新型垂直篩板塔（New-VST）技術的開發與研究進展
作者/來源:天津衡創工大現代塔器技術有限公司 日期:2012-05-21 點擊量:1053
介紹新型垂直篩板塔（New-VST）的結構與操作原理，剖析了該技術的優異性能，展現了該塔在氮肥、氯堿、制藥、石油化工等行業的廣闊應用前景。
關鍵詞：新型垂直篩板塔 壓力降 帽罩 效率
1 新型垂直篩板塔（New VST）結構與操作原理簡述
1.1 結構
從塔盤板、降液裝置來看，New VST與浮閥、篩板、泡罩并無不同，其主要結構特點在于New VST具有圖1示的帽罩，即在塔板上開圓孔，對應每一個圓孔，同心安裝有帽罩。帽罩可以是如圖1的圓柱形，也可以是方形、矩形、梯形、錐體形、半圓柱形等，本文以圓柱形帽罩為典型實例作介紹。這類帽罩的直徑為60~250mm，高為160~250mm，在帽罩開有圓形孔或柵條縫（稱為霧沫分離孔）。霧沫分離孔為圓形的稱為S型，為柵條縫的稱為C型。根據操作物料的變化及操作條件的不同可以采用不同結構尺寸的罩帽，制作帽罩的材質可采用碳鋼、不銹鋼等。還應指出，這種帽罩對應的板開孔處并不象泡罩那樣具有升氣管。
1.2 氣液流動接觸狀態
New VST氣液流動接觸狀態如圖2所示。來自上一層塔板的液體從降液管流出，橫向穿過各排帽罩，經帽罩底部縫隙流入罩內（日本三井造船株式會社提出的流動機理認為：從下一層塔板上升的氣體由板孔進入帽罩，氣體通過板孔時縮流加速，能量轉化，使板孔附近的靜壓強降低，以致使帽罩與塔板之間的縫隙內外兩側產生壓差，板上液體被吸進帽罩），并與高速氣流接觸后，改變方向呈環狀膜向上運動，極不穩定的液膜被高速氣流破碎成液滴（據測定在常壓的空氣-水系統中較低的負荷時，液滴直徑在0.5~5mm之間），帽罩內氣液兩相處于湍流狀態，進行激烈的熱質交換，而后兩相流從罩壁小孔沿水平方向噴射而出，氣相升至上一層塔盤板，液相落入原塔盤板，一部分又被吸入帽罩進行再次循環，另一部分隨板上液流進入下排帽罩，最后通過溢流堰和降液管流入下一層塔板。液體流進和流出帽罩情況如圖3所示。
我們的實驗結果表明，上述氣液接觸原理的描述，應作如下的修正與充實完善：
（1）液體從塔盤上經帽罩底隙進入帽罩中并非是氣體通過板孔縮流減壓“吸入”，而是靠液層的靜壓頭，通過反復測定表明，帽罩底隙內側的壓力比罩外相應位置的壓力來得高而不是低，所以認定不是靠氣相壓差“吸入”，而是靠板上液層壓頭“壓入”的。
（2）關于New VST帽罩內外的操作狀態，經過較詳盡的觀察研究認定：New VST帽罩中氣體所提拉的液膜并非是均勻厚度的圓環膜，而是厚薄不均，很不穩定，近似呈“窩頭”狀膜的厚度與高度隨氣速變化而變化，氣速增加膜變薄，且易破碎，因而在氣相中分散得更好。
（3）New VST上的氣液流動接觸狀況我們將它分成連續的四段，即①托液拉膜段；②破膜粉碎段；③氣液噴射段；④氣液分離段。這四段都是氣液傳質過程，但主要傳質發生在第③④段，且以第④更重要。③④段傳質作用的好壞首先取決于①②段，即液體被提升的量及被破碎的程度。實驗數據證明New VST板間空間（即上述第④段）確實為重要傳質區。
2 New-VST的主要技術特點
