浮阀塔板最新应用研究进展

王少锋，项曙光

（青岛科技大学炼油化工高新技术研究所，山东 青岛 266042）

进展与述评

浮阀塔板最新应用研究进展

王少锋，项曙光

（青岛科技大学炼油化工高新技术研究所，山东 青岛 266042）

浮阀塔是一种应用极为广泛的汽液传质设备，本文介绍了国内研究开发的新型浮阀塔板。这些浮阀塔板是在F1型浮阀塔板的基础上开发而成的，相比于F1型浮阀塔板，具有压降低、雾沫夹带量小、泄漏量小、处理量大等优点。本文以塔板的开发年代和塔板类型为主线，对这些浮阀塔板的结构特点、流体力学、传质性能、优缺点等进行了概括总结，对每个系列浮阀塔板的设计开发理念进行了总结概括，同时介绍了导向浮阀塔板在齐鲁石化公司丁二烯装置中应用的成功实例，很大程度地提高了塔板负荷率和产品质量；并简单介绍了一些常用塔板在工业生产中的应用情况，阐述了这些新型浮阀塔板的发展思路，即浮阀形状以条形为主，并且大部分浮阀塔板都开有导向孔；最后指出了今后塔板技术的研究和发展动向。

传质；鼓泡塔；流体力学；工业应用

塔设备是实现精馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单元操作的气液传质设备，广泛地应用在化工、石油化工、农药、医药、环保等行业中。它的主要作用是完成气液或液液两相之间的传质与传热，按其结构可分为板式塔和填料塔。在工业生产中，由于各自的特点不同，有不同的应用领域。板式塔是以塔板作为气液两相接触构件的逐级接触式传质设备，塔板是板式塔的核心部件，主要有以下几种类型：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、喷射型塔以及其他特殊类型的塔板。从1813年Cellier首次提出泡罩塔至今200多年中，国内外的科研工作者围绕着低压降、大通量、高弹性、高效率的塔板进行了大量研究，开发了很多种结构独特的新型塔板。

浮阀塔板是在塔盘上开有一定形状的阀孔（圆形或矩形），孔中安有可上下浮动的阀片，有圆形、矩形、盘形等，从而形成不同形式的浮阀塔板。浮阀塔板因其具有优异的综合性能（生产能力大、操作弹性大、塔板效率高、传质效果好等）已成为目前应用最广泛的一种塔板。

浮阀塔是20世纪50年代开发的一种非常有效的气液传质设备，传统浮阀的代表是美国Glitsch公司开发的V1型浮阀，国内称之为F1型浮阀[1]。一开始国内很多化工装置采用的基本都是F1浮阀塔板，在工业上得到了广泛的应用，但随着现代浮阀塔板的不断发展，该浮阀逐渐暴露出以下几个缺点：①F1浮阀塔板顶部为一圆面，气体不能通过，浮阀上方几乎没有鼓泡，气液接触状况比较差，从而降低了塔板的传质效率；②塔板入口与出口液面落差较大，入口处液体量太大导致塔板漏液，而出口处液体量太小导致气体喷射，二者均不利于塔板传质；③F1浮阀的圆形结构使气体从阀四周喷出，加大了塔板上液体的返混程度，降低了塔板效率；④塔板两侧弓形区域无法进行布阀，此区域液体流动较差，不利于传质；⑤由于浮阀为圆形的，操作过程中易旋转、磨损甚至脱落。针对F1型浮阀的不足，国内相继出现一些性能优良的浮阀塔板。本文对华东理工大学、中国石油大学、天津大学、西安石油大学、清华大学等国内几所主要大学开发的新型浮阀塔板进行一次综述，展望了今后塔板技术的研究和发展方向。

1 新型浮阀塔板

1.1 华东理工大学导向系列浮阀塔板

既要保留F1浮阀塔板的优点，同时又要克服其存在的缺点，为此华东理工大学开发了导向浮阀塔板[2]，其主要特征如下：①与F1浮阀相比，其上方开有导向孔，这样一方面可以加快塔板上液体流动，从而能减小液面梯度；另一方面浮阀上方也可以形成鼓泡，从而提高了传质效率；②导向浮阀为条形，有矩形和梯形两种形状，浮阀的两端设有阀腿，气体只能从浮阀的两侧喷出，喷出的方向与液体方向垂直，这样就降低了塔板液体的返混程度；③两侧弓形区域导向浮阀的适当排布可以有效地消除塔板上的液体滞止区；④导向浮阀的条形设计使其在操作中不转动，无磨损，不易脱落，增加了操作的稳定性。在导向浮阀基础之上，华东理工大学又相继开发出了组合导向浮阀塔板[3]、B型导向浮阀塔板[4]、波纹导向浮阀塔板[5]、组合波纹导向浮阀塔板[6]、齿形导向浮阀塔板[7]、HLFV浮阀塔板[8]等，图1为导向系列浮阀塔板的发展过程。

