新型浮阀塔板的研究

新型浮阀塔板的研究

塔塔式装置是一种重要的气、液、液之间的传质和传热设备。广泛应用于原油、化工、精细化工、化肥、农药、医药、环境保护等行业的物系分离。它涉及蒸发（精细）、吸收、吸附、蒸汽提取、萃取等化工单元的操作。塔器主要分为填料塔和板式塔两大类。板式塔从1813年Cellier首次提出泡罩塔至今,出现了许多不同类型的塔板。塔板按鼓泡元件分主要有泡罩型、筛孔型、浮阀型、斜孔型以及其他特殊类型塔板。浮阀塔板是在塔盘上开阀孔,安置能上下浮动的阀件(固定阀除外)。由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节,因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作;同时气体以水平方向吹出,气液接触时间长,雾沫夹带少,具有良好的操作弹性和较高的塔板效率,在工业中得到了较为广泛地应用。本文针对浮阀塔板的研究进展进行一次综述。1圆形浮阀1.1两种圆形浮阀圆形浮阀自开发成功后,因其具有操作弹性大、效率高等诸多优点,在工业生产中得到广泛的应用。其代表是美国Glitsch公司推出的V1型浮阀,国内称之为F1型浮阀。其后Glitsch公司针对V1型浮阀的不足,又开发了V2~V4等几种圆形浮阀。20世纪60年代英国Hydronyl公司及西德MAN公司共同研制了锥形浮阀,日本日曹工程自英国引入了该种浮阀的专利,用作石油化工及精细化工等的精馏和吸收设备,其独特之处在于浮阀的中心有一向下凹陷的圆锥,使锥形浮阀的通道截面突变较少,气流呈流线形,增加了操作的稳定性,并减少压力损失。但随着塔器技术不断进步,发现上述传统圆形浮阀塔板依然存在着不足:(1)浮阀阀盖上方无鼓泡区,其上方气液接触状况较差,造成塔板传质效率降低;(2)塔板上液面梯度较大,气体在液体流动方向上分布不均匀;(3)从阀孔出来的气体向四周吹出,导致塔板上液体返混程度较大;(4)在操作中,浮阀和阀孔易被磨损,浮阀易脱落。为此,国内外对浮阀塔板的研究做了大量工作,推出了许多新型的浮阀塔板。1.1.1环形浮阀塔板由于F1浮阀上方存在传质死区及塔板压降大的缺陷,前苏联专家开发了一种环形浮阀塔板,如图1所示。环形浮阀的下侧有3个阀腿,使浮阀升降平稳,并起限位作用。处于工作状态时,每个环形浮阀可形成内外两层鼓泡,减小了缝隙气速,塔板压降有所降低,气相负荷上限有所提高。1.1.2采用微机械浮阀、浮阀组成的组合ADV微分浮阀如图2所示。该浮阀在阀盖上开小阀孔,充分利用浮阀上部的传质空间,使气体分散更细密均匀,气液接触更充分;局部采用带有导向作用的微分浮阀,消除塔板上液体滞留现象,提高气液分布的均匀度;阀脚采用新的结构设计,使浮阀安装快捷方便,操作时浮阀不易旋转,不会脱落。与F1型浮阀相比,微分浮阀的塔板效率提高了10%~20%,塔板处理能力提高约40%。1.1.3调整传质作用高效锥形浮阀是在原锥心浮阀的基础上开发的,如图3所示。它的特点在于:在锥体的正底部和腰部钻4个合适尺寸的小孔,运行中气流沿小孔均匀喷出,一方面给阀体一个向上的提升力,减少塔板的压力降;另一方面改善气液接触,消除F1浮阀阀盖上部的液体滞留区,优化传质作用;导流锥和小孔的共同作用,使气流均匀顺畅地沿阀体四周流出,避免了浮阀的磨损、脱落、卡死等现象的发生。