對流式塔板的製作方法
2023-07-31 04:52:01
專利名稱：對流式塔板的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種用於煉油、化工、輕工、石油化工、溼法冶金及環保等領域的蒸餾、吸收、解吸、萃取、洗滌和汽提等塔設備的重要分離元件。
板式塔在工業上有著廣泛的應用，近年來發展較快、應用較多的導向浮閥塔板和網孔塔板等，在提高塔的傳質效率和生產能力方面有了很大進步，因而得到廣泛應用和推廣。中國專利CN1194879公布了一種《矩形懸掛降液管導流塔板》，其特徵在於在降液管底孔對應的塔板位置上加裝導流板和導流孔，且相鄰兩板的降液管互成90°排列。上述塔板在結構上共同之處是每兩層塔板之間用降液管連通，工作時，上層塔板上的液流通過降液管流到下層塔板上，氣體則穿過塔板孔隙從液層中鼓泡上升。這就存在兩個問題，一是在兩層塔板之間氣體上升並未與下行液體接觸，氣液兩相之間沒有發生傳質，浪費了塔的內部空間和高度，使設備未能充分發揮效能；二是當塔內氣相負何增大時，上升氣流使塔板上鼓泡發展為泡沫夾帶或霧沫夾帶，使塔板上的液體成為氣液乳狀物，其密度大為降低，其在降液管內的靜壓力降低，加之氣壓升高，達一定程度時，氣液乳狀物便不能下行，也就是說因塔板上產生的泡沫夾帶或霧沫夾帶未能得到抑制，因而限制了板式塔的生產能力。中國專利CN1204543A公開了一種《全有效區錯流塔板》，其主要特徵是在傳統塔板的降液槽內安裝並流噴射傳質單元或垂直篩板的帽罩，充分利用整個塔板，使降液槽也成為傳質有效區域．這種結構的塔板，由於「提出了對降液槽內混合後的液體通過液體分布盤進行分布」，這對於提高塔板的傳質效率有明顯的效果．但是它在結構上存在如下問題該塔板上的液體下行是從導液孔流出的，流出量的大小由導液孔的開孔率確定，當液相負荷較低時，降液槽內液層過薄，容易出現漏液幹塔現象；當液相負荷增大時，塔板上液層厚度就會逐漸增加，到一定程度時可能出現液泛。如果將導液孔開孔率設計較小，可能因液滿而液泛，如果將開孔率設計較大，又可能因漏液而幹塔一這就是通過一定開孔率實現降液的塔板所共有的缺陷。
本發明的目的是為了克服現有塔板的不足，提高塔設備的傳質效率和生產能力，提出一種不僅氣體穿過塔板孔隙鼓泡傳質，而且在兩層塔板之間，均勻淋降的液流與連續上升的氣流接觸傳質的氣液對流式塔板。為了更好地實現這個目的，依據本發明的技術構思還提出一種豎式波紋填料和一種對流式萃取塔。為了清楚明白地說明本發明的內容，下面分三個方案分別敘述各項發明的具體內容。
方案一一種對流式塔板，包含有塔板、降液管、淋液盤和液封槽，塔板上均布篩孔並水平固定在塔壁內，塔板上設置有一根或多根降液管，降液管為矩形或圓形或橢圓形的管道，其上端穿過並固定在塔板上，穿過部分或可鑽有若干孔洞，其下端有間隙地插入液封槽內，液封槽的底部或可鑽有孔洞，液封槽的上邊緣與水平設置在塔板下面的均布小孔的淋液盤連為一整體，在降液管上部或可設置防止液流直接進入的帽罩。塔板上或可設置若干個浮閥，浮閥滿足使浮閥浮動起來的氣體壓力低於使氣體穿過液封層從降液管內往上升的氣體壓力；塔板下面或可水平設置均布篩孔的分散盤，或者水平設置一層或數層網孔板。
