CN1294936A - 对流式塔板 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种用于炼油、化工、轻工、石油化工、湿法冶金及环保等领域的蒸馏、吸收、解吸、萃取、洗涤和汽提等塔设备的重要分离元件。目的是为了提高塔设备的传质效率和生产能力,提出一种不仅气体穿过塔板(5)孔隙鼓泡传质,而且在两层塔板之间,通过降液管(3)液封槽(8)、淋液盘(6)均匀淋降的液流(7)与连续上升的气流(4)接触传质的气液对流式塔板。依据本发明的技术构思还提出一种竖式波纹填料,一种对流式萃取塔。

Description

对流式塔板

本发明属于一种用于炼油、化工、轻工、石油化工、湿法冶金及环保等领域的蒸馏、吸收、解吸、萃取、洗涤和汽提等塔设备的重要分离元件。

板式塔在工业上有着广泛的应用，近年来发展较快、应用较多的导向浮阀塔板和网孔塔板等，在提高塔的传质效率和生产能力方面有了很大进步，因而得到广泛应用和推广。中国专利CN1194879公布了一种《矩形悬挂降液管导流塔板》，其特征在于在降液管底孔对应的塔板位置上加装导流板和导流孔，且相邻两板的降液管互成90°排列。上述塔板在结构上共同之处是每两层塔板之间用降液管连通，工作时，上层塔板上的液流通过降液管流到下层塔板上，气体则穿过塔板孔隙从液层中鼓泡上升。这就存在两个问题，一是在两层塔板之间气体上升并未与下行液体接触，气液两相之间没有发生传质，浪费了塔的内部空间和高度，使设备未能充分发挥效能；二是当塔内气相负何增大时，上升气流使塔板上鼓泡发展为泡沫夹带或雾沫夹带，使塔板上的液体成为气液乳状物，其密度大为降低，其在降液管内的静压力降低，加之气压升高，达一定程度时，气液乳状物便不能下行，也就是说：因塔板上产生的泡沫夹带或雾沫夹带未能得到抑制，因而限制了板式塔的生产能力。中国专利CN1204543A公开了一种《全有效区错流塔板》，其主要特征是在传统塔板的降液槽内安装并流喷射传质单元或垂直筛板的帽罩，充分利用整个塔板，使降液槽也成为传质有效区域．这种结构的塔板，由于“提出了对降液槽内混合后的液体通过液体分布盘进行分布”，这对于提高塔板的传质效率有明显的效果．但是它在结构上存在如下问题：该塔板上的液体下行是从导液孔流出的，流出量的大小由导液孔的开孔率确定，当液相负荷较低时，降液槽内液层过薄，容易出现漏液干塔现象；当液相负荷增大时，塔板上液层厚度就会逐渐增加，到一定程度时可能出现液泛。如果将导液孔开孔率设计较小，可能因液满而液泛，如果将开孔率设计较大，又可能因漏液而干塔一这就是通过一定开孔率实现降液的塔板所共有的缺陷。

本发明的目的是为了克服现有塔板的不足，提高塔设备的传质效率和生产能力，提出一种不仅气体穿过塔板孔隙鼓泡传质，而且在两层塔板之间，均匀淋降的液流与连续上升的气流接触传质的气液对流式塔板。为了更好地实现这个目的，依据本发明的技术构思还提出一种竖式波纹填料和一种对流式萃取塔。为了清楚明白地说明本发明的内容，下面分三个方案分别叙述各项发明的具体内容。

【方案一】一种对流式塔板，包含有塔板、降液管、淋液盘和液封槽，塔板上均布筛孔并水平固定在塔壁内，塔板上设置有一根或多根降液管，降液管为矩形或圆形或椭圆形的管道，其上端穿过并固定在塔板上，穿过部分或可钻有若干孔洞，其下端有间隙地插入液封槽内，液封槽的底部或可钻有孔洞，液封槽的上边缘与水平设置在塔板下面的均布小孔的淋液盘连为一整体，在降液管上部或可设置防止液流直接进入的帽罩。塔板上或可设置若干个浮阀，浮阀满足使浮阀浮动起来的气体压力低于使气体穿过液封层从降液管内往上升的气体压力；塔板下面或可水平设置均布筛孔的分散盘，或者水平设置一层或数层网孔板。