1.1.4降低气速、提高传质效果导向圆浮阀将F1型浮阀和导向筛板的优点有机地结合起来,如图4所示。它在阀盖上开设导向孔,增大了气体通道的有效面积,气体分布较为均匀,有效地降低了气速,减少了雾沫夹带量,同时降低了液面梯度和塔板压力降,提高了传质效果。另外,它同时在阀孔内设置槽孔,避免了阀体的旋转、磨损、脱落。与F1型浮阀相比,塔板压降降低了100~200Pa,处理能力提高15%~35%,塔板效率提高10%~20%。1.2回用浮阀作为降压阀的应用1953年Koch工程公司开发了T形和A形盘形浮阀,其中又以T形浮阀(国内称为十字架浮阀)应用更广泛一些。T形浮阀如图5所示。它是由无阀腿的圆弧形阀片及具有四只脚的十字形挡架所组成。挡架的脚固定在塔板上,对阀片起定位和导向的作用。T形浮阀塔板具有压力降小、漏液少、抗污能力强等特点。郭绪强、刘爱贤借鉴了锥形浮阀的特点,对传统的T形浮阀进行改进,发明了T0浮阀,它在圆形阀片中心作一向下凹陷的圆锥,取得了良好的效果。成建等发明了一种圆盘式双浮动阀,它在圆弧形阀片的中心开小舌形浮阀,并在阀片周边设置了3个外伸爪,避免了阀片随意转动。值得一提的是德国Stahl公司在20世纪80年代推出的一种类似于盘形浮阀的高弹性浮阀塔板(Varioflex-ValveTray,简称VV塔板),如图6所示。它的操作弹性很大,可达12∶1左右。VV浮阀的结构也分为阀片和十字形挡架两部分。在十字形挡架下设置一可上下活动的阀片(带有三个外伸爪),阀片中央开有ϕ20mm的圆孔。阀片升起之前,塔板开孔率由ϕ20mm的孔决定;气量增大时,阀片开始升起,开孔率增加,一直到阀片达到挡架盖板。由于其特殊的结构设计,阀片不会被卡住或脱落,使用可靠;同时固定阀保证气体水平吹入液体,强化了气液接触时的湍动作用。黄洁等在经Stahl公司同意后,公开发表了此种塔板较完整的性能试验结果,明确了该塔板的优点及缺陷。2火炬织构的浮阀塔板图2Nutter在1951年开发出了Nutter条形浮阀,此后陆续对其进行改进,出现了P形、D形、L形、DL形等条形浮阀。条形浮阀的特点为:条形浮阀不会旋转,因而不易磨损,阀片不会卡死、脱落;由于条形浮阀的气体从两侧喷出,不像圆形浮阀从四周喷出,所以塔板上的液体返混小于圆形类浮阀塔板,效率相对较高;可以排出较圆孔形更大的开孔率,从而提高处理能力。经工业实践证明,条形结构的浮阀塔板操作性能较传统圆形浮阀塔板略为优秀。但是上述条形浮阀依然存在一些不足:①与传统圆形浮阀类似,阀盖上方无鼓泡区,造成塔板传质效率降低;②由于大多采用矩形阀腿,且前阀腿和后阀腿宽度一样,气流不能绕过前阀腿,阀前端存在传质死区;③虽然其返混较圆形浮阀小,但对塔板弓形区的返混无太大改进;④长条形阀孔的四个锐角会形成严重的应力集中,易引起塔板的机械损坏。因此近年来国内不仅对条形浮阀的性能进行大量研究,还针对条形浮阀的不足,开发出多种形式的条形浮阀。2.1在阀盖上开孔目前具有导流性能的塔板,在结构上主要有3种形式。(1)阀盖由传统的矩形进化为梯形、箭形(前端呈梯形后端为矩形的组合结构)或三角形,阀盖短边一侧朝向降液管。