論環(huán)流型塔板節(jié)流誤差的解決辦法

楊修玲

(杭州杭氧股份有限公司 設(shè)計院，浙江 杭州 310014)

論環(huán)流型塔板節(jié)流誤差的解決辦法

楊修玲

(杭州杭氧股份有限公司 設(shè)計院，浙江 杭州 310014)

從環(huán)流型塔板節(jié)流誤差產(chǎn)生的根源上探索出一種交錯式塔板結(jié)構(gòu)與安裝方法從而解決環(huán)流型塔板的節(jié)流誤差。該塔板結(jié)構(gòu)是在發(fā)明專利“環(huán)流型塔板”(專利號為CN200910097354.1)基礎(chǔ)上最新研發(fā)的一種新型環(huán)流型塔板，所交錯安裝的塔板結(jié)構(gòu)一致但液體流動方向完全不同；目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)并通過實際開車得以驗證。

精餾塔；篩板塔；環(huán)流型塔板；節(jié)流誤差

1 背景

環(huán)流型塔板與其它篩板型塔板相比，效率更高[1]、負荷調(diào)節(jié)范圍也更大；設(shè)計使用時在能耗、經(jīng)濟性等各方面都應(yīng)該是性價比最高的篩板塔設(shè)計[2-3]。但是節(jié)流誤差的存在導(dǎo)致塔板方位的不確定性不僅大大降低了塔及其外圍設(shè)備的經(jīng)濟性，更制約了環(huán)流型塔板技術(shù)在大型、特大型空分領(lǐng)域和流程復(fù)雜、物料口較多、精餾純度要求高的塔設(shè)備設(shè)計中的發(fā)展[4-5]。

20世紀60年代之前，國際上[6]精餾領(lǐng)域內(nèi)致力于研究解決節(jié)流誤差問題的人員較多，最終他們一部分鎖定以采用制造實測的方法來確定節(jié)流誤差的大小并按此臨時確定管口方位進行管道布置的辦法、另一部分以開發(fā)或使用其它結(jié)構(gòu)的塔板來淘汰環(huán)流型塔板的辦法來“解決”節(jié)流誤差的影響問題；這兩種方法費時費力、費成本,甚至拋棄了環(huán)流塔板的精華，顯然都回避了環(huán)流塔板的節(jié)流誤差問題，是不可取的。

因此，我們要想發(fā)展環(huán)流型塔板技術(shù)，就必須另辟蹊徑，研究出新的解決辦法。

2 產(chǎn)生原因

解決環(huán)流型塔板的節(jié)流誤差影響問題，我們必須先搞清楚節(jié)流誤差產(chǎn)生的原因和原理。為了便于問題說明，以下以我公司早期生產(chǎn)的環(huán)流型塔板的安裝圖和部件圖作為原理圖進行說明，如圖1所示。

圖1 環(huán)流型塔板的安裝圖示

我們規(guī)定相鄰的兩塊塔板分別為第k+1塊和第k塊塔板。來自第k+1塊塔板降液管中的液體進入第k塊塔板的接液槽，從而流入第k塊塔板的篩孔板區(qū)域與穿過篩孔的氣體相遇接觸進行傳熱、傳質(zhì)；液體在傳熱、傳質(zhì)的過程中環(huán)向流動進入第k塊塔板的降液管中，通過氣液分離液體靜止后再進入下一塊塔板(圖1所示的第k塊塔板下面的一塊塔板)的接液槽中。如此循環(huán)往復(fù)，液體傳質(zhì)后不斷向下流動，氣體傳質(zhì)后不斷上升，最后達到相應(yīng)的純度[7]。

環(huán)流型塔板的降液管(或稱溢流斗)結(jié)構(gòu)是以塔體中心為中心、有一定夾角(假設(shè)夾角角度為α)的扇形結(jié)構(gòu)；我們在圖示方位的時候，是以塔板降液管的角度α來預(yù)算每一塊塔板安裝后的位置的。塔板安裝要求嚴格按方位圖、上一塊塔板降液管的一側(cè)緊貼下一塊塔板的接液槽的要求進行。這樣，預(yù)定角度和實際安裝角度就產(chǎn)生了偏差，節(jié)流誤差就產(chǎn)生了：1. 降液管和接液槽厚度的存在本身就能使塔板安裝時的角度逐漸偏離預(yù)定位置；2. 降液管和接液槽的扇形結(jié)構(gòu)本身也使得二者在整個堰長的長度上難以完全一致從而也會使塔板安裝時的角度與預(yù)定位置相偏離；3. 如何衡量上一塊塔板降液管的一側(cè)緊貼下一塊塔板的接液槽呢？間隙0.1 mm，還是0.2 mm，還是其它數(shù)值呢？先不說數(shù)值的難以確定性，就是確定了也難以操作，所以這也會使塔板安裝時的角度逐漸偏離預(yù)定位置。塔板安裝的預(yù)定角度與實際角度產(chǎn)生的差異，就是節(jié)流誤差。

