CN1291768C - 一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气液接触组合件及传质分离塔。气液接触组合件包括两块梯形喷射板、两块梯形端板和一块喷射罩顶板构成的喷射罩，其下边缘均布连接有支脚，通过支脚可以把喷射罩安装在传质分离塔的塔板上升气孔的位置处，并且使其底面与塔板之间留有液流通道；喷射板上均布有喷射孔，其特征在于所述两块喷射板、两块梯形端板和一块喷射罩顶板构成水平剖面为矩形而垂直剖面为梯形的梯矩形喷射罩；梯矩形喷射板的底角α为45～89°；梯矩形端板的底角β为45～89°；在喷射罩顶板与两块喷射板之间分别开有天窗；喷射罩顶板上在喷射板方向的两侧外展对称安装有导向挡板。使用本发明气液接触组合件的传质分离塔可提高其处理能力、操作弹性和传质、传热效率。

Description

一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔

技术领域

本发明涉及一种气液连续接触传质分离塔制造技术，具体为一种在石油、化工、制药、环保等领域的传质、传热、增湿过程中普遍应用的气液连续接触传质分离塔内的气液接触组合件及使用它的传质分离塔技术，国际专利分类号拟为Int.Cl⁷.B01J19/00。

背景技术

目前在石油、化工、制药、环保领域的传质(如精馏、吸收、解吸、气提操作)、传热、增湿等过程中板式传质分离塔(以下简称板式塔)被广泛应用着。板式塔有多种类型，如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等。日特公昭46-31321公开了一种气液接触装置。该装置主要包括顶盖、开有多个喷射孔的侧壁以及水平塔板；侧壁与水平塔板之间有缝隙，水平塔板上开有一定形状的升气孔作为气体通路。其工作原理是：当塔底的气体上升时，经过塔板上的升气孔产生缩流，气体的压力能部分转化为其动能，同时气体的静压降低；水平塔板上的液体经所述的缝隙进入该气液接触装置(气液接触组合件)内与由下面上升的气体进行接触形成气液混合物。在此过程中气液两相之间进行充分的传质、传热，随后气液混合物向上经侧壁上的喷射孔喷射而出，经气液分离后，气体通过升气孔继续向上进入上一层塔板，而大液滴则落回到本层塔板上，并随液相主体经降液管流到下一层塔板，完成气液接触交换工作。根据传质分离塔的直径大小，一定数量的这种气液接触装置以均匀排列方式被安装在传质分离塔中相应的塔板上，构成传质分离塔的工作组件。显然，气液接触装置是板式塔的关键组件，它的形状、结构和排列设置方式与传质分离塔的性能和工作效率直接相关。

中国专利ZL92232700.9、ZL 93218445.6和ZL 99200122.6都分别对气液接触装置或组合件进行了不同改进，取得了不同的技术效果。但它们都还存在着同一缺陷：即它们的形状以及在分离塔板上的排布方式决定了其不可避免存在不同程度的雾沫夹带和气液返混现象，影响了气液接触组合件的分离效果及其处理能力，降低了传质分离塔的工作效率。此外，就喷射型传质分离塔而言，它们都还存在着另一个缺陷：即传质分离塔内相邻两个气液接触装置的喷射孔在工作时产生“对喷现象”，造成能耗损失，增加了雾沫夹带，影响传递效率。如果为避免这种“对喷”，加大每排和每列相邻两个气液接触装置的间距，则必然要减少气液接触装置在塔板上的安装数量，也即减少了关键工作组件的数量，意味着传质分离塔效能的降低。另外，“对喷现象”的存在，也影响喷射孔在喷射板或喷射罩上的开孔数量或开孔率，进而也影响传递交换的工作效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔。该气液接触组合件能够有效地减少雾沫夹带，提高塔板开孔率，使塔板面积得到充分利用，有效减少分离塔每层塔板上气液返混，减小分离塔每层塔板上液面梯度，进一步提高其处理能力，降低阻力，提高塔板效率，从而使采用本发明气液接触组合件的传质分离塔设计更科学，性能和效率更高。

