这是2001年上学时写的论文，可作同学们学习“气液传质设备”一章的参考读物。

 

塔板技术最新进展和研究展望

李春利，王志英，李柏春, 张文林

（河北工业大学 化工学院，天津 300130）

    摘要：综述了塔板技术的最新进展，介绍了在F1浮阀和筛板基础上研究开发的若干新型塔板，同时还对塔板-填料复合塔的原理和特点进行了简略的陈述。较详细地介绍了专利塔板—立体传质塔板CTST，该塔板具有通量大、效率高、压降低、抗堵性能强等优点，其传质区域由板上液层扩展到塔板空间，使得塔板的空间利用率高达50-70%。最后展望了今后塔板技术的研究和发展方向。

关键 词：塔；塔板；传质；分离；CTST

中图分类号: TQ053.5     文献标识码: A

0  前言

    塔设备是重要的气液和液液传质设备，广泛应用于炼油、化工、化肥、制药、环保等行业的物质分离，通常分为板式塔和填料塔。一般认为，在某些场合下，填料塔有压力降小的突出优点，但有些填料的造价较高，且对初始分布敏感，在高压下分离效率和通量比在常、减压下的低得多，而板式塔结构较为简单，易于放大，造价较低，对于常压和加压物系，特别是大塔径、多侧线汽液传质设备板式塔有较大的优势。因此，对板式塔的开发研究在塔器技术中占有举足轻重的作用。

近些年来，塔板技术有了明显进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性能优良的新板型。国内的如：河北工业大学的大通量高效塔板——立体传质塔板（CTST）、华东理工大学的导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔板、浙江工业大学的DJ系列塔板、南京大学的新95型塔板和混合箱塔板等；国外的如：Koch-Glitsch公司的Superfrac tray、BiFrac tray、Nye tray^[1,2]，Norton公司的Triton tray, UOP公司的ECMD tray、VGMD tray、MD tray^[2,3]，英国诺丁汉大学开发的Flow contral tray, Jaeger公司的CoFlo tray,此外，德国开发了一种带金属片传质元件的复合塔板，原苏联开发了新型气相分流式塔板、带旋转接触元件的旋流塔板、带纵横挡板的喷射导向塔板和新型高速旋转塔板等^[4]。这些都显示出板式塔在工业应用和未来发展中的强劲势头。

1  浮阀类新型塔板

    浮阀塔板是应用最为广泛的塔板之一，由于其高效率、高弹性和高生产能力等优点在炼油等行业中倍受青睐。F1型浮阀是其中应用时间较长的一种塔板，但是，随着塔器技术的不断进步，F1型浮阀塔板的缺点日益暴露:（1）液面梯度大，使得气体在液流方向上分布不均匀；(2）浮阀是圆形的，从阀孔出来的气体向四周流出，塔板上液体返混程度大；(3）在塔板两侧的弓形区域存在液体滞留区；(4）浮阀易磨损、脱落。针对F1浮阀的上述缺点，相继开发出了若干新型浮阀塔板。

1.1导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔板

    导向浮阀塔板是华东理工大学1991年开发的新型塔板，其主要特征是：(1)在导向浮阀上设有适当大小的导向孔，开口方向与液流方向一致，可消除液面梯度；(2)导向浮阀为矩形，两端有阀腿，操作时，气体从浮阀的两侧流出，垂直于液流方向，可以减少返混；(3)借助导向浮阀的适当排布，可以消除液体滞留区；(4)阀腿固定，不易磨损。

    导向浮阀目前有四种形式：矩形导向浮阀、梯形导向浮阀、组合导向浮阀和B型导向浮阀。一般讲，液流强度小时，矩形导向浮阀能满足要求；当液流强度大时，用梯形导向浮阀较好；为了防止在小液流强度下塔板上出现负的液面梯度，适当调整矩形导向浮阀和梯形导向浮阀的配比（即组合导向浮阀），以适应消除塔板上的液面梯度的需要。B型导向浮阀则可以代替梯形导向浮阀和矩形导向浮阀进行组合，但在加工时较方便。实验证明：和F1型浮阀相比，导向浮阀的板压降降低20%左右,处理能力可提高30%以上，板效率提高约10%以上。

