新型垂直篩板塔（New-VST）技術(shù)的開發(fā)與研究進(jìn)展
作者/來源:天津衡創(chuàng)工大現(xiàn)代塔器技術(shù)有限公司 日期:2012-05-21 點(diǎn)擊量:1060
介紹新型垂直篩板塔（New-VST）的結(jié)構(gòu)與操作原理，剖析了該技術(shù)的優(yōu)異性能，展現(xiàn)了該塔在氮肥、氯堿、制藥、石油化工等行業(yè)的廣闊應(yīng)用前景。
關(guān)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(jié)構(gòu)與操作原理簡(jiǎn)述
1.1 結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于New VST具有圖1示的帽罩，即在塔板上開圓孔，對(duì)應(yīng)每一個(gè)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(shí)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(jù)操作物料的變化及操作條件的不同可以采用不同結(jié)構(gòu)尺寸的罩帽，制作帽罩的材質(zhì)可采用碳鋼、不銹鋼等。還應(yīng)指出，這種帽罩對(duì)應(yīng)的板開孔處并不象泡罩那樣具有升氣管。
1.2 氣液流動(dòng)接觸狀態(tài)
New VST氣液流動(dòng)接觸狀態(tài)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(jīng)帽罩底部縫隙流入罩內(nèi)（日本三井造船株式會(huì)社提出的流動(dòng)機(jī)理認(rèn)為：從下一層塔板上升的氣體由板孔進(jìn)入帽罩，氣體通過板孔時(shí)縮流加速，能量轉(zhuǎn)化，使板孔附近的靜壓強(qiáng)降低，以致使帽罩與塔板之間的縫隙內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生壓差，板上液體被吸進(jìn)帽罩），并與高速氣流接觸后，改變方向呈環(huán)狀膜向上運(yùn)動(dòng)，極不穩(wěn)定的液膜被高速氣流破碎成液滴（據(jù)測(cè)定在常壓的空氣-水系統(tǒng)中較低的負(fù)荷時(shí)，液滴直徑在0.5~5mm之間），帽罩內(nèi)氣液兩相處于湍流狀態(tài)，進(jìn)行激烈的熱質(zhì)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(jìn)行再次循環(huán)，另一部分隨板上液流進(jìn)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(jìn)和流出帽罩情況如圖3所示。
我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述氣液接觸原理的描述，應(yīng)作如下的修正與充實(shí)完善：
（1）液體從塔盤上經(jīng)帽罩底隙進(jìn)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(fù)測(cè)定表明，帽罩底隙內(nèi)側(cè)的壓力比罩外相應(yīng)位置的壓力來得高而不是低，所以認(rèn)定不是靠氣相壓差“吸入”，而是靠板上液層壓頭“壓入”的。
（2）關(guān)于New VST帽罩內(nèi)外的操作狀態(tài)，經(jīng)過較詳盡的觀察研究認(rèn)定：New VST帽罩中氣體所提拉的液膜并非是均勻厚度的圓環(huán)膜，而是厚薄不均，很不穩(wěn)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(dòng)接觸狀況我們將它分成連續(xù)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(zhì)過程，但主要傳質(zhì)發(fā)生在第③④段，且以第④更重要。③④段傳質(zhì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明New VST板間空間（即上述第④段）確實(shí)為重要傳質(zhì)區(qū)。
2 New-VST的主要技術(shù)特點(diǎn)
2.1傳質(zhì)效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩內(nèi)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(duì)于噴射段,由于液體經(jīng)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(zhì)作用仍在進(jìn)行,罩內(nèi)外基本上都是有效傳質(zhì)區(qū)域,塔板空間都得到充分利用。因此傳質(zhì)、傳熱過程比浮閥內(nèi)進(jìn)行的充分、完全，所以可達(dá)到總的塔板傳質(zhì)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(jié)構(gòu),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(shí)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(dá)20%～30%。而在開孔率相同時(shí)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(nèi)。
其次,氣體攜帶液體并流進(jìn)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(dòng)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(duì)于擴(kuò)產(chǎn)改造項(xiàng)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(qiáng)
由于塔板板孔較大且無活動(dòng)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(tài)下離開帽罩的,氣速較高,對(duì)罩孔本身有較強(qiáng)的自沖洗能力。物流中含有的顆粒、聚合物、污垢等雜質(zhì)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(fù)荷時(shí)與F1型浮閥相當(dāng),高負(fù)荷時(shí)比F1浮閥低20%～30%,且負(fù)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(dāng)取霧沫夾帶量ev=0.1kg液/kg氣時(shí),對(duì)New-VST 和F1浮閥作不同負(fù)荷氣體動(dòng)能因子 F 0 對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表1:
表 1 操作彈性比較
表中數(shù)據(jù)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(yīng)負(fù)荷變化的活動(dòng)閥片,但New-VST操作彈性仍稍高于F1浮閥。
3 結(jié)束語(yǔ)
新型垂直篩板塔盤自開發(fā)以來，經(jīng)過多次改進(jìn)，實(shí)踐證明，這種塔盤的物沫夾帶量很少， 當(dāng)氣速數(shù)倍于普通塔盤時(shí)，也不發(fā)生液泛。塔盤效率、壓力降和操作范圍幾乎不受氣液負(fù)荷的影響；即使氣液量很少時(shí)，仍然具有穩(wěn)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(dòng)時(shí)三維的，空間利用得最充分。因此，塔盤間距通常可為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(shù)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(tài)，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質(zhì)效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優(yōu)異性能。
