新型垂直筛板塔（New-VST）技术的开发与研究进展
作者/来源:天津衡创工大现代塔器技术有限公司 日期:2012-05-21 点击量:882
介绍新型垂直筛板塔（New-VST）的结构与操作原理，剖析了该技术的优异性能，展现了该塔在氮肥、氯碱、制药、石油化工等行业的广阔应用前景。
关键词：新型垂直筛板塔 压力降 帽罩 效率
1 新型垂直筛板塔（New VST）结构与操作原理简述
1.1 结构
从塔盘板、降液装置来看，New VST与浮阀、筛板、泡罩并无不同，其主要结构特点在于New VST具有图1示的帽罩，即在塔板上开圆孔，对应每一个圆孔，同心安装有帽罩。帽罩可以是如图1的圆柱形，也可以是方形、矩形、梯形、锥体形、半圆柱形等，本文以圆柱形帽罩为典型实例作介绍。这类帽罩的直径为60~250mm，高为160~250mm，在帽罩开有圆形孔或栅条缝（称为雾沫分离孔）。雾沫分离孔为圆形的称为S型，为栅条缝的称为C型。根据操作物料的变化及操作条件的不同可以采用不同结构尺寸的罩帽，制作帽罩的材质可采用碳钢、不锈钢等。还应指出，这种帽罩对应的板开孔处并不象泡罩那样具有升气管。
1.2 气液流动接触状态
New VST气液流动接触状态如图2所示。来自上一层塔板的液体从降液管流出，横向穿过各排帽罩，经帽罩底部缝隙流入罩内（日本三井造船株式会社提出的流动机理认为：从下一层塔板上升的气体由板孔进入帽罩，气体通过板孔时缩流加速，能量转化，使板孔附近的静压强降低，以致使帽罩与塔板之间的缝隙内外两侧产生压差，板上液体被吸进帽罩），并与高速气流接触后，改变方向呈环状膜向上运动，极不稳定的液膜被高速气流破碎成液滴（据测定在常压的空气-水系统中较低的负荷时，液滴直径在0.5~5mm之间），帽罩内气液两相处于湍流状态，进行激烈的热质交换，而后两相流从罩壁小孔沿水平方向喷射而出，气相升至上一层塔盘板，液相落入原塔盘板，一部分又被吸入帽罩进行再次循环，另一部分随板上液流进入下排帽罩，最后通过溢流堰和降液管流入下一层塔板。液体流进和流出帽罩情况如图3所示。
我们的实验结果表明，上述气液接触原理的描述，应作如下的修正与充实完善：
（1）液体从塔盘上经帽罩底隙进入帽罩中并非是气体通过板孔缩流减压“吸入”，而是靠液层的静压头，通过反复测定表明，帽罩底隙内侧的压力比罩外相应位置的压力来得高而不是低，所以认定不是靠气相压差“吸入”，而是靠板上液层压头“压入”的。
（2）关于New VST帽罩内外的操作状态，经过较详尽的观察研究认定：New VST帽罩中气体所提拉的液膜并非是均匀厚度的圆环膜，而是厚薄不均，很不稳定，近似呈“窝头”状膜的厚度与高度随气速变化而变化，气速增加膜变薄，且易破碎，因而在气相中分散得更好。
（3）New VST上的气液流动接触状况我们将它分成连续的四段，即①托液拉膜段；②破膜粉碎段；③气液喷射段；④气液分离段。这四段都是气液传质过程，但主要传质发生在第③④段，且以第④更重要。③④段传质作用的好坏首先取决于①②段，即液体被提升的量及被破碎的程度。实验数据证明New VST板间空间（即上述第④段）确实为重要传质区。
2 New-VST的主要技术特点
2.1传质效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩内液、气比大,液相在气相中分散较好,特别是气液混合物撞击分离板后改变方向或折返,使液膜不断破碎、更新,气液接触混合非常激烈,对于喷射段,由于液体经喷射分散度更高,颗粒更小,使气液接触面积增大,研究证明这一阶段不仅是液滴的沉降，传质作用仍在进行,罩内外基本上都是有效传质区域,塔板空间都得到充分利用。因此传质、传热过程比浮阀内进行的充分、完全，所以可达到总的塔板传质效率比浮阀高出10%以上的效果。
2.2处理能力大
New-VST 塔板,由于帽罩的特殊结构,气体离开帽罩呈水平或向下方向喷出,这拉大了气液分离空间和时间,使气体雾沫夹带的可能性大为降低,这使塔板气体通道的板孔开孔率可大幅提高,一般可达20%～30%。而在开孔率相同时可允许操作气速比一般塔板高出1.5-2.0倍,仍能将气体雾沫夹带限定在允许范围以内。
其次,气体携带液体并流进入帽罩,而不是像浮阀等塔板气体穿过板上液层,因而使塔板流动的液体基本上为不含气体的清液,故降液管液泛的可能性大为降低,即同样截面积的降液管,液体通过能力也可提高近一倍,所以对于扩产改造项目,保留原塔体,只需更换成新型塔板就可将塔的处理量提高50%以上。
2.3抗堵塞能力强
