塔板型式及构造设计优化

4.4.4.1　塔板型式

塔板型式很多,有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔、舌形塔板、网孔塔板、垂直筛板、林德筛板、多降液管塔板和穿流式波纹塔板等,均有各自的特点及一定的应用场合。目前,国内外应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔,这里仅对这两种塔板作一些简单介绍。其他型式的塔板设计,可参见文献[8]。

1.筛板塔

筛板塔(1932年)和泡罩塔(1813年)是工业上最早应用的两种塔板型式。当时,由于对筛板塔的流体力学研究很少,认为其易漏液、弹性小、操作不易掌握,而没有被广泛应用。但是,筛板结构简单、造价低廉,又使它具有很大的吸引力。20世纪50年代以来,由于工业生产发展的需要,人们对筛板塔作了大量的研究,并经过长期的工业生产实践,形成了完善的设计方法。实践证明,设计良好的筛板塔是一种效率高、生产能力大的塔板。据1970年有关文献介绍,在日本,筛板塔占塔类设备总数的25%;在欧美各国占塔类设备总数的60%。

筛板塔的主要特点是:

(1)结构简单,易于加工,因此造价低,约为泡罩塔的60%、浮阀塔的80%左右;

(2)处理能力大,比同直径泡罩塔增加20%～40%处理量;

(3)塔板效率高,比泡罩塔高15%左右;

(4)板压降低,比泡罩塔低30%左右;

(5)安装容易,清理检修方便。

若液体较脏、筛板孔径较小而容易堵塞时,可采用大孔径筛板。

2.浮阀塔

浮阀塔是近30年来新发展的一种新型气液传质设备,是在泡罩塔的基础上研制出来的。主要的改革措施是取消了泡罩塔的升气管,并以浮动的盖板——浮阀——代替泡罩。浮阀可自由升降,根据气体的流量自行调节开度,可使气体在缝隙中的速度稳定在某一数值。这样,在气量小时可避免过多的漏液,而气量大时又不致压降太大,使浮阀塔板具有优良的操作性能。

浮阀塔的主要特点是:

(1)操作弹性大,在较宽的气液负荷变化范围内均可保持高的板效率。其弹性范围为5～9,比筛板塔和泡罩塔的弹性范围都大;

(2)处理能力大,比泡罩塔大20%～40%处理量,但比筛板塔略小;

(3)气体为水平方向吹出,气、液接触良好,雾沫夹带量小,塔板效率高,一般比泡罩塔高15%左右;

(4)干板压降比泡罩塔小,但比筛板塔大;

(5)结构简单、安装方便,制造费用约为泡罩塔的60%～80%,为筛板塔的120%～130%;

(6)国内使用结果证明,对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统,浮阀塔板也能正常操作。

浮阀的型式很多,国内最常用的为F1型(相当于国外的V—1型,如图4-3所示),已确定为部颁标准(JB1118)。

表4-2　浮阀型式

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图4-3　F1型浮阀

F1型浮阀分轻阀(代表符号Q)和重阀(代表符号Z)两种。轻阀(Q)采用厚度为1.5 mm的薄板冲压制成,重约25 g;重阀(Z)采用厚度为2 mm薄板冲压制成,重约33 g。一般重阀应用较多,轻阀泄漏量大,只有在要求压降小的时候(如减压精馏)才采用。

表4-3　F1型浮阀基本参数明细表

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浮阀的最小开度为2.5 mm,最大开度(H-S)为8.5 mm。

浮阀选用A、B、C、D四种材料制造:

A——碳钢Q235-A;

B——不锈钢1Cr13;

C——耐酸钢1Cr18Ni9;

D——耐酸钢Cr18Ni12Mo2Ti。

塔板的厚度S=2 mm,3 mm或4 mm,塔盘升气孔径为。

4.4.4.2　板式塔型式的选取

不同类型的板式塔,例如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、喷射型塔、多降液管塔、无溢流塔等,均有自身的特点,各有各的适用场合。因此,设计者只能根据精馏物系的性质和工艺要求,结合实际,通过几项主要指标的分析比较,选取一种相对适宜的塔型。表4-4列出的各种塔型可作为选型时的参考。