本发明拟解决所述气液接触组合件技术问题的技术方案是：设计一种气液接触组合件，包括两块梯形喷射板、分别与之相连的两块梯形端板和一块喷射罩顶板构成的喷射罩，喷射罩下边缘均布连接有2-4个支脚，通过支脚可以把喷射罩安装在传质分离塔的塔板上升气孔的位置处，并且使喷射罩的底面与塔板之间留有液流通道；所述的喷射板上均布有喷射孔，其特征在于所述的两块喷射板、两块梯形端板和一块喷射罩顶板构成水平剖面为矩形而垂直剖面为梯形的梯矩形喷射罩；所述梯矩形喷射板的底角α为45～89°；所述梯矩形端板的底角β为45～89°；并在所述的喷射罩顶板与两块喷射板之间分别开有天窗；且所述喷射罩顶板上在喷射板方向的两侧外展对称安装有导向挡板。

本发明拟解决所述传质分离塔技术问题的技术方案是：设计一种传质分离塔，该传质分离塔采用本发明所述的气液接触组合件，其特征在于首先把所述的气液接触组合件的整体高度设计为两种，其高度差为45～90mm；进而把所述的两种不同高度的气液接触组合元件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板上，并要使相邻的两个气液接触组合元件的所述喷射孔在高度上处于不同的水平面上。

对本发明的传质分离塔试验表明，由于采用了本发明设计的气液接触组合件和特殊设计的气液接触组合件排布方式，当空塔动能因子达到3.75时，传质分离塔内仍无明显的雾沫夹带和气液返混现象，因而大大提高了气液接触组合件进而传质分离塔的处理能力及操作弹性，同时也提高了其传质、传热效率。

试验测试表明，采用本发明气液组合件，使得塔板的气相雾沫夹带量大大减少，可比垂直筛板减少60～90％以上(专利ZL92232700.9、ZL 93218445.6和ZL 99200122.都是垂直筛板的改进，其性能与垂直筛板的性能接近，故此处只用大家通常使用的垂直筛板的数据进行比较。下同)；作为以气相过量雾沫夹带为上限的板式塔，采用此技术可提高塔板的操作上限，因而可提高处理能力，同时亦使得操作弹性较垂直筛板提高30～40％。

采用本发明高、矮两种高度的气液接触组合件相间排布的方式，可使原来的相邻喷射罩间液滴对喷程度大为降低，同时又能使同排喷射罩间的间距缩小(在不影响其它性能的基础上)，每排喷射罩的间距也可以缩小，这样可以大大提高板上的开孔率。本发明气液接触组合件采用矩形开孔，提高了塔板上的开孔率，加大了气体通道面积，塔板面积得到充分利用，试验测试表明，开孔率较垂直筛板提高20～40％，处理能力比垂直筛板提高50～90％以上。

本发明气液接触组合件及其高低两种高度组合设置技术可明显减少了返混现象，因此可以提高罩内的液体提升量、使气液接触碰撞加剧，有利于混合均匀，罩外导向折板又能有效的将喷射出的气液混合物尽可能多地“拦截”下来，减少了返混现象，从而能够有效地提高塔板的传质、传热效率。

本发明气液接触组合件及其高低两种高度组合设置技术改变了喷射罩体在塔板上的布局方式，还可以减少喷射罩对板上液体流道的占用，从而减少液体的流动阻力，降低塔板上的液面梯度，使传质分离塔内气体分布更均匀，有利于塔板的传质与传热。

本发明气液接触组合件与现有技术相比，仅增加了天窗和顶板导向挡板，因此结构简单，易于制造与实际推广应用。

附图说明

图1为本发明气液接触组合件及其两种不同高度交错设置构成的传质分离塔的一种实施例的示意图；

图2为本发明图1的A-A剖面示意图；

图3为本发明气液接触组合件开有喷射孔的喷射板的形状结构示意图；

图4为本发明气液接触组合件的端板形状结构示意图；

图5为本发明气液接触组合件的俯视形状结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明为一种气液接触组合件(参见图1-5)，包括由两块梯形喷射板12、分别与之相连的两块梯形端板15和一块喷射罩顶板11围构成的喷射罩2，喷射罩2下边缘均布连接有2-4个支脚13，通过支脚13可以把喷射罩2安装在传质分离塔的塔板4上升气孔1的位置处，并且使喷射罩2的底面与塔板4之间留有间距；所述的喷射板12上均布有喷射孔14，其特征在于在所述的两块喷射板12、两块梯形端板15和一块喷射罩顶板11构成水平剖面为矩形而垂直剖面为梯形的梯矩形喷射罩2；所述梯矩形喷射板12的底角α为45～89°；所述梯矩形端板15的底角β为45～89°；并在所述的喷射罩顶板11与两块喷射板12之间分别开有天窗3；且所述喷射罩顶板11上在喷射板12方向的两侧外展对称安装有导向挡板7。

