CN106039752B - 一种提高传热传质性能的精馏塔塔板和精馏塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高传热传质性能的精馏塔塔板和精馏塔，属于化工精馏领域。所述精馏塔塔板包括塔板本体，所述塔板本体为螺旋形结构，顶部设有进液口，底部设有出液口，其螺旋直径由中间向两端逐渐减小，塔板本体的两侧缘上设有挡板，螺旋结构内部设有使每层螺旋保持在相应位置的固定支撑架。本发明塔板采用螺旋形结构，使得精馏塔内的气液相逐级接触进行传质换热，重力产生的离心力形成切向的力，增强径向流体的混合，增加液体湍动程度强化液相主体的混合，使得液相主体内的气体溶质分布均匀，另外流体路径增大，液膜厚度减小，减小传质阻力，可以提高传质的效率。

Description

一种提高传热传质性能的精馏塔塔板和精馏塔

技术领域

本发明涉及化工精馏领域，具体涉及一种提高传热传质性能的精馏塔塔板和精馏塔。

背景技术

化学工业是能源消耗最大的加工业，约占全国工业能耗的25％，而分离过程能耗占化工能耗的40％以上。分离液体与气体，液体与固体，气体与固体等不同状态混合物需要采用不同的分离方式，如精馏、沉降、结晶、萃取、吸附、膜分离等等。其中精馏过程具有处理量大，操作连续，技术成熟、分离纯度高等特点，在化学工业特别是空气分离行业得到广泛应用。而精馏过程占整个分离产业能耗的50％-70％。

在分离行业中，空气分离是工业的支柱性产业，因为工业气体大部分来自于空气分离，其中氧、氮、氩的需求量最大。空气分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学吸收法等多种。其中低温精馏法技术相对成熟，气体产品纯度高，成本低，在大规模生产中基本都使用低温精馏法。目前低温精馏制氧能力已经超过10万立方米/每小时，在未来随着我国工业的迅速发展，配套的工业气体产量需求也会进一步提高，能量消耗也会进一步增加，所以提高精馏效率，降低单位产品能耗一直是精馏塔整体及部件、装置优化设计的目标。

低温精馏法进行空气分离的原理是：利用物质沸点的不同，通过连续的蒸发冷凝过程使得沸点较低的物质呈气态向塔顶流动，而沸点较高的物质呈液态向塔底流动，在上下流动过程中不断进行传质与换热，分别提高两种物质的纯度。当下投入使用达到一定规模的精馏塔主要有板式塔和填料塔两种形式。板式塔结构简单、易于制造和装配、液体分布性较好、塔板效率较高，一直是空气分离精馏塔的主流设计。而20世纪后期随着理论和应用深入的研究，高效填料和相应塔内部件的开发使得填料塔技术趋于成熟。填料塔中的规整填料由于其阻力小、压降低，可以按照一定顺序均匀排布，引导气液走向，从而提高精馏塔效率，减少精馏塔所需能耗。虽然填料塔的应用逐渐增多，大量的研究都投入了新型填料的开发，但对于常压或加压操作体系，特别是在设备大型化的要求下，大塔径的汽液传质设备目前仍然以板式塔为主。在板式塔相关的研究中，大量的工作也集中在对塔板的优化和设计方面。

精馏塔是利用重力进行传质换热分离的，表现为上部的液体受到重力往下流，下部的蒸汽受热产生一定的压力，逆重力方向向上流。如果在理想的结构中进行换热传质，气液能够保持持续的接触以及相对大的接触面积，而普通的板式塔中，由于溢流堰的存在，下部气液传质界面存在一定死区，而且更新速度缓慢。而填料塔正是因为持液量小，气液接触面积大，所以在较小的精馏塔中相对板式塔效率高。但是填料塔由于存在放大效应、填料更换不便等原因，在空分大型化的趋势下，目前不如板式塔。所以，提高板式塔的效率也是目前空分大型化的关键要求之一。