3 解決辦法及其原理

研究新的解決辦法應(yīng)該從節(jié)流誤差的特點出發(fā)：1. 塔板上液體流動的方向決定了塔板安裝后降液管的角度偏離方向；2. 數(shù)量少的塔板安裝后所形成的節(jié)流誤差對于確定管口方位的影響并不大。從這兩點出發(fā)，我們假定設(shè)計結(jié)構(gòu)相同、液體流動方向相反的兩種塔板，安裝時第一種塔板固定安裝n塊后再換裝同等數(shù)量的另一種塔板；那么這樣一來，就相當(dāng)于矯正了節(jié)流誤差，原定于2n塊塔板高度處的管口方位就是確定的了。

上述解決節(jié)流誤差影響的方法無疑是有效的；但對于塔板本身來講，有沒有什么不好的影響或者說是副作用呢？我們?nèi)匀蝗鐖D1所示規(guī)定相鄰的兩塊塔板分別為第k+1塊塔板和第k塊塔板，利用圖2和圖3來進行一個理論分析，判斷說明該方法的可行性。

按圖2所示，我們分別取塔板面上液體進入位置處(靠近接液槽位置)、中間位置處和液體離開位置處(靠近溢流斗位置)三個位置點來進行描述，第k+1塊塔板上對應(yīng)的三點分別為Ak+1、Bk+1、Ck+1，第k塊塔板上對應(yīng)的三點分別為Ak、Bk、Ck。

按圖3所示，我們以高沸點物質(zhì)的濃度來描述液體的變化，以低沸點物質(zhì)的濃度來描述氣體的變化。

氣體從塔底進入第一塊塔板進行傳質(zhì)時各位置點的氣體濃度是一樣的，塔板各位置點的液體在單位面積上所接觸的氣體量也是一定的，因而A1位置點的氣液濃度差異最大、傳質(zhì)效果最好，B1次之，C1位置點則較差；氣體在塔板上剛離開液體傳質(zhì)完成后，A1位置點的濃度必然會大于B1位置點的濃度，B1位置點的濃度必然會大于C1位置點的濃度；這種差異，塔板的流程長度越大則越明顯。若不消除這種氣體濃度差，常規(guī)的一致性液流方向的設(shè)計會使得氣體進入第二塊塔板進行傳質(zhì)時(A1位置點的氣體上升后基本在A2位置點，傳質(zhì)效果仍然最好)，氣體濃度差進一步加大；用第k塊塔板和第k+1塊塔板描述也是一樣的道理。因此，要保證進入塔板面進行傳質(zhì)的各位置點的氣體濃度是一樣的，除了考慮塔板上的清液層高度、傳質(zhì)液體層高度和氣液分離空間高度以及保證溢流斗不液泛所需的空間高度以外，還要考慮完全氣體層內(nèi)氣體濃度差消除所需要的空間高度(液相濃度差異的消除是在溢流斗內(nèi)進行的，因此無需為此另行考慮高度空間)；當(dāng)然考慮改變原來的設(shè)計思路，即擬采用相鄰兩塊塔板的液體流動方向相反的設(shè)計思路也能改善這種情況。

圖2 塔板的位置區(qū)域說明圖

圖3 塔板傳質(zhì)各位置點的濃度變化趨勢圖

從第k塊塔板傳質(zhì)效果最好的Ak位置點上升的氣體進入第k+1塊塔板時，進入的基本上就是第k+1塊塔板的Ck+1位置點，是第k+1塊塔板上傳質(zhì)效果最差點；但從第k塊塔板傳質(zhì)效果最差的Ck位置點上升的氣體進入第k+1塊塔板時，進入的基本上就是第k+1塊塔板的Ak+1位置點，是第k+1塊塔板上傳質(zhì)效果最佳點了。因此，多塊塔板下來，各區(qū)域的氣體濃度差異就很小，相應(yīng)的塔板效率能提高很多；我們甚至可以不考慮或少考慮完全氣體層內(nèi)氣體濃度差消除所需要的空間高度，塔板高度、塔的高度可以做到更經(jīng)濟合理。

塔板上最佳與最差更替的傳質(zhì)效果會降低塔板效率嗎？很顯然是不會的。原因在于：第一，最佳與最差的交替可以消除氣體的濃度差，能使塔板上建立與上一塊塔板最為相似的氣液接觸傳質(zhì)條件，塔板效率發(fā)揮與上一塊塔板相當(dāng)；第二，對流型塔板的實例說明最佳與最差更替的傳質(zhì)效果會降低塔板效率；第三，這種設(shè)計并沒有改變塔板的任何結(jié)構(gòu)。