具有代表性的是梯形浮阀塔板,如图7所示。它的特点是气体从梯形阀体两侧斜边喷出,因此气流方向与液流方向呈锐角,有助于推动液体在塔板上的流动,达到降低液面梯度、消除板上液体死区、减少返混、提高传质效率和降低塔板压降等目的。(2)在条形浮阀的阀盖上开孔,开孔方向朝着降液管,以导向浮阀、JF复合浮阀塔板为代表,如图8和图9所示。这种浮阀以独创的构思,在阀盖上开导向孔或舌孔,使阀盖上的气、液两相并流,气相推动液相流动,液面梯度及塔板压降减小,通量增大。更重要的是这类浮阀解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足,板效率大大提高,为中国的浮阀发展做出了贡献。(3)在浮阀的前阀腿上开孔,以洛阳石油化工工程公司设备研究所开发的导流浮阀塔板为代表,如图10所示。该导流浮阀在条形浮阀的前阀腿上开一矩形孔,气流在水平通过阀体两侧的同时,增加一个向前吹出的气流动力,导引液体向前流动。它不但可以改善阀与阀之间的鼓泡状态,还有利于克服液体滞流与返混现象,减小液面落差,这对于降低塔板压降和提高塔板效率都有积极作用。该导流浮阀的塔板压降较F1浮阀平均降低约200~250Pa,塔板泄漏约低10%,塔板效率提高约10%。与这种导流浮阀塔板原理结构类似的还有洛阳瑞昌石油化工设备有限公司开发的RCH型喷射浮阀塔板,这类浮阀在前阀腿设置喷射导向舌孔,并在舌孔上方设有引导气相流动的舌形整流帽。中国石化工程建设公司开发出BJ塔板。BJ浮阀在矩形的前阀腿上开一个尽可能大的通气孔,并通过前后阀腿不对称结构设计,保证阀体受力平衡,以使浮阀能平稳浮动。2.2新型浮式喷浮阀2.2.1设置导向孔的浮阀梯形导向浮阀汲取了梯形浮阀及导向浮阀的优点,如图11所示。阀盖呈梯形,推动液体在塔板上流动,另外又在阀盖上开设导向孔,增大阀体的整体导向作用。与此类似的还有角形双动浮阀和双浮动梯形浮阀。这类浮阀不是在阀盖上开固定的导向孔,而是安装了可一边浮动的小浮阀,大大提高了它们的操作弹性。另外还有箭形浮阀,如图12所示,这种浮阀在具有导向作用的箭形阀盖上冲出导气孔或设置浮阀,提高了传质效率。2.2.2小体积、小推动小口浮阀实现传质浙江工业大学于2004年开发了齿边浮阀塔板,如图13所示。该浮阀具有如下特点:浮阀阀面侧边的形状为向下折的齿形边,使气体流出浮阀侧孔时被分割成许多股小气流,从而增大气液接触比表面积,提高塔板传质效率;齿形边向下弯曲后,通过浮阀时一部分气体碰到齿形边后以斜向下的方向喷入浮阀间液层,而另一部分气体则通过齿间的空隙以斜向上的方向喷入浮阀上部液层,使得浮阀间及浮阀上部液层的局部气含率趋于一致,提高操作稳定性;浮阀阀面中心具有向下凹的楔形槽,可以降低气体通过浮阀的阻力;在背液阀腿上设置有导向孔,可以减小塔板上的液面梯度,并消除塔板上的液体滞流区。这是一种综合性能良好的浮阀。2.2.3f0浮阀、fpso浮阀单侧浮动整流浮阀如图14所示,其特点:在阀盖上设置单侧浮动阀,并在其前阀腿上开整流孔。据称该浮阀可显著减少塔板上的液面梯度,减少液体返混,消除塔板上的液体滞止区,传质效率较F1浮阀提高10%~30%,处理能力提高30%以上。