板式塔是一類用于氣液或液液系統的分級接觸傳質設備,由圓筒形塔體和按一定間距水平裝置在塔內的若干塔板組成。
板式塔廣泛應用于化工單元操作中的精餾和吸收過程,有些類型(如篩板塔)也用于萃取,還可作為反應器用于氣液反應過程。
操作時,物料為氣液系統,液體在重力作用下,自上而下依次流過各層塔板,至塔底排出;氣體在壓力差推動下,自下而上依次穿過各層塔板,至塔頂排出。
每塊塔板上保持著一定深度的液層,氣體通過塔板分散到液層中去,進行相際接觸傳質。塔盤在結構方面要求有一定的剛度以維持水平;塔盤與塔壁之間應有一定的密封性以避免氣、液短路;
塔盤應便于制造、安裝、維修并且要求成本低。板式塔塔板分為浮閥塔盤、篩孔塔盤、舌形塔盤、斜孔塔盤、網孔塔盤、導向浮閥型塔盤、穿流型塔盤、旋流板塔盤等。
塔盤通常主要由氣體通道和溢流裝置兩部分組成。本期主要介紹關于塔盤的氣體通道相關內容。為保證氣液兩相充分接觸,塔板上均勻地開有一定數量的通道供氣體自下而上穿過板上的液層。氣體通道的形式很多,其對塔板性能有決定性影響,也是區別塔板類型的主要標志。
化工生產中最常見的三種塔板為:篩板塔板、泡罩塔板和浮閥塔板,浮閥塔板則直接在圓孔上蓋以可浮動的閥片,根據氣體的流量,閥片自行調節開度。泡罩塔板的氣體通道最復雜,它是在塔板上開有若干較大的圓孔,孔上接有升氣管,升氣管上覆蓋分散氣體的泡罩。(1)泡罩塔 泡罩塔是最早應用于工業生產的典型板式塔。泡罩塔盤由塔板、泡罩、升氣管、降液管、溢流堰等組成。生產中使用的泡罩形式有多種,常用的是圓形泡罩,圓形泡罩的直徑有480、4100、4150三種,其中前兩種為矩形齒縫,4150的圓形泡罩為敞開式齒縫。
泡罩塔盤上的氣液接觸狀況如圖1所示。氣體由泡罩塔下部進入塔體,經過塔盤上的升氣管,流經升氣管與泡罩之間的環形通道而進入液層,然后從泡罩邊緣的齒縫流出,攪動液體,形成液體層上部的泡沫區,再進入上一層升氣管。液體則由上層降液管出口經溢流堰流入下一層塔板,橫向流經布滿泡罩的區域,漫過溢流堰進入降液管,再流入下層塔板。泡罩塔操作的要點是使氣、液量維持穩定。若氣量過小而液量過大,氣體不能以連續的方式通過液層,只有當氣體積蓄的壓力升高后,才能沖破液層通過齒縫溢出。氣體沖出后,壓力下降,只有等待氣體壓力再次升高,才能重新沖破液層溢出,形成脈沖方式,并可能產生漏液現象;若氣量過大而液量過小,則難以形成液封,液體可能從泡罩的升氣管流入下層塔板,使塔板效率下降。氣量過大還可能形成霧沫夾帶和液泛現象。泡罩塔的優點是:相對于其他塔型操作穩定性較好,易于控制,負荷有變化時仍有較好的彈性,介質適應范圍廣。缺點是生產能力較低,流體流經塔盤時阻力與壓降大,且結構較復雜,造價較高,制造加工有較大難度。