从图1中可以看出，华东理工大学设计开发的浮阀塔板主要有以下特点：①浮阀形状均为条形，浮阀两端均设有阀腿，这样的设计可以有效地减轻塔板上液体返混程度；②阀面上均开有导向孔，这样的设计可以减小塔板上液面梯度，增强传质效果；③不同类型的浮阀塔板按照一定的比例搭配，组合成一种新型塔板，这样的设计是通过合适的搭配，从而提高塔板的传质效率；④通过改变阀面周边设计，使气体细分，鼓泡均匀，提高传质效率。综上所述，华东理工大学浮阀塔板的设计理念为具有导向作用的条形浮阀。

1.2 中国石油大学浮阀塔板

船型（HTV）浮阀塔板[9]是由中国石油大学于20世纪80年代开发的新一代高效塔板，该浮阀塔板吸取了条形浮阀、倒蛊型浮阀和管式浮阀等结构上的优点，其主要特征如下：①阀体为长方形，底部为半圆形，气体从阀体两侧长边喷出，在一定程度上降低了塔板上液体的返混程度；②阀体两侧带有翻边，可以减缓气体流速，从而可以减轻雾沫夹带，增强传质效果；③阀单体尺寸比F1浮阀大将近一倍，这样可以提高塔板上可排布的阀孔数，从而提高了气体通量；④阀体一端有小凸起，阀体两端有高度差，并且阀底有两个泪孔，都可以加快塔板上液体流动，提高传质效率。

HTV浮阀塔板被广泛地应用于工业生产中，应用表明其分离效率高、操作弹性大、安装方便，是一种高性能塔板。但是也存在着一些不足，例如液面梯度偏大、存在一定程度的返混、弓形区存在液体滞止区、压降偏高等。因此，在HTV浮阀塔板的基础上又开发了BVT浮阀塔板[10]，既保留了管式长条形的优点，又吸取导向浮阀、浮舌塔板[11]和偏心Nutter浮阀的优点。其主要特征如下：①采用独特的半锥形结构，并在后端开有一个舌孔，这样和阀孔吹出的气体对塔板上液体产生双重的推动力，能够很大程度上降低塔板液面梯度，从而使塔板积液减少气体分布均匀，提高了传质效率，压降也相应降低；②浮阀前轻后重，操作过程前端先开启，类似于浮舌塔板，全开启状态类似HTV浮阀，操作弹性很大，其发展过程如图2所示。中国石油大学综合导向条阀和MMVG固阀的优点开发了双层导向浮阀塔板[12]和SFV全通导向浮阀塔板[13]，其发展过程如图3所示。

图1 华东理工大学导向系列浮阀塔板发展过程

图2 HTV和BVT浮阀塔板发展过程

从图2中可以看出，BVT浮阀塔板为HTV浮阀塔板的一种发展改型，二者均为长条形结构，这样的设计可以有效地降低塔板上液体的返混程度；浮阀尺寸比F1要大很多，这样可以增加塔板布阀数量、提高开孔率、增加气体通量；阀底的开孔可以加快塔板上液体流动，降低液面梯度。

从图3中可以看出，双层导向和SFV全通导向浮阀塔板都是在条形浮阀阀面上开设微型固阀，同时具备两者的优良特性，并且在阀腿上都开有导向孔，这样可以加快塔板上液体流动，降低塔板上液面梯度，消除塔板两端液体滞留区，改善塔板上液体流体力学与传质性能。

图3 双层导向和SFV全通导向浮阀塔板发展过程

1.3 天津大学浮阀塔板

天津大学在条形浮阀塔板基础上开发了复合条形细分浮阀塔板（CRSV）[14]、全周向通气条形导向浮阀塔板[15]，结合舌形浮阀塔板开发了BJ浮阀塔板[16]，结合梯形浮阀塔板[17]开发了箭形浮阀塔板[18]，其发展过程如图4所示。

天津大学在F1浮阀的基础上开发了滑片式笼罩浮阀塔板（WHY）[19]，结合梯形浮阀开发了滑片式梯形导向浮阀塔板[20]和斜孔梯形导向浮阀塔板[21]，其发展过程如图5所示。

从图4和图5中可以看出，天津大学开发的大部分塔板都是条形的，并且开有导向孔，这样的设计可以一定程度上减轻塔板返混，降低液面梯度，提高塔板传质性能。

1.4 西安石油大学3D系列浮阀塔板

西安石油大学为了更大程度地提高气液接触面积，提出了分层次多方位鼓泡的立体传质模型，开发了3D系列浮阀塔板，主要产品有3D圆阀塔板[22]、浮阀鼓泡器塔板[23]、锯齿边窄条阀塔板[24]、3D窄条阀塔板[25]，其发展过程如图6所示。

从图6 可以看出，西安石油大学开发的3D系列浮阀周边都是齿边形，这样的设计可以使气体细分，鼓泡均匀，减少雾沫夹带，有利于增强传质效果。

1.5 清华大学ADV微分浮阀塔板和HAVTH塔板

清华大学泽华公司与美国AMT公司在1997年开发出ADV微分浮阀塔板[26]。该塔板是在F1浮阀塔板基础上开发的，主要做了以下改进：①在阀顶开有小阀孔，增加了传质空间，提高了传质效率；②在入口处安装鼓泡促进器，有利于鼓泡，防止在入口处出现漏夜，有利于提高效率和生产力；③新的阀孔结构使浮阀只能上下移动，不能旋转，增加了浮阀的使用寿命；④对降液管进行优化，增加鼓泡区面积；⑤局部采用具有导向作用的浮阀，可以降低液面梯度，使气液分布均匀增强传质。其结构图如图7所示。

