板式塔发展现状

1、 一、板式塔的发展历程与研究方向 蒸馏是一种量大而面广的工业分离混合物的方法，广泛应用于化工、炼油、食品、轻工业等许多工业部门，在国民经济中占有很大的比重。据统计，塔设备的投资费用占化工和石化过程共投资费用的25%，占总能耗的40%。此外，塔设备性能的好坏对产品质量和产量起着十分重要的作用，对降低能耗、降低生产成本和提高企业竞争实力有着重大的意义。近年来，尽管涌现出很多新的分离技术，在实际生产过程中，蒸馏操作仍占据这很重要的地位。虽然从20世纪80年代开始，高效规整填料在工业塔中的成功应用改变了工业蒸馏设备长期以来已板式塔为主的的局面，但板式塔因其设备造价低廉、操作范围广、对各种物系适应强、易

2、于清理和检修等优点，在蒸馏操作中仍占有不可替代的地位。特别是高压、高粘度等特殊工况条件下，板式塔仍占有优势。由于板式塔在蒸馏设备中占有重要地位，所以各国研究者对塔板性能的研究和新型塔板的开发与应用方面做了大量的工作，其中一个重要的方面就是对塔板的流体力学性能和塔板上流体流动状况的研究，另外就是开发高效、节能、结构简单和的新型塔设备。板式塔作为完成蒸馏操作的过程的一个主要设备，得到了广泛深入的研究。二、板式塔发展历史 早在1813年Cellier就提出了泡罩塔，筛板塔也早在1832年开始用于生产。19世纪初，新的炼油工艺又推动了塔设备的发展。进入20世纪后，石油成为主要能源和石油化学工业的原料，

3、早期的塔设备已不能满足这些不断更新的工艺过程需要，这就促进了精馏技术和塔设备有了新的发展。塔设备的发展大致可分为四个阶段： (1)第二次世界大战结束前，塔设备主要用于炼油工业，塔型中以泡罩塔为主，而在无机酸工业中则多用于填料塔。 （2）第二次世界大战结束后，炼油和石油化学工业有了较大的发展，促使塔设备不断增加，除了对筛板、泡罩等原有塔型进行改进外，也出现了一些新型塔板。 （3）进入60年代以后，炼厂生产能力不断增大，使设备向大型化方向发展，与此同时，石油化工凶猛发展，提出了对塔型的某些特殊要求，因此出现了一些具有相应性能的塔板，适应高压、减压、高效、大液负荷、高弹性等要求。 （4）70年代后，

4、塔板研究逐年减少。据报道，欧美等国大学中研究新塔板的课题为数不多，其原因是他们认为现有的各类塔板性能颇为接近，基本上可以满足所有蒸馏操作的要求。有人预言，除“并流”塔以外，近期内不会有彻底革新的新型踏板问世。但是由于能源愈益紧张而昂贵，使得能耗巨大的蒸馏过程与设备的研究开发工作仍在持续进行，新型塔板不断仍不断出现，尤其是那些大通量、低压降和高效率的塔板，更受人们欢迎。3、 塔板的发展概况 板式塔的种类繁多，根据其板内件的结构不同可分为泡罩型塔板、浮阀型塔板和筛孔型塔板等。 1.泡罩型塔板泡罩塔是最早的典型的板式塔，自从1813年Cellier提出泡罩塔，并在化学工业生产上采用以来，泡罩塔在蒸馏

5、、吸收等两相传质设备中曾占主导地位。泡罩塔在1920年被引入炼油工业，但是直到1924年在克劳斯过程中获得成功，泡罩塔才被广泛应用。近二三十年来，出现了许多新型塔板和高效填料。与泡罩塔相比，具有处理能力大、压降低、结构简单、制造方便和费用低廉的优点，因此，泡罩塔已有逐步被新型塔板所取代的趋势、2. 浮阀型塔板浮阀塔是20世纪50年代初在美国发展起来的一种高效的气液传质设备。它是适应炼油和石油化工的发展，为探求高生产能力、高效率和高操作弹性的塔型而提出的。主要有条形浮阀塔板（1951年Nutter提出）、盘式浮阀塔板（1953年KochEng公司提出）和重盘式浮阀塔板（1951年左右F.W.Gl