与单侧浮动整流浮阀类似的还有天津大学开发的双处喷射导向梯形浮阀,这种浮阀是在梯形浮阀的阀盖上开设通气窗,前阀腿开通气孔,将梯形浮阀、导向浮阀和导流浮阀的诸多优点有机地结合在一起。2.2.4气体液接触面积的增天津大学开发了如图15所示的导向筛孔浮阀。该新型浮阀主要由导向孔浮阀盖和导向筛孔侧板组成。当气流穿过该浮阀时,一部分气体从导向舌孔流出,推动液体定向流动,减小液面落差;另一部分气体从阀体侧板的筛孔流出,被圆形筛孔或条形筛孔分割成小股气体,使气液接触面积增大。因此该浮阀具有筛孔和浮阀双重结构,同时又具有导向结构,所以该浮阀具有筛孔塔板流股小、气相分布均匀的特点,又具有浮阀塔盘操作范围大的特点,还具有导向功能,效率高、弹性大。2.2.5静喷浮阀塔用斜喷浮阀如图16所示。该阀体两侧有挡气片,两挡气片之间为气流喷口,挡气片与气流喷口相间排列,使气流方向交替变化,防止相邻浮阀气流对冲。在阀盖上有侧吹舌孔,开口方向与液流方向垂直,前阀腿上开导流孔。塔用斜喷浮阀可以减少液沫夹带及液面梯度,改善了气液分布。它的操作上限较F1浮阀提高了25%,塔板压降降低15%~30%,塔板效率提高了10%~15%。在浮阀阀片上开侧吹斜孔的还有上海惠生化工工程有限公司开发的斜孔条形浮阀,如图17所示。3其他浮式阀3.1浮阀塔板ro日本三菱重工株式会社于20世纪60年代末期,研制出一种管式浮阀塔板,如图18所示。这种浮阀塔板以薄壁钢管安放在矩形阀孔上作为浮阀,浮阀的升程和定位靠板上阀孔的两端所留出的两个Z字形短条。管式浮阀塔板的结构简单,据称其成本为其他塔型的70%。该浮阀塔板中,气体从阀孔向上逸出时,从圆形管底两旁流过,流道圆滑,阻力比一般浮阀小。石油大学在管式浮阀的基础上,汲取了条形等浮阀结构上的优点,开发出了HTV(Half-Tube-Valvetray)船形浮阀塔板。阀体为长条形,底部为半圆形,阀体上部两侧带有翻边。在近40座工业塔上的应用表明,HTV浮阀塔板的分离效率高,弹性宽,操作稳定、灵活,安装方便,是一种高效、性能优良的浮阀塔板。但在生产实践中的应用表明,HTV船形浮阀还存在着某些不足,如液面梯度偏大,气液分布不均匀,还需进一步降低板压降。在HTV船形浮阀塔板的基础上,石油大学又开发出一种对液体有导向作用、低压降的BVT塔板,如图19所示。BVT(ButterflyValveTray)浮阀将HIV浮阀等半径的半圆管形改为前端小、后端大的半锥形结构,并在大端开有舌形导向孔。舌孔和阀孔中吹出的气体对液体具有双重的向前推动力,在相当程度上减小了液面梯度,减少板面上的积液,不同程度上消除了液体滞留区,从而提高了传质效率,塔板压降也相应减小。石油大学在原来HIV船形浮阀塔板的基础上,开发了SuperV形系列浮阀塔板,如图20所示。该浮阀采用U形带翼结构,阀体侧翼开孔和开缝,提高塔板气液接触均匀性,防止浮阀结焦和结垢沉积。SuperV形浮阀塔板采用带圆弧角的矩形平直阀孔或矩形文丘里阀孔,改善矩形阀孔的塔板机械强度。侧翼开孔的浮阀适用于低等结焦、结垢体系,称为SuperV1形浮阀;侧翼开缝的浮阀适用于中等以上易结焦、结垢体系,称为SuperV2形浮阀。试验操作表明,该塔板操作灵活,浮阀活动自如,同时V2形阀翼开缝对阀体有优良的自清洗作用,但雾沫夹带略大。