新型垂直篩板塔盤被認(rèn)為是具有劃時(shí)代意義的塔型，通過以上分析，也可看到塔盤發(fā)展、改進(jìn)的一些趨向。
關(guān)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(jié)構(gòu)與操作原理簡(jiǎn)述
1.1 結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于New VST具有圖1示的帽罩，即在塔板上開圓孔，對(duì)應(yīng)每一個(gè)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(shí)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(jù)操作物料的變化及操作條件的不同可以采用不同結(jié)構(gòu)尺寸的罩帽，制作帽罩的材質(zhì)可采用碳鋼、不銹鋼等。還應(yīng)指出，這種帽罩對(duì)應(yīng)的板開孔處并不象泡罩那樣具有升氣管。
1.2 氣液流動(dòng)接觸狀態(tài)
New VST氣液流動(dòng)接觸狀態(tài)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(jīng)帽罩底部縫隙流入罩內(nèi)（日本三井造船株式會(huì)社提出的流動(dòng)機(jī)理認(rèn)為：從下一層塔板上升的氣體由板孔進(jìn)入帽罩，氣體通過板孔時(shí)縮流加速，能量轉(zhuǎn)化，使板孔附近的靜壓強(qiáng)降低，以致使帽罩與塔板之間的縫隙內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生壓差，板上液體被吸進(jìn)帽罩），并與高速氣流接觸后，改變方向呈環(huán)狀膜向上運(yùn)動(dòng)，極不穩(wěn)定的液膜被高速氣流破碎成液滴（據(jù)測(cè)定在常壓的空氣-水系統(tǒng)中較低的負(fù)荷時(shí)，液滴直徑在0.5~5mm之間），帽罩內(nèi)氣液兩相處于湍流狀態(tài)，進(jìn)行激烈的熱質(zhì)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(jìn)行再次循環(huán)，另一部分隨板上液流進(jìn)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(jìn)和流出帽罩情況如圖3所示。
我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述氣液接觸原理的描述，應(yīng)作如下的修正與充實(shí)完善：
（1）液體從塔盤上經(jīng)帽罩底隙進(jìn)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(fù)測(cè)定表明，帽罩底隙內(nèi)側(cè)的壓力比罩外相應(yīng)位置的壓力來得高而不是低，所以認(rèn)定不是靠氣相壓差“吸入”，而是靠板上液層壓頭“壓入”的。
（2）關(guān)于New VST帽罩內(nèi)外的操作狀態(tài)，經(jīng)過較詳盡的觀察研究認(rèn)定：New VST帽罩中氣體所提拉的液膜并非是均勻厚度的圓環(huán)膜，而是厚薄不均，很不穩(wěn)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(dòng)接觸狀況我們將它分成連續(xù)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(zhì)過程，但主要傳質(zhì)發(fā)生在第③④段，且以第④更重要。③④段傳質(zhì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明New VST板間空間（即上述第④段）確實(shí)為重要傳質(zhì)區(qū)。
2 New-VST的主要技術(shù)特點(diǎn)
2.1傳質(zhì)效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩內(nèi)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(duì)于噴射段,由于液體經(jīng)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(zhì)作用仍在進(jìn)行,罩內(nèi)外基本上都是有效傳質(zhì)區(qū)域,塔板空間都得到充分利用。因此傳質(zhì)、傳熱過程比浮閥內(nèi)進(jìn)行的充分、完全，所以可達(dá)到總的塔板傳質(zhì)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(jié)構(gòu),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(shí)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(dá)20%～30%。而在開孔率相同時(shí)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(nèi)。
其次,氣體攜帶液體并流進(jìn)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(dòng)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(duì)于擴(kuò)產(chǎn)改造項(xiàng)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(qiáng)
由于塔板板孔較大且無活動(dòng)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(tài)下離開帽罩的,氣速較高,對(duì)罩孔本身有較強(qiáng)的自沖洗能力。物流中含有的顆粒、聚合物、污垢等雜質(zhì)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(fù)荷時(shí)與F1型浮閥相當(dāng),高負(fù)荷時(shí)比F1浮閥低20%～30%,且負(fù)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(dāng)取霧沫夾帶量ev=0.1kg液/kg氣時(shí),對(duì)New-VST 和F1浮閥作不同負(fù)荷氣體動(dòng)能因子 F 0 對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表1:
表 1 操作彈性比較
| 項(xiàng) 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(shù)據(jù)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(yīng)負(fù)荷變化的活動(dòng)閥片,但New-VST操作彈性仍稍高于F1浮閥。
3 結(jié)束語(yǔ)
新型垂直篩板塔盤自開發(fā)以來，經(jīng)過多次改進(jìn)，實(shí)踐證明，這種塔盤的物沫夾帶量很少， 當(dāng)氣速數(shù)倍于普通塔盤時(shí)，也不發(fā)生液泛。塔盤效率、壓力降和操作范圍幾乎不受氣液負(fù)荷的影響；即使氣液量很少時(shí)，仍然具有穩(wěn)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(dòng)時(shí)三維的，空間利用得最充分。因此，塔盤間距通常可為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(shù)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(tài)，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質(zhì)效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優(yōu)異性能。
新型垂直篩板塔盤被認(rèn)為是具有劃時(shí)代意義的塔型，通過以上分析，也可看到塔盤發(fā)展、改進(jìn)的一些趨向。