申请号为200710019974.4的专利文献中提到采用扇形塔盘拼接式螺旋阶梯下降的塔板，该塔板是将完整的传统圆形塔盘沿中心切除中心圆得到一圆环式塔板，再将该圆环式塔板切割为n等份，进行拼接。不过此设计依然保留了溢流堰和降液管，同时中间需要一根支撑管来焊接塔板。该专利设计的螺旋拼接式塔板在乙醇-水精馏系统中省去部分降液管和受液区使得有效传质面积提高11％，压降降低15％，能使单板效率提高20％，效果明显。然而该设计单块塔板面积仍然较大，而且内圈外圈液体走过路程差较大，容易引起液体短路，即都走内圈而不走外圈等液体分布不均匀的问题。

传统塔板主要通过支撑钢梁来支撑塔板和液体的重量，工字梁是其中应用最广的一种，但是随着空分大型化的要求，塔径增大，工字梁的直径和强度都不能满足要求。桁架梁的出现使得钢梁结构的强度提高，与普通工字梁相比使得气体能够横向混合，减少了气流流动阻力，改善了大型支承梁对气体流动的影响。桁架支撑梁提高了塔内空间的通透，使得气流能够顺利地穿过一层层塔板，同时能够有足够的空间留给检修人员。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高传热传质性能的精馏塔塔板，利用螺旋流道使得上升的气体物质和下降的液态物质在精馏塔内能够逐级接触并进行传质传热，分离效率高、能耗低。

一种提高传热传质性能的精馏塔塔板，包括塔板本体，所述塔板本体为螺旋形结构，顶部设有进液口，底部设有出液口，其螺旋直径由中间向两端逐渐减小，塔板本体的两侧缘上设有挡板，螺旋结构内部设有使每层螺旋保持在相应位置的固定支撑架。

本发明将传统板式塔原处在一个水平面上的塔板进行分割实现竖直方向的布置，在精馏过程中，由于塔板的螺旋下行趋势，液态物质在重力作用下自发沿着螺旋流道向下流动，不会长久停留在塔板上，与传统塔板相比，下降同样的高度液体的流程更长，不断更新气液传质界面，而且单向的流动避免液体的反混，进而减少因液体反混所带来的能量损失。

当液体被引入螺旋形流道后，在重力的作用下由于流道的倾斜产生不同大小的离心力，使得液体在径向有一定的搅动，增强径向流体的混合。

气液相传质过程中，传质在气液相接触的接触处发生。在描述气液相界面传质的模型中，应用最广泛的是Lewis-Whitman于1924年提出的双膜理论。基于双模理论的假设，减少传质膜的厚度、增加相界面积可以提高气液相间的传质速率。对于气液相间传质，传质的推动力是气相在液相中的溶解量与饱和溶解度的差异，当气体在液体中的浓度达到液体的饱和溶解度时，即达到相平衡。在传统塔板中，液体停留在塔板上的时间较长，当气体量较多地通过液体时，液体饱和后气体的传质速率下降。而在本发明的螺旋形塔板上，液体停留的时间相较传统塔板时间短，液膜厚度也会相应减小，使得气体在液体中的浓度更容易接近相平衡，提高传质效率。

精馏塔内高温气体向上流动过程中温度逐渐降低，低温液体向下流动过程中温度逐渐升高，螺旋形的塔板相较传统塔板，在竖直方向上形成更多的传热界面，减小了传热的温差，提高传热效率。

本发明的螺旋形塔板本体由8-10层螺旋组成，沿高度方向直径逐渐增大然后减小，在立体空间上呈现陀螺型，所述螺旋形结构分为上、下两个部分，每个部分的螺旋在水平面上的投影互不重叠。