2.1傳質效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩內液、氣比大,液相在氣相中分散較好,特別是氣液混合物撞擊分離板后改變方向或折返,使液膜不斷破碎、更新,氣液接觸混合非常激烈,對于噴射段,由于液體經噴射分散度更高,顆粒更小,使氣液接觸面積增大,研究證明這一階段不僅是液滴的沉降，傳質作用仍在進行,罩內外基本上都是有效傳質區域,塔板空間都得到充分利用。因此傳質、傳熱過程比浮閥內進行的充分、完全，所以可達到總的塔板傳質效率比浮閥高出10%以上的效果。
2.2處理能力大
New-VST 塔板,由于帽罩的特殊結構,氣體離開帽罩呈水平或向下方向噴出,這拉大了氣液分離空間和時間,使氣體霧沫夾帶的可能性大為降低,這使塔板氣體通道的板孔開孔率可大幅提高,一般可達20%～30%。而在開孔率相同時可允許操作氣速比一般塔板高出1.5-2.0倍,仍能將氣體霧沫夾帶限定在允許范圍以內。
其次,氣體攜帶液體并流進入帽罩,而不是像浮閥等塔板氣體穿過板上液層,因而使塔板流動的液體基本上為不含氣體的清液,故降液管液泛的可能性大為降低,即同樣截面積的降液管,液體通過能力也可提高近一倍,所以對于擴產改造項目,保留原塔體,只需更換成新型塔板就可將塔的處理量提高50%以上。
2.3抗堵塞能力強
由于塔板板孔較大且無活動部件,一般不易被較臟或粘性物料堵塞。另外,氣液是在噴射狀態下離開帽罩的,氣速較高,對罩孔本身有較強的自沖洗能力。物流中含有的顆粒、聚合物、污垢等雜質難以在罩孔聚集并堵塞罩孔。
2.4阻力降低
New-VST塔板氣體并不穿過板上液層,只需克服被氣體提升的那部分液體的重力,所以造成的壓降要小,圖2 給出了New-VST與F1浮閥塔板壓力降比較,由圖看出:New-VST塔板壓降Hw在低負荷時與F1型浮閥相當,高負荷時比F1浮閥低20%～30%,且負荷愈大,壓降低的愈多。
1- New-VST; 2-F1浮閥
圖 2 New-VST與F1浮閥塔板壓降比較
2.5操作彈性好
New-VST塔板操作下限與浮閥、篩板塔一樣,為漏液控制,但是由于New-VST分離板的作用,使霧沫夾帶量很少,大大低于浮閥,表1是塔徑為600mm,板間距350mm,開孔率10%的情況下,當取霧沫夾帶量ev=0.1kg液/kg氣時,對New-VST 和F1浮閥作不同負荷氣體動能因子 F 0 對比實驗,結果見表1:
表 1 操作彈性比較
表中數據說明,霧沫夾帶量ev和漏液量eL均為0.1的條件下,雖然F1浮閥有適應負荷變化的活動閥片,但New-VST操作彈性仍稍高于F1浮閥。
3 結束語
新型垂直篩板塔盤自開發以來，經過多次改進，實踐證明，這種塔盤的物沫夾帶量很少， 當氣速數倍于普通塔盤時，也不發生液泛。塔盤效率、壓力降和操作范圍幾乎不受氣液負荷的影響；即使氣液量很少時，仍然具有穩定的效能。因此，新型垂直篩板的性能接近于理想塔盤。新型垂直篩板塔盤上的流動時三維的，空間利用得最充分。因此，塔盤間距通�？蔀�300～400mm。
新型垂直篩板（New VST）是世界上第三代（最新一代）板式塔技術之一，與目前常用的板式塔（浮閥、篩板、泡罩塔）具有根本不同的操作狀態，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優異性能。
新型垂直篩板塔盤被認為是具有劃時代意義的塔型，通過以上分析，也可看到塔盤發展、改進的一些趨向。
關鍵詞：新型垂直篩板塔 壓力降 帽罩 效率