為提高塔的生產能力，本發明提出一種可靈活浮動、結構簡單的盤式浮閥。盤式浮閥設置在有氣流通道的對流式塔板上，它包含有閥片和卡柱，閥片呈圓盤形或其它形狀，閥片上或可鑽有若干個適於氣流穿過的的小孔，卡柱固定在塔板上同時將閥片卡住、使閥片只能在設定的間隙內上下浮動。這樣形成的盤式浮閥，上下浮動的摩擦阻力很小，選用適合於工作介質要求的材質作成閥片時的自身重量很輕，使閥片浮升起來的力較小而且穩定。當其工作時，隨著氣速的增大，氣體壓力升高到設定值時，能準確地將閥片浮升起來，浮升後閥片與塔板之間的間隙讓氣流通過，避免了氣體壓力升高，從而也避免了液泛現象的發生。適當設計閥片的形狀、大小、數量及浮升間隙，可使盤式浮閥塔板具有很高的生產能力和操作彈性。
為了強化傳質，減少壓力降，提高塔的生產能力，縮短塔的尺寸高度，滿足某些物料的分離要求，在本發明的對流式塔板上面或下面設置填料，填料可以是現有技術中的各種散堆填料或規整填料，也可以是一種具有優良傳質性能的新型填料。但是，現有技術中的填料存在種種缺點，為了更好地發揮本發明的對流式塔板與填料複合使用時的效果，本發明還將在[方案二]中提出一種豎式波紋填料。
本發明的對流式塔板與以往的塔板相比具有以下明顯的優點1．塔板的操作彈性顯著提高。由於降液管的通過量及分布可任意設定並插入液封槽一定的深度，因此，液相負荷或大或小，均不易出現氣流從降液管內上升或塔板上漏液的現象。
2．氣體通量大，塔板壓降小，塔板上鼓泡傳質效率高。由於塔板上無受液區，傳質面積可增大10～20％；降液管可設置在塔板任何位置，減小了液體返混，有利於傳質；而且塔板上設置的浮閥滿足使浮閥浮動起來的氣體壓力低於使氣體穿過液封層從降液管內往上升的氣體壓力，因此它不易出現霧沫夾帶或液泛現象。
3．由於本發明改變了傳統塔板的降液方式，下行液體從降液管、液封槽進入淋液盤，從淋液盤上均布的小孔淋降下行，與連續上升的氣流充分接觸，同時捕集和消除被上升氣體夾帶的泡沫和霧沫。充分利用了塔的內部空間，提高了塔的傳質效率和生產能力。
4．現有技術中的塔板具有傳質功能，但不能分布液流；現有的液體分布器，只能分布液流不能實現傳質；現有的氣體分布器也只能分布氣流不能實現傳質；本發明的對流式塔板既具有優良的傳質性能，又具有均勻分布液流和氣體的作用，所以將其構成對流式塔板一填料複合塔時，可省去液體分布器和氣體分布器等，簡化了塔設備的構造。
5．結構簡單，便於製作，便於安裝。
本發明的具體實施方案參照附圖，詳細說明如下
圖1是本發明的對流式塔板結構示意圖。
如圖1所示，塔板5均布篩孔並水平固定在塔壁2內，降液管3穿過並固定在塔板5上，穿過部分鑽有若干孔洞，其下端有間隙地插入液封槽8內，液封槽8的上邊緣與水平設置的均布小孔的淋液盤6連為一整體，降液管3上部設有防止液流直接進入的帽罩1，4表示上升氣流，7表示下行液流。浮閥9設置在塔板5上，在對流式塔板下面設置分散盤10，網孔板11和填料層12。塔工作時，積存在塔板5上的液體從降液管3上部孔洞或頂部進入，從降管3內流下，經液封槽8流出後進到淋液盤6內，再從小孔流下形成淋液7，然後通過分散盤10，網孔板11對淋液再分散後進入填料層12；穿過填料層12後落到下一層塔板上；與此同時，上升氣流與下行的淋液進行接觸傳質，然後氣流穿過塔板5上的孔隙或浮閥間隙在液層中鼓泡傳質並形成均布上升的氣流4。
