气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔

气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔 气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔 2006年第25卷第5期 化工进展 CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS?587? 气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔 郭晓峰 (太原理工大学矿业工程学院,太原030024) 摘要:介绍了一项关于精馏塔板的最新发明专利.该发明抛开目前的气液两相在直接接触的传热中进行的实际 上无法达到平衡的传质方式,使气液两相的传热过程在彼此隔离的情况下进行.每层塔板由两块无板孔的薄板组 成,凭借间接传热在一层塔板上完成一次平衡蒸馏和一次平衡分凝:蒸馏残液流到下一层塔板,蒸馏产生的蒸气 被分凝,凝液留在本层板继续蒸馏,分凝剩余则蒸气上升.汽,液的运动靠塔内3种不同的通道实现,该发明具 有如下创新点:具有板效率高,板间距,J,'没有雾沫夹带.全效塔板的优势在于热力学上是在平衡状态下进行精 馏;不足之处就在于动力学方面传热速率慢,弥补的方法是延长传热时间:现有塔板气相垂直穿过液相显然很快, 新塔板气液两相水平逆向流动接触时间由塔径决定,大为延长. 关键词:精馏塔;板效率;板间距 中图分类号:TQ028.31文献标识码:A文章编号:1000—6613(2006)05—0587—04 Fulleffectivetray,thseparatingphasetransformation andsmallplatedistancerectifyingtower GUOXiaofeng (MininginstituteTaiyuanUniversit),ofScienceandTechnology,Taiyuan030024) Abstract:Apatenttechnologyaboutrectifyingtowertraywasintroduced.Inatraditionaltray, amass transformationbetweenliquidandvaporthatgoalongwithheatexchangebetweentwophaseswhen tl1eygetintotouchcouldnevergetbalanced.Theinventionreplacedthetraditionalstylewitha separatedheatexchangeprocedurebetweenliquidandvapor.Eachtraywascomposedoftwoplates withouthole.Balancedfractionalcondensationandbalanceddistillationtookplaceoneachtray:the remnantliquidofdistillationwassenttolowertray,thevaporofdistillationWasfractionallycondensed; theliquidofcondensationremainedonthesametrayandcontinuallydistilled,theremnantvaporof fractionallycondensationrisesup.Theinnovationpointswere:highefficiency,smalltrayspacingand notinyliquidentrainment.Theadvantageofthenewtrayisitsbalancedrectifyingprocessingfromthe viewofthermodynamic,andthedisadvantagethelowerrateofheattransportationfromtheviewof dynamics.ThelowerrateCanbemadeupbythemuchlongertimeofheattransportation,whichisthe resultofcomparingthecontacttimeofgasverticallypassingthroughliquidlayeronthetrayandtwo phasehorizontallyflowalongthetray. Keywords:rectifyingtower;trayefficiency;trayspacing 板式精馏塔的核心部件是塔板,现有塔板使气 液两相在直接接触中气相被部分液化同时液相被部 分汽化,达到传质的目的.然而,这样不可能达到 传质平衡,板效率"总是小于1"[11,同时气液两 相直接接触还带来雾沫夹带等流体力学问题. 为此,许多学者做了大量的工作,例如针对液 相物料起泡,雾沫夹带等问题1的研究改进.