塔板的螺旋角度由塔板单元的高度及塔板螺旋层数决定，螺旋角度为能克服流动阻力产生一定的流速而不因流速太快影响传质效率为宜。作为优选，螺旋的角度为6-10°。

塔板面上方为传质传热区域，塔板的两侧缘上设有挡板，挡板和塔板面形成了流道用于承载液体，由于液体沿螺旋流道运动产生离心力，为了避免因为液体溢过边缘产生漏液现象，作为优选，外侧缘挡板的高度大于内侧缘挡板的高度。

所述塔板本体上设有鼓泡装置，所述鼓泡装置分布密度沿径向从塔板内侧向外侧逐渐减少。高温气体穿过鼓泡装置进入传质传热区域可为板上液体提供推动力，塔板内侧分布较多鼓泡装置可保持塔板内外侧液体流速相对一致。

作为优选，所述鼓泡装置为筛孔、泡罩或浮阀。

塔板本体的每一层螺旋靠内侧均设有对内侧液体流动进行缓冲的挡条。由于挡条的阻挡，内侧液体流速减慢，相对提高外侧液体流速，防止因内外侧液体流程不一致导致短路的现象。

作为优选，所述挡条为弧形。

本发明塔板的螺旋形结构可以为一体成型，也可由不同半径的螺旋部件拼接而成。

对于本发明的螺旋形塔板，普通的在一个水平面上的支撑架不能满足支撑和固定的要求，本发明利用棱锥形中空结构，用于同一级塔板不在一个平面上的支撑和固定，作为优选，所述固定支撑架由两个同底的棱锥形支撑架组成，所述棱锥形支撑架为由连杆首尾连接组成的中空结构。同底部分为n边形，n≥4。该支撑结构受力均匀，改变了现有技术中支撑梁中间应力集中的问题；也使塔内结构较为通透，气体所受阻力较小，易于精馏塔结构的放大。作为优选，固定支撑架由数根钢条焊接而成，固定支撑架与塔板边缘可通过活动连接方式或焊接方式对塔板进行固定与支撑。更为优选，在螺旋形塔板的外围也设置支撑架。

本发明还提供了一种精馏塔，包括若干个所述的精馏塔塔板，所有精馏塔塔板沿同一竖直直线布置，上一个精馏塔塔板的出液口与下一个精馏塔塔板的进液口衔接。

所述精馏塔还包括一竖直穿过塔板本体中心的支撑管，所有固定支撑架固定在支撑管上。塔板的顶部和底部设有相同直径的通孔，供支撑管穿过，所述支撑管的直径与通孔的直径相等。作为优选，支撑管截面积占精馏塔内腔横截面积的1/36到1/25。

精馏塔内的每个塔板单元的螺旋流道使得上升的气态物质和下降的液态物质能够逐级接触进行传质换热，螺旋形塔板引导流体进行螺旋流动，破坏传热传质边界层，更新传质面，减小压降损失，提高精馏塔的传质换热性能。

本发明具备的有益效果：

(1)本发明塔板采用螺旋形结构，使得精馏塔内的气液相逐级接触进行传质换热，重力产生的离心力形成切向的力，增强径向流体的混合，增加液体湍动程度强化液相主体的混合，使得液相主体内的气体溶质分布均匀，另外流体路径增大，液膜厚度减小，减小传质阻力，可以提高传质的效率。

(2)相比于传统板式塔塔板，螺旋形结构提高了精馏塔内空间的利用率，节省了降液管和受液区；在同样的塔板高度上，液体分隔成不同区域，减少了液体的壁流和不均匀性，增加液体的分散程度，减少流动死区，减少返流、混流，提高两相传质接触面积，分离效率高、能耗低。

(3)鼓泡装置和挡条的设置有利于塔板上内外侧液体分布均匀。

附图说明

图1为本发明塔板本体的结构示意图。

图2为塔板螺旋结构下半部的立体结构示意图。

图3为与塔板本体配合的固定支撑架和支撑管的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一种提高传热传质性能的精馏塔，塔高10米，塔径2米，包括40个精馏塔塔板，所有精馏塔塔板沿同一竖直直线布置。如图1所示，所述精馏塔塔板，包括塔板本体1，塔板本体1为螺旋形结构，顶部设有进液口2，底部设有出液口3，上一个精馏塔塔板的出液口与下一个精馏塔塔板的进液口衔接。