圖2是本發明的盤式浮閥投影圖，下圖是俯視圖，上圖是下圖的剖面圖。
如圖2所示，盤式浮閥均勻設置在有氣流通道23的塔板5上，圓盤形的閥片22上或可鑽有若干小孔，卡柱21固定在塔板5上同時將閥片22卡住，使閥片22隻能在卡柱21的間隙內上下浮動。工作時，當氣速較低時，閥片22蓋住塔板5上的氣流通道23，上升氣流穿過小孔鼓泡上行；當氣速增大時，閥片22浮升起來，上升氣流還穿過閥片的浮升間隙而鼓泡上行，使塔內氣體壓力不改繼續升高。
方案二一種豎式波紋填料。
在現有技術中，填料作為塔的內件已有了很大的發展，例如，中國專利CN2300448公開了一種波紋規整填料，它是在現有波紋填料的波峰或／和波谷上設有使相鄰波紋片的波峰或波谷能夠嵌入其中的切口，嵌入後切口與波峰或波谷之間仍有一定間隙，若干波紋片彼此鑲嵌為一體，鑲嵌後的波紋填料，能使介質在流動過程中形成脈動流動，產生湍流增強徑向擴散。這些填料在低壓塔、常壓塔或減壓塔中應用比較成功，但在中高壓塔或液相回流量較大的塔時，使用效果並不理想。其根本原因在於這些填料存在氣液軸向流動的阻力和橫向流動的間隙，使液體或氣體產生橫向流動；在橫向流動中液體在溝槽低處流，氣體往溝槽空間高處走，它們之間沒有混合的動力，不易產生所謂的橫向混合(即經向擴散)的效果，只會在重力和液體的表面張力作用下趨於分離，其結果使下行液體逐漸匯集形成較大股的溝流，在壁面上液流的阻力最小，液體流到塔壁後順壁面往下流，形成所謂的掛壁流動。這種現象大大減少了上升氣體與下行液體接觸的表面積，削弱了氣液傳質的效果。在中高壓塔的場合，塔內液相回流量比較大，下行液流在填料內橫向流動所形成的溝流或掛壁流動的現象更為嚴重，所以傳質分離效果不理想。還須指出，隨著流量的增大，當橫向流動中的氣體和液體滯流量積聚到一定程度時，氣體上升的阻力和液體下行的阻力就急劇增大，為了避免發生液泛，填料塔只能控制在較小的流量範圍內工作，限制了它的生產能力。
為了克服現有填料存在氣液橫向流動，結構複雜，生產能力和使用範圍受限制的缺點，本發明提出一種消除了氣液橫向流動、結構簡單的豎式波紋填料。
本發明的豎式波紋填料，包含波紋片、連杆和襯套，豎直平行排列的波紋方向相同的波紋片被連杆連為一整體，襯套將各塊波紋片隔離成一定的距離，或可將襯套與波紋片作成一件整體，波紋片間距滿足下行液流和上升氣流在曲折間隙內順暢通過而不發生堵塞。
按上述技術方案作成的豎式波紋填料，由于波紋片採取豎直、平行、同向排列，因而具有很高的空隙率和液層流動的表面積，液流在波紋片的表面從上往下傾斜流動時，在波峰或波谷處液流方向發生變化，液層的表面不停地被拉長、更新或翻動，同時氣流在波紋片之間上升時不斷地與傾斜下流的液層表面接觸，氣液之間有非常充分的相界接觸面積和傳質效果；十分顯然，進入豎直排列的波紋片間隙內的液流和氣流幾乎沒有軸向阻力，也不會產生橫向流動，從而完全克服了因橫向流動而產生的液相集中溝流和掛壁流動的現象，避免了液泛現象的提前發生。因而本發明的豎式波紋填料具有優良的傳質性能和很強的生產能力，適用範圍廣，不僅在減壓塔、常壓塔、和低壓塔，而且在中壓塔、高壓塔以及液相回流量大的塔中都能充分發揮其優良性能。它還具有結構簡單製造容易的優點，豎直排列的波紋片組可以用連杆組合安裝在塔壁內，省去了填料的組合焊接和支撐架，既方便操作，又節省投資。本發明的豎式波紋填料，既可以設置在本發明方案一所述的對流式塔板上面或下面，組成性能優良的對流式複合填料塔；也可以獨立使用，或與現有技術中的塔內件結合使用形成具有豎式波紋填料特徵的塔設備。
