塔板技术应用研究进展

李苏雅，王文建

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛266042）

塔板技术应用研究进展

李苏雅，王文建

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛266042）

介绍了近几年国内外开发应用的新型塔板，按气液流向不同将塔板分为3类进行概括，并对其结构特点和性能做出了评述，预测了未来塔板技术革新的方向。

板式塔；新型塔板；技术展望

在石油化学工业领域中，精馏作为主要的一种分离操作手段在提高生产过程的经济效益和产品质量中起到举足轻重的作用。对大型的石油工业和以化学反应为中心的石油化工生产过程，分离装置的费用占总投资的50%～90%［1］。塔器设备作为精馏核心设备之一，得到广泛应用。按照内件形式的不同，可分为填料塔和板式塔。板式塔的兴起可以追溯到1813年Cellier首次提出泡罩塔，到如今已有近200年的历史，它的应用比填料塔大得多，约占应用设备总数的80%以上，具有生产能力大，传质效率高，操作弹性大等优点，但结构相对复杂。本文就近年来板式塔塔板国内外的发展状况作简要介绍。

板式塔的塔板可分为有降液管及无降液管两大类。按照气液流向的不同，塔板可分为错流式，逆流式，并流式。

1 错流塔板

错流塔板主要包括泡罩型、筛孔型、浮阀型、喷射型。

1．1 泡罩塔板

是最早在工业上规模应用的板型之一，20世纪50年代以前为工业主要用板。其结构特点在于蒸汽的通道，在塔板开孔上设有升气管，其上附有边缘开齿缝的泡罩。因升气管高于板面，当气体负荷小时能防止液体泄漏，具有操作弹性大、气液比范围大、抗堵等优点，但同时也因压降高、雾沫夹带严重、造价高，被后来出现的浮阀塔板、筛板所替代，现在仅在结构比较严重的特殊场合应用。Seibert［2］对高气含量液相连续精馏的操作工况进行研究，结合筛板和填料的应用，突破了传统泡罩塔只在低表观气速下操作的状况。复合板型的耦合将是泡罩板改进的重要方向。

1．2 筛孔塔板[3]

传统的筛板结构就是均匀在板面上钻孔，来自上层塔板的液体流过筛板，越过溢流堰进入下层板。筛孔塔板比泡罩塔的生产能力大10%～15%，板效率高15%左右，压降可降低30%左右，另外结构简单，造价低40%左右，便于清理检修。针对传统筛孔板入口鼓泡面积小、液面梯度大、气液有效接触区域有限等实际存在问题，逐渐改进推出如下新型塔板：

林德筛板，由美国联合碳化物公司的林德子公司开发，适用压降低的减压塔操作，其主要特点是：在降液管液体出口处将塔板向上凸起，并在塔板上增设导向筛孔，提高了鼓泡面积，降低了液面梯度，操作范围也有一定提高。

MD塔板，多降液管筛板（Multiple Downcomers Sieve Tray），最早是美国联合碳化物公司在20世纪60年代开发而成。塔板上设有多根矩形降液管，且降液管挂在气相空间；出口堰的总长远远大于一般塔板；每相邻两板的降液管互成90°排列；液流流程短。此后又出现了结构优化的多降液管精馏塔板，克服了气液接触时间的不一致性［4～5］。

DJ塔板是由浙江工业大学在MD塔板的基础上开发的一种多降液管塔板，尤其适用于处理高液气比负荷操作和加压操作［6］。其中DJ-1型塔板的结构与MD塔板相似，改进点是突破了MD塔板降液管宽度小于200mm的限制，但是这种塔板的传质效率却比F1浮阀塔板和筛孔塔板都低；DJ－2型塔板在塔板上增设了导流装置，使进入塔板上的液体分布均匀，减小了滞留区面积，塔板效率与筛孔塔板相当；DJ－3型塔板在降液管两侧增加了薄层规整填料，当气液负荷高时可以减少雾沫夹带，而当气液负荷低时填料层可起强化传质作用，塔板效率比筛孔塔板高10%～15%。

南京大学开发的95型大通量塔板，因该板的有效传质区面积约占全部塔板面积的95%而得名，其采用月牙型、流线型溢流堰或三角型纵剖面的拖尾式设计，在加入导流板后可基本消除涡流区，使流形趋于合理［7~8］。