6、itsch and Sons公司提出）三种。浮阀塔板的生产能力比泡罩塔大20%40%。操作弹性比泡罩塔板大，其最大负荷与最小负荷的比值可达9左右，且在较大的操作范围内都可保持较高的效率。由于浮阀塔板上液体流动的阻力小，所哟液面落差相应比泡罩踏板的小，允许采用较大的液流强度。此后英国的Hydronyl公司与西德M.A.N公司协同退出了锥心浮阀塔板。这些塔板的相继问世，在工业上得到了广泛的应用。现在还出现了各种在浮阀塔板的基础上发展起来的新型的塔板，如导向浮阀他按、微分浮阀塔板和槽式浮阀塔板等。3. 筛孔型塔板筛板塔的出现，仅迟于泡罩塔二十年左右。1912年，筛板他开始用于炼油工业，但他长期被认为

7、操作范围窄、操作不易稳定。在20世纪50年代以前，它的使用远不如泡罩塔普遍，其后因急于寻找一种简单而价廉的塔型，1949年后，对其性能的研究不断深入。在以后的生产实践和深入研究中逐步掌握了筛板的操作规律，对塔板的流体力学性能也有了足够的认识，对筛板塔的设计已经比较有把握了，于是筛板塔成为应用最广泛的一种塔设备。筛板塔节后简单、造价低。它的生产能力（已单位截面的气体通过量计）比泡罩塔高10%15%，板效率亦约高10%15%，而板压力降则低30%左右。曾经认为，此种塔板的在气体流量增大时，液体大量冲到上一层板，气体流量小时则液体会大量经筛孔直接流到下一层塔板，故板效率不易保持稳定。实际操作经验表明

8、，筛板在一定程度的漏液状况下操作时，其板效率并无明显下降。其操作的负荷范围虽然比泡罩塔为窄，但设计良好地设备，能正常操作的的最大负荷与最小负荷仍可达23。近年来填料塔技术不断完善、新型填料不断出现、填料塔在工业生产中的应用越来越广，一部分的取代了板式塔在工业中的应用，所以有人认为，填料塔最终会代替板式塔。其实板式塔和调料他各有优缺点，板式塔相对于填料塔有如下的优点：（1） 塔径较大时宜采用板式塔。板式塔以单位踏板面积的造价，随塔径的增加而减少，填料塔造价则与其体积成正比，小直径填料塔的造价一般都比板式塔低。板式塔直径大，其效率可提高，填料塔直径则液体分布较难均匀，效率会下降；大踏板的检修比填料

9、清理容易。（2） 当所需要的传质单元数或理论板数比较多多而很高时，板式塔比较适宜，此情况下填料塔则要分成许多段，需进行多次液体再分布，否则液体分布不均匀，液体或气体产生沟流，影响传质效率。（3） 热油热量需从塔内移除，宜用板式塔，因为板式塔上更易于安设冷却管。（4） 板式塔可适用于比较小的液体流量，如此时用填料则易致填料润湿不足。（5） 板式塔适用于处理有悬浮物的液体，填料层则易被悬浮物赌赛。（6） 板式塔便于侧线出料。 而且随着新型塔板的不断出现，板式塔的传质性能以及其他的性能也并不比填料塔差。因此对于板式塔的研究的前景也是很广阔的！四、近年来板式塔的研究筛板是应用最为广泛的一种塔板，在筛板

10、的原有基础上人们开发了许多新型的筛板塔板，现在这种工作还在继续，但它已经不是筛板研究的主流。目前，人们对筛板的研究重点已经转向筛板流体力学性能和传质性能的研究，因为，随着筛板结构的不断完善，制约筛板发展的瓶颈不再是它的结构，而是人们对筛板性能的认知程度。对于筛板的流体力学性能并没有一个明确的定义，可以将它简单地理解为相对于传质性能而言的一类筛板性能，是气液两相流体的流动特性在筛板上的具体表现，如气液两相接触状态、气液分布状况、气体通过筛板的阻力损失、漏液、雾沫夹带、泡沫层高度、液面落差、堰上液层高度和降液管性能等。对于晒班上气液接触状态，目前主要有两种观点：第一种观点是1969年第二次国际精馏

11、会议上，No，Muller和Prince提出的，他们认为气液流动具有四种状态（HMP流态）：鼓泡态、蜂窝泡态、泡沫态、喷射态；第二种观点是1979年年的国际第三次精馏会议上，Hofhuis和Zuiderweg提出的，他们通过实验认为在筛板上有如下几种两相流动的接触状态（HZ流态）：喷射态、自由鼓泡态、乳化态、混合泡沫态。由于实际应用中主要是以泡沫态和喷射态为主，因此很多研究主要是集中在这两种状态。对于接触状态转换模型，其中比较著名的模型是Porter和Wong提出的分区模型（泡沫态到喷射态）、Pryen和Prince的动量传递模型以及LOckendtt的射流模型。对于喷射态，比较著名的模型是F