为 了提高板效率,从塔罩,双层塔板-一1,板式塔和 填料塔结合的方法[7,81,改进塔盘[91,新型立体传质 收稿日期2006—01—16;修改稿日期2006—03—10. 作者简介郭晓峰(195O一),男,教授.电话0351—7230278:E— mailgxf]31@yahoo.tom.gn. ?588?化工进展2006年第25卷 塔板OOl等入手进行的研究改进,但均没有改变气液 两相直接接触的传质方式. 太原理工大学发明的"气液隔离相变全效塔 板",采用了气液两相隔离开来,在间接传热中使气 相被分凝同时液相被蒸馏的全新方式,使得这种分 凝与蒸馏可以在平衡状态下进行,从而提高了板效 率;同时,由于气液两相不接触,避免了雾沫夹带 等流体力学问题. 1基本思路 图1表明了该塔板的基本 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思路.其中左图 是t-X,t-Y图(f为温度,x为液相组成,y为气相 组成),结合右图可以表示气,液相具体换热,相变, 运动方式. n+2块 n+3块 图1基本思路示意图 1.1换热与相变 第n+2块板顶部的气相Vc肿2)与第n+l块板表 ,在第n+l块板上下两侧 面的液相Ln+1)逆向流动 进行传热.气相Vcn+2从右流动到左(右图),温 度从初始的C点降至d点(左图),液相Lc从左 流动到右(右图),温度从初始的e点升至a点(左 图).由于气,液相是逆向流动,在n+l块板上下 的温差,在塔板左侧是e,d两点问的温差,右侧是 口,c两点间的温差,这样就保证了整个板上都有传 热所需的推动力. 1.2蒸馏,分凝与运动 通过传热,Vc),Lcl分别被分凝和蒸馏. 气相Vcn+2(c点)经分凝(左图虚线)得到冷凝液 L(+2)(口点)与蒸气Vfn+21(d点),而液相L(+1) (P点)经蒸馏(左图实线)得到残液Llcn+l(口点) 与蒸气Vl(肿1)(d点).蒸气V(肘2)(d点)与Vl(n+1) (d点)合并上升至斛1块板顶部(右图),作为 V(,1)(d点)再被分凝:Lv(肿2)(口点)与从n+l 块板流下来的Llcn+l(口点)合并汇集,流至n+2 块板上,作为第n+2块板上的液相L(肿2)(口点). L(n+2)(口点)再被加热蒸馏,得到残液Llc2) (易点)与蒸气Vl(肘2)(c点),残液Ll(肘2)向下流 至n+3块板上:蒸气VI(^+2)与n+3块板顶部气相 Vc肿3,分凝所剩的蒸气Vvc(c点)合并上升至 +2块板项部,作为气相Vc+2(c点)进行放热分 凝,得到冷凝液Lvcn+2,(a点)与蒸气Vc+2,(点). 本段的末尾接上了上段的开头,完成一个叙述循环. 总之,在斛2块板上的"原料"口点的液相Ltn+2 被分离成"产物"b点的液相Llc+2与d点的气相 Vc+2,而气相Vc+2)(d点)的气相组成相当于 n+l块板上的蒸馏产生的蒸气Vlc肘I),从而达到了 最高的分离效果. 整个过程很像一个多效蒸发器,冷凝与蒸馏两 过程之间多次相互换热. 与现有塔板相比,本发明的塔板的液相流动方 式不变,气相运动方式不同.液相仍然是通过溢流 装置,从上至下依次流过各塔板表面;而蒸馏产生 的气相经分凝后剩余的蒸气上升到上层塔板顶部, 分凝产生的液相返回塔板继续蒸馏. 2全效塔板的结构和工作原理 塔板的原则性结构如图2,这是一张剖视图, 剖切面过塔壳中心轴线而垂直于溢流堰. 为了实现以上思路,须在现有的塔板的结构基 础上,将塔板上的板孔去掉作为换热板,承载液相, 换热板上设有蒸气上升管,管口高出液面,距换热 板正下方约30rain加一块集液板,汇集凝液.换热 板,集液板共同组成一层塔板.换热板下方与集液 板上方之间为分凝室;换热板上方与集液板下方之 间为蒸馏室.换热板上产生的蒸汽从蒸馏室经过集 液板与降液管之间的通道进入分凝室(虚线箭头) 被分凝,分凝产生的液体也是通过通道从集液板向 下的折引板流到换热板(点划线箭头),分凝的剩余 蒸汽通过蒸汽上升管,再通过通道进入上层分凝室. 第5期郭晓峰:气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔?589? 图2塔板结构及物料运动示意图 1一蒸汽上升管;2一降液管{3一上下两室间的通道;4—换热板; 5一蒸馏室;6一隔板;7一分凝室;8,9,10,11—矩形板; 12一圆柱形塔壳 保留现有塔板的降液管及溢流堰,使液相从上 至下依次从各换热板上流过(实线箭头). 3精馏塔的原则结构和工作原理 关于精馏塔的工作过程,需重点说明的是塔顶 与塔底(见图3).在塔顶处,第1块塔板的换热板 上方产生的蒸气和第二块塔板的分凝室分凝剩余的 蒸气合并,作为塔顶气相进入分凝器,分凝得到的 冷凝液全部送至第一块换热板上方溢流堰对侧,作 为塔顶回流,分凝器7流出的未凝蒸气与第一块塔 板的分凝室经分凝剩余的蒸气合并,作为塔顶的最 终产品送至终冷器(图3中未画出),全凝后不作回 流.进料口开在板间距为400I/IITI的隔板下方与换 热板上方之间.塔底出口液相被塔底再沸器部分蒸 发后,蒸发残液作为塔底产物,而蒸发所得物料蒸 气进入最下面一块换热板的下面的分凝室被分凝, 凝液返回再沸器而剩余蒸气上升,水蒸气送入再沸 器变成冷凝水. 