为提高塔的生产能力，本发明提出一种可灵活浮动、结构简单的盘式浮阀。盘式浮阀设置在有气流通道的对流式塔板上，它包含有阀片和卡柱，阀片呈圆盘形或其它形状，阀片上或可钻有若干个适于气流穿过的的小孔，卡柱固定在塔板上同时将阀片卡住、使阀片只能在设定的间隙内上下浮动。这样形成的盘式浮阀，上下浮动的摩擦阻力很小，选用适合于工作介质要求的材质作成阀片时的自身重量很轻，使阀片浮升起来的力较小而且稳定。当其工作时，随着气速的增大，气体压力升高到设定值时，能准确地将阀片浮升起来，浮升后阀片与塔板之间的间隙让气流通过，避免了气体压力升高，从而也避免了液泛现象的发生。适当设计阀片的形状、大小、数量及浮升间隙，可使盘式浮阀塔板具有很高的生产能力和操作弹性。

为了强化传质，减少压力降，提高塔的生产能力，缩短塔的尺寸高度，满足某些物料的分离要求，在本发明的对流式塔板上面或下面设置填料，填料可以是现有技术中的各种散堆填料或规整填料，也可以是一种具有优良传质性能的新型填料。但是，现有技术中的填料存在种种缺点，为了更好地发挥本发明的对流式塔板与填料复合使用时的效果，本发明还将在[方案二]中提出一种竖式波纹填料。

本发明的对流式塔板与以往的塔板相比具有以下明显的优点：

1．塔板的操作弹性显著提高。由于降液管的通过量及分布可任意设定并插入液封槽一定的深度，因此，液相负荷或大或小，均不易出现气流从降液管内上升或塔板上漏液的现象。

2．气体通量大，塔板压降小，塔板上鼓泡传质效率高。由于塔板上无受液区，传质面积可增大10～20％；降液管可设置在塔板任何位置，减小了液体返混，有利于传质；而且塔板上设置的浮阀满足：使浮阀浮动起来的气体压力低于使气体穿过液封层从降液管内往上升的气体压力，因此它不易出现雾沫夹带或液泛现象。

3．由于本发明改变了传统塔板的降液方式，下行液体从降液管、液封槽进入淋液盘，从淋液盘上均布的小孔淋降下行，与连续上升的气流充分接触，同时捕集和消除被上升气体夹带的泡沫和雾沫。充分利用了塔的内部空间，提高了塔的传质效率和生产能力。

4．现有技术中的塔板具有传质功能，但不能分布液流；现有的液体分布器，只能分布液流不能实现传质；现有的气体分布器也只能分布气流不能实现传质；本发明的对流式塔板既具有优良的传质性能，又具有均匀分布液流和气体的作用，所以将其构成对流式塔板一填料复合塔时，可省去液体分布器和气体分布器等，简化了塔设备的构造。

5．结构简单，便于制作，便于安装。

本发明的具体实施方案参照附图，详细说明如下：

图1是本发明的对流式塔板结构示意图。

如图1所示，塔板5均布筛孔并水平固定在塔壁2内，降液管3穿过并固定在塔板5上，穿过部分钻有若干孔洞，其下端有间隙地插入液封槽8内，液封槽8的上边缘与水平设置的均布小孔的淋液盘6连为一整体，降液管3上部设有防止液流直接进入的帽罩1，4表示上升气流，7表示下行液流。浮阀9设置在塔板5上，在对流式塔板下面设置分散盘10，网孔板11和填料层12。塔工作时，积存在塔板5上的液体从降液管3上部孔洞或顶部进入，从降管3内流下，经液封槽8流出后进到淋液盘6内，再从小孔流下形成淋液7，然后通过分散盘10，网孔板11对淋液再分散后进入填料层12；穿过填料层12后落到下一层塔板上；与此同时，上升气流与下行的淋液进行接触传质，然后气流穿过塔板5上的孔隙或浮阀间隙在液层中鼓泡传质并形成均布上升的气流4。

图2是本发明的盘式浮阀投影图，下图是俯视图，上图是下图的剖面图。

如图2所示，盘式浮阀均匀设置在有气流通道23的塔板5上，圆盘形的阀片22上或可钻有若干小孔，卡柱21固定在塔板5上同时将阀片22卡住，使阀片22只能在卡柱21的间隙内上下浮动。工作时，当气速较低时，阀片22盖住塔板5上的气流通道23，上升气流穿过小孔鼓泡上行；当气速增大时，阀片22浮升起来，上升气流还穿过阀片的浮升间隙而鼓泡上行，使塔内气体压力不改继续升高。