由于塔板板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏或粘性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力。物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔。
2.4阻力降低
New-VST塔板气体并不穿过板上液层,只需克服被气体提升的那部分液体的重力,所以造成的压降要小,图2 给出了New-VST与F1浮阀塔板压力降比较,由图看出:New-VST塔板压降Hw在低负荷时与F1型浮阀相当,高负荷时比F1浮阀低20%～30%,且负荷愈大,压降低的愈多。
1- New-VST; 2-F1浮阀
图 2 New-VST与F1浮阀塔板压降比较
2.5操作弹性好
New-VST塔板操作下限与浮阀、筛板塔一样,为漏液控制,但是由于New-VST分离板的作用,使雾沫夹带量很少,大大低于浮阀,表1是塔径为600mm,板间距350mm,开孔率10%的情况下,当取雾沫夹带量ev=0.1kg液/kg气时,对New-VST 和F1浮阀作不同负荷气体动能因子 F 0 对比实验,结果见表1:
表 1 操作弹性比较
表中数据说明,雾沫夹带量ev和漏液量eL均为0.1的条件下,虽然F1浮阀有适应负荷变化的活动阀片,但New-VST操作弹性仍稍高于F1浮阀。
3 结束语
新型垂直筛板塔盘自开发以来，经过多次改进，实践证明，这种塔盘的物沫夹带量很少， 当气速数倍于普通塔盘时，也不发生液泛。塔盘效率、压力降和操作范围几乎不受气液负荷的影响；即使气液量很少时，仍然具有稳定的效能。因此，新型垂直筛板的性能接近于理想塔盘。新型垂直筛板塔盘上的流动时三维的，空间利用得最充分。因此，塔盘间距通常可为300～400mm。
新型垂直筛板（New VST）是世界上第三代（最新一代）板式塔技术之一，与目前常用的板式塔（浮阀、筛板、泡罩塔）具有根本不同的操作状态，它是喷射型板式塔，与后者相比具有传质效率高、处理能力大、阻力小、操作弹性好等优异性能。
新型垂直筛板塔盘被认为是具有划时代意义的塔型，通过以上分析，也可看到塔盘发展、改进的一些趋向。
关键词：新型垂直筛板塔 压力降 帽罩 效率
1 新型垂直筛板塔（New VST）结构与操作原理简述
1.1 结构
从塔盘板、降液装置来看，New VST与浮阀、筛板、泡罩并无不同，其主要结构特点在于New VST具有图1示的帽罩，即在塔板上开圆孔，对应每一个圆孔，同心安装有帽罩。帽罩可以是如图1的圆柱形，也可以是方形、矩形、梯形、锥体形、半圆柱形等，本文以圆柱形帽罩为典型实例作介绍。这类帽罩的直径为60~250mm，高为160~250mm，在帽罩开有圆形孔或栅条缝（称为雾沫分离孔）。雾沫分离孔为圆形的称为S型，为栅条缝的称为C型。根据操作物料的变化及操作条件的不同可以采用不同结构尺寸的罩帽，制作帽罩的材质可采用碳钢、不锈钢等。还应指出，这种帽罩对应的板开孔处并不象泡罩那样具有升气管。
1.2 气液流动接触状态
New VST气液流动接触状态如图2所示。来自上一层塔板的液体从降液管流出，横向穿过各排帽罩，经帽罩底部缝隙流入罩内（日本三井造船株式会社提出的流动机理认为：从下一层塔板上升的气体由板孔进入帽罩，气体通过板孔时缩流加速，能量转化，使板孔附近的静压强降低，以致使帽罩与塔板之间的缝隙内外两侧产生压差，板上液体被吸进帽罩），并与高速气流接触后，改变方向呈环状膜向上运动，极不稳定的液膜被高速气流破碎成液滴（据测定在常压的空气-水系统中较低的负荷时，液滴直径在0.5~5mm之间），帽罩内气液两相处于湍流状态，进行激烈的热质交换，而后两相流从罩壁小孔沿水平方向喷射而出，气相升至上一层塔盘板，液相落入原塔盘板，一部分又被吸入帽罩进行再次循环，另一部分随板上液流进入下排帽罩，最后通过溢流堰和降液管流入下一层塔板。液体流进和流出帽罩情况如图3所示。
我们的实验结果表明，上述气液接触原理的描述，应作如下的修正与充实完善：
（1）液体从塔盘上经帽罩底隙进入帽罩中并非是气体通过板孔缩流减压“吸入”，而是靠液层的静压头，通过反复测定表明，帽罩底隙内侧的压力比罩外相应位置的压力来得高而不是低，所以认定不是靠气相压差“吸入”，而是靠板上液层压头“压入”的。
（2）关于New VST帽罩内外的操作状态，经过较详尽的观察研究认定：New VST帽罩中气体所提拉的液膜并非是均匀厚度的圆环膜，而是厚薄不均，很不稳定，近似呈“窝头”状膜的厚度与高度随气速变化而变化，气速增加膜变薄，且易破碎，因而在气相中分散得更好。