针对F1浮阀缺点开发的新型浮阀还有洛阳石化工程公司研制开发的条形浮阀塔板^[5]和石油大学开发的HTV船型浮阀等。

1.2 ADV微分浮阀塔板^[6]

ADV微分浮阀塔板是清华大学在90年代末开发的新型塔板，在对常压或加压下操作的塔的改造中获得成功应用。其主要设计思想是：(1)在阀顶开小阀孔，充分利用浮阀上部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更充分；(2)局部采用带有导向作用的微分浮阀，消除了塔板上液体滞留现象，提高气液分布的均匀度；(3)采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，同时使气体分布也趋于均匀，从而增加了塔板的处理能力和提高了传质效率；(4)适当改进降液管，增加鼓泡区的面积；(5)阀脚采用新的结构设计，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15%，塔板处理能力提高40%以上，塔板压降低10%，塔板操作弹性大幅度提高。

1.3 Triton tray

Triton tray 是Norton公司推出的新一代大处理能力塔板,外形结构与国内通用的F1型浮阀塔板大致相同,其特点是：塔板上的浮阀按一定的规则排列,在同一塔板上安装两种不同质量的浮阀；阀套固定在塔板上，其形状不受限于开孔，并配合特殊设计的斜截降液管。这种塔板能改善气相分布，抑制喷射液泛；可使得在低气速下塔板上的汽液接触更为充分合理，操作弹性范围更大，操作性能更好。

    Koch Engineering 公司的Bi-Frac tray采用T排固定阀，通过强化鼓泡面积使生产能力比筛板的提高30%。Max-frac tray则是通过改进降液管设计，强化入口面积来提高塔板性能。

类似的新型浮阀塔板还有：德国Stahl公司在80年代末推出的高弹性浮阀塔板（Varioflex-valve tray），苏联的新型并流式浮阀-筛孔塔板、补偿并流浮阀塔板、流体动力学分段式喷射浮阀塔板等^[7]。

2 筛孔型新型塔板

    筛孔型塔板是历史最悠久的板型之一，工业上应用非常广泛，经过许多年的研究也形成了一系列优良板型,如导向筛板、MD筛板、泡罩-筛孔塔板、网状塔板、带挡板的筛板以及新型垂直筛板等，以下对当今工业上应用较广泛的新板型作一简介。

2.1 MD筛板^[8,9]和国内开发的DJ系列塔板

    美国联合碳化物公司(UCC)60年代开发的MD板近年来颇受重视。其结构特点为：①塔板上设有多根降液管,溢流周边比一般塔板增加2～5倍；②降液管悬挂在气相空间，塔板上受液区仍然开孔；③每相邻两板的降液管互成90度排列；④板间距小,仅为一般塔板的50%～70%。以MD板代替常规板，取消了受液盘，处理量可提高15%左右。1992年国际精馏与吸收会议上，UOP公司又提出了一种更大通量的MD板，其通量又提高15%以上。

    针对MD板在液流分布和传质效率方面存在的不足，浙江工业大学在80年代末开发了DJ系列塔板。DJ塔板继承MD塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面有所创新。目前DJ塔板有三种型号，DJ-1型塔板是为了适应大液气比的吸收操作而开发的，主要结构特点是：采用宽型降液管，并对降液管的根数和排列作改进和优化。DJ-2型板上设置了导流装置，在相应位置上开设导流孔，安装导流板，改善液流的初始分布，使塔板上液流接近活塞流。DJ-3型塔板的下方复合一薄层规整填料，填料层处于气相空间，起到了抑制雾沫夹带作用，使板效率较F1浮阀提高10%～15%，通量提高15%～20%。DJ塔板能胜任大液量和加压操作，1999年针对DJ系列塔板存在的冲击漏液缺陷，研究开发了诱导型防冲击漏液装置，使DJ系列塔板的性能进一步提高。

2.2 95型大通量塔板^[10]和混合箱塔板

95塔板是南京大学通过改进降液管结构和板面设计，从而提高塔板的有效传质区面积而开发的一种新型大通量塔板。其结构特点为：①采用月牙型溢流堰，其上部面积仅占塔截面积的5%左右，下部仅为3%左右，并取消了入口堰前的安定区，使其有效传质区面积约占全部塔板面积的95%，一般比传统塔板通量增加10%～25%；②采用管尾向塔壁开口的降液管，使液体直接从塔壁降下，延长塔板上液体的平均停留时间，从而提高板效率，一般比传统塔板要高5%～10%；③采用全塔板液体均分导流，使板上液体呈活塞流状态。该塔板与美国最新型的NYE塔板相比，通量要高10%～15%，效率高5%以上。

