升级版：探究板式塔作为典型精馏设备的优势

塔设备是实现气液传质过程的设备，广泛应用于化工、食品、制药等行业。塔设备按其结构分为板式塔和填料塔两大类。两类塔都能进行气液传热传质过程，但在工业生产中，当处理量较大时普遍采用板式塔，处理量小时多采用填料塔。在精馏生产中更多的是采用板式塔，本节只针对板式塔作简单介绍。

一、板式塔的结构型式

板式塔的壳体通常为圆筒形，里面沿塔高装有若干块水平的塔板，如图10-32所示。塔板是板式塔的核心构件，其功能是使气液两相保持充分的接触，使之能在良好的条件下进行传质和传热传递过程。

图10-32 板式塔的结构简图

1—塔壳体 2—塔板 3—溢流堰4—受液盘 5—降液管

二、板式塔的传质机理

塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板的溢流堰，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在常压操作下，液相为连续相，气相为分散相。

为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有以下两方面的功能：

（1）在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力。

（2）在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。

但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。为获得尽可能大的传质推动力，目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。

由此可见，除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。

三、塔板上的气液两相流动方式

塔板上的气液两相流动方式有错、逆流两种，如图10-33所示。

图10-33 错流塔板（a）和逆流塔板（b）示意图

逆流塔板：在板间无降液管，气、液同时由板上孔道逆向穿流而过。这种塔板结构简单、板面利用充分、气体分布均匀，但需要较高的孔速才能维持板上液层，操作弹性小，它的应用不及错流塔板广泛。

本节只重点介绍错流式塔板。

四、错流塔板的结构型式

错流塔板主要有：泡罩式、筛板式、浮阀式和喷射型。

（一）泡罩式塔板

泡罩塔是工业上最早使用的板式塔（1813年），其塔板为泡罩式，结构如图10-34所示。每层塔板上装有作为升气管的短管，升气管上覆以泡罩，泡罩下缘为锯齿形开口。但它结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛孔速低、生产能力小，在新建的装置中已很少采用。

（二）浮阀式塔板

浮阀式塔板可以说是泡罩塔板的一种改进，其取消了升气管，在塔板开孔的上方安装可随孔速变化而升降的阀片。如图10-35所示。

图10-34 泡罩式塔板结构图

1—升气管 2—泡罩 3—塔板

图10-35 浮阀式塔板

1—浮阀片 2—凸缘3—浮阀腿 4—气孔

运行时，气体通过阀孔将阀片托起并沿水平方向喷出，阀片的开度随气量的改变而自动变化。气量小时它能维持足够孔速，避免漏液；气量大时因阀片开度大而使孔速不致过高从而降低压降，并能提高液泛孔速。浮阀塔板有生产能力与操作弹性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优点，但浮阀对材料的抗腐蚀性能要求较高，一般采用不锈钢制造。

（三）筛板式塔板

筛孔式塔板简称筛板，该板上是许多均匀分布的筛孔，其改良后的导向筛板，如图10-36所示。操作时，上升气流通过筛孔对液体产生阻滞作用，在板上形成一定厚度的液层，而气流本身被分散成细小的流股在板上与液层鼓泡接触，进行传质。筛板的突出优点是结构简单、造价低廉。另外，气体压降小、生产能力较大；缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板易堵塞。

导向筛板对普通筛板上作了如下改进：一是在塔板上开设一定数量的导向孔，开口方向与液流方向相同；二是增加鼓泡促进装置，即把液流入口处的塔板翘起一定角度，使液体一进入塔板就有较好的两相接触。改进后得到的导向筛板液层鼓泡均匀，液面落差与塔板压降减少，处理能力增大，传质效率提高。

（四）喷射型塔板

普通塔板上的气流是分散型的，在这类塔板上，气体分散于板上的流动液层中进行气液接触，当孔速较高时，往往会造成较大的液沫夹带，过量的液沫夹带将造成液相在塔板间返混，进而导致塔板效率下降。为了改善这些缺点，后来开发出若干喷射型塔板，如舌形塔板，图10-37所示。舌形塔板上冲压成许多半开的舌形孔，舌叶与板面成一角度，向塔板的溢流出口侧张开。舌形孔的典型尺寸为：张角φ=20 °，R=25mm，H=25mm。其中φ为舌的倾角，R为舌孔的孔径，H为舌孔高度。

