王少鋒，項(xiàng)曙光

（青島科技大學(xué)煉油化工高新技術(shù)研究所，山東 青島 266042）

進(jìn)展與述評

浮閥塔板最新應(yīng)用研究進(jìn)展

王少鋒，項(xiàng)曙光

（青島科技大學(xué)煉油化工高新技術(shù)研究所，山東 青島 266042）

浮閥塔是一種應(yīng)用極為廣泛的汽液傳質(zhì)設(shè)備，本文介紹了國內(nèi)研究開發(fā)的新型浮閥塔板。這些浮閥塔板是在F1型浮閥塔板的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，相比于F1型浮閥塔板，具有壓降低、霧沫夾帶量小、泄漏量小、處理量大等優(yōu)點(diǎn)。本文以塔板的開發(fā)年代和塔板類型為主線，對這些浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、流體力學(xué)、傳質(zhì)性能、優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了概括總結(jié)，對每個(gè)系列浮閥塔板的設(shè)計(jì)開發(fā)理念進(jìn)行了總結(jié)概括，同時(shí)介紹了導(dǎo)向浮閥塔板在齊魯石化公司丁二烯裝置中應(yīng)用的成功實(shí)例，很大程度地提高了塔板負(fù)荷率和產(chǎn)品質(zhì)量；并簡單介紹了一些常用塔板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，闡述了這些新型浮閥塔板的發(fā)展思路，即浮閥形狀以條形為主，并且大部分浮閥塔板都開有導(dǎo)向孔；最后指出了今后塔板技術(shù)的研究和發(fā)展動(dòng)向。

傳質(zhì)；鼓泡塔；流體力學(xué)；工業(yè)應(yīng)用

塔設(shè)備是實(shí)現(xiàn)精餾、吸收、解吸、汽提、萃取等化工單元操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備，廣泛地應(yīng)用在化工、石油化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)中。它的主要作用是完成氣液或液液兩相之間的傳質(zhì)與傳熱，按其結(jié)構(gòu)可分為板式塔和填料塔。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于各自的特點(diǎn)不同，有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。板式塔是以塔板作為氣液兩相接觸構(gòu)件的逐級接觸式傳質(zhì)設(shè)備，塔板是板式塔的核心部件，主要有以下幾種類型：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、噴射型塔以及其他特殊類型的塔板。從1813年Cellier首次提出泡罩塔至今200多年中，國內(nèi)外的科研工作者圍繞著低壓降、大通量、高彈性、高效率的塔板進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了很多種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的新型塔板。

浮閥塔板是在塔盤上開有一定形狀的閥孔（圓形或矩形），孔中安有可上下浮動(dòng)的閥片，有圓形、矩形、盤形等，從而形成不同形式的浮閥塔板。浮閥塔板因其具有優(yōu)異的綜合性能（生產(chǎn)能力大、操作彈性大、塔板效率高、傳質(zhì)效果好等）已成為目前應(yīng)用最廣泛的一種塔板。

浮閥塔是20世紀(jì)50年代開發(fā)的一種非常有效的氣液傳質(zhì)設(shè)備，傳統(tǒng)浮閥的代表是美國Glitsch公司開發(fā)的V1型浮閥，國內(nèi)稱之為F1型浮閥[1]。一開始國內(nèi)很多化工裝置采用的基本都是F1浮閥塔板，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代浮閥塔板的不斷發(fā)展，該浮閥逐漸暴露出以下幾個(gè)缺點(diǎn)：①F1浮閥塔板頂部為一圓面，氣體不能通過，浮閥上方幾乎沒有鼓泡，氣液接觸狀況比較差，從而降低了塔板的傳質(zhì)效率；②塔板入口與出口液面落差較大，入口處液體量太大導(dǎo)致塔板漏液，而出口處液體量太小導(dǎo)致氣體噴射，二者均不利于塔板傳質(zhì)；③F1浮閥的圓形結(jié)構(gòu)使氣體從閥四周噴出，加大了塔板上液體的返混程度，降低了塔板效率；④塔板兩側(cè)弓形區(qū)域無法進(jìn)行布閥，此區(qū)域液體流動(dòng)較差，不利于傳質(zhì)；⑤由于浮閥為圓形的，操作過程中易旋轉(zhuǎn)、磨損甚至脫落。針對F1型浮閥的不足，國內(nèi)相繼出現(xiàn)一些性能優(yōu)良的浮閥塔板。本文對華東理工大學(xué)、中國石油大學(xué)、天津大學(xué)、西安石油大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)幾所主要大學(xué)開發(fā)的新型浮閥塔板進(jìn)行一次綜述，展望