缝或孔可以是平行于塔板(塔盘)的也可以是垂直于塔板的，或者是与塔板呈倾斜的角度。平行于塔板时，齿缝高度为1～50mm；垂直于塔板时，齿缝宽度为1～50mm。齿缝或孔与塔板呈倾斜的角度时，可以是斜向上也可以是斜向下，优选斜向上；齿缝方向与塔板间的角度为0～90°，优选15～75°，最优选45～60°。
所述齿缝或孔的出气方向与沿入口堰到溢流堰的直线方向呈0～90°角，优选0～60°角，最优选0～45°角。实际加工制造时，常是采用板材直接冲制而成，使冲出的齿片指向特定方向，从而形成具有特定导向作用的齿缝。齿缝方向与液流的方向保持一致，从根本上杜绝了因气流反冲而带来的液相返混和阻碍作用，并优化了塔盘上的液相流程，从而提高塔盘的传质性能。
优选地，气液传质元件上的气体通道优选齿缝，沿齿缝方向设置导流片，导流片可以是向外突出也可以是向内凹进。
优选地，齿缝的方向优选与塔盘垂直。
利用对传统气液接触元件的流线型修形，可显著避免因元件形状的阻碍带来的液面落差大，气液分布不均，流体流经元件时显著的湍动和返混等问题。利用齿缝、导流片与液体流动方向保持一致，进一步避免了气体反冲给液相带来的返混，齿缝和导流片的不均匀布置，最大程度地加强了气体对液体的推动作用，优化了流场，进而使进一步提高塔盘效率、处理能力，降低板压降等提供了可能。本发明中公开的方案将气液接触和导流有机的结合在一起，不必在塔盘上设置专门的导向孔，简化了设计和加工难度。
所述气液传质元件包括但不限于泡罩、筛板、浮阀、固阀、垂直筛板、并流喷射塔板以及其它类型的气液传质元件。
本发明的优点可概括如下：
1、通过采用流线形优化的气液接触元件，将元件对板上液体流动的影响降到最小，可以减小或消除塔板上流体流动的涡流和滞流现象，促使物料在塔板上均匀稳定流动，从而提高塔板效率。
2、通过特殊设计的导向齿缝或孔，使用气体对液体的推动作用，可以减小或消除塔板上流体流动的涡流和滞流现象，促使物料在塔板上均匀稳定流动，从而提高塔板效率。
3、通过减小气液接触元件对液体流动的阻碍和扰动，以及塔板上流体流动的涡流和滞流现象，能有效减小或消除液面落差，减少漏液和鼓泡不均匀现象，从而提高了塔板效率。
4、使塔板上液体的流动更加接近活塞流的理想流动状态，对一些特殊场合如反应精馏等有特殊重要的意义。
附图说明
图1为现有技术的带有出气齿缝的圆形泡罩。
图2为均匀分布有导流翅片和出气齿缝的圆形泡罩。
图3为本发明的齿缝或者孔和导流片沿着液体流向不均匀布置的椭圆形导向开孔泡罩。
图4为传统圆形浮阀示意图，其中图4(a)为正面视图，图4(b)为仰视图。
图5为本发明的不均匀设有齿缝导流片和齿缝的鲸形导流浮阀示意图，其中图5(a)为正面视图，图5(b)为仰视图。
附图标记说明
1：泡帽；2：出气(导流)齿缝；3：导流翅片；11：阀盖；12：阀腿；121：前阀腿；122：后阀腿；13：挡板；14：齿缝导流片；15：齿缝
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
苯-四氯化碳分离体系。原塔径为500mm，单降液管型，降液管截面形状为弓形，降液管面积占10％；采用标准DN80的泡罩，每层塔板36个泡罩，排为5排，塔板数12块。采用本发明，塔径与塔板形式不变，仍然为单降液管型，降液管、板间距、堰长、塔板数、升气管高度、帽罩高度等均不变；将原来的泡罩(带有出气齿缝的圆形泡罩，如附图1的示意图所示)换为流线型的椭圆形导向开孔泡罩，示意图如附图3，面向溢流堰的一边开孔更密。齿缝开向与从入口堰到出口堰的直线方向呈45～0度角，齿缝处冲出的导流片方向与液流方向的角度沿液流方向从45°逐渐变为0°，保持相同的开孔率、齿缝开度、升气管面积，升气管形状为椭圆形。
加入相同质量相同组成的苯-四氯化碳混合物作为原料，常压下全回流至平衡，取塔顶和塔釜浓度进行测量。结果表明，采用本发明的导向泡罩塔板结构，不改变其他条件，塔釜残液中四氯化碳含量比原塔降低2.1％，塔顶四氯化碳的纯度由原来的89.6％上升到92.5％，平均每块塔板的分离效率由原来的53％提高到58.9％，提高了11.2％。使用图2所示的均匀分布有导流翅片和出气齿缝的圆形泡罩，塔顶四氯化碳的纯度为89.8％，平均每块塔板的分离效率也为53％，说明如果不使导流翅片和出气齿缝沿着液体流向不均匀分布，而仅仅设置出气齿缝并在出气齿缝旁设置导流翅片，则在提高分离效率和提高塔顶四氯化碳的纯度方面没有明显效果。
实施例2