图10-36 导向式筛板结构

图10-37 舌形塔板示意图

当气体通过舌形塔板时，气流穿过舌孔，沿舌叶的张角向斜上方以较高速度喷出，强烈扰动通过的液体，促进了两相传质。

舌形塔板的结构简单、不易堵塞。由于塔板上气液并流流动，液体流动阻力小，使板上液面落差和逆向混合较小。但对负荷波动的适应能力较差，气相夹带较严重。为此，已研究出了浮舌塔板和浮动喷射塔板，提高了操作弹性。

五、塔板上气液接触状态及其对精馏操作的影响

尽管塔板形式多样，但它们所提供的气液接触方式却具有共性。以错流筛板塔为例介绍塔板上气液接触状态、漏液、雾沫夹带、液泛等流体力学规律及其对精馏操作的影响。

（一）气液接触状态

精馏塔塔盘上气液接触大致可分为3种：鼓泡接触状态；泡沫接触状态；喷射接触状态。

（1）鼓泡接触状态。塔板上的气液接触状态与气体经过筛孔的速度（孔速）密切相关。当孔速较低时，气体穿过孔口后以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触，如图10-38（a）所示。这种状态，两相传质的传质面积较小。

图10-38 塔板上气液接触状态示意图

（2）泡沫接触状态。在鼓泡接触状态基础上，当孔速增大到一定量时，气泡的数量明显增多，两相接触面有明显湍动，两相传质的传质面较鼓泡接触状态增大，这时气液接触状态为泡沫接触状态，如图10-38（b）所示。这种状态明显改善两相传质效果。

（3）喷射接触状态。在鼓泡接触状态基础上，如果继续增大孔速，气体将从孔口喷射而出，穿过板上液层时将液体破碎成液滴抛向上方空间，液滴落到板上时又汇集成很薄的液层并再次被破碎成液滴抛出。液体由连续相变为分散相，气体则由分散相变为连续相。这时的接触状态称为喷射接触状态，如图10-38（c）所示。

工业上多采用泡沫接触状态和喷射接触状态进行生产操作。

（二）塔板上气液流动的几个不良现象

1.漏液

气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不足以阻止上一块塔板的液体通过筛孔直接流到下一块塔板，这种现象称为漏液。

在精馏操作中，如上升气体所具有的能量不足以穿过塔板上的液层，甚至低于液层所具有的位能，这时就会托不住液体而产生泄漏。孔速越低，泄漏越严重。其结果是使一部分液体在塔板上没有和上升气体接触就流到下层塔板，不应留在液体中的低沸点组分没有蒸出去，致使塔板效率下降。因此，塔板的适宜操作的最低孔速是由液体泄漏量所限制的，正常操作中要求塔板的泄漏量不得大于塔板上液体量的10%。泄漏量的大小，亦是评价塔板性能的特性之一。筛板、浮阀塔板和舌形塔板在塔内上升孔速度小的情况下比较容易产生泄漏。

2.雾沫夹带

板上液体被上升气体自下层带入上一层塔板的现象称为雾沫夹带。雾沫夹带使不同浓度的液体发生了混合，降低了塔板的提浓作用。为保证传质的正常效果，应控制夹带量不超过0.1kg（液体）/kg（干气体）。

影响雾沫夹带量的因素很多，诸如塔板间距、空塔速度、堰高、液流速度及物料的物理化学性质等。同时还必须指出，雾沫夹带量与捕集装置的结构也有很大的关系。虽然影响雾沫夹带量的因素很多，但最主要的影响因素是孔速和两块塔板之间的气液分离空间。对于固定的塔来说，雾沫夹带量主要随孔速的增大而增大。但是，如果增大塔板间的距离，扩大分离空间，则相应提高孔速。

3.液泛

为使液体能稳定地流入下一层塔板，降液管内须维持一定高度的液柱。孔速增大，气体通过塔板的压降也增大，降液管内的液面相应地升高；液体流量增加，液体流经降液管的阻力增加，相应地，降液管液面也升高。降液管中泡沫液体高度超过上层塔板的出口堰，板上液体将无法顺利流下，从而导致液流阻塞，造成淹塔，即液泛。液泛是气液两相作逆向流动时的操作极限。发生液泛时，分散相由原来的气体变为液体，连续相由原来的液体变为气体，塔的正常操作将被破坏。(www.xing528.com)

液泛形成的原因，主要是由于塔内上升蒸汽的速度过大，超过了最大允许速度所造成；另外在精馏操作中，也常常遇到液体负荷太大，使溢流管内液面上升，以致上下塔板的液体连在一起，破坏了塔的正常操作的现象，这也是液泛的一种形式。以上两种现象都属于液泛，但引起的原因是不一样的。