混合箱塔板是南京大学的又一专利，特别设计用于强化传递与分离效果的传质元件，基本可以实现高通量下的高效率。它是一个个罩在塔板孔簇（筛孔、斜孔或舌形孔）上的结构特殊的小箱子，当气流穿过孔簇上升时，由于其有一定的速度和动能，便带动孔簇周围的液体一起离开塔板，形成气、液混合流股，此流股在混合箱空间内经充分搅动混合，实现气液间的充分接触、传质与传热，并沿塔板上液流的宏观方向斜向喷出，其中的液体由于喷射动能和重力的作用而落入板面，归入液流主体之中，而其气相则自动与液相分离而上升至上一块塔板。当气液两相实现分离时，已基本上接近于热力学汽液平衡状态，此种结果将意味着气液传质效果的大幅度提高，即板效率的大幅度提高。

3  复合塔板

3.1 穿流筛板与规整填料相结合的复合塔板^[11]

该塔板是浙江工业大学的徐崇嗣等在90年代初开发出的一种新型塔板,它是在对板式塔的传质效率和填料塔传质效率的进行分析之后提出的：板式塔上的鼓泡区为主要传质区,而其上的气相空间对传质贡献很小；填料塔则存在液体再分布不好的问题。复合塔板就是将气相空间加以利用,同时保留鼓泡层的高效区,又能使填料在气液分布良好的状态下操作,从而提高塔效率。其结构特点是：由穿流筛板下加一层高为50～100mm的规整填料，板间距为250～350mm，不设降液管，气液呈逆向流动。穿流筛板与填料这种巧妙配合，使复合塔板具有如下优点：①穿流筛板实际上相当于下面填料层的液体分布器，对填料起到液体均匀分布的作用；②填料起到气体均布的作用，并且由于填料的存在，基本消除了雾沫夹带；③复合塔不设降液管，使空塔截面积增大15%左右，可以增大通量；④穿流筛板开孔率大，因此板压降也比一般塔小。

4  立体喷射型塔板

    近年来，在诸多形式的新型塔板中，以液相为分散相的喷射型塔板已受到普遍重视。喷射型塔板在液相为分散相、气相为连续相状态下进行操作，传质面积扩大了许多，同时气体不再由板上液层通过，因而压力降大大降低。这类塔板一般又具有气体分离的结构，可保证在很高的气速和液体充分分散的情况下，很好地进行气液分离，以减少雾沫夹带，并提供新的传质面积。近期研究表明，喷射型塔板的优点是很明显的，可以认为液体分散型塔板是以后新型塔板的重要发展方向。

 4.1 新型垂直筛板（New VST）

  

图1  New VST结构示意图http://s15/middle/6d447b7dg7996c9e1b84e&690

    新型垂直筛板是由日本三井造船株式会社于1968年前后开发成功的，自1980年始河北工业大学等几家单位对其性能与结构进行了研究，并加以推广使用^{[12、13、14、15]}。New VST是以气相为连续相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构形状如图1。主要特点是：在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩有顶盖，可有效抑制雾沫夹带，其圆筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙，气液混合物从这里喷出。在圆筒底与塔板塔板面之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩内。罩底是圆形孔，为气体通道。操作时，从下层塔板上升的气体，经板孔与从罩底隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等过程完成气液接触传质。该塔板具有气体处理量大、效率高、操作范围宽等优良性能，一经问世就受到国内外化工界的重视，在工业应用方面取得很大成就。

4.2 立体传质塔板（CTST）

CTST是河北工业大学化学工程研究所在对New VST进行深入研究的基础上开发创新的结果，已获国家专利。其核心部件——气液接触、传热、传质元件为梯形喷射罩，结构如图2所示：塔板采用矩形开孔，矩形开孔上方设置带筛孔的梯形喷射罩；罩的两侧为带筛孔的喷射板，两端为梯形的端板，上部为分离板，在喷射板与分离板间设气液通道。喷射板与塔板间有一定的底隙，为液体进入罩体的通道。