（3）New VST上的气液流动接触状况我们将它分成连续的四段，即①托液拉膜段；②破膜粉碎段；③气液喷射段；④气液分离段。这四段都是气液传质过程，但主要传质发生在第③④段，且以第④更重要。③④段传质作用的好坏首先取决于①②段，即液体被提升的量及被破碎的程度。实验数据证明New VST板间空间（即上述第④段）确实为重要传质区。
2 New-VST的主要技术特点
2.1传质效率高
New-VST塔板,由于帽罩的存在,罩内液、气比大,液相在气相中分散较好,特别是气液混合物撞击分离板后改变方向或折返,使液膜不断破碎、更新,气液接触混合非常激烈,对于喷射段,由于液体经喷射分散度更高,颗粒更小,使气液接触面积增大,研究证明这一阶段不仅是液滴的沉降，传质作用仍在进行,罩内外基本上都是有效传质区域,塔板空间都得到充分利用。因此传质、传热过程比浮阀内进行的充分、完全，所以可达到总的塔板传质效率比浮阀高出10%以上的效果。
2.2处理能力大
New-VST 塔板,由于帽罩的特殊结构,气体离开帽罩呈水平或向下方向喷出,这拉大了气液分离空间和时间,使气体雾沫夹带的可能性大为降低,这使塔板气体通道的板孔开孔率可大幅提高,一般可达20%～30%。而在开孔率相同时可允许操作气速比一般塔板高出1.5-2.0倍,仍能将气体雾沫夹带限定在允许范围以内。
其次,气体携带液体并流进入帽罩,而不是像浮阀等塔板气体穿过板上液层,因而使塔板流动的液体基本上为不含气体的清液,故降液管液泛的可能性大为降低,即同样截面积的降液管,液体通过能力也可提高近一倍,所以对于扩产改造项目,保留原塔体,只需更换成新型塔板就可将塔的处理量提高50%以上。
2.3抗堵塞能力强
由于塔板板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏或粘性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力。物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔。
2.4阻力降低
New-VST塔板气体并不穿过板上液层,只需克服被气体提升的那部分液体的重力,所以造成的压降要小,图2 给出了New-VST与F1浮阀塔板压力降比较,由图看出:New-VST塔板压降Hw在低负荷时与F1型浮阀相当,高负荷时比F1浮阀低20%～30%,且负荷愈大,压降低的愈多。
1- New-VST; 2-F1浮阀
图 2 New-VST与F1浮阀塔板压降比较
2.5操作弹性好
New-VST塔板操作下限与浮阀、筛板塔一样,为漏液控制,但是由于New-VST分离板的作用,使雾沫夹带量很少,大大低于浮阀,表1是塔径为600mm,板间距350mm,开孔率10%的情况下,当取雾沫夹带量ev=0.1kg液/kg气时,对New-VST 和F1浮阀作不同负荷气体动能因子 F 0 对比实验,结果见表1:
表 1 操作弹性比较
| 项 目 | New-VST | F1浮阀 |
|
气速操作 ev Kg液/Kg气 上限 F 0(上) m/s(kg/m3) 1/2 |
0.1 18.9 |
0.1 13.2 |
|
气速操作 eL kg液/kg液 下限 F 0(下) m/s(kg/m3) 1/2 |
0.1 4.6—6.2 |
0.1 3.5—4.5 |
| 操 作 弹 性 F 0(上) /F 0(下) | 3.0—4.1 | 2.9—3.8 |
表中数据说明,雾沫夹带量ev和漏液量eL均为0.1的条件下,虽然F1浮阀有适应负荷变化的活动阀片,但New-VST操作弹性仍稍高于F1浮阀。
3 结束语
新型垂直筛板塔盘自开发以来，经过多次改进，实践证明，这种塔盘的物沫夹带量很少， 当气速数倍于普通塔盘时，也不发生液泛。塔盘效率、压力降和操作范围几乎不受气液负荷的影响；即使气液量很少时，仍然具有稳定的效能。因此，新型垂直筛板的性能接近于理想塔盘。新型垂直筛板塔盘上的流动时三维的，空间利用得最充分。因此，塔盘间距通常可为300～400mm。
新型垂直筛板（New VST）是世界上第三代（最新一代）板式塔技术之一，与目前常用的板式塔（浮阀、筛板、泡罩塔）具有根本不同的操作状态，它是喷射型板式塔，与后者相比具有传质效率高、处理能力大、阻力小、操作弹性好等优异性能。
新型垂直筛板塔盘被认为是具有划时代意义的塔型，通过以上分析，也可看到塔盘发展、改进的一些趋向。