NYE塔板是格单奇公司开发的高通量塔板，1991年获得专利。塔板上没有受液盘，降液管悬挂设置，整个板面都为开孔区域［9］。

VORTEX塔板是SULZER CHEMTECH公司开发与生产的专利产品，结构上设计了一种独特的悬挂式防旋涡降液管，增大了有效鼓泡区面积，但塔盘结构比较复杂。

SLIT塔板［10］由瑞士KUHNI公司在筛孔塔板的基础上开发成功，这种塔板在结构上以一对细缝代替筛孔，同时穿过细缝的气体沿水平方向与液体接触，雾沫夹带明显减少。目前一共有A、B两种类型，虽然降液管的设置不同，但操作弹性相当，B型较A型液体负荷大得多。此类塔板尤其适用容易起泡的体系或带有固体颗粒的物料。

Perform塔板，塔板由开有定向小孔的压延金属板网制成，充分利用气相动能，强化两相间的传质；同时设有碎流板，起到分液作用；气液在塔板不同区域方向发生90°的改变，因此在转折位置发生旋转，相际接触更充分。总体说来，该塔板具有高负荷、低压降、塔板孔速大、抗堵塞能力强等特点，缺点是操作弹性较小，只有3左右。

P－K筛孔（缝）塔板，是针对工业中处理含有较多固体颗粒的精馏而设计，如催化精馏塔。其塔板是波纹形，增大了塔板的开孔面，相邻波面上的斜孔（缝）的开口方向相反，交错排列，牵制气流对液流的推动作用，促进横向混合。较大的气相水平分速度可以防止固体颗粒结垢，波谷出气体具有较大的垂直速度，将沉积的固体颗粒吹起。P－K筛孔（缝）塔板具有处理能力较大、压降低、板效率较高的优点。

从以上各种新型筛孔塔板的介绍可以看出，筛板塔的改进和优化是为了增大气液传质面积，主要集中在扩大开孔面积和降液管结构优化两方面，也有一些是为满足特殊工况条件下而开发。总体而言，工艺条件和塔内件的一体化匹配还有待提高，虽然上述塔板做了很多结构改进，但结构复杂，造价较高，塔板传质行为理论机理不能普遍适用，预测结果与实验存在偏差，精密精馏的节能还有待进一步增强。

1．3 浮阀塔板

浮阀塔于20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍，对其性能研究也较充分。浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干大孔，每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片，浮阀的形式很多，目前国内最常用的有F1型、V－4型和T型。针对F1的缺点国内外又开发出了很多高效浮阀塔盘。

VV塔盘，德国Stahl公司在20世纪80年代推出的一种高弹性浮阀塔板 （Varioflex-Valve Tray），阀片上面开孔，开孔率会随气量的增加而增大，操作弹性相当大，阀片使用寿命也比较长。

SUPERFRAC塔板是GLITSCH公司开发的系列专利产品，目前已有SUPERFRACI～Ⅳ型、SUPERFRAC＋型产品。传质元件包括两种结构的小圆形浮阀和降液管出口的鼓泡装置。降液管可设计成扇形，塔板之间搭接处开有筛孔，是一种高性能塔板［11］。

导向浮阀塔板，在阀面上开导向孔，发挥气相推液的作用，降低液体梯度。目前有3种形式：矩形导向浮阀、梯形导向浮阀及组合导向浮阀。导向浮阀改善了F1型浮阀液面梯度较大的缺点，液相的返混程度也得到一定程度的降低。

20世纪90年代末清华大学开发的ADV微分浮阀塔板源自导向浮阀塔板，但其气体分散更细密均匀，气液接触更充分，与F1型浮阀相比，微分浮阀的塔板效率提高了15%，塔板处理能力提高40%以上，塔板压降降低10%，塔板操作弹性获得大幅度提高。

Swirl塔板是Shell工程公司研究开发的产品，塔板上安装一系列的固定罩阀，气相以高速通过孔上的罩阀，同时将板上的液相吸入罩内完成气液接触。此外由高速旋转的气相产生的离心力可以将液体甩到罩壁外，经过汇集后流到下一层塔板。此种塔板非常适用于低液气比的场合。

与圆盘形浮阀对应的条形浮阀经改进后证明性能优良，其基本结构是长条式阀片，气体从两侧吹出，特殊的排列方式有效减少雾沫夹带。BVT塔板是由石油大学在HTV船型浮阀塔板的基础上开发而成的，保留了HTV船型浮阀管式长条形的优点，又吸取了浮舌塔板、导向浮阀、偏心Nutter浮阀的长处。阀孔分为矩形孔和梯形孔两种。其排列方式采取以长轴顺液流方向，克服沿液流方向逆向返混大的缺点，提高传质效率［12］。