下面結合附圖，說明本發明的實施例。
圖3是本發明的豎式波紋填料結構示意圖。
如圖所示，設置在塔壁2內的豎式波紋填料由波紋片43、連杆41和襯套42組成，豎直排列的波紋方向相同的波紋片43被連杆41連為一整體，襯套42將各塊波紋片43隔離成一定的距離，波紋片間距滿足下行液流和上升氣流在曲折間隙內順暢通過而不發生堵塞。工作時，從上部均勻分布淋降下來的液流進入豎直排列的各塊波紋片之間隙，沿著波紋各片的表面曲折往下流動，氣流在各波紋片之間上升，不斷地與傾斜下流的液層表面接觸，實現氣液傳質。
方案三一種對流式萃取塔。
用於液一液萃取的轉盤塔具有結構簡單、操作穩定、處理能力大和分離效率較高等特點，因此得到了廣泛應用。但是，對一些生產裝置的實際標定表明，轉盤塔的精製效果僅相當於3～4個理論級，而且普遍存在轉盤塔轉與不轉都效果一樣的問題。簡言之，轉盤塔存在傳質效率不高的問題。我們知道，轉盤塔工作時，轉盤的旋轉帶動塔內輕重兩種液相一同旋轉回流，塔設備輸入的轉動能量變成了塔內液體回流的動能，整體回流旋轉著的兩種液相之間的相對移動很少發生，相互混合十分微弱，所以轉盤塔的傳質效率不高。還須指出，轉盤塔工作時，液柱在塔內的旋轉是持續不斷的，它一方面對兩相混合傳質沒有多大效果，另一方面卻阻礙著已完成傳質並已分散的兩相重新聚結實現分離，因而，容易在塔頂排出液中夾帶重相、在塔底排出液中夾帶輕相，不利於溶劑之回收和提高效率。
為緩解轉盤塔設備大型化後傳質效率急劇下降的問題，隨著近年來新型填料的發展，通量大而汙染低的填料萃取塔應用日趨廣泛。但在新型填料萃取塔推廣應用過程中發現，一些用於精餾過程性能優良的新型填料，在用於液-液萃取過程中性能不理想。其根本原因還在於現有各種填料存在有結構缺陷所致。如前所述，現有各種填料都存在一定的軸向流動阻力和橫向間隙，因而使其在液-液萃取塔中的傳質效果更不理想。因為液液傳質時，使不同液相之間相對移動相互混合的作用力是因密度差而引起的浮力，液相之間的密度差很小，浮力十分微弱，上升的輕相和下沉的重相遇有軸向阻力便停止不前，使輕相和重相都於積在橫向間隙之中，兩相之間的混合和相對移動減弱，因而液-液傳質的效率不高。
現有的液-液萃取塔，包括噴霧塔、填料塔、篩板塔、旋轉攪拌塔或往復振動塔等，在結構上有一點共同之處，那就是一相作為連續相，另一相作為分散相，利用分散相穿過連續相而實現傳質。在實際工作中，由於表面張力作用，由於流體自然趨向於阻力小的路徑流動，分散相將逐漸趨向於匯集成較大的股流，其結果必然減少兩相之間的接觸面積和傳質效果。當塔的直徑較大或高度較高時，分散相形成較大股流的趨勢更為強烈，傳質效率下降也更為明顯。這種現象，導致對依據小規模的試驗數據，進行工業規模萃取塔的放大設計帶來較大的誤差。
為了克服現有萃取塔傳質效率不高的缺點，本發明提出一種傳質效率高的、結構簡單的對流式萃取塔。對流式萃取塔包含有塔體、輕相入口、重相入口、輕相出口、重相出口，其特徵是在塔體內設置有若干層對流式塔板，和／或在對流式塔板上面或下面設置豎式波紋填料。對流式塔板的結構特徵已在本發明所述方案一作過詳細說明，豎式波汶填料已在方案二中作過詳細說明，不在此重複。