節(jié)流誤差的解決為環(huán)流型塔板技術(shù)的進一步發(fā)展提供了更大的空間，而塔板效率的再行提升則是篩板技術(shù)發(fā)展的更大優(yōu)化。盡可能設(shè)計環(huán)流型塔板較多的溢流通道數(shù)(即把塔板的分塊增多，溢流數(shù)增加，流程長度減少)，可以減少塔板上各位置點的傳質(zhì)效果差異，使各位置點的傳質(zhì)效果趨于均勻化；塔板設(shè)計時適當(dāng)考慮完全氣體層內(nèi)氣體濃度差消除所需要的空間高度。這些都能使塔板效率增加。

4 應(yīng)用實例

圖4～6都是環(huán)流型塔板設(shè)計的開車實例(圖4開車屏幕中的下塔與圖5開車屏幕中的純氮塔兩塔是按上述解決辦法設(shè)計的塔；圖6開車屏幕中的純氮塔則是按所有塔板的液體流動方向統(tǒng)一的常規(guī)設(shè)計思路進行設(shè)計的塔)，根據(jù)開車情況和設(shè)計數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計匯總于表1。

圖4 潮州久策4100 Nm3/h空分主塔(相鄰塔板液流方向相反)

圖5 Messer 4500 Nm3/h純氮塔(相鄰塔板液流方向相反)

圖6 Messer 900 Nm3/h純氮塔(相鄰塔板液流方向一致)

表1 設(shè)計數(shù)據(jù)和實際開車數(shù)據(jù)表

從圖4～6及表1中可以看出：環(huán)流型塔板的效率都在90%以上；采用本文解決辦法設(shè)計比起常規(guī)設(shè)計，塔板效率沒有下降；新設(shè)計方法的塔板效率甚至能達到112.1%以上。所以說，這種解決節(jié)流誤差影響的辦法經(jīng)得起實踐驗證，是有效的。

5 未來發(fā)展所需解決的問題

節(jié)流誤差問題的根本解決是環(huán)流型塔板技術(shù)發(fā)展的重大進步，在塔的大型化和流程的復(fù)雜化以及節(jié)能降耗、降成本等諸多方面都具有重大意義。

隨著節(jié)流誤差問題的根本解決辦法的產(chǎn)生，在大型化的塔中，環(huán)流型塔板也可借鑒使用對流型塔板中利用定距支承螺栓來支承塔板、增加塔板剛性的方式來固定加強環(huán)流型塔板(這種固定方式目前已經(jīng)在使用[8])，但是適用于環(huán)流型塔板的支承結(jié)構(gòu)還有待于進一步完善與開發(fā)；此外，這種環(huán)流型塔板的安裝難度大也要呼吁制造工藝的進步和期待技術(shù)熟練工人的進一步探索。

總之，環(huán)流型塔板技術(shù)、篩板塔技術(shù)的進一步發(fā)展空間還很大，筆者期待著與行業(yè)內(nèi)的朋友一起攜手共進！

[1] 唐猛，等. 雙效并流立體旋液式塔板壓降的實驗研究[J]. 化學(xué)工程, 2015, 43(6): 20-24.

[2] 徐崇嗣，CHUANG K T. 塔設(shè)備的對比及其改進[J]. 石油化工設(shè)備, 1989, 18(3): 2-6.

[3] 蕭成基，于鴻壽. 第十三篇 氣液傳質(zhì)設(shè)備[M]. 化學(xué)工程手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[4] 元榮彬，梁治國，段其順. 降液管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 石油化工設(shè)備, 2001 (增3): 24-28.

[5] 翟建華，王泰升，趙造春. 塔設(shè)備的應(yīng)用與今后的發(fā)展[J]. 河北輕化工學(xué)院學(xué)報, 1995, 16(4): 57-63.

[6] LOCKETT M J. Distillation Tray Fundamentals [M]. NY, USA: Cambridge University Press, 1986: 157-160.

[7] 天津大學(xué). 化工設(shè)備的原理與結(jié)構(gòu)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社, 1975.

[8] 曹振恒，王彩琴，趙立功，等. 分散降液篩板塔傳質(zhì)性能[J]. 化工學(xué)報, 2015(10): 4061-4066.

Study on the Way about Position Deviation of Circulation Tray

YANG Xiuling

(Designing Institute, Hangzhou Hanyang Co., Ltd.，Hangzhou 310004, China)

Based on the cause of position deviation, a staggered-type tray structure and the installing method for circulation tray are proposed in this paper, which can reduce the position deviation. The presented tray structure is a new research of circulation tray according to the invention patent (CN200910097354.1). The staggered installed tray structures are the same but have the opposite direction of liquid flow. Until now, this method has been used boldly and proved carefully in the actual industrial applications.

distillation tower; sieve tray tower; circulation tray; position deviation

2017-02-07

TQ117

A

1007-7804(2017)02-0010-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.003

楊修玲(1975)，女，籍貫山東濟寧，1999年甘肅工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院大學(xué)本科畢業(yè)；現(xiàn)為高級工程師。一直從事空分精餾塔的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用工作。E-mail：yangxl@hangyang.com。