12、ane提出的液滴射迹模型。由于气液两相流理论还有许多不完善的地方，加上塔板上气液流动的复杂性，所以这些模型都是简化模型，并不能真正地反映真实的气液流动状态。今后对他班上的气液流动状态的研究重点应更多地放在流体流动机理上，已得到更接近真实状况的流体流动模型。5、 新型板式塔的性能特点 导向筛板是由美国联碳公司林德子公司在1963年开发的，最先用于空气分离，随后又在已笨苯乙烯系统的精馏方面取得成功，现已广泛应用于几十种工艺。国内由北京化工学院（现为北京化工大学）从20世纪70年代初另辟蹊径，展开了对导向筛板的研究工作，并做了一些推广工作。他们在矩形塔内以空气和水为介质，对导向筛板的一些列流体力学性

13、能进行了测试并提出了可供设计应用的关联式和图表，但实验仅在矩形塔内对导向孔均布形式的导向筛板做了一般流体力学性能的研究，研究得不全面，具有很大的局限性。从20世纪90年代后期开始，在北京化工大学李群生教授的带领下，对高效导向筛板进行了更为广泛和系统的研究。重新建设了实验装置，在圆形塔内对高效导向筛板的各项流体力学性能进行了系统的研究，对不同导向孔开孔密度、导向孔均匀分布和不均匀分布以及不同导向孔开孔方向的塔板都进行了研究，对实验数据进行了关联，取得了一些列可供塔板设计应用的关联式。对高效导向筛板进行了大力推广，先后把此技术应用到几百座工业塔上，取得了良好的经济效益和社会效益。 导向筛板是基于筛

14、板的基础上开发出来的。筛板虽然具有结构简单、人们对筛板的认知程度高等优点，但是由于传统塔板自身的结构特点，使得流体流过塔板面时会形成液面落差。塔径越大，落差也越大，造成液层分布不均，气液接触不良，影响了塔板的传质效率。 筛板塔和一般的传统塔板一样，在进口区都有一个非活化区。造成非活化区主要有两个原因：（1）液面落差的存在；（2）越容易进过降液管已将气体分离出去，使进口区的液层厚而密实，气体难以通过，实验观察可知，在正常操作情况下，传统塔板进口区的液层基本没有鼓泡。通过实验测定，非活化区的面积通常占塔板有效面积的30%左右，是影响踏板效率的重要因素。正常操作时，筛板上气液两相呈鼓泡状接触。气体通

15、路简单、塔板上压降小，具有良好的传质效果。但是塔板上气液以错流相遇，气流通过液层厚垂直向上，一旦气速较高，液沫夹带严重，传质效率就会下降，塔的生产能力受到限制。筛板上气液分布不均，使塔板上局部气速高于平均气速、局部气速是对液沫夹带起控制作用的气速，使实际生产能力低于按平均气速计算的能力。提高塔板的开孔率可以降低压降和提高生产能力，但是就要求较小孔间距，使筛孔的鼓泡相互干扰，引起液层晃动，泄露严重。改善气液接触状况和提高塔板上气液接触面积是提高踏板效率的关键。高效导向筛板技术与国内外同类板式塔技术相比，在结构上做了大幅度调整（例如，对导向孔的开设高度、缝宽以及开设密度和转角等）。实践证明高效导向

16、筛板与传统的塔板相比具有高效、节能、结构简单、投资费用低等优点，对高粘度物料的精馏和真空操作时性能更优。现在高效导向筛板已在工业中得到广泛应用，近几年来，在化工及其相关领域内已成功地应用于几百座精馏塔的新建和改造，取得了良好的社会效益和经济效益。高效导向筛板是新型塔板技术在应用中比较成功的塔型之一。尽管进过几十年的研究，人们对高效导向筛板的流体力学性能和传质性能有了一定的理解，但是人们对高效导向筛板的研究更多的是停留在实验上，对理论的研究还有待于进一步深入，以至于产生导向装置是否对塔板的分离效率有影响的争论。由于人们对高效导向筛板的理论研究不成熟，以至于在高效导向筛板的设计上九带有较多的经验性和盲目性，具有一定的不科学性。为了更科学的设计高效导向筛板和更科学地指导高效导向筛板在工业中的运用，加强对导向筛板的理论研究是十分必要的。板式塔因其结构简单、成本低廉、性能良好，所以被广泛应用在各种场合，但是由于其雾沫夹带量大、操作弹性小的原因应用一直受到限制；