一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板和精餾塔的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板和精餾塔，屬于化工精餾領域。所述精餾塔塔板包括塔板本體，所述塔板本體為螺旋形結構，頂部設有進液口，底部設有出液口，其螺旋直徑由中間向兩端逐漸減小，塔板本體的兩側緣上設有擋板，螺旋結構內部設有使每層螺旋保持在相應位置的固定支撐架。本發明塔板采用螺旋形結構，使得精餾塔內的氣液相逐級接觸進行傳質換熱，重力產生的離心力形成切向的力，增強徑向流體的混合，增加液體湍動程度強化液相主體的混合，使得液相主體內的氣體溶質分布均勻，另外流體路徑增大，液膜厚度減小，減小傳質阻力，可以提高傳質的效率。
【專利說明】
一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板和精餾塔
技術領域
[0001]本發明涉及化工精餾領域，具體涉及一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板和精餾
+口 O
【背景技術】
[0002]化學工業是能源消耗最大的加工業，約占全國工業能耗的25%，而分離過程能耗占化工能耗的40%以上。分離液體與氣體，液體與固體，氣體與固體等不同狀態混合物需要采用不同的分離方式，如精餾、沉降、結晶、萃取、吸附、膜分離等等。其中精餾過程具有處理量大，操作連續，技術成熟、分離純度高等特點，在化學工業特別是空氣分離行業得到廣泛應用。而精餾過程占整個分離產業能耗的50%-70%。
[0003]在分離行業中，空氣分離是工業的支柱性產業，因為工業氣體大部分來自于空氣分離，其中氧、氮、氬的需求量最大。空氣分離的方法主要有低溫精餾法、變壓吸附法(PSA)、薄膜分離法、化學吸收法等多種。其中低溫精餾法技術相對成熟，氣體產品純度高，成本低，在大規模生產中基本都使用低溫精餾法。目前低溫精餾制氧能力已經超過10萬立方米/每小時，在未來隨著我國工業的迅速發展，配套的工業氣體產量需求也會進一步提高，能量消耗也會進一步增加，所以提高精餾效率，降低單位產品能耗一直是精餾塔整體及部件、裝置優化設計的目標。
[0004]低溫精餾法進行空氣分離的原理是:利用物質沸點的不同，通過連續的蒸發冷凝過程使得沸點較低的物質呈氣態向塔頂流動，而沸點較高的物質呈液態向塔底流動，在上下流動過程中不斷進行傳質與換熱，分別提高兩種物質的純度。當下投入使用達到一定規模的精餾塔主要有板式塔和填料塔兩種形式。板式塔結構簡單、易于制造和裝配、液體分布性較好、塔板效率較高，一直是空氣分離精餾塔的主流設計。而20世紀后期隨著理論和應用深入的研究，高效填料和相應塔內部件的開發使得填料塔技術趨于成熟。填料塔中的規整填料由于其阻力小、壓降低，可以按照一定順序均勻排布，引導氣液走向，從而提高精餾塔效率，減少精餾塔所需能耗。雖然填料塔的應用逐漸增多，大量的研究都投入了新型填料的開發，但對于常壓或加壓操作體系，特別是在設備大型化的要求下，大塔徑的汽液傳質設備目前仍然以板式塔為主。在板式塔相關的研究中，大量的工作也集中在對塔板的優化和設計方面。
[0005]精餾塔是利用重力進行傳質換熱分離的，表現為上部的液體受到重力往下流，下部的蒸汽受熱產生一定的壓力，逆重力方向向上流。如果在理想的結構中進行換熱傳質，氣液能夠保持持續的接觸以及相對大的接觸面積，而普通的板式塔中，由于溢流堰的存在，下部氣液傳質界面存在一定死區，而且更新速度緩慢。而填料塔正是因為持液量小，氣液接觸面積大，所以在較小的精餾塔中相對板式塔效率高。但是填料塔由于存在放大效應、填料更換不便等原因，在空分大型化的趨勢下，目前不如板式塔。所以，提高板式塔的效率也是目前空分大型化的關鍵要求之一。