从结构上比较，CTST和New VST的优越性主要表现在以下几个方面：（1）New VST的气液喷射几乎各向均等，而CTST的梯形喷射罩体结构使得气液主体喷射方向与板上液流方向垂直，因而板上的液相返混很小；（2）CTST设置了分离板，可以大幅度地减少雾沫夹带量，因而操作负荷上限比New VST高；（3）在喷射板与分离板间设有气液通道，该通道使得半开放式帽罩结构的CTST的板压降比New VST的低。

CTST是气液并流喷射型塔板，其操作工况如图3所示：http://s15/middle/6d447b7dgbfe3e0a0a2be&690

 

1-分离板   2-喷射罩                                                                       图2  CTST组合罩示意图

    气体自板孔进入喷射罩中，在塔板板孔处形成缩流，在板孔附近形成低压区；液体受罩体内外压差和板面液面高度静压强的作用自罩体底隙进入罩内；气液两相的接触、传热、传质经历了如下过程：                   

   （1）气体自板孔进入喷射罩；液体自罩体底隙进入罩内；气液两相在罩体底隙区域垂直相遇；（2）在罩内气体将液体提升、拉膜、破碎成液滴；（3）气液混合物上升碰撞分离板并折返，与上升的气液激烈碰撞；（4）气体和液滴从喷射板的喷射孔及罩顶通道向两侧斜上方喷出；（5）在罩间，喷出罩体的气液混合物对喷、相互碰撞；（6）液滴回落至板面流向下游，气体绕过分离板上升至上层塔板。

CTST的特殊结构和喷射操作工况使其打破了传统塔板以板上液层为主要传质区域的平面型模式，把传质区域扩大到塔板至罩顶的立体空间范围，将塔板的空间利用率提高到50%～70%，又由于气液在罩内和罩间接触非常充分，故塔板效率很高(比F1浮阀高10%以上)；矩形开孔使得开孔率大幅度提高（达20%），与浮阀塔板相比，CTST的通量可提高50%～100%。

 

图3  CTST操作工况示意图

    由于CTST的半开放式帽罩结构，并且操作时气体不需通过液层，所以其板压降可大幅度降低，实验表明CTST的板压降比New VST低约10%，比F1浮阀塔板低20%以上；其操作负荷下限受漏液控制，略低于New VST，操作负荷上限比New VST高约52%，比浮阀塔板高约117%，故其操作弹性很大，达到5.4～7.2；在相同的气相板孔动能因子时，雾沫夹带仅为New VST的1/10，为F1浮阀的1/20。

CTST自开发成功以来，在石化、维尼纶、聚氯乙烯、制药、化肥等行业得到广泛应用^[16、17]，迄今已成功推广应用了500多座塔。对于扩改项目，原塔外壳、降液管均不变，仅将原塔板更换为CTST塔板后即可提高处理量50～100%；对于新设计项目，塔径则大大减小，可节省设备投资1/3以上。

对New VST进行改型的还有倒锥顶帽罩垂直筛板^[18]、宝塔罩型塔板^[19]、喷嘴孔垂直筛板^[20]和H型帽罩垂直筛板（HVGT）^[21]等。

5  研究展望

通过对新型塔板的分析研究，今后板式塔研究的发展方向应是:

    1.提高塔板空间利用率，传质区域向塔板空间扩展，塔板结构趋向于立体结构

    上述新型塔板中，不少板型的改进是把传质区域由板面液层向立体空间发展，如立体传质塔板CTST等，这种结构不仅大幅度提高了气液两相的接触面积，而且使液滴的表面不断更新，因而有利于提高传质效率。

2.充分利用板面面积，扩大传质区域。

    传统塔板一般有较大的弓形区面积，另外安定区和边缘区的存在也减少了气液接触的机会，所以整个塔的通量降低。如果优化板面结构，充分利用这些区域，则可提高通量并改善气液流动状况。在这方面，南京大学的新95型塔板即是一例。

3.复合塔的使用。

包括塔板加填料型复合塔板和整塔的复合，整塔复合即根据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布,为适应不同的工况而选择最合适的塔板，以强化板上的两相传质，提高处理能力和分离效率；

4.对塔板的局部进行改进,如滞止区的导流和降液管的优化设计等。

板上气液流动状况与板效率密切相关^[22]，因为板上返混和级间返混都会降低塔效率，研究结果表明：板上液相呈活塞流，相邻塔板上液体流向相同的液体并流型塔板具有最高的塔板效率。在滞流区设导流装置有利于改善流型，使板上流动接近活塞流；今后应对优秀塔板的气液流动行为进行研究，在提出更合理更可靠的数学模型的基础上，进行新塔板的开发。

    降液管的流体力学性能影响着塔板本身的操作和性能^[23]，Thomas等所做的传质实验表明降液管能提高板效率，在大液量时降液管对板效率的作用更为明显，当操作上限受降液管液泛控制时，通过对降液管的优化设计可提高塔板的生产能力和效率^[24]。在这方面，除了众所周知的MD塔板外还有Glitsch公司的Nye tray和Superfrac tray。

参考文献：

[1]John A.Williams.Optimize Distillation System Revamps. Chemical Engineering Progress,1998,94(3),23-33.