螺旋形结构的螺旋直径由中间向两端逐渐减小，在立体空间上呈现陀螺型。每个塔板单元由8个螺旋组成，沿高度方向直径逐渐增大然后减小，所述螺旋形结构分为上、下两个部分，每个部分的螺旋在水平面上的投影互不重叠。

塔板本体1的两侧缘上设有挡板，外侧缘挡板41的高度大于内侧缘挡板42的高度，防止因为液体溢过边缘产生漏液现象。

如图2所示，塔板本体1上设有筛孔5，筛孔5的分布密度沿径向从塔板内侧向外侧逐渐减少。高温气体穿过筛孔进入传质传热区域，为板上液体提供推动力，保持塔板内外侧液体流速相对一致。

塔板本体1的每一层螺旋靠内侧均设有对内侧液体流动进行缓冲的弧形挡条6。

塔板本体1的螺旋结构内部设有使每层螺旋保持在相应位置的固定支撑架7，如图3所示，固定支撑架7由两个同底的棱锥形支撑架组成，同底部分为正方形，所述棱锥形支撑架为由连杆首尾连接组成的中空结构。该支撑结构受力均匀，塔内结构通透。为了增加支架结构的牢固度，正方形内部设有两根沿对角线设置的加强筋。固定支撑架7与塔板本体1边缘通过焊接方式对塔板进行固定与支撑。

所有塔板内的固定支撑架7安装固定在贯穿精馏塔中心的支撑管8上。塔板的顶部和底部设有相同直径的通孔，供支撑管8穿过，支撑管8的直径与通孔的直径相等。支撑管截面积占精馏塔内腔横截面积的1/25。

精馏塔内的每个塔板单元的螺旋流道使得上升的气态物质和下降的液态物质能够逐级接触进行传质换热，螺旋形塔板引导流体进行螺旋流动，破坏传热传质边界层，更新传质面，减小压降损失，提高精馏塔的传质换热性能。

Claims (9)

1.一种提高传热传质性能的精馏塔塔板，包括塔板本体，其特征在于，所述塔板本体为螺旋形结构，顶部设有进液口，底部设有出液口，其螺旋直径由中间向两端逐渐减小，塔板本体的两侧缘上设有挡板，螺旋结构内部设有使每层螺旋保持在相应位置的固定支撑架；所述螺旋形结构分为上、下两个部分，每个部分的螺旋在水平面上的投影互不重叠。

2.如权利要求1所述的精馏塔塔板，其特征在于，外侧缘挡板的高度大于内侧缘挡板的高度。

3.如权利要求1所述的精馏塔塔板，其特征在于，所述塔板本体上设有鼓泡装置，所述鼓泡装置分布密度沿径向从塔板内侧向外侧逐渐减少。

4.如权利要求3所述的精馏塔塔板，其特征在于，所述鼓泡装置为筛孔、泡罩或浮阀。

5.如权利要求1所述的精馏塔塔板，其特征在于，塔板本体的每一层螺旋塔板内侧均设有对内侧液体流动进行缓冲的挡条。

6.如权利要求5所述的精馏塔塔板，其特征在于，所述挡条为弧形。

7.如权利要求1所述的精馏塔塔板，其特征在于，所述固定支撑架由两个同底的棱锥形支撑架组成，所述棱锥形支撑架为由连杆首尾连接组成的中空结构。

8.一种精馏塔，其特征在于，包括若干个如权利要求1-7任一项所述的精馏塔塔板，所有精馏塔塔板沿同一竖直直线布置，上一个精馏塔塔板的出液口与下一个精馏塔塔板的进液口衔接。

9.如权利要求8所述的精馏塔，其特征在于，包括一竖直穿过塔板本体中心的支撑管，所有固定支撑架固定在支撑管上。