图4 BJ、CRSV、箭形和全周向通气条形导向浮阀塔板发展过程

清华大学化工系结合固阀和浮阀塔板的优缺点开发了一种两者相结合的高性能自适应浮阀塔板，即HAVTH塔板[27]。该塔板由MVG固阀塔板和Superfrac微分浮阀塔板组合而成，这样的设计可以充分利用塔板上方的传质空间，提高塔的操作弹性。其结构图如图8所示。

图5 WHY、滑片式梯形和斜孔梯形导向浮阀塔板发展过程

图6 西安石油大学3D系列浮阀塔板发展过程

图7 ADV微分浮阀塔板

图8 HAVTH塔板

1.6 导向浮阀塔板在齐鲁石化公司橡胶厂丁二烯装置中应用[28]

齐鲁石化公司烯烃厂丁二烯装置第二萃取精馏塔原为60层V1浮阀塔板，开工后负荷率只有75%， 1994和1995年经过两次停车整理，负荷率达到90%左右。为了提高负荷，决定对此塔进行改造，用导向浮阀塔板替换原来的V1浮阀塔板，经过改造后，负荷率由原来的90.5%提高到96.7%，塔顶丁二烯中乙烯基乙炔含量由原来的50mg/L降至5mg/L以下，塔顶产品合格率和开工率都得到了明显改善，该改造项目获得齐鲁石化科技进步奖。

1.7 塔板工业应用情况

以上介绍的新型浮阀塔板在工业生产中已经得到广泛应用，应用于化工、制药、化肥等行业中，应用效果显著，性能优良，为企业创造了良好的经济效益，其工业应用情况汇总见表1。

表1 新型浮阀塔板工业应用情况汇总

（续表1）

2 新型浮阀塔板研究展望

通过对以上新型浮阀塔板的分析研究，未来浮阀塔板的发展方向有以下几方面。

（1）针对F1浮阀塔板形状为圆形，浮阀易磨损、脱落的缺点，未来浮阀塔板发展从塔板形状来看主要以条形为主，相比圆形浮阀，条形浮阀有很多优点，例如条形浮阀不易旋转、不易磨损及脱落、返混程度较小、处理能力较大等。

（2）随着现代化工生产装置的大型化，目前的塔板可能满足不了要求，因此未来浮阀塔板会向着高效率、大通量、高弹性方向发展。

（3）针对一些有特殊要求的化工装置开发一些有特殊功能的浮阀塔板，例如防堵抗脏型塔板、具有机械消泡功能的塔板、无返混塔板等[37]。

（4）设计的新型浮阀塔板阀面上大部分都开有导向孔，从而可以更加充分地利用浮阀上方的传质空间，形成多层次三维空间传质模式[38]。

3 结 语

（1）以上介绍的浮阀塔板能应用到不同的化工装置中，有各自特定的应用场合。

（2）通过不同类型塔板的复合，能起到更好的传质效果。

（3）不同的浮阀塔板有其适宜的操作范围，传质效果、分离效率、操作能力相差不大。但若要大规模提高液体处理能力或分离易发泡物系，还应优化设计降液管的结构，如采用多降液管、悬挂式矩形降液管等[39]。

（4）科研工作者大部分都是从浮阀的结构入手，开发低压降、低雾沫夹带和低漏液的塔板，增强传质效果，进一步提高水力学性能。

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Application and research progress of valve trays

WANG Shaofeng，XIANG Shuguang
（Hi-Tech Institute for Petroleum and Chemical Industry，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，Shandong，China）

Float valve tower is a widely used vapor-liquid mass transfer equipment. The new valve trays developed from F1 valve tray in China are introduced. These new value trays have lower pressure drop，lower entrainment rate，lower weeping rate，and higher processing capacity. The structure，hydrodynamics，mass transfer efficiency，advantages and disadvantages are summarized，focusing on time of development and type of tray. Valve tray design and development concepts of each series are summarized. The successful example of directed valve trays applications in Qilu Petrochemical butadiene unit is described. The quality of product and tray loading rate are greatly improved. Some common trays used in industrial production are introduced. The development ideas of these new valve trays are described. The float valve is mainly bar shape and a directed hole is opened in most valve trays. Future research and development of tray technology are prospected.

mass transfer；bubble column；fluid mechanics；industrial applications

TQ 053.5

A

1000-6613（2014）07-1677-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.07.004

2013-12-24；修改稿日期：2014-01-23。

王少锋（1987—），男，硕士研究生，从事塔板水力学计算研究。联系人：项曙光，教授，博士生导师，研究方向为过程系统工程。E-mail xsg@qust.edu.cn。