[2]Andrew W.Sloley.Should you switch to high capacity trays.Chemical Engineering Progress,1999,95(1),23-35.

[3]Jose L.Bravo.Select structured packings or trays. Chemical Engineering Progress,1997,93(7),36-41.

[4]曹纬.国外板式塔最新进展与新分离技术开发.石油化工设备,1999,28(4):39-41.

[5]张荣庆.条形浮阀塔板的研究与应用.化学工程,1992,20(3):66-69.

[6]刘吉,吕家卓,谢润兴等.微分浮阀塔板的研究和应用.化学工程,2000,28(5):10-14.

[7]曹纬.国外塔板的发展及新板型介绍.石油化工设备.1991,20(4):34-37.

[8]李好管.塔器分离技术最新进展.现代化工,2000,20(8):19-24.

[9]W.V.Delnicki,J.l.Wagner. Performance of Multiple Downcomer Trays. Chemical Engineering Progress.1970,66(3):50-55.

[10]郭敏强,李鹏,吴有庭等.新结构95型塔板的流体力学性能.化工学报,2000,51(3):395-398.

[11]姚克俭.复合塔板的开发及其应用.石油化工,2000,29(10):772-775.

[12]杜佩衡,于文奎,王庆瑶.新型垂直筛板塔流体力学性能研究.石油化工设备,1986,5(9):1-7.

[13]张海跃.新型垂直筛板塔的液体提升量的测定与关联.化学工程,1986,14(2):75-77.

[14]刘衍烈.新型垂直筛板塔的流体力学理论分析及关联.化学工程,1983,11(5):1-13.

[15]李春利,曹立姗,王金戌等.新型垂直筛板液滴粒度的研究.河北工业大学学报,1997,26(1):26-31.

[16]李柏春,于文奎,李春利.梯形立体喷射塔板在醋酸精馏塔技术改造中的应用.河北工业大学学报,1999,28(2):60-62.

[17]李柏春,于文奎,李春利，梯形立体喷射塔板在回收六塔扩改中的应用.维纶通讯, 1999, 19 (1) :44-46.

[18]杜冬云,方云进,肖文德.一种改进的新型垂直筛板.华东理工大学学报,2000,26(3):251-255.

[19]郑学明.宝塔罩型塔板性能研究.化学工程,1995,23(2):10-13.

[20]徐维勤.喷嘴孔垂直筛板塔的流体力学和传质性能研究.石油化工设备,1991,20(2):17-21.

[21]杜冬云.新型垂直筛板塔研究的进展.石油化工,1998,27(5):374-378.

[22]兰州石油机械研究所.现代塔器技术.烃加工出版社.1984.47-57.

[23] W.J.Thomas,Campbell.Hydraulic studies in a sieve plate downcomer system. Instn.Chem.Engrs.,1967,Vol.45:53-63.

[24] W.J.Thomas,Campbell.Mixing,efficiency and mass transfer studies in a sieve plate.Instn.Chem.Engrs.,1967,Vol.45:64-73.

                            Latest Progress and Research Prospect of Tray

LI CHUN-LI, WANG ZHI-YING, LI BAI-CHUN，ZHANG WEN-LIN

(School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130)

Abstract: The latest progress of tray is reviewed. Some of new tray designs developed from F1 valve and sieve trays are presented. In addition, the principle and features of tray-packing combination tower are also summarized. A type of patent tray ——CTST is introduced in detail, which has the advantages of higher capacity and efficiency, lower pressure drop and entrainment and better fouling resistense. Its gas/liquid mass-transfer field is extended from the liquid above plate to the space between two plates so that the efficient space between two plates gets to 50-70%. Finally the future research and development of tray are prospected.

Key words: column; tray; mass transfer; CTST