本发明所述气液接触组合件的所述的梯形喷射板12与传统的矩形喷射板相比，矩形喷射罩使在相同处理量的情况下，通过逐渐改变(缩小)气体上升通道的面积，加大了气体的上升速度，从而使在罩内的气、液混合更加充分，提高传质效率；此外，这样还能够提高分离塔的处理能力。而导向挡板7的设计可以使从天窗3喷射出的液相尽可能多地“拦截”下来，减少气液返混。

本发明所述气液接触组合件的进一步特征在于，所述的导向挡板7的外展部分在其垂直投影线超过喷射罩下边缘处向下弯折，构成γ夹角的折板，所述的夹角γ为90～180°(参见图4)。当夹角γ为90°时，意味着导向挡板7弯折部分垂直向下；而当夹角γ为180°时，意味着导向挡板7没有弯折，是一平板。夹角γ的具体设计可根据使用物料的性质(如密度、粘度等)不同而有所变化。一般而言，夹角γ优选范围是100～160°。

本发明所述气液接触组合件的进一步特征是，气液接触组合件的整体高设计为两种，其高度差可以根据实际工况以及工作介质的性质变化，一般在45～90mm之间选择。除高度外，两种气液接触组合件的形状结构没有区别。不同高度气液接触组合件的这种设计并不是其本身的需要，而是为了提高配合效率，减少对喷现象，将其安装在传质分离塔内的特别设计。

本发明进一步设计了所述的气液接触组合件在传质分离塔内的设置方法(参见图1、2)，其特征在于先将所述气液接触组合件设计为两种不同的高度，其高度差为45～90mm；再把所述两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上，并要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔在高度上处于不同的水平面上，或者说不处于同一水平面上，然后在塔板4的每一个所述的气液接触组合件的下面对应开有升气孔1，且在所述气液接触组合件下口与塔板4之间留有液流通道。这里所述的把气液接触组合件设计为两种不同的高度，主要是指针对现有技术的气液接触组合件的同一高度而言。新设计的气液接触组合件可一种高度维持不变，另一种高度降低。这种设计可以使本发明方法简单方便地用于现有传质分离塔的维修和改造。但并不排除气液接触组合件的两种不同高度都新设计。这种全新设计适用于传质分离塔的整体新设计。所述的升气孔1为与所述的气液接触组合件的底面形状配合的矩形。

本发明所述的传质分离塔把两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上，应当包括：1.在横排方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件分别或俩俩间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；2.在纵列方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件分别或俩俩间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；3.在横排和纵列两个方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件都分别一一间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；还包括4.在相邻的两个横排上，把所述两种不同高度的气液接触组合件分别错位排列安装设置在传质分离塔内的塔板4上(参见图1、2)。

为了确保减少乃至避免所述的对喷现象，除了设计两种不同高度的气液接触组合件，并按照所述的安装设置方法排列以外，本发明两种不同高度的气液接触组合件布置方法还要求安装气液接触组合件时，要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔在高度上不处于同一水平面上，否则无意义或意义不大。这不仅意味着与气液接触组合件的安装设置方法有关，也意味着与所述气液接触组合件的高度设计有关。本发明方法的进一步特征是所述的两种气液接触组合件的高度差可以根据实际工况以及工作介质的性质变化，一般在45～90mm之间选择。在这一范围内，设计时，最好把一个气液接触组合件的喷射孔对准其所相邻的气液接触组合件上最靠近该喷射孔水平面的两个喷射孔的中间，以避免相邻的气液接触组合件之间喷射孔处于同一水平面时可能产生的对喷。