為了便於觀察和控制對流式萃取塔的工作過程，可在兩層對流式塔板之間的塔體上設置觀察窗。從觀察窗可以看到兩種液相的分界面及分散的輕相在連續重相中上浮和分散的重相在連續輕相中下沉的狀況，從而對萃取塔的工作過程進行有效的控制。
為了提高萃取塔的操作彈性，在本發明的對流式萃取塔內，用一根或多根帶閥門的管道連通被對流式塔板隔開的上下空間。這樣形成的對流式萃取塔，如果處理物料的性能發生變化；或者溫度壓力等操作條件發生變化；或者生產流量和溶劑比發生變化，只須適當調整閥門的開度；即可調整兩層塔板之間的液流通道的過流面積，從而可控制兩種液相分界面的高度，使各層塔板之間的空間內都能分別獨立地充分地完成液-液萃取過程為了適應萃取塔的大型化和難萃體系的生產要求，也為了提高傳質效率和減少塔的高度，可在兩層塔板之間設置板間混合器，混合器設置在塔壁外側或塔壁內，混合器的進液口與板間最高位置的輕相和最低位置的重相連通，混合器的出液口也與同一板間連通，混合器可以是類似於管道混合器的靜態混合器或其它形式的混合器。
依據上述方案製造的對流式萃取塔，由於採用了對流式塔板和板間混合器，充分利用了因密度差而產生的浮力，使輕重兩種液相能以最佳的分散狀態平穩地進行相互對流，在相互對流中同時完成傳質和分離；在塔板上方輕相作為分散相進入連續的重相；在塔板的下方重相又作為分散相進入連續的輕相，不存在分散相變成股流的問題；因此對工業萃取塔的放大設計誤差很小，而且板間混合器可將該板間的傳質效率提高到接近100％的程度，這對於設備大型化和減少塔的高度十分有利。
下面結合附圖，說明本發明實施例。
圖4是本發明的對流式萃取塔局部結構示意圖。
如圖4所示，在塔壁2內，水平設置均布篩孔的塔板5，上部鑽有孔洞的降液管3穿過並固定在塔板5上，降液管3下部有間隙地插入液封槽8，液封槽8的上邊緣與水平設置的均布小孔的淋液盤6連為一整體，降液管3上部設有防止液流直接進入的帽罩1，在淋液盤6下面水平設置均布小孔的分散盤10，觀察窗66設置在塔壁上，帶閥門67的管道68連通被塔板5隔開的上下空間，混合器63設置在塔壁外，65表示輕重兩相的工作界面，61和64表示進入混合器63的輕相和重相路徑，62表示混合後進入板間的混合液路徑。工作時，輕相從塔底進入後在塔內上升，重相從塔頂進入後，在塔內下降；重相在相界面65之下形成連續相併從降液管3上部孔洞或頂部流入，從液封槽8間隙流出後徑淋液盤6孔洞以分數相均布淋下，或者經過分散盤10再流入下一層塔板；輕相則在相界面65之上形成連續相，並在浮力作用下穿過塔板5孔洞以分散相進入上一層塔板，在輕重兩相的相對流動中實現接觸傳質。板間混合器63吸入輕相61和重相64，經適當混合後的混合液62排回到塔內的同一空間，根據連續性原理，在這同一空間內沒有流量波動和壓力擾動，排回去的混合液62因密度差而發生自然沉降分離重相沉入底部並通過降液管3而流入下一層空間，輕相浮向上部並穿過塔板5的篩孔而進入上一層空間。
對附圖的集中說明圖1是本發明的對流式塔板結構示意圖。
圖2是本發明的盤式浮閥投影圖，下圖是俯視圖，上圖是下圖的剖面圖。
圖3是本發明的豎式波紋填料結構示意圖。