SuperV形是HTV船形浮阀及BVT塔板的改进和重要发展。3.2多层条纹浮阀董易良等开发了一种双层条形浮阀塔板,如图21所示。该浮阀的特点在于第一层条形浮阀阀盖上设置有较小尺寸的第二层条形浮阀,操作气量小时,质量较小的第二层条形浮阀首先升起;气量增大时,第一层条形浮阀也同时升起,可以兼顾不同的处理量,极大地提高塔板的操作弹性。同时借助细长的第二层条形浮阀的鼓泡传质,消除阀盖上部的传质死区,提高塔板的传质效率。其传质效率可提高15%~20%,操作弹性高达约1︰9,处理能力可增大40%以上。3.3低气速带氧化培养的阻雾剂方形浮阀如图22所示。它的阀盖呈方形,在孔内不会转动,其周边有波纹。这种波纹设计有利于减少雾沫夹带,并提供浮阀与塔板的平衡接触点,便于阀体顺利开启。它在低气速下的泄漏较少,具有低的操作下限。它的鼓泡面积大,可减少单位塔板面积上的阀数,降低成本。3.4浮阀的重心偏移这种椭圆浮阀综合了条形浮阀和圆形浮阀的优点,在增加了机械强度的同时提高了传质效率,如图23所示。其特点在于:该浮阀的阀盖由两个短轴相等、长轴不等的半椭圆组合而成,因此其重心向一端偏移,造成浮阀开启后阀体有一定的前后倾斜度,使得从阀孔中吹出的气体能推动塔板上的液体作定向流动;阀盖边缘的锯齿增加了气液接触的表面,同时减少了雾沫夹带,并使阀体的开启阻力大大减小。该浮阀继承了条形浮阀塔板开孔率高,同时又继承了圆形浮阀塔板机械强度较高的特点,保证了塔板的机械强度。3.5气流速度低而均匀十字旋阀塔板如图24所示。它的特点:“十”字形的结构和合理布置,塔板上任意相邻四阀喷出的气流与板上液流呈多角度交错,且气流通道面积大,气流速度低而均匀,从而大大减小了雾沫夹带;从十字阀孔吹出的气流与塔板上的液流互相接触,产生漩流,使垂直向上的气速分速度减小,且浮阀侧部的气体通道截面积大,明显减小了气液两相的对冲,改善了塔板的流体力学性能,使塔处理能力和分离效率显著提高;该十字旋阀塔板能够在同等操作条件下使气液两相均匀,降低塔板上的液面梯度,提高传质效果。4提高了塔板的机械强度固定阀塔板是介于浮阀和筛板之间的一种塔板。固定阀在塔板上直接冲压而成,与塔板成一个整体,因而提高了塔板的机械强度。阀体的阀面可以根据需要制作成不同形式如矩形、梯形等。4.1从阀面控制塔板区域效率美国NUTTER工程公司早期开发的固定阀塔板(V-GridTray),如图25所示。它的阀面为梯形,气体从阀体的侧缝中喷出,并有一个向前的分速度,有利于降低塔板上液面梯度,减少液相返混和雾沫夹带,提高塔板效率。它的干板压降与总板压降处于大孔筛板和Fl浮阀塔板之间,并且有明显降低污垢产生,防止杂质堵塞的作用。4.2小体积、大推力田原宇等针对精馏过程中的提馏段塔板,开发出由梯形固定阀和导向孔复合构成的固定阀塔板,如图26所示。在大液流强度下,梯形固定阀产生推动液体向前流动的气体分力,再加上塔盘面上增加的若干导向斜孔或固舌喷出的气体,两个推力叠加将加强提馏段气体的推液作用,消除液面梯度,又降低雾沫夹带和泄漏,从而增加处理能力,提高塔板的抗堵性。同时,梯形固定阀和导向孔又可以根据具体情况采用最优化的结构和分布,保证板面液体分布均匀,气液接触充分,提高提馏效率并降低塔板压降。4.3塔板板面