在选定或设计好所述两种气液接触组合件的排列方式后，还需要在塔板4的每一个已经定位的所述气液接触组合件的下口或底面对应开有升气孔1，并且在所述的气液接触组合件的下口或底面与塔板4之间留有液流通道。液流通道的大小与传质分离塔的用途有关。这还说明，当利用本发明方法对现有传质分离塔进行技术升级改造时，不仅要更换所述的气液接触组合件，而且塔板4也可能需要同时更换。

总之，本发明把喷射罩2变为梯矩形使得在相同处理量的情况下，通过逐渐改变气体上升通道的面积，加大气体的上升速度，从而使气、液混合在罩内的更加充分，提高了传质效率；同时，在喷射罩2上设计了导向挡板7，以及采用高低立体排布方式有效的改善或减少因为对喷而产生的返混以及雾沫夹带现象，从而在提高传质效率的同时还能够大幅度提高分离塔的处理能力；同时天窗的设计可进一步提升分离塔的处理能力。

本发明气液接触组合件及其设置方法适用于各种传质分离塔，但更适用于石油、石油化工、大型化肥、焦化企业等大直径传质分离塔中使用，因为所述的气液接触组合件帽罩形体大，在φ1500以上的大直径传质分离塔中能排布更多的帽罩，使塔板的利用率更高，其开孔率可达到20～25％以上。

本发明的工作原理和过程如下(参见图1)：在塔体10内安装有若干层水平塔板4以及与之配套的降液管6和溢流堰9；每层塔板4上开有与液流8方向垂直的若干排升气孔1，在与升气孔1对应的位置上安装有喷射罩2，而每排喷射罩2采用为高矮相间排布的方式。液相8从上一层塔板4的降液管6流入塔板4，流经每排喷射罩2再经降液管6流入下一层塔板10；气相5从塔板4的下方通过升气孔1进入上一层塔板4的喷射罩2内。在气相5进入喷射罩2并上升的同时，液相8从喷射罩2的底隙进入，气液两相在喷射罩2内进行剧烈混合接触。在接触的过程中液相8被气相5破碎成大量大小不同的液滴，此后气液混和物从喷射罩2的喷射孔14及条形天窗3处喷射而出。由天窗3喷射出的气液混和物首先打在喷射罩2侧面延伸下来的导向挡板7上，在此过程液滴继续被破碎、混和后，沿着导向挡板7的方向喷射而出，最后气相5与液滴在喷射罩2及塔板4之间的空间处经过碰撞凝聚、液滴捕集、罩顶板捕集等过程以及气相5在喷射罩2间的曲线折流上升分离作用，液滴回落到塔板4上的液层8中，随后通过降液管6流到下一层塔板4上。气液两相在这个接触过程中完成传质、传热等过程。

本发明设计的气液接触组合件及其在传质分离塔内的设置方法，由于明显减少甚至避免现有技术所存在的“对喷现象”和返混，因而在不影响传质分离塔原有性能的基础上，能使同排相邻的气液接触组合件间的间距缩小，每排气液接触组合件的间距也可以缩小，这样可以有效地增加塔板上安装气液接触组合件的数量，提高传质分离塔的处理能力，并有效地减少雾沫夹带，提高塔板利用效率和操作弹性；同时由于相对于现有技术的气液接触组合件的高度有所降低，因而节约了生产组合件的使用材料，降低了制造成本；另外，就本发明方法而言，主要是传质分离塔内气液接触组合件设置方法的调整或者重新布置，因而方法简单，易于推广实施，具有显著的经济效益。