全效塔板以及小板距精馏塔的原则性结构如 上,工程结构在此不作介绍. 4全效塔板可行性 全效塔板的可行性可从理论上进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,今后 还有待于工业化实验的检验. 液相运动与现有板式精馏塔相比,只是多了分 凝残液,分凝残液与降液管的降液合并,合并后的 液相在塔板上的顺畅流动应该没有问题,为使液层 厚度均匀可设置一定坡度流动. 图3全塔示意图 1一塔顶气相;2一分凝器的冷凝液;3一分凝器的未凝蒸气4一第一块 塔板分凝室剩余蒸气;5一塔顶的最终气相产品;6一冷凝水;7一分凝 器;8一第一块换热板产生的蒸气;9一第二块塔板分凝室剩余蒸气; 1O一进料口:l1一水蒸汽;12一塔底产物;13一塔底出口液相;14一塔 底物料蒸气 气相的运动与现有板式精馏塔相比,由于气相 不再直接穿过液层,塔板压强降会不同,可以通过 图2中狭缝的宽度根据需要进行调整. 可能存在的最大的问题在于传热. 前面结合图1已经说明,传热的推动力——温 差在整个热板上都大于零,就是说采用逆流,即使 是分凝与蒸发都达平衡,也可以保证理论上整个板 上都进行传热. 传热的关键问题又在于速率.传热速率与温差 大小(t—X,t—Y两曲线的纵向距离大小)直接相 关,在温差小的情况下,可以让图1(左)中的厂 点的气相与e点的液相之间换热而提高温差.换热 板也要选用尽量薄的传热系数大的板材,为增加薄 板强度可冲压成石棉瓦形状. 在传热问题上,多效蒸发器的可行性对本发明 的可行性应该是一个支持.一组多效蒸发器由多个 蒸发器串联组成,其中只有一效蒸发器内的液体物 ?590?化工进展2006年第25卷 料用外来水蒸气来蒸发,一效蒸发液体物料得到的 水蒸气紧接着用来蒸发二效蒸发器内的液体物料, 二效得到的水蒸气用来蒸发三效的液体…….另一 方面,液体物料则依次由三效流向二效,一效.这 种汽液相之间的逆向流动方式,传热方式以及热量 利用方式,与本塔有异曲同工之处. 5创新性和优越性 5.1板效率高 根据图1,a点的液相在离开n+2块板时,被 分离成b点的液相与d点的气相,这是理论上可以 达到的最大分离效果. 由于这个原因,新塔板的塔板数的确定也不同 于现有方法:现有塔板的理论塔板数是在Y-X平衡 曲线与操作线之间的台阶数(图4);而新塔板的理 论塔板数是在t—Y,t—x两平衡线之间的水平线的 条数(图1).而这种不同会导致新塔板在理论塔板 数上的降低(另文讨论). 新塔板还有其他提高板效率的途径.不存在板 孔漏液,上升气流的液沫夹带等降低板效率的现象: 板上的液相,流动过程中有一个x浓度梯度,相应 地产生的蒸气也有一个y浓度梯度等. X———+ 图4现有理论板数的确定 5.2降低了塔高 换热板液层表面与隔板之间约15mill,只要保 证蒸馏产生的蒸气可以正常扩散即可,隔板与其上 方的换热板之间的距离20~80ln/n,只要保证有适 当的停留时间满足分凝需要即可.但是,在进料口 的两塔板之间必须是现有较大的板间距,以容纳突 然涌进的大量物料.而现有板间距为300,800 mln【J ,显然大了许多. 5.3降低造价 减少板数降低板间距两个因素共同降低了塔 高,因而也降低了建筑物高度,这些因素显然可以 降低造价. 5.4无雾沫夹带 这点优越性很明显. 该塔除以上的特点外,还具有一定的局限性. 全效塔板处理量不会大.传热温差不大的限制使换 热板传热速率有限,所以物料停留时间要长,流速 要小,处理量就不大.全效塔板可能只适于需要板 数多,处理量不大的场合.处理量大时,由于低成 本的优势,也可考虑采用数塔并联的方式. 本发明的优势在于,在热力学方面可以在平衡 状态下进行精馏,从而提高板效率;不足之处就在 于在动力学方面传热速率慢,工艺的解决方法在于 延长传热时间.现有塔板气相垂直穿过液相显然很 快,新塔板两相水平逆向流动接触时间大为延长, 塔径越大接触时间越长. 一 切都有待于实验进行准确的比较. 参考文献 【1】王箭.化工辞典D.第4版.北京:化学工业出版社,2000:897. 【2】朱菊香,李育敏,周滢,等.【J】.化工进展,2003,22(5): 490—493. 【3】何杰,赵学辉,吴少敏.【J】.化工进展,2005,24(1):25—29. 【4】张生富,王昂,倪炳华,等.【J】.化学工程,1990,18(2):37—42. 【5】刘继东.新型垂直筛板塔空间持液量的研究[D】.天津:河北工业 大学,1997. 【6】彭子杰,陈东玖,李超平.【J】.炼油设计,2000,30(1):41—43. 【7】徐静年,皮耀,李群生..化工进展,2005,24(7):800—803. 【8】王金戎,尚振华,兰仁水,等.【J】.化学工程,1999,27(1):15—18. 【9】姚日远.【J】.现代化工,2004,24(3):54—56. 【10】刘继东,吕建华,张竞平,等.【J】.化工,2005,56(6): 1144—1149. 【l1】国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 D.第2版.北 京:化学工业出版社,1996:452—458. (编辑奚志刚)