1 新型垂直篩板塔（New VST）結構與操作原理簡述
1.1 結構
從塔盤板、降液裝置來看，New VST與浮閥、篩板、泡罩并無不同，其主要結構特點在于New VST具有圖1示的帽罩，即在塔板上開圓孔，對應每一個圓孔，同心安裝有帽罩。帽罩可以是如圖1的圓柱形，也可以是方形、矩形、梯形、錐體形、半圓柱形等，本文以圓柱形帽罩為典型實例作介紹。這類帽罩的直徑為60~250mm，高為160~250mm，在帽罩開有圓形孔或柵條縫（稱為霧沫分離孔）。霧沫分離孔為圓形的稱為S型，為柵條縫的稱為C型。根據操作物料的變化及操作條件的不同可以采用不同結構尺寸的罩帽，制作帽罩的材質可采用碳鋼、不銹鋼等。還應指出，這種帽罩對應的板開孔處并不象泡罩那樣具有升氣管。
1.2 氣液流動接觸狀態
New VST氣液流動接觸狀態如圖2所示。來自上一層塔板的液體從降液管流出，橫向穿過各排帽罩，經帽罩底部縫隙流入罩內（日本三井造船株式會社提出的流動機理認為：從下一層塔板上升的氣體由板孔進入帽罩，氣體通過板孔時縮流加速，能量轉化，使板孔附近的靜壓強降低，以致使帽罩與塔板之間的縫隙內外兩側產生壓差，板上液體被吸進帽罩），并與高速氣流接觸后，改變方向呈環狀膜向上運動，極不穩定的液膜被高速氣流破碎成液滴（據測定在常壓的空氣-水系統中較低的負荷時，液滴直徑在0.5~5mm之間），帽罩內氣液兩相處于湍流狀態，進行激烈的熱質交換，而后兩相流從罩壁小孔沿水平方向噴射而出，氣相升至上一層塔盤板，液相落入原塔盤板，一部分又被吸入帽罩進行再次循環，另一部分隨板上液流進入下排帽罩，最后通過溢流堰和降液管流入下一層塔板。液體流進和流出帽罩情況如圖3所示。
我們的實驗結果表明，上述氣液接觸原理的描述，應作如下的修正與充實完善：
（1）液體從塔盤上經帽罩底隙進入帽罩中并非是氣體通過板孔縮流減壓“吸入”，而是靠液層的靜壓頭，通過反復測定表明，帽罩底隙內側的壓力比罩外相應位置的壓力來得高而不是低，所以認定不是靠氣相壓差“吸入”，而是靠板上液層壓頭“壓入”的。
（2）關于New VST帽罩內外的操作狀態，經過較詳盡的觀察研究認定：New VST帽罩中氣體所提拉的液膜并非是均勻厚度的圓環膜，而是厚薄不均，很不穩定，近似呈“窩頭”狀膜的厚度與高度隨氣速變化而變化，氣速增加膜變薄，且易破碎，因而在氣相中分散得更好。
（3）New VST上的氣液流動接觸狀況我們將它分成連續的四段，即①托液拉膜段；②破膜粉碎段；③氣液噴射段；④氣液分離段。這四段都是氣液傳質過程，但主要傳質發生在第③④段，且以第④更重要。③④段傳質作用的好壞首先取決于①②段，即液體被提升的量及被破碎的程度。實驗數據證明New VST板間空間（即上述第④段）確實為重要傳質區。
2 New-VST的主要技術特點
2.1傳質效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩內液、氣比大,液相在氣相中分散較好,特別是氣液混合物撞擊分離板后改變方向或折返,使液膜不斷破碎、更新,氣液接觸混合非常激烈,對于噴射段,由于液體經噴射分散度更高,顆粒更小,使氣液接觸面積增大,研究證明這一階段不僅是液滴的沉降，傳質作用仍在進行,罩內外基本上都是有效傳質區域,塔板空間都得到充分利用。因此傳質、傳熱過程比浮閥內進行的充分、完全，所以可達到總的塔板傳質效率比浮閥高出10%以上的效果。
