板式塔塔盘：关于塔盘气体通道的介绍

板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆简形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。板式塔广泛应用于化工单元操作中的精馏和吸收过程，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液反应过程。操作时，物料为气液系统，液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。泡罩塔盘上气液接触情况如图1所示。

 

图1  泡罩塔盘上气液接触情况

塔盘又称塔板，是板式塔中气液两相接触传质的部位，塔盘决定塔的操作性能。塔盘在结构方面要求有一定的刚度以维持水平；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修并且要求成本低。板式塔塔板分为浮阀塔盘、筛孔塔盘、舌形塔盘、斜孔塔盘、网孔塔盘、导向浮阀型塔盘、穿流型塔盘、旋流板塔盘等。

塔盘通常主要由气体通道和溢流装置两部分组成。本期主要介绍关于塔盘的气体通道相关内容。

为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。气体通道的形式很多，其对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。

化工生产中最常见的三种塔板为：筛板塔板、泡罩塔板和浮阀塔板，其结构示意图如图2所示。

 

 

图2  常见的塔板类

筛板塔板的气体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔），气体穿过筛孔上升并分散到液层中。浮阀塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片，根据气体的流量，阀片自行调节开度。泡罩塔板的气体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩（图3）。

 

图3  圆形泡罩

（1）泡罩塔 

泡罩塔是最早应用于工业生产的典型板式塔。泡罩塔盘由塔板、泡罩、升气管、降液管、溢流堰等组成。生产中使用的泡罩形式有多种，最常用的是圆形泡罩（图3），圆形泡罩的直径有480、4100、4150三种，其中前两种为矩形齿缝，如图3（a）所示，4150的圆形泡罩为敞开式齿缝，如图 3（b）所示。

泡罩塔盘上的气液接触状况如图1所示。气体由泡罩塔下部进入塔体，经过塔盘上的升气管，流经升气管与泡罩之间的环形通道而进入液层，然后从泡罩边缘的齿缝流出，搅动液体，形成液体层上部的泡沫区，再进入上一层升气管。液体则由上层降液管出口经溢流堰流入下一层塔板，横向流经布满泡罩的区域，漫过溢流堰进入降液管，再流入下层塔板。

泡罩塔操作的要点是使气、液量维持稳定。若气量过小而液量过大，气体不能以连续的方式通过液层，只有当气体积蓄的压力升高后，才能冲破液层通过齿缝溢出。气体冲出后，压力下降，只有等待气体压力再次升高，才能重新冲破液层溢出，形成脉冲方式，并可能产生漏液现象；若气量过大而液量过小，则难以形成液封，液体可能从泡罩的升气管流入下层塔板，使塔板效率下降。气量过大还可能形成雾沫夹带和液泛现象。

泡罩塔的优点是：相对于其他塔型操作稳定性较好，易于控制，负荷有变化时仍有较好的弹性，介质适应范围广。缺点是生产能力较低，流体流经塔盘时阻力与压降大，且结构较复杂，造价较高，制造加工有较大难度。

（2）筛板塔 

筛板塔的塔盘为一钻有许多孔的圆形平板。筛板分为筛孔区、无孔区、溢流区、降液管区等几个部分。筛孔直径一般为43~8mm，通常按正三角形布置，孔间距与孔径的比值为3~4，随着研究的深入，近年来，发展了大孔径（420~25mm）和导向筛板等多种形式的筛板塔。

筛板塔内的气体从下而上，通过各层筛板孔进入液层鼓泡而出，与液体接触进行气、液间的传质与传热。液体则从降液管流下，径向流经筛孔区，再由降液管进入下层塔板。筛板的结构及气液接触状况见图4。

 

图4  筛板结构及气液接触情况

筛板塔与泡罩塔相比，生产能力提高20%~40%，塔板效率高10%~15%，压力降小于30%~50%，且结构简单，造价较低，制造、加工、维修方便，故在许多场合都取代了泡罩塔。筛板塔的缺点是操作弹性不如泡罩塔，当负荷有变动时，操作稳定性差。当介质黏性较大或含杂质较多时，筛孔易堵塞。