【方案二】一种竖式波纹填料。

在现有技术中，填料作为塔的内件已有了很大的发展，例如，中国专利CN2300448公开了一种波纹规整填料，它是在现有波纹填料的波峰或／和波谷上设有使相邻波纹片的波峰或波谷能够嵌入其中的切口，嵌入后切口与波峰或波谷之间仍有一定间隙，若干波纹片彼此镶嵌为一体，镶嵌后的波纹填料，能使介质在流动过程中形成脉动流动，产生湍流增强径向扩散。这些填料在低压塔、常压塔或减压塔中应用比较成功，但在中高压塔或液相回流量较大的塔时，使用效果并不理想。其根本原因在于这些填料存在气液轴向流动的阻力和横向流动的间隙，使液体或气体产生横向流动；在横向流动中液体在沟槽低处流，气体往沟槽空间高处走，它们之间没有混合的动力，不易产生所谓的横向混合(即经向扩散)的效果，只会在重力和液体的表面张力作用下趋于分离，其结果使下行液体逐渐汇集形成较大股的沟流，在壁面上液流的阻力最小，液体流到塔壁后顺壁面往下流，形成所谓的挂壁流动。这种现象大大减少了上升气体与下行液体接触的表面积，削弱了气液传质的效果。在中高压塔的场合，塔内液相回流量比较大，下行液流在填料内横向流动所形成的沟流或挂壁流动的现象更为严重，所以传质分离效果不理想。还须指出，随着流量的增大，当横向流动中的气体和液体滞流量积聚到一定程度时，气体上升的阻力和液体下行的阻力就急剧增大，为了避免发生液泛，填料塔只能控制在较小的流量范围内工作，限制了它的生产能力。

为了克服现有填料存在气液横向流动，结构复杂，生产能力和使用范围受限制的缺点，本发明提出一种消除了气液横向流动、结构简单的竖式波纹填料。

本发明的竖式波纹填料，包含波纹片、连杆和衬套，竖直平行排列的波纹方向相同的波纹片被连杆连为一整体，衬套将各块波纹片隔离成一定的距离，或可将衬套与波纹片作成一件整体，波纹片间距满足下行液流和上升气流在曲折间隙内顺畅通过而不发生堵塞。

按上述技术方案作成的竖式波纹填料，由于波纹片采取竖直、平行、同向排列，因而具有很高的空隙率和液层流动的表面积，液流在波纹片的表面从上往下倾斜流动时，在波峰或波谷处液流方向发生变化，液层的表面不停地被拉长、更新或翻动，同时气流在波纹片之间上升时不断地与倾斜下流的液层表面接触，气液之间有非常充分的相界接触面积和传质效果；十分显然，进入竖直排列的波纹片间隙内的液流和气流几乎没有轴向阻力，也不会产生横向流动，从而完全克服了因横向流动而产生的液相集中沟流和挂壁流动的现象，避免了液泛现象的提前发生。因而本发明的竖式波纹填料具有优良的传质性能和很强的生产能力，适用范围广，不仅在减压塔、常压塔、和低压塔，而且在中压塔、高压塔以及液相回流量大的塔中都能充分发挥其优良性能。它还具有结构简单制造容易的优点，竖直排列的波纹片组可以用连杆组合安装在塔壁内，省去了填料的组合焊接和支撑架，既方便操作，又节省投资。本发明的竖式波纹填料，既可以设置在本发明【方案一】所述的对流式塔板上面或下面，组成性能优良的对流式复合填料塔；也可以独立使用，或与现有技术中的塔内件结合使用形成具有竖式波纹填料特征的塔设备。

下面结合附图，说明本发明的实施例。

图3是本发明的竖式波纹填料结构示意图。

如图所示，设置在塔壁2内的竖式波纹填料由波纹片43、连杆41和衬套42组成，竖直排列的波纹方向相同的波纹片43被连杆41连为一整体，衬套42将各块波纹片43隔离成一定的距离，波纹片间距满足下行液流和上升气流在曲折间隙内顺畅通过而不发生堵塞。工作时，从上部均匀分布淋降下来的液流进入竖直排列的各块波纹片之间隙，沿着波纹各片的表面曲折往下流动，气流在各波纹片之间上升，不断地与倾斜下流的液层表面接触，实现气液传质。

【方案三】一种对流式萃取塔。

用于液一液萃取的转盘塔具有结构简单、操作稳定、处理能力大和分离效率较高等特点，因此得到了广泛应用。但是，对一些生产装置的实际标定表明，转盘塔的精制效果仅相当于3～4个理论级，而且普遍存在转盘塔转与不转都效果一样的问题。简言之，转盘塔存在传质效率不高的问题。我们知道，转盘塔工作时，转盘的旋转带动塔内轻重两种液相一同旋转回流，塔设备输入的转动能量变成了塔内液体回流的动能，整体回流旋转着的两种液相之间的相对移动很少发生，相互混合十分微弱，所以转盘塔的传质效率不高。还须指出，转盘塔工作时，液柱在塔内的旋转是持续不断的，它一方面对两相混合传质没有多大效果，另一方面却阻碍着已完成传质并已分散的两相重新聚结实现分离，因而，容易在塔顶排出液中夹带重相、在塔底排出液中夹带轻相，不利于溶剂之回收和提高效率。