2.2處理能力大
New-VST 塔板,由于帽罩的特殊結構,氣體離開帽罩呈水平或向下方向噴出,這拉大了氣液分離空間和時間,使氣體霧沫夾帶的可能性大為降低,這使塔板氣體通道的板孔開孔率可大幅提高,一般可達20%～30%。而在開孔率相同時可允許操作氣速比一般塔板高出1.5-2.0倍,仍能將氣體霧沫夾帶限定在允許范圍以內。
其次,氣體攜帶液體并流進入帽罩,而不是像浮閥等塔板氣體穿過板上液層,因而使塔板流動的液體基本上為不含氣體的清液,故降液管液泛的可能性大為降低,即同樣截面積的降液管,液體通過能力也可提高近一倍,所以對于擴產改造項目,保留原塔體,只需更換成新型塔板就可將塔的處理量提高50%以上。
2.3抗堵塞能力強
由于塔板板孔較大且無活動部件,一般不易被較臟或粘性物料堵塞。另外,氣液是在噴射狀態下離開帽罩的,氣速較高,對罩孔本身有較強的自沖洗能力。物流中含有的顆粒、聚合物、污垢等雜質難以在罩孔聚集并堵塞罩孔。
2.4阻力降低
New-VST塔板氣體并不穿過板上液層,只需克服被氣體提升的那部分液體的重力,所以造成的壓降要小,圖2 給出了New-VST與F1浮閥塔板壓力降比較,由圖看出:New-VST塔板壓降Hw在低負荷時與F1型浮閥相當,高負荷時比F1浮閥低20%～30%,且負荷愈大,壓降低的愈多。
1- New-VST; 2-F1浮閥
圖 2 New-VST與F1浮閥塔板壓降比較
2.5操作彈性好
New-VST塔板操作下限與浮閥、篩板塔一樣,為漏液控制,但是由于New-VST分離板的作用,使霧沫夾帶量很少,大大低于浮閥,表1是塔徑為600mm,板間距350mm,開孔率10%的情況下,當取霧沫夾帶量ev=0.1kg液/kg氣時,對New-VST 和F1浮閥作不同負荷氣體動能因子 F 0 對比實驗,結果見表1:
表 1 操作彈性比較
| 項 目 | New-VST | F1浮閥 |
|
氣速操作 ev Kg液/Kg氣 上限 F 0(上) m/s(kg/m3) 1/2 |
0.1 18.9 |
0.1 13.2 |
|
氣速操作 eL kg液/kg液 下限 F 0(下) m/s(kg/m3) 1/2 |
0.1 4.6—6.2 |
0.1 3.5—4.5 |
| 操 作 彈 性 F 0(上) /F 0(下) | 3.0—4.1 | 2.9—3.8 |
表中數據說明,霧沫夾帶量ev和漏液量eL均為0.1的條件下,雖然F1浮閥有適應負荷變化的活動閥片,但New-VST操作彈性仍稍高于F1浮閥。
3 結束語
新型垂直篩板塔盤自開發以來，經過多次改進，實踐證明，這種塔盤的物沫夾帶量很少， 當氣速數倍于普通塔盤時，也不發生液泛。塔盤效率、壓力降和操作范圍幾乎不受氣液負荷的影響；即使氣液量很少時，仍然具有穩定的效能。因此，新型垂直篩板的性能接近于理想塔盤。新型垂直篩板塔盤上的流動時三維的，空間利用得最充分。因此，塔盤間距通�？蔀�300～400mm。
新型垂直篩板（New VST）是世界上第三代（最新一代）板式塔技術之一，與目前常用的板式塔（浮閥、篩板、泡罩塔）具有根本不同的操作狀態，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優異性能。
新型垂直篩板塔盤被認為是具有劃時代意義的塔型，通過以上分析，也可看到塔盤發展、改進的一些趨向。