乙醇-水精馏体系。原塔直径1200mm，共38层塔板，开孔率12％，板间距450mm，采用传统F1浮阀。维持开孔率和板间距不变，仅用本发明中的鲸形导向浮阀(如附图5所示)塔板代替原塔板(如附图4所示)。浮阀为前粗后细逐渐变化的鲸形流线形。阀长100mm，前端35mm，后端65mm，最大宽度45mm。阀盖上有2个导向孔，高度3mm宽20mm，呈固阀形朝向溢流堰方向。前阀腿宽8mm，长度12mm，后阀腿相同。阀盖下设与阀盖垂直的挡板，形状和阀盖相同，尺寸比阀盖外沿收缩4mm，挡板上冲压出齿缝和具有特定角度的导流片，齿缝宽度5mm，高12mm。浮阀前端15mm以内的部分未开出气齿缝，浮阀中后段开有垂直于塔盘的齿缝，齿缝旁冲压出的与塔盘垂直但与从入口堰到出口堰的直线方向呈一定角度的导流片，角度从45°到0°递变。
使用本发明中的流线形导向浮阀改造后，在不改变其他条件的情况下，塔顶乙醇纯度有94.02％提高到94.99％。生产能力由70.0t/d提高到90.0t/d仍能稳定运行。说明本发明中的浮阀塔板相对于传统F1浮阀，不仅板效率提高，而且操作弹性更大。
Claims (10)
1.一种带导流作用的流线形导流气液传质元件，其特征在于：
a)气液传质元件采用流线形的形状，该元件的长宽比大于1，优选1.2～20:1，优选2～10:1，更优选2.5～8:1，
b)气液传质元件上开有供气体通过的多个齿缝和/或孔，以及在齿缝和/或孔的旁边设置多个导流片，所述导流片的方向与沿入口堰到溢流堰的直线方向呈0～90°角，优选0～60°角，最优选0～45°角；以及
c)所述齿缝和/或孔以及导流片沿着液体流动方向不均匀布置(优选分布在元件的外周上)，优选，齿缝或孔的分布在方向上和/或数量上和/或面积上和/或形状上和/或高度上具有不均匀性，例如是一个帽罩上的齿缝或孔的分布或方向不均，也可是多个帽罩的齿缝或孔的分布或方向各不相同。
2.根据权利要求1所述的气液传质元件，其特征在于，所述流线形形状是沿流体流动方向元件宽度平缓变化，不存在尖锐折角，折角处采用平缓曲线过渡，优先是选自长圆形、椭圆形、圆角矩形、梯形、多边形、鲸形或者渐变截面结构中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2的气液传质元件，其特征在于，当该元件布置在包括受液盘和溢流堰的精馏塔板、吸收塔板或气提塔板中时，该元件较长的方向沿受液盘到溢流堰的液体流动方向布置。
4.根据权利要求1或2所述的气液传质元件，其特征在于，所述齿缝或孔的分布在方向上和/或数量上和/或面积上和/或形状上和/或高度上具有不均匀性包括：在从气液传质元件的液体流动方向的上游端(或前端)到下游端(或后端)的方向上：分布在气液传质元件上(优选分布在元件的外周上)的齿缝或孔和/或导流片的分布数量密度逐渐增大；和/或，分布在气液传质元件上(优选分布在元件的外周上)的多个齿缝或多个孔的面积依次变大；和/或，齿缝或孔和/或导流片与沿入口堰到溢流堰的直线方向的角度，在元件最宽处之前逐渐减小或不变，在元件最宽处之后逐渐减小或不变。
5.根据权利要求3或4所述的气液传质元件，其特征在于，所述齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向平行于塔板的平面或垂直于塔板的平面，或者是与塔板的平面呈倾斜的角度；齿缝的流体流动方向优选与塔板垂直。
6.根据权利要求5的气液传质元件，其特征在于，当齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向平行于塔板的平面时，齿缝或孔的高度为1～50mm(优选2-40mm，更优选3-20mm，进一步优选3.5-10mm，例如4、5或6mm)；或，当齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向垂直于塔板的平面时，齿缝或孔的宽度为1～50mm(优选2-40mm，更优选3-20mm，进一步优选3.5-10mm，例如4、5或6mm)；或，当齿缝或孔的流体(即气液)流动方向与塔板呈倾斜的角度(例如流体(即气液)流动方向与塔板的平面之间的角度是从>0度到<90度，优选5-85度，更优选10-80度，例如30，45，60度)时，并且塔板水平放置时，齿缝和/或孔的流体(即气液)流动方向斜向上或斜向下，优选斜向上，流体(即气液)流动方向与塔板的平面之间的角度是从>0度到<90度，优选5-85度，更优选10-80度，优选15～75度，还更优选45～60度，例如50或55度。
7.根据权利要求1～6中任何一项所述的气液传质元件，其特征在于，气液传质元件上的气体通道优选为齿缝，沿齿缝方向设置导流片，导流片向外突出或向内凹进。
8.根据权利要求1～7所述的气液传质元件，其特征在于，所述气液传质元件是选自泡罩、筛板、浮阀、固阀、垂直筛板和并流喷射塔板元件中的一种或多种。
9.应用权利要求1～8中任何一项所述的气液传质元件的塔板。
10.根据权利要求9的塔板，其中塔板是包括受液盘和溢流堰的蒸馏塔板、精馏塔板、吸收塔板或气提塔板。
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