[0006]申請號為200710019974.4的專利文獻中提到采用扇形塔盤拼接式螺旋階梯下降的塔板，該塔板是將完整的傳統圓形塔盤沿中心切除中心圓得到一圓環式塔板，再將該圓環式塔板切割為η等份，進行拼接。不過此設計依然保留了溢流堰和降液管，同時中間需要一根支撐管來焊接塔板。該專利設計的螺旋拼接式塔板在乙醇-水精餾系統中省去部分降液管和受液區使得有效傳質面積提高11%，壓降降低15%，能使單板效率提高20%，效果明顯。然而該設計單塊塔板面積仍然較大，而且內圈外圈液體走過路程差較大，容易引起液體短路，即都走內圈而不走外圈等液體分布不均勻的問題。
[0007]傳統塔板主要通過支撐鋼梁來支撐塔板和液體的重量，工字梁是其中應用最廣的一種，但是隨著空分大型化的要求，塔徑增大，工字梁的直徑和強度都不能滿足要求。桁架梁的出現使得鋼梁結構的強度提高，與普通工字梁相比使得氣體能夠橫向混合，減少了氣流流動阻力，改善了大型支承梁對氣體流動的影響。桁架支撐梁提高了塔內空間的通透，使得氣流能夠順利地穿過一層層塔板，同時能夠有足夠的空間留給檢修人員。
【發明內容】
[0008]針對現有技術的不足，本發明提供了一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板，利用螺旋流道使得上升的氣體物質和下降的液態物質在精餾塔內能夠逐級接觸并進行傳質傳熱，分離效率高、能耗低。
[0009]—種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板，包括塔板本體，所述塔板本體為螺旋形結構，頂部設有進液口，底部設有出液口，其螺旋直徑由中間向兩端逐漸減小，塔板本體的兩側緣上設有擋板，螺旋結構內部設有使每層螺旋保持在相應位置的固定支撐架。
[0010]本發明將傳統板式塔原處在一個水平面上的塔板進行分割實現豎直方向的布置，在精餾過程中，由于塔板的螺旋下行趨勢，液態物質在重力作用下自發沿著螺旋流道向下流動，不會長久停留在塔板上，與傳統塔板相比，下降同樣的高度液體的流程更長，不斷更新氣液傳質界面，而且單向的流動避免液體的反混，進而減少因液體反混所帶來的能量損失。
[0011]當液體被引入螺旋形流道后，在重力的作用下由于流道的傾斜產生不同大小的離心力，使得液體在徑向有一定的攪動，增強徑向流體的混合。
[0012]氣液相傳質過程中，傳質在氣液相接觸的接觸處發生。在描述氣液相界面傳質的模型中，應用最廣泛的是Lewis-Whitman于1924年提出的雙膜理論。基于雙模理論的假設，減少傳質膜的厚度、增加相界面積可以提高氣液相間的傳質速率。對于氣液相間傳質，傳質的推動力是氣相在液相中的溶解量與飽和溶解度的差異，當氣體在液體中的濃度達到液體的飽和溶解度時，即達到相平衡。在傳統塔板中，液體停留在塔板上的時間較長，當氣體量較多地通過液體時，液體飽和后氣體的傳質速率下降。而在本發明的螺旋形塔板上，液體停留的時間相較傳統塔板時間短，液膜厚度也會相應減小，使得氣體在液體中的濃度更容易接近相平衡，提高傳質效率。
[0013]精餾塔內高溫氣體向上流動過程中溫度逐漸降低，低溫液體向下流動過程中溫度逐漸升高，螺旋形的塔板相較傳統塔板，在豎直方向上形成更多的傳熱界面，減小了傳熱的溫差，提高傳熱效率。
[0014]本發明的螺旋形塔板本體由8-10層螺旋組成，沿高度方向直徑逐漸增大然后減小，在立體空間上呈現陀螺型，所述螺旋形結構分為上、下兩個部分，每個部分的螺旋在水平面上的投影互不重疊。