为缓解转盘塔设备大型化后传质效率急剧下降的问题，随着近年来新型填料的发展，通量大而污染低的填料萃取塔应用日趋广泛。但在新型填料萃取塔推广应用过程中发现，一些用于精馏过程性能优良的新型填料，在用于液-液萃取过程中性能不理想。其根本原因还在于现有各种填料存在有结构缺陷所致。如前所述，现有各种填料都存在一定的轴向流动阻力和横向间隙，因而使其在液-液萃取塔中的传质效果更不理想。因为液液传质时，使不同液相之间相对移动相互混合的作用力是因密度差而引起的浮力，液相之间的密度差很小，浮力十分微弱，上升的轻相和下沉的重相遇有轴向阻力便停止不前，使轻相和重相都於积在横向间隙之中，两相之间的混合和相对移动减弱，因而液-液传质的效率不高。

现有的液-液萃取塔，包括喷雾塔、填料塔、筛板塔、旋转搅拌塔或往复振动塔等，在结构上有一点共同之处，那就是：一相作为连续相，另一相作为分散相，利用分散相穿过连续相而实现传质。在实际工作中，由于表面张力作用，由于流体自然趋向于阻力小的路径流动，分散相将逐渐趋向于汇集成较大的股流，其结果必然减少两相之间的接触面积和传质效果。当塔的直径较大或高度较高时，分散相形成较大股流的趋势更为强烈，传质效率下降也更为明显。这种现象，导致对依据小规模的试验数据，进行工业规模萃取塔的放大设计带来较大的误差。

为了克服现有萃取塔传质效率不高的缺点，本发明提出一种传质效率高的、结构简单的对流式萃取塔。对流式萃取塔包含有塔体、轻相入口、重相入口、轻相出口、重相出口，其特征是：在塔体内设置有若干层对流式塔板，和／或在对流式塔板上面或下面设置竖式波纹填料。对流式塔板的结构特征已在本发明所述【方案一】作过详细说明，竖式波汶填料已在【方案二】中作过详细说明，不在此重复。

为了便于观察和控制对流式萃取塔的工作过程，可在两层对流式塔板之间的塔体上设置观察窗。从观察窗可以看到两种液相的分界面及分散的轻相在连续重相中上浮和分散的重相在连续轻相中下沉的状况，从而对萃取塔的工作过程进行有效的控制。

为了提高萃取塔的操作弹性，在本发明的对流式萃取塔内，用一根或多根带阀门的管道连通被对流式塔板隔开的上下空间。这样形成的对流式萃取塔，如果处理物料的性能发生变化；或者温度压力等操作条件发生变化；或者生产流量和溶剂比发生变化，只须适当调整阀门的开度；即可调整两层塔板之间的液流通道的过流面积，从而可控制两种液相分界面的高度，使各层塔板之间的空间内都能分别独立地充分地完成液-液萃取过程

为了适应萃取塔的大型化和难萃体系的生产要求，也为了提高传质效率和减少塔的高度，可在两层塔板之间设置板间混合器，混合器设置在塔壁外侧或塔壁内，混合器的进液口与板间最高位置的轻相和最低位置的重相连通，混合器的出液口也与同一板间连通，混合器可以是类似于管道混合器的静态混合器或其它形式的混合器。

依据上述方案制造的对流式萃取塔，由于采用了对流式塔板和板间混合器，充分利用了因密度差而产生的浮力，使轻重两种液相能以最佳的分散状态平稳地进行相互对流，在相互对流中同时完成传质和分离；在塔板上方轻相作为分散相进入连续的重相；在塔板的下方重相又作为分散相进入连续的轻相，不存在分散相变成股流的问题；因此对工业萃取塔的放大设计误差很小，而且板间混合器可将该板间的传质效率提高到接近100％的程度，这对于设备大型化和减少塔的高度十分有利。