4.4.4.3　整块式和分块式塔板

塔板有整块式塔板和分块式塔板,对于小直径塔板(直径小于800 mm),通常采用整块式塔板;当直径大于900 mm时,人已能在塔内进行装拆,常用分块式塔板。当塔径在800～900 mm之间时,两种型式均可采用,视具体情况而定。

表4-4　板式塔的选取

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　注:A—不合适;B—尚可;C—合适;D—较满意;E—很好;F—最好。

(1)整块式塔板:小直径塔的塔板常做成整块式的,而整个塔体分成若干塔节,塔节之间用法兰连接。

塔节长度与塔径有关,当塔径为300～500 mm时,只能伸入手臂安装,塔节长度以800～1 000 mm为宜;塔径为500～800 mm时,人可勉强进入塔节内安装,塔节长度可适当加长,但一般也不宜超过2 000～2 500 mm,每个塔节内塔板数不希望超过5～6块,否则会使安装困难。

塔板与塔板之间用管子支承,以保持一定的板间距,有定距管式和重叠式两种型式。关于整块式塔板的详细介绍见参考文献[3,7]。

(2)分块式塔板:当塔径大于800 mm时,人已经可以进入塔内进行拆装和检修,塔板也可拆分成若干块通过人孔送入塔内。因此,大直径塔常用分块式塔板结构(如图4-4所示),此时塔体也不必分成若干节。

塔板的分块数与塔径大小有关,可按表4-5选取。靠近塔壁这两块是弓形板,其余的是矩形板;塔板的分块宽度由人孔尺寸、塔板结构强度、开孔排列的均匀对称性等因素决定,其最大宽度以能通过人孔为宜。

表4-5　塔板分块数与塔径的关系

为拆装和检修方便,矩形板中有一块作通道板,各层塔板的通道最好开在同一垂直位置上,以利于采光和装卸。

在浮阀系列中,当塔径为800～2 000 mm时,自身梁式单流塔盘采用可调节堰、可拆降液板的塔盘,可用于料液易聚合、堵塞的场合。

图4-4　可调节堰、可拆降液板自身梁式塔盘

1—通道板;2—矩形板;3—弓形板;4—支承圈;5—筋板;6—受液盘;7—支持板;8—降液板;9—可调堰板;10—可拆降液板;11—连接板(www.xing528.com)

分块式塔板有自身梁式塔板结构和槽式塔板结构两种(如图4-5所示)。这里介绍自身梁式塔板结构。

(1)矩形板(如图4-4所示)梁和塔板构成一个整体。矩形板的一个长边无自身梁,另一长边有自身梁。长边尺寸与塔径和堰宽有关;短边尺寸统一取420 mm,以便塔板能够从直径为450 mm的人孔中通过。自身梁宽度为43 mm,塔盘之间靠安装在梁上的螺栓连接起来,因此自身梁部位要开螺栓孔。跨过支承梁的两排相邻浮阀中心距离应不小于110 mm;对于筛板塔,筛孔的中心线距离可取较小的数值。

(2)通道板(如图4-4所示)为无自身梁的一块矩形平板,搁在弓形板或矩形板的自身梁上。长边尺寸与矩形板相同,短边尺寸取400 mm。筛孔或阀孔按工艺要求排列。

(3)弓形板(如图4-4所示)弦边作自身梁,其长度与矩形板相同,弧边直径D与塔径DN和f(弧边到塔壁的径向距离)有关。当DN≤2 000mm时,f取20 mm;当DN＞2 000 mm时,f取30 mm。弧边直径D=DN-2f,弓形板弓高e与DN、f和塔板分块数n有关:

图4-5　分块的塔盘

4.4.4.4　塔板结构参数系列化

为便于设备设计及制造,在满足工艺生产要求的条件下,将塔板的一些参数系列化是有利的。现摘录一部分列于表4-6至表4-9中,供选用参考(摘自JB1026)。

表4-6　小直径塔板(整块式)

　注:①当塔径小于500 mm时,板间距为200 mm、250 mm、300 mm、350 mm;
②当塔径为600～800 mm时,板间距为300 mm、350 mm、500 mm;
③表中符号说明参见图4-2。