下面给出本发明技术的具体应用实施例：

实施例1：

合成氨生产中的综合塔(上部为回收清洗段，下部为固定副塔段)用以回收经碳化塔后气体中的NH₃，它对整个系统确保安全持续生产以及环境保护至关重要。要求经综合塔回收清洗段以后尾气中含NH₃量≤0.1g/m³。早期该塔回收清洗段采用泡罩塔。通常生产能力为3.0万吨NH₃/年的回收清洗段塔径为φ2000。其泡罩塔板为13-15块。且每层塔板上均有冷却水箱(冷却盘管置于泡罩上方，但淹没在板上的液层中)，结构相当复杂，但吸收效率不高，不得不增加软水(吸收剂)用量(其规定指标为1.1T软水/TNH₃)，因此系统需排放过多的稀氨水，造成软水、NH₃损失并污染环境。上世纪九十年代采用垂直筛板塔技术对直径为φ2000的综合塔回收清洗塔进行技术改造，共采用11-13块塔板(其中9-10块为垂直筛板，另有2-3块冷却塔板按一定的位置设置其中)，使用后表明，通过处理能力为5.0-6.0万吨NH₃/年，软水用量降至0.6-0.8吨软水/吨NH₃，而且确保尾气中NH₃含量≤0.1gNH₃/m³。采用本发明技术改造同型号的综合塔，塔径与塔板数不变，设计参数α＝80°，β＝85°，γ＝120°，两种帽罩高度差为55mm，软水用量为0.6～0.8吨软水/吨NH₃，尾气中NH₃含量确保≤0.1gNH₃/m³，生产能力可提高至10.0～11.0万吨NH₃/年以上，操作弹性则达到4.0。

实施例2：

饱和热水塔(化肥行业中变换气热量回收，并将此热量转化成水蒸气，使半水煤气饱和，为传热与增湿相结合的操作)，原塔径为φ2000mm，采用矩鞍型填料(饱和段填料层高5.0m，热水段填料层高4.5m)。在半水煤气水蒸气饱和度≥95％的条件下，生产能力为5.5万吨NH₃/年的半水煤气(21600Nm³/h)与变换气(27000Nm³/h)。在塔径、塔高等均不变的前提下，饱和段与热水段分别用13块与8块垂直筛板取代原矩鞍型填料，同样在半水煤气水蒸气饱和度≥95％的条件下，与原矩鞍型填料塔相比，改造后节省锅炉蒸汽约400kg/吨NH₃，而生产能力达到7.5万吨NH₃/年。采用本发明气液接触组合件及其设置方法再次改造该热水塔(塔板数、板间距等均与垂直筛板相同，只更换塔板)后，所述气液接触组合件的设计参数α＝85°β＝75°、γ＝135°、高度差为70mm，在半水煤气水蒸气饱和度≥95％的条件下，与原矩鞍型填料塔相比，节省锅炉蒸汽约600～650kg/吨NH₃，比用垂直筛板改造此热水塔又提高了50-62.5％；生产能力达到12万吨NH₃/年，比原矩鞍型填料塔提高了167％，比垂直筛板改造的该热水塔又提高了60％。

Claims (6)

1.一种气液接触组合件，包括两块梯形喷射板(12)、分别与之相连的两块梯形端板(15)和一块喷射罩顶板(11)构成的喷射罩(2)，喷射罩(2)下边缘均布连接有2-4个支脚(13)，通过支脚(13)可以把喷射罩(2)安装在传质分离塔的塔板(4)上升气孔(1)的位置处，并且使喷射罩(2)的底面与塔板(4)之间留有液流通道；所述的喷射板(12)上均布有喷射孔(14)，其特征在于所述的两块喷射板(12)、两块梯形端板(15)和一块喷射罩顶板(11)构成水平剖面为矩形而垂直剖面为梯形的梯矩形喷射罩(2)；所述梯矩形喷射板(12)的底角α为45～89°；所述梯矩形端板(15)的底角β为45～89°；并在所述的喷射罩顶板(11)与两块喷射板(12)之间分别开有天窗(3)；且所述喷射罩顶板(11)上在喷射板(12)方向的两侧外展对称安装有导向挡板(7)。

2.根据权利要求1所述的气液接触组合件，其特征在于所述导向挡板(7)的外展部分在其垂直投影线超过喷射罩下边缘处向下弯折，构成γ夹角的折板，所述的夹角γ为90～180°。

3.根据权利要求2所述的气液接触组合件，其特征在于所述的夹角γ范围是100～160°。

4.根据权利要求1或2所述的气液接触组合件，其特征在于所述的气液接触组合件的整体高度设计为两种，其高度差为45～90mm。

5.一种采用权利要求3所述气液接触组合件的传质分离塔，其特征在于把所述的两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板(4)上，并要使相邻的两个气液接触组合件的所述喷射孔(14)在高度上处于不同的水平面上。

6.根据权利要求5所述的传质分离塔，其特征在于把所述两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向上分别一一间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板(4)上。

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