下面结合附图，说明本发明实施例。

图4是本发明的对流式萃取塔局部结构示意图。

如图4所示，在塔壁2内，水平设置均布筛孔的塔板5，上部钻有孔洞的降液管3穿过并固定在塔板5上，降液管3下部有间隙地插入液封槽8，液封槽8的上边缘与水平设置的均布小孔的淋液盘6连为一整体，降液管3上部设有防止液流直接进入的帽罩1，在淋液盘6下面水平设置均布小孔的分散盘10，观察窗66设置在塔壁上，带阀门67的管道68连通被塔板5隔开的上下空间，混合器63设置在塔壁外，65表示轻重两相的工作界面，61和64表示进入混合器63的轻相和重相路径，62表示混合后进入板间的混合液路径。工作时，轻相从塔底进入后在塔内上升，重相从塔顶进入后，在塔内下降；重相在相界面65之下形成连续相并从降液管3上部孔洞或顶部流入，从液封槽8间隙流出后径淋液盘6孔洞以分数相均布淋下，或者经过分散盘10再流入下一层塔板；轻相则在相界面65之上形成连续相，并在浮力作用下穿过塔板5孔洞以分散相进入上一层塔板，在轻重两相的相对流动中实现接触传质。板间混合器63吸入轻相61和重相64，经适当混合后的混合液62排回到塔内的同一空间，根据连续性原理，在这同一空间内没有流量波动和压力扰动，排回去的混合液62因密度差而发生自然沉降分离：重相沉入底部并通过降液管3而流入下一层空间，轻相浮向上部并穿过塔板5的筛孔而进入上一层空间。

对附图的集中说明：

图1是本发明的对流式塔板结构示意图。

图2是本发明的盘式浮阀投影图，下图是俯视图，上图是下图的剖面图。

图3是本发明的竖式波纹填料结构示意图。

图4是本发明的对流式萃取塔局部结构示意图。

Claims (9)

1．一种对流式塔板，包含有塔板[5]、降液管[3]、淋液盘[6]和液封槽[8]，塔板上均布筛孔并水平固定在塔壁[2]内，其特征在于，塔板上设置有一根或多根降液管[3]，降液管为矩形或圆形或椭圆形的管道，其上端穿过并固定在塔板上，穿过部分或可钻有若干孔洞，其下端有间隙地插入液封槽[8]内，液封槽的底部或可钻有孔洞，液封槽的上边缘与水平设置在塔板下面的均布小孔的淋液盘[6]连为一整体，在降液管上部或可设置防止液流直接进入的帽罩[1]；塔板[5]上或可设置若干个浮阀[9]，浮阀满足使浮阀浮动起来的气体压力低于使气体穿过液封层从降液管内往上升的气体压力；塔板[5]下面或可水平设置均布筛孔的分散盘[10]，或者水平设置一层或数层网孔板[11]。

2．如权利要求1所述的对流式塔板，其特征是塔板上的浮阀[9]采用盘式浮阀，盘式浮阀设置在有气流通道[23]的对流式塔板[5]上，它包含有阀片[22]和卡柱[21]，阀片呈圆盘形或其它形状，阀片上或可钻有若干个适于气流穿过的小孔，卡柱固定在塔板上同时将阀片卡住、使阀片只能在设定的间隙内上下浮动。

3．如权利要求1所述的对流式塔板，其特征是在对流式塔板上面或下面设置填料[12]，填料可以是现有技术中的各种散堆填料或规整填料，也可以是一种具有优良传质性能的新型填料。

4．一种竖式波纹填料，包含波纹片[43]、连杆[41]和衬套[42]，其特征在于，竖直平行排列的波纹方向相同的波纹片被连杆连为一整体，衬套将各块波纹片隔离成一定的距离，或可将衬套与波纹片作成一件整体，波纹片间距满足下行液流和上升气流在曲折间隙内顺畅通过而不发生堵塞。

5．如权利要求3所述的对流式塔板，其特征是在对流式塔板上面或下面设置的填料[12]为权利要求4所述的竖式波纹填料。

6．一种对流式萃取塔，包含有塔体、轻相入口、重相入口、轻相出口、重相出口，其特征是：在塔体内设置有若干层如权利要求1、或2、或3、或5所述的对流式塔板。

7．如权利要求6所述的对流式萃取塔，其特征是在两层对流式塔板之间的塔体上设置观察窗[66]。

8．如权利要求6所述的对流式萃取塔，其特征在于，用一根或多根带阀门[67]的管道[68]连通被对流式塔板[5]隔开的上下空间。

9．如权利要求6或7或8所述的对流式萃取塔，其特征是在两层塔板之间设置板间混合器[63]，混合器设置在塔壁[2]外侧或塔壁内，混合器的进液口与板间最高位置的轻相和最低位置的重相连通，混合器的出液口也与同一板间连通，混合器可以是类似于管道混合器的静态混合器或其它形式的混合器。

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