从上述对浮阀塔板的简要概述可以看出，加强流体的导向作用和气体的分散作用，是浮阀塔板的重点开发方向，操作弹性和塔板效率能得到进一步的提高。实现的措施主要沿着阀片微小型化和形状多元化两条途径进行［13～14］。

1．4 喷射型塔板

喷射型塔板是为了克服上述塔板存在的不同程度的雾沫夹带现象而研发的。在喷射型塔板上，气体沿水平方向喷出，不再通过较厚的液层而鼓泡，因而塔板压降降低，液沫夹带量减少，可采用较大的操作气速，提高生产能力。

舌形塔板，在塔板上冲出舌形孔，向液流出口侧张开，气流喷出速度可达20～30m·s－1，舌形塔板的优点是开孔率大、可在较高的空塔气速下操作，液面落差小。但气体喷射的液流会夹带气泡，此现象会降低塔板效率。

浮舌塔板是为提高舌形板型的操作弹性而提出，同时吸取了浮阀的优点，将固定舌片改为浮动舌片，因此该塔板兼有浮阀塔板和固定舌形塔板的特点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。

斜孔塔盘的筛孔为斜开孔，相邻两排开孔相反，既可避免液体在流动方向上被不断加速，又使液体不会在塔板的一边积聚，塔板上的液层低而均匀，其特殊结构允许在高气相负荷下操作，同时具有自清洗作用，物料不易堵塞。斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%，效率与之相当，是一种性能优良的塔板。

网孔塔板是一种新颖的斜孔塔板，以一定方向成网状分布的网孔代替筛孔，并在塔板上架设互相平行的倾斜挡板，塔板上空间得到充分利用，其主要缺点是操作弹性较小。

垂直筛板，是近几年开发的新型喷射型塔板，它是由直径为100～200mm的大筛孔和侧壁开有小筛孔的圆形泡罩组成。相当于筛孔和泡罩的复合板，同时也集中了喷射型塔板的特点。1968年日本三井株式会社开发出新型垂直筛板，它的塔板和降液装置结构与浮阀、筛板、泡罩并无不同，其主要特点是在帽罩上开有孔或缝（称为物沫分离孔）。因孔是圆形或栅缝又分为S型和C型。

立体传质塔板（CTST）也是近年来推广较快的立体喷射型塔板之一，由开矩形孔的塔板、设有筛孔的梯形喷射罩和分离板组成，具有处理能力大、板压降低、抗堵性能强的优点［15］。

Ultra-Frac tray是由Koch公司与Glitsh公司联合开发的一种新型塔板。这种塔板主要是利用气相高速旋转产生的离心力将液相充分混合后再抛出泡罩外以实现气液分离，在这个过程中同时进行传质。Ultra-Frac塔板特别适合于高压、高液相负荷的工况［16～25］。

以上简要介绍的喷射型塔板是针对某种特定要求而开发的，改变了传统的气相为分散相的设计，将气液接触分离的场所由整个塔板分散在各个喷射罩内，雾沫夹带量小、生产能力大、传质效率高是他们的共同特点。为了提高喷射塔板的通用性，复合各种板式的优势于一体开发新型喷射塔板将是今后的研究发展方向，但具体塔型的选择还是应当根据不同的工艺及生产需要来确定。

2 逆流塔板

以上塔板均属于有降液管式塔板，此外还有无降液管式的塔板，主要是无溢流塔板，亦称淋降塔板。其优点是气液逆流接触，塔板全部面积都可用来开孔或安置栅格，压降低。缺点是若液体负荷过大，气体将不能正常进入上一层塔板，导致气体脉冲震动上升；若液体负荷过小，则液体不能正常进入下一层塔板，亦是脉冲下流。这一类型的塔盘有穿流塔板、波纹塔板和复合塔。

美国Glitsch公司设计开发的Screen塔板又称纹栅塔板即属此列，为文丘里条缝塔板。它是由多根截面积为梯形的金属棒紧密排列而成，适用于大处理量工况，具有压降低、效率高、开孔率大的优势，但其板效率低。