[0015]塔板的螺旋角度由塔板單元的高度及塔板螺旋層數決定，螺旋角度為能克服流動阻力產生一定的流速而不因流速太快影響傳質效率為宜。作為優選，螺旋的角度為6-10°。
[0016]塔板面上方為傳質傳熱區域，塔板的兩側緣上設有擋板，擋板和塔板面形成了流道用于承載液體，由于液體沿螺旋流道運動產生離心力，為了避免因為液體溢過邊緣產生漏液現象，作為優選，外側緣擋板的高度大于內側緣擋板的高度。
[0017]所述塔板本體上設有鼓泡裝置，所述鼓泡裝置分布密度沿徑向從塔板內側向外側逐漸減少。高溫氣體穿過鼓泡裝置進入傳質傳熱區域可為板上液體提供推動力，塔板內側分布較多鼓泡裝置可保持塔板內外側液體流速相對一致。
[0018]作為優選，所述鼓泡裝置為篩孔、泡罩或浮閥。
[0019]塔板本體的每一層螺旋靠內側均設有對內側液體流動進行緩沖的擋條。由于擋條的阻擋，內側液體流速減慢，相對提高外側液體流速，防止因內外側液體流程不一致導致短路的現象。
[0020]作為優選，所述擋條為弧形。
[0021]本發明塔板的螺旋形結構可以為一體成型，也可由不同半徑的螺旋部件拼接而成。
[0022]對于本發明的螺旋形塔板，普通的在一個水平面上的支撐架不能滿足支撐和固定的要求，本發明利用棱錐形中空結構，用于同一級塔板不在一個平面上的支撐和固定，作為優選，所述固定支撐架由兩個同底的棱錐形支撐架組成，所述棱錐形支撐架為由連桿首尾連接組成的中空結構。同底部分為η邊形，η多4。該支撐結構受力均勻，改變了現有技術中支撐梁中間應力集中的問題;也使塔內結構較為通透，氣體所受阻力較小，易于精餾塔結構的放大。作為優選，固定支撐架由數根鋼條焊接而成，固定支撐架與塔板邊緣可通過活動連接方式或焊接方式對塔板進行固定與支撐。更為優選，在螺旋形塔板的外圍也設置支撐架。
[0023]本發明還提供了一種精餾塔，包括若干個所述的精餾塔塔板，所有精餾塔塔板沿同一豎直直線布置，上一個精餾塔塔板的出液口與下一個精餾塔塔板的進液口銜接。
[0024]所述精餾塔還包括一豎直穿過塔板本體中心的支撐管，所有固定支撐架固定在支撐管上。塔板的頂部和底部設有相同直徑的通孔，供支撐管穿過，所述支撐管的直徑與通孔的直徑相等。作為優選，支撐管截面積占精餾塔內腔橫截面積的1/36到1/25。
[0025]精餾塔內的每個塔板單元的螺旋流道使得上升的氣態物質和下降的液態物質能夠逐級接觸進行傳質換熱，螺旋形塔板引導流體進行螺旋流動，破壞傳熱傳質邊界層，更新傳質面，減小壓降損失，提高精餾塔的傳質換熱性能。
[0026]本發明具備的有益效果:
[0027](I)本發明塔板采用螺旋形結構，使得精餾塔內的氣液相逐級接觸進行傳質換熱，重力產生的離心力形成切向的力，增強徑向流體的混合，增加液體湍動程度強化液相主體的混合，使得液相主體內的氣體溶質分布均勻，另外流體路徑增大，液膜厚度減小，減小傳質阻力，可以提尚傳質的效率。
[0028](2)相比于傳統板式塔塔板，螺旋形結構提高了精餾塔內空間的利用率，節省了降液管和受液區；在同樣的塔板高度上，液體分隔成不同區域，減少了液體的壁流和不均勻性，增加液體的分散程度，減少流動死區，減少返流、混流，提高兩相傳質接觸面積，分離效率高、能耗低。
[0029](3)鼓泡裝置和擋條的設置有利于塔板上內外側液體分布均勻。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明塔板本體的結構示意圖。
[0031 ]圖2為塔板螺旋結構下半部的立體結構示意圖。
[0032]圖3為與塔板本體配合的固定支撐架和支撐管的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明。