在实际操作中要严格控制漏液量和雾沫夹带量，尽量避免液泛现象，严禁发生淹塔事故。

六、影响蒸馏操作的一些因素

精馏操作过程的影响因素主要有以下几个方面：进料位置、塔温度、塔压力（包括塔顶、塔釜和某些有特殊意义的塔板）、进料状态、进料量、进料组成、进料温度、塔内上升蒸汽速度、再沸器的加热量、回流量、塔顶冷剂量、塔顶采出量、塔底采出量等。塔的操作就是按照塔顶和塔底产品的组成要求来对这几个影响因素进行调节。

1.进料板位置对蒸馏操作的影响

最适宜的进料板位置就是指在相同的理论板数和同样的操作条件下，具有最大分离能力的进料板位置或在同一操作条件下所需理论板数最少的进料板位置。

在化学工业中，多数精馏塔都设有两个以上的进料板，调节进料板的位置是以进料组分发生变化为依据的。当进料组分中的轻组分比正常操作较低时，应将进料板的位置向下移，以增加精馏段的板数，从而提高精馏段的分离能力。反之，进料板的位置向上移，则是为增加提馏段的板数，以提高提馏段的分离能力。

总之，在进料板上进料组分中轻组分的含量应该小于精馏段最下一块塔板上的轻组分的含量，而大于提馏段最上一块塔板上的轻组分的含量。这样就使进料后不至于破坏塔内各层塔板上的物料组成，从而保持平稳操作。

2.进料组成的变化对精馏操作的影响

进料组成的变化，直接影响精馏操作，当进料中重组分的浓度增加时，精馏段的负荷增加，对于固定了精馏段板数的塔来说，将造成重组分带到塔顶，使塔顶产品质量不合格。

若进料中的轻组分的浓度增加时，提馏段的负荷增加，对于固定了提馏段塔板数的塔来说，将造成提馏段的轻组分蒸出不完全，釜液中轻组分的损失加大。进料组成的变化还将引起全塔物料平衡和工艺条件的变化。组分变轻，则塔顶馏分增加，釜液排出量减少。同时，全塔温度下降，塔压升高。组分变重，情况相反。

进料组成变化时，可采取如下措施。

（1）调整进料口。组分变重时，进料口下移；组分变轻时，进料口上移。

（2）改变回流比。组分变重时，加大回流比；组分变轻时，减少回流比。

（3）调节塔顶和塔釜温度。根据组成变动的情况，相应地调节塔顶和塔釜温度，通过回流液、气的回流温度或回流量的调整来维持顶、釜的产品质量不变。加大塔釜加热剂量，可提高塔釜温度，塔釜产品的轻组分含量降低，重组分含量升高，但可能会导致塔顶产品重组分升高，这时，需要通过降低塔回流液的温度，或提高回流量来维护塔顶产品质量。

3.进料温度的变化对精馏操作的影响

进料温度的变化对精馏操作的影响是很大的。总的来讲，进料温度降低，将增加塔底蒸发釜的热负荷，减少塔顶冷凝器的冷负荷；进料温度升高，则增加塔顶冷凝器的冷负荷，减少塔底蒸发釜的热负荷。当进料温度的变化幅度过大时，通常会影响整个塔身的温度，从而改变汽液平衡组成。在进料温度过低，塔釜的加热蒸汽量没有富余的情况下，将会使塔底馏分中轻组分含量增加。

例如，某塔设计为泡点进料，当改为冷液进料时，则精馏段塔板数过多，提馏段塔板数不足，结果是塔顶产品质量可能提高，而釜液中轻组分的蒸出则不完全。若改为气液混合进料或饱和蒸气、过热蒸气进料，则精馏段塔板数不足，提馏段塔板数过多，其结果是塔顶产品中重组分含量超过规定，而釜液轻组分含量比规定值低，同时增加了塔顶冷凝器的冷剂的消耗量，减少了塔釜的热剂消耗。

进料温度的改变，意味着进料状态的改变，而进料状态的改变将影响精馏段、提馏段负荷的改变，进而产品质量、物料平衡都将发生改变，因此，进料温度是影响精馏塔操作的重要因素之一。较为理想的进料是泡点进料，这是最常用的进料状态。

4.精馏塔操作压力的变化对精馏操作的影响

精馏塔的设计和操作都是基于一定的塔压下进行的，因此一般精馏塔总是首先要保持压力的恒定。塔压波动对塔的操作将产生如下的影响。

（1）影响产品质量和物料平衡。改变操作压力，将使每块塔板上气液平衡的组成发生改变。釜压升高，则气相中重组分减少，相应地提高了气相中轻组分的浓度，液相中轻组分含量较前增加，同时也改变了气液相的重量比，使液相量增加，气相量减少。总的结果是：塔顶馏分中轻组分浓度增加，但数量却相对减少；釜液中的轻组分浓度增加，釜液量也同时增加。同理，釜压降低，塔顶馏分的数量增加，轻组分浓度降低；釜液量减少，轻组分浓度减少。正常操作中，应保持恒定的压力。但若因操作不正常，引起塔顶产品中重组分浓度增加时，则可采用适当提高压力的办法，使产品质量合格，但此时釜液中的轻组分损失增加。