圖4是本發明的對流式萃取塔局部結構示意圖。
權利要求
1．一種對流式塔板，包含有塔板[5]、降液管[3]、淋液盤[6]和液封槽[8]，塔板上均布篩孔並水平固定在塔壁[2]內，其特徵在於，塔板上設置有一根或多根降液管[3]，降液管為矩形或圓形或橢圓形的管道，其上端穿過並固定在塔板上，穿過部分或可鑽有若干孔洞，其下端有間隙地插入液封槽[8]內，液封槽的底部或可鑽有孔洞，液封槽的上邊緣與水平設置在塔板下面的均布小孔的淋液盤[6]連為一整體，在降液管上部或可設置防止液流直接進入的帽罩[1]；塔板[5]上或可設置若干個浮閥[9]，浮閥滿足使浮閥浮動起來的氣體壓力低於使氣體穿過液封層從降液管內往上升的氣體壓力；塔板[5]下面或可水平設置均布篩孔的分散盤[10]，或者水平設置一層或數層網孔板[11]。
2．如權利要求1所述的對流式塔板，其特徵是塔板上的浮閥[9]採用盤式浮閥，盤式浮閥設置在有氣流通道[23]的對流式塔板[5]上，它包含有閥片[22]和卡柱[21]，閥片呈圓盤形或其它形狀，閥片上或可鑽有若干個適於氣流穿過的小孔，卡柱固定在塔板上同時將閥片卡住、使閥片只能在設定的間隙內上下浮動。
3．如權利要求1所述的對流式塔板，其特徵是在對流式塔板上面或下面設置填料[12]，填料可以是現有技術中的各種散堆填料或規整填料，也可以是一種具有優良傳質性能的新型填料。
4．一種豎式波紋填料，包含波紋片[43]、連杆[41]和襯套[42]，其特徵在於，豎直平行排列的波紋方向相同的波紋片被連杆連為一整體，襯套將各塊波紋片隔離成一定的距離，或可將襯套與波紋片作成一件整體，波紋片間距滿足下行液流和上升氣流在曲折間隙內順暢通過而不發生堵塞。
5．如權利要求3所述的對流式塔板，其特徵是在對流式塔板上面或下面設置的填料[12]為權利要求4所述的豎式波紋填料。
6．一種對流式萃取塔，包含有塔體、輕相入口、重相入口、輕相出口、重相出口，其特徵是在塔體內設置有若干層如權利要求1、或2、或3、或5所述的對流式塔板。
7．如權利要求6所述的對流式萃取塔，其特徵是在兩層對流式塔板之間的塔體上設置觀察窗[66]。
8．如權利要求6所述的對流式萃取塔，其特徵在於，用一根或多根帶閥門[67]的管道[68]連通被對流式塔板[5]隔開的上下空間。
9．如權利要求6或7或8所述的對流式萃取塔，其特徵是在兩層塔板之間設置板間混合器[63]，混合器設置在塔壁[2]外側或塔壁內，混合器的進液口與板間最高位置的輕相和最低位置的重相連通，混合器的出液口也與同一板間連通，混合器可以是類似於管道混合器的靜態混合器或其它形式的混合器。
全文摘要
本發明屬於一種用於煉油、化工、輕工、石油化工、溼法冶金及環保等領域的蒸餾、吸收、解吸、萃取、洗滌和汽提等塔設備的重要分離元件。目的是為了提高塔設備的傳質效率和生產能力,提出一種不僅氣體穿過塔板(5)孔隙鼓泡傳質,而且在兩層塔板之間,通過降液管(3)液封槽(8)、淋液盤(6)均勻淋降的液流(7)與連續上升的氣流(4)接觸傳質的氣液對流式塔板。依據本發明的技術構思還提出一種豎式波紋填料,一種對流式萃取塔。
文檔編號B01D3/22GK1294936SQ0012592
公開日2001年5月16日 申請日期2000年8月29日 優先權日2000年8月29日
發明者羅固事 申請人:羅固事