[0034]一種提高傳熱傳質性能的精餾塔，塔高10米，塔徑2米，包括40個精餾塔塔板，所有精餾塔塔板沿同一豎直直線布置。如圖1所示，所述精餾塔塔板，包括塔板本體I，塔板本體I為螺旋形結構，頂部設有進液口 2，底部設有出液口 3，上一個精餾塔塔板的出液口與下一個精餾塔塔板的進液口銜接。
[0035]螺旋形結構的螺旋直徑由中間向兩端逐漸減小，在立體空間上呈現陀螺型。每個塔板單元由8個螺旋組成，沿高度方向直徑逐漸增大然后減小，所述螺旋形結構分為上、下兩個部分，每個部分的螺旋在水平面上的投影互不重疊。
[0036]塔板本體I的兩側緣上設有擋板，外側緣擋板41的高度大于內側緣擋板42的高度，防止因為液體溢過邊緣產生漏液現象。
[0037]如圖2所示，塔板本體I上設有篩孔5，篩孔5的分布密度沿徑向從塔板內側向外側逐漸減少。高溫氣體穿過篩孔進入傳質傳熱區域，為板上液體提供推動力，保持塔板內外側液體流速相對一致。
[0038]塔板本體I的每一層螺旋靠內側均設有對內側液體流動進行緩沖的弧形擋條6。
[0039]塔板本體I的螺旋結構內部設有使每層螺旋保持在相應位置的固定支撐架7，如圖3所示，固定支撐架7由兩個同底的棱錐形支撐架組成，同底部分為正方形，所述棱錐形支撐架為由連桿首尾連接組成的中空結構。該支撐結構受力均勻，塔內結構通透。為了增加支架結構的牢固度，正方形內部設有兩根沿對角線設置的加強筋。固定支撐架7與塔板本體I邊緣通過焊接方式對塔板進行固定與支撐。
[0040]所有塔板內的固定支撐架7安裝固定在貫穿精餾塔中心的支撐管8上。塔板的頂部和底部設有相同直徑的通孔，供支撐管8穿過，支撐管8的直徑與通孔的直徑相等。支撐管截面積占精餾塔內腔橫截面積的I /25。
[0041]精餾塔內的每個塔板單元的螺旋流道使得上升的氣態物質和下降的液態物質能夠逐級接觸進行傳質換熱，螺旋形塔板引導流體進行螺旋流動，破壞傳熱傳質邊界層，更新傳質面，減小壓降損失，提高精餾塔的傳質換熱性能。
【主權項】
1.一種提高傳熱傳質性能的精餾塔塔板，包括塔板本體，其特征在于，所述塔板本體為螺旋形結構，頂部設有進液口，底部設有出液口，其螺旋直徑由中間向兩端逐漸減小，塔板本體的兩側緣上設有擋板，螺旋結構內部設有使每層螺旋保持在相應位置的固定支撐架。2.如權利要求1所述的精餾塔塔板，其特征在于，所述螺旋形結構分為上、下兩個部分，每個部分的螺旋在水平面上的投影互不重疊。3.如權利要求1所述的精餾塔塔板，其特征在于，外側緣擋板的高度大于內側緣擋板的高度。4.如權利要求1所述的精餾塔塔板，其特征在于，所述塔板本體上設有鼓泡裝置，所述鼓泡裝置分布密度沿徑向從塔板內側向外側逐漸減少。5.如權利要求4所述的精餾塔塔板，其特征在于，所述鼓泡裝置為篩孔、泡罩或浮閥。6.如權利要求1所述的精餾塔塔板，其特征在于，塔板本體的每一層螺旋塔板內側均設有對內側液體流動進行緩沖的擋條。7.如權利要求6所述的精餾塔塔板，其特征在于，所述擋條為弧形。8.如權利要求1所述的精餾塔塔板，其特征在于，所述固定支撐架由兩個同底的棱錐形支撐架組成，所述棱錐形支撐架為由連桿首尾連接組成的中空結構。9.一種精餾塔，其特征在于，包括若干個如權利要求1-8任一項所述的精餾塔塔板，所有精餾塔塔板沿同一豎直直線布置，上一個精餾塔塔板的出液口與下一個精餾塔塔板的進液口銜接。10.如權利要求9所述的精餾塔，其特征在于，包括一豎直穿過塔板本體中心的支撐管，所有固定支撐架固定在支撐管上。
【文檔編號】B01D3/14GK106039752SQ201610530926
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】張瑞平, 包士然, 唐媛, 宋佳, 邱利民, 張小斌, 植曉琴
【申請人】浙江大學