（2）改变组分间的相对挥发度。釜压增加，组分间的相对挥发度降低，分离效率下降，反之，组分间的相对挥发度增加，分离效率提高。

（3）改变塔的生产能力。釜压增加，组分的重度增大，塔的处理能力增大。

（4）塔压的波动。塔压的波动将引起釜温和组成间对应关系的混乱。在操作中经常以温度作为衡量产品质量的间接标准，但这只有在塔压恒定的前提下才是正确的。当塔压改变时，混合物的泡点、露点发生变化，引起全塔的温度发生改变，温度和产品质量的对应关系也将发生改变。

从以上分析可看出，改变操作压力，将改变整个塔的操作情况，因此在正常操作中应维持恒定的压力（工艺指标），只有在塔的正常操作受到破坏时，才可根据以上的分析，在工艺指标允许的范围内，对塔的压力进行适当的调节。应该指出，在精馏操作过程中，进料量、进料组成和进料温度的改变，塔釜加热蒸汽量的改变，回流量、回流温度和冷剂压力（对内回流塔而言）的改变以及塔的堵塞等，都可能引起塔压的波动，此时应首先分析引起塔压波动的原因，及时处理，使操作恢复正常。

5.塔内上升蒸汽的速度和蒸发釜加热量波动对精馏操作的影响

塔内上升蒸汽的速度大小，直接影响着传质效果。一般地说，塔内最大上升蒸汽的速度应比液泛速度小一些。工艺上常选择最大允许孔速度为产生液泛的速度的80%。速度过低会使塔板效率显著下降。

影响塔内上升蒸汽速度的主要因素是再沸器的加热量。在釜温保持稳定的情况下，加热量增加，塔内上升蒸汽的速度加大；加热量减少，塔内上升蒸汽的速度减少。应该注意，加热量调节范围过大、过猛，有可能造成液泛或泄漏。

6.回流比的大小对精馏操作的影响

操作中以改变回流比的大小来保证产品的质量。当塔顶馏分中重组分含量增加时，常采用加大回流比的方法将重组分压下去，以使产品质量合格。当精馏段的轻组分下到提馏段造成塔下部温度降低时，可以用适当减少回流比的办法以使塔下部温度提起来。增加回流比，对从塔顶得到产品的精馏塔来说，可以提高产品质量，但是却要降低塔的生产能力，增加水、电、汽的消耗。回流比过大，将会造成塔内物料的循环量过大，甚至能导致液泛，破坏塔的正常操作。

7.塔顶冷剂量的大小对精馏操作的影响

对采用内回流操作的塔，其冷剂量的大小，对精馏操作的影响比较显著；同时也是影响回流量波动的主要因素。

对于采用外回流的塔，同样会由于冷剂量的波动，在不同程度上影响精馏塔的操作。例如，冷剂量减少，将使冷凝器的作用变差，冷凝液量减少，而在塔顶产品的液相采出量作定值调节时，回流量势必减少。假如冷凝器还有过冷作用（即通常所称的冷凝冷却器）时，则冷剂量的减少，还会引起回流液温度的升高。这些都会使精馏塔的顶温升高，塔顶产品中重组分含量增多，质量下降。

8.塔顶采出量的大小对精馏操作的影响

塔顶采出量的大小和该塔进料量的大小有着相互对应关系，进料量增大，采出量应增大。众所周知，采出量只有随进料量变化时，才能保持塔内固定的回流比，维持塔的正常操作，否则将会破坏塔内的气液平衡。

例如，当进料量不变时，对采用内回流的塔，若塔顶采出量增大，则回流比势必减少，引起各板上的回流液量减少，气液接触不好，传质效率下降；同时操作压力也将下降，各板上的气液相组成发生变化。结果是重组分被带到塔顶，塔顶产品的质量不合格。

在强制回流的操作中，如果进料量不变，塔顶采出量突然增大，则易造成回流液槽抽空。回流液一中断，顶温就升高，这同样也会影响塔顶产品质量下降。如果进料量加大，但塔顶采出量不变，其后果是回流比增大，塔内物料增多，上升蒸汽速度增大，塔顶与塔釜的压差增大，严重时会引起液泛。