(2)篩板塔 篩板塔的塔盤為一鉆有許多孔的圓形平板。篩板分為篩孔區、無孔區、溢流區、降液管區等幾個部分。篩孔直徑一般為43~8mm,通常按正三角形布置,孔間距與孔徑的比值為3~4,隨著研究的深入,近年來,發展了大孔徑(420~25mm)和導向篩板等多種形式的篩板塔。篩板塔內的氣體從下而上,通過各層篩板孔進入液層鼓泡而出,與液體接觸進行氣、液間的傳質與傳熱。液體則從降液管流下,徑向流經篩孔區,再由降液管進入下層塔板。篩板結構及氣液接觸情況篩板塔與泡罩塔相比,生產能力提高20%~40%,塔板效率高10%~15%,壓力降小于30%~50%,且結構簡單,造價較低,制造、加工、維修方便,故在許多場合都取代了泡罩塔。篩板塔的缺點是操作彈性不如泡罩塔,當負荷有變動時,操作穩定性差。當介質黏性較大或含雜質較多時,篩孔易堵塞。
(3)穿流板塔 穿流板塔與篩板塔相比,其結構特點是不設降液管。氣體和液體同時經由板上孔道逆流通過,在塔盤上形成泡沫進行傳質與傳熱。常用的塔板結構有篩孔板和柵板兩種。穿流板塔結構簡單,制造、加工、維修簡便,塔截面利用率高,生產能力大,塔盤開孔率大,壓降小。但塔板效力較低,操作彈性小。
(4)浮閥塔 浮閥塔是20 世紀 50年代發展起來的板式塔,現已廣泛應用于精餾、吸收、解吸等傳質過程。浮閥塔盤結構的特點是在塔板上開設有閥孔,閥孔里裝有可上下浮動的浮閥(閥片)。目前應用較多的是 F型浮閥。氣體經閥孔上升,沖開閥片經環形縫隙沿水平方向吹入液層形成鼓泡。當氣速有變化時,浮閥能在一定范圍內升降,以保持操作的穩定性。浮閥塔生產能力大,操作彈性好,液面落差小,塔板效率高(比泡罩塔高15%左右)。流體壓降和流體阻力小,且結構簡單,造價較低,是一種綜合性能較好的塔型,已在生產中得到廣泛應用。
(5)舌形塔 舌形塔屬于噴射形塔,20 世紀 60 年代開始應用。與開有圓形孔的篩板不同,舌形塔板的氣體通道是按一定排列方式沖出的舌片孔。舌孔有三面切口和拱形切口兩種。常用的三面切口舌片的開啟度一般為 20°。舌形塔盤及舌孔形狀由于舌孔方向與液流方向一致,故氣體從舌孔噴出時,可減小液面落差,減薄液層,減少霧沫夾帶。舌形塔盤物料處理量大,壓降小,結構簡單,安裝方便。但操作彈性小,塔板效率低。
(6)浮動舌形塔 浮動舌形塔盤是在塔板孔內裝設了可以浮動的舌片。浮動舌片既保留了舌形塔傾斜噴射的結構特點,又具有浮閥操作彈性好的優點。浮動舌形塔具有處理量大、壓降小、霧沫夾帶少、操作彈性大、穩定性好、塔板效率高等優點。缺點是在操作過程中浮舌易磨損。
(7)導向篩板塔 導向篩板塔是近年來開發應用的新塔型。它在普通篩板塔的基礎上改進而成。它的結構特點是:在塔盤上開有一定數量的導向孔,通過導向孔的氣流與液流方向一致,對液流有一定的推動作用,有利于減少液面梯度;在塔板的液體入孔處增設了鼓泡促進結構,有利于液體剛流入塔板就可以生產鼓泡,形成良好的氣液接觸條件,以提高塔板利用率,減薄液層,減小壓降。與普通篩板塔相比,塔板效率可提高13%左右,壓降可下降15%左右。導向孔的形狀如同百葉窗,類似于舌片沖壓而成,所不同的是開口為細長的矩形縫??p長有12mm、24mm、36mm三種。導向孔開縫高度常為1~3mm。導向孔的開孔率一般為 10%~20%。鼓泡促進器是在塔板入口處形成的凸起部分。凸起高度一般為 3~5mm,斜面的斜率一般在 0.1~0.3 之間,斜面上通常僅開有篩孔。