（3）穿流板塔 

穿流板塔与筛板塔相比，其结构特点是不设降液管。气体和液体同时经由板上孔道逆流通过，在塔盘上形成泡沫进行传质与传热。常用的塔板结构有筛孔板和栅板两种。穿流式栅板及支承情况如图5所示。穿流板塔结构简单，制造、加工、维修简便，塔截面利用率高，生产能力大，塔盘开孔率大，压降小。但塔板效力较低，操作弹性小。

 

图5  穿流式栅板

（4）浮阀塔 

浮阀塔是20 世纪 50年代发展起来的板式塔，现已广泛应用于精馏、吸收、解吸等传质过程。浮阀塔盘结构的特点是在塔板上开设有阀孔，阀孔里装有可上下浮动的浮阀（阀片）。

 

图6 浮阀

浮阀可分为盘状浮阀和条状浮阀两大类，如图6（a）～（i）所示。目前应用较多的是 F型浮阀。气体经阀孔上升，冲开阀片经环形缝隙沿水平方向吹入液层形成鼓泡。当气速有变化时，浮阀能在一定范围内升降，以保持操作的稳定性。工作时的阀片见图7。浮阀塔生产能力大，操作弹性好，液面落差小，塔板效率高（比泡罩塔高15%左右）。流体压降和流体阻力小，且结构简单，造价较低，是一种综合性能较好的塔型，已在生产中得到广泛应用。

 

图7  工作时的阀片

（5）舌形塔 

舌形塔属于喷射形塔，20 世纪 60 年代开始应用。与开有圆形孔的筛板不同，舌形塔板的气体通道是按一定排列方式冲出的舌片孔（图8）。舌孔有三面切口和拱形切口两种，如图8（b）、（c）所示。常用的三面切口舌片的开启度一般为 20°，如图8（d）所示。

 

图8  舌形塔盘及舌孔形状

由于舌孔方向与液流方向一致，故气体从舌孔喷出时，可减小液面落差，减薄液层，减少雾沫夹带。

舌形塔盘物料处理量大，压降小，结构简单，安装方便。但操作弹性小，塔板效率低。

（6）浮动舌形塔 

浮动舌形塔盘是在塔板孔内装设了可以浮动的舌片（图9）。浮动舌片既保留了舌形塔倾斜喷射的结构特点，又具有浮阀操作弹性好的优点。浮动舌形塔具有处理量大、压降小、雾沫夹带少、操作弹性大、稳定性好、塔板效率高等优点。缺点是在操作过程中浮舌易磨损。

 

图9  浮动舌片结构

（7）导向筛板塔 

导向筛板塔是近年来开发应用的新塔型。它在普通筛板塔的基础上改进而成。它的结构特点是：在塔盘上开有一定数量的导向孔，通过导向孔的气流与液流方向一致，对液流有一定的推动作用，有利于减少液面梯度；在塔板的液体入孔处增设了鼓泡促进结构，有利于液体刚流入塔板就可以生产鼓泡，形成良好的气液接触条件，以提高塔板利用率，减薄液层，减小压降。与普通筛板塔相比，塔板效率可提高13%左右，压降可下降15%左右。

导向筛板结构如图10 所示。导向孔的形状如同百叶窗，类似于舌片冲压而成，所不同的是开口为细长的矩形缝。缝长有12mm、24mm、36mm三种。导向孔开缝高度常为1~3mm。导向孔的开孔率一般为 10%～20%。鼓泡促进器是在塔板入口处形成的凸起部分。凸起高度一般为 3~5mm，斜面的斜率一般在 0.1~0.3 之间，斜面上通常仅开有筛孔。

 

图10  导向筛板与鼓泡促进器