9.塔底采出量的大小对精馏操作的影响

在精馏塔的操作中，需要维护塔顶和塔釜的产品稳定，保留精馏装置的物料平衡是蒸馏塔稳态操作的必要条件，通常由塔釜液位来控制精馏塔的物料平衡。塔釜保持稳定的液面，是维持釜温恒定的首要条件。塔釜液面的变化，又主要决定于塔底采出量的大小。

当塔底采出量过大时，会造成塔釜液面降低或抽空，这将使通过再沸器的釜液循环量减少，从而导致传热不好，轻组分蒸不出去，塔顶、塔底的产品均不合格。如果是使用列管式再沸器，由于循环液量太小，使釜液经过上半部列管时形成过热气体，表现为挥发管的气体温度较高，而釜温却较低。如果塔底采出量过小，将会造成塔釜液面过高（严重时，会超过挥发管甚至于淹塔），增加了釜液循环的阻力，同样造成传热不好，釜温下降。

特别应指出，对于易聚合的物料，釜液面过高或过低，都会造成停留时间加长，增加聚合的可能性。另外，维持一定的釜液面还起着液封的作用，以确保安全生产。

10.辅助设备对精馏操作人影响

精馏操作离不开塔底再沸器、塔顶冷凝器和输送泵等。在正常生产中这些设备的运转状况均应满足精馏塔操作的要求，否则将使精馏塔的生产能力受到限制，严重时，会使整个操作过程无法进行下去。例如，再沸器在生产过程中，可能会因某些不饱和烃的聚合，而堵塞列管，使传热面积减小，造成塔的生产能力下降甚至于被迫停车。塔顶冷凝器同样会由于使用的水质不好、列管结垢而降低冷凝效率，使塔的生产能力下降，无法执行正常的工艺条件。当正常的生产工艺受到破坏时，不仅要从精馏塔的工艺过程去找原因，也应把辅助设备的状况考虑进去。

11.塔的安装对精馏操作的影响

不同的物料和不同的工艺过程，对塔设备提出的要求是不同的。但是，一般总希望塔设备的适用能力高，生产能力大，操作稳定。对于一个定型的塔设备来说，由于安装的问题，可能会达不到以上的要求。如塔身、塔板、溢流堰、降液管等，在安装时若不合乎要求，都可能对精馏操作带来影响。

（1）塔身。塔身要求垂直，一般倾斜不能超过千分之一，否则将会在塔板上造成死区。对于直径在600mm以下的小型精馏塔，如果塔板的安装是先分节安装，然后再组装的话，则塔身的不垂直将直接影响全塔的所有塔板的水平度，使塔的效率降低。

（2）塔板。塔板要求水平，其水平度用水平仪测定不能超过国家标准或企业标准。如果塔板不水平，将造成板面上的液层高度不均，塔内上升蒸汽易从液层高度较小的浅处穿过，从而很难保证塔板的效率。这对筛板塔的影响尤为严重。

（3）溢流口。溢流口与下层塔板的距离，应根据生产能力和下层溢流堰的高度而定。但必须满足溢流口插入受液盘的液体之中，以封住上升蒸汽。如果溢流口与下层塔板的距离过近，则可能造成上层塔板的回流导致液体不能顺利地流入下层塔板，使上层塔板的液层增高，下层塔板的压力增大，严重时造成液泛。溢流口过高，超过溢流堰高度时，上升蒸汽“走短路”，从溢流管直接上升到上层塔板，起不到液封作用，影响塔板的效率。安装时，对于各种具体的板型都有不同程度的要求，如果不按要求去安装，将可能使塔的生产效果大大下降。

此外，在萃取精馏和共沸精馏的操作过程中，萃取剂，共沸剂的加入温度、纯度及加入量的变化，也是影响操作的因素。精馏工要在操作中克服各种影响因素的变化，防止对塔顶、塔釜产品的数量和组成造成影响。

七、填料塔与板式塔的比较

工业上对塔设备的主要要求有：①气液负荷大；②传质效率高；③操作稳定；④气体通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动力的要求；⑤结构简单，易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。

某种填料塔或板式塔很难全面具备这些要求，而是各具特点，应根据具体情况合理选择。

填料塔结构比较简单，气体通过阻力小，便于用耐腐材料制造。板式塔的生产能力大，操作弹性大，塔效率较稳定而利于放大。通常，直径较小的填料塔处理有腐蚀性的物料，要求压降小的真空蒸馏系统和液气比甚大的操作方面有优越性；而板式塔则较适合处理量大的系统。