3 并流塔板

自1936年Lewis推导出液体并流塔板能够提高塔板效率理论后，又有不少学者从理论上和实践上加以证实。1975年Haselden指出要使塔板效率提高20%，只有采用液体并流塔板才有可能。并流塔可能会成为板式塔今后发展的一个新的方向。

该塔板的主要特点是：（1）利用气相动能来强化气液传质；（2）不存在错流塔板的液泛限制。由于这种塔板的特殊设计，使得液相在塔板上形成小循环，增加了液相在塔板上的停留时间，提高了塔板的点效率。

NVST在塔板上布置有许多带侧壁小孔的圆形泡罩，液体从泡罩下的缝隙流入升气孔，被上升气流拉成液膜，通过侧壁小孔分散成很细的液滴，两相发生强烈的接触。该型塔板的特殊结构使它具有以下特点：（1）处理能力大；（2）效率高；（3）操作弹性大；（4）压降很小。其缺点主要是结构较复杂，塔板刚度需加强，造价较高，同时对设计的要求也较高。

装有涡流旋转器的气液并流塔板是俄罗斯开发的新型塔板，该设备的接触装置为直径70～120mm的圆柱形短管，其上装有蒸汽“涡流旋转器”。接触区内的两相并流流动，与液体和蒸汽流的离心分离运动配合，相互作用后消除了设备的液泛。该过程可在高的蒸汽速度下进行（8～15m·s－1）。而且装置没有放大问题。目前已在俄罗斯各企业推广使用，获得较高经济效益［26］。

旋转并流喷射塔板是为获得优质石化和化工产品，满足真空精馏和萃取要求，由俄罗斯开发的传质设备，比上述塔板结构都复杂，旋转轴上固定有抽吸装置和分散装置，抽吸装置由两个同心圆筒构成，两圆筒间装有抽吸叶片；分散装置是一个多孔圆筒。抽吸装置将液盘中的液体连续供给分散装置，后者再将液体喷入接触元件的自由空间。液体撞击到贴器壁悬挂的液滴收集器的薄板落下，汇集在液盘周边，再沿溢流管进入液盘供液槽中。这样周而复始，循环工作。该塔板最重要的特性就是具有低流体阻力。

喷射式并流填料塔板（JCPT）在NVST的基础上，结合规整填料，开发出两种结构形式：条形和圆筒形。这种塔板的特点是在升气筒上方设置了一块方形或条形波纹填料以加强传质，帽罩开口方向与塔板上的液流方向垂直。这种新颖的设计使得塔板的效率比NVST提高了10%，而压降降低了8%，由于填料阻力很小，故操作上限比NVST大，雾沫夹带也大为减少［27～28］。

4 结语［29～30］

从20世纪50年代初浮阀塔板出现，尤其是F1浮阀掀起了高效塔板的革新热潮，泡罩、筛板、浮阀塔板的设计不断改进和创新，这些结构新颖、性能优良的塔板在工业应用中因效果良好而颇受人们重视。上述塔板的特点主要集中在改进降液管以增大鼓泡区和改变气液接触形式来强化传质两方面。对于有降液管的塔板，突出的缺点是降液管在塔板上占用了有效的传质区域和空间；对于无降液管的板式塔，突出的缺点是传质效率较低［31］。塔板的开发由普适性向个性化转变，越来越多地集中到提高效率和满足某些特定要求上来，如满足低压降、大通量等［32］。传质元件小型化、复合化，强调工艺与塔内件一体化的匹配将是塔板技术发展的新方向。

板式塔作为重要的传质设备之一，在各种分离过程中应用广泛，开发新型的传质效率高、压降低、通量大的板式塔，对于改善分离效果、提高产品质量、降低装置能耗具有重要的意义。

［1］ 陈洪钫，刘家祺．化工分离过程［M］．北京：化学工业出版社，1995．

［2］A．Frank Seibert，J．Christopher Lewis，James R．Fair．Liquid-Continuous Distillation［J］．Ind．Eng．Chem．，2008，47：4290-4294．

［3］Frank．J．C，Geyer．G．R，Kehde．H．Styrene-Ethylbenzene SeparationwithSieveTrays［J］．Chem．Eng．Progr．1969，65（2）．

［4］ZhangpingXu，Williamsville．Increasedefficiency fractionaldistillationtrayandprocess［P］．US 6568663B1，2003-5．