表4-7　单流型塔板(分块式)

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表4-8　双流型塔板(分块式)

表4-9　板上液流型式与液流负荷

4.4.4.5　液流程数

液流程数常见的有单流型和双流型两种。

(1)单流型　单流型是最简单也是最常用的一种型式,但若塔径和液流量都较大时,单流型塔板会产生过大的液面落差,使气流分布不均,甚至会造成局部泄漏,使塔板效率降低。

(2)双流型　双流型把溢流量分成两部分,使液体在塔板上的流程减少一半,所以液体负荷能力大,液面落差小。但双流型塔板结构复杂,造价要比单流型高出10%～15%。

若塔径及液流量都特别大,双流型仍不能满足要求时,可采用四流型、阶梯型等。当液气比很小时,可采用折流型。如图4-6所示为几种常见的液流程数。

图4-6　液流程数

目前国内一般采用单流型和双流型两种。通常,塔径在2.2 m以下时多采用单流型,塔径在2.0 m以上时多采用双流型,塔径为2.0～2.2 m时,两种流型均有采用。

4.4.4.6　溢流装置

溢流装置通常有以下三种类型。

(1)降液管型式

降液管可分为圆形降液管和弓形降液管两种。当液体负荷很小、塔径较小时,可采用一根或数根圆形降液管,一般情况下多采用弓形降液管。弓形降液管又有如下几种型式:

①将稍小的弓形降液管固定在塔板上,它适用于直径较小的塔,又能有较大的降液管容积;

②降液板与塔壁之间的全部截面均作降液之用,这种结构塔板利用率高,适用于直径较大的塔,当直径较小时则制作不便;

为了进一步提高塔板的处理能力和效率,近年来开发了多种新型降液管,举例如下。

悬挂式降液管——取消传统的受液盘,降液管底端封闭,液体通过底端上的孔口,因阻力而形成液封。

收缩式降液管与鼓泡促进器结构——降液管下端收缩成壶嘴式,令液体沿塔壁降落于支承圈区域,流入塔板后由鼓泡促进器充气鼓泡,从而扩大了塔板鼓泡区面积,减少泄漏,提高了传质效率。

旋流式降液管——为直立圆筒-圆锥形管,入口上部有挡板,入口内有导向叶片,促进了降液管内的气、液分离,避免在高液量时产生降液管液泛,该降液管的另一特点是提供了更大的出口堰长度。

关于新型降液管的详细结构,可查阅文献[8]。

(2)溢流堰

溢流堰的作用是维持板上有一定液层,并使液流均匀。一般单流型塔板堰长Lw可取塔径D的60%～80%,双流型塔板两侧降液管堰长为塔径D的50%～60%。堰上液流强度不宜过高,一般不大于70～87.5 m3/(h·m堰长)。

一般工业上使用较多的是平直堰。为使液流分布均匀,堰上清液层高度how应大于6 mm。若堰上清液层高度how小于6 mm时,可改用齿形堰。

在设计中也有把溢流堰做成活动式的,可以调节塔板上液层高度,其优点是:

①对于中间试验或更换新的物系,可调节液层高度,以探索堰高对塔板效率和操作弹性的影响,取得最佳效果;

②可以调节原设计对堰高选定的偏差;

③便于调整堰板的水平度。

(3)受液盘

受液盘有平型和凹形两种型式,如图4-7、图4-8所示。

图4-7　可拆式平型受液盘

1—入口堰;2—支撑筋;3—受液盘;4—降液板;5—塔盘板;6—塔壁

图4-8　凹形受液盘结构

1—塔壁;2—降液板;3—塔盘板;4—受液盘;5—筋板

对于较小塔径以及处理易聚合物系时,要求塔板上没有死角存在,此时采用平型受液盘为宜。

塔径较大时常采用凹形受液盘,并与倾斜式降液管联合使用。它的特点是:

①多数情况下都可造成正液封;

②液体进入塔板时更加平稳,有利于塔板入口端更好地鼓泡,提高塔板效率和处理能力。

凹形受液盘所增加的费用不大,效果却很明显,因此,对于直径大于800 mm的塔板,推荐使用凹形受液盘。