［5］Delnicki．W．V，Wagner．J．L．Performance of Multiple Downcomer trays［J］．Chem．Eng．Progr．，1970，66（3）．

［6］ 俞晓梅，朱锦忠，徐崇嗣．DJ型塔板工业应用的现状与展望［J］．化学工程，1995，23（3）：43．

［7］ 李鹏，吴有庭，张志炳．95型塔板的流体力学性能［J］．南京大学学报（自然科学），2000，36（4）：486-488．

［8］ 郭敏强，李鹏，吴有庭，肖剑，张志炳．新结构95型塔板的立体力学性能［J］．化工学报，2000，51（3）：397．

［9］ 陈强，王树楹．塔器技术的发展现状与展望［J］．石油化工设备，1997，26（4）：30-31．

［10］Bravo，J．L．Column Internal［J］．Chem．Eng．，1998，105（2）：76-83．

［11］J．Penciak，I．Nieuwoudt，G．Spencer．High-Performance Trays：Getting The Best Capacity And Efficiency［J］．I ChemE．，2006，（152）：311-315．

［12］ 梁治国，亓荣彬，卢水根，段道顺．BVT塔板的工业应用［J］．化工进展，2003，22（2）：180．

［13］ 姜斌，李鑫钢，黄洁．新型塔板技术及应用［J］．化学工程，1998，26（3）：7-10．

［14］ 潘忠滨，姚克俭，李育敏，王良华．新型浮阀塔板研究进展［J］．化工进展，2005，24（9）：956-962．

［15］ 张竞平，刘继东．立体传质塔板（CTST）的性能特点及其应用［J］．化肥工业，2005，33（1）：9-10．

［16］ 钱建兵，朱慎林．板式塔及分离技术最新进展［J］．浙江化工，2003，34（11）：3-6．

［17］ 付有成，王崇智．板式塔精馏技术进展［J］．石化技术与应用，2000，18（4）：231-236．

［18］ 郭建荣．板式塔技术进展［J］．煤化工，2003，（5）：48-50．

［19］ 王树楹，高长宝，兰仁水．板式塔研究进展［J］．化学工程，2003，31（3）：21-26．

［20］ 李春利，王志英，李柏春，张文林．塔板技术最新进展和研究展望［J］．河北工业大学学报，2002，31（1）：21．

［21］ 计建炳，谭天恩．板式塔的进展［J］．化工纵横，2000，（1）：19-25．

［22］ 左美兰．塔板最新研究和展望［J］．化学工业与工程技术，2009，30（1）：27-31．

［23］ 李好管．塔器分离技术最新进展 ［J］．现代化工，2000，20（8）：22-24．

［24］ 褚雅志，向小凤，付亚玮，冯玉坤，马晓迅．塔器技术新进展［J］．化工进展，2007，26：1-7．

［25］ 李好管．新型板式塔研究开发及工业应用［J］．上海化工，2000，（17）：22-23．

［26］ 曹纬．俄罗斯新型塔板的开发 ［J］．化工装备技术，2000，21（1）：54-58．

［27］ 董艳河，黄敬，王荣良，杜佩衡．国外塔板技术的最新发展［J］．过滤与分离，2003，113（1）：13-16．

［28］ 哈婧，王金戌，王树楹．新型复合塔板JCPT的性能及工业应用［J］．化工科技，1999，7（2）：27-31．

［29］ 费维扬．国外化工塔器的若干最新进展［J］．化工进展，1996（6）：40-44．

［30］ 徐孝民，周青，沈复．国外气液传质设备的一些发展趋势［J］．化工进展，1994，（1）：22-27．

［31］ 刘建锋．板式塔的基本设计原理及发展方向［J］．兰州石化职业技术学院学报，2002，2（2）：11-12．

［32］ 曹纬．国外板式塔最新进展与新分离技术开发［J］．石油化工设备，1999，28（4）：39．

Application Progress and Development of Plates Technology

LI Su-ya，WANG Wen-jian
（Department of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China）

The development and application of domestic and foreign new trays were introduced in recent years．According to direction differences of gas and liquid flows，they had been classified in three kinds．Their distinctive structure characteristics and performance were commented in this article．The direction of future plate technology was put forward．

plate tower；new trays；technical outlook

TQ 053．5

A

1671-9905（2011）12-0030-05

李苏雅（1986-），女，山东济南人，青岛科技大学硕士研究生，主要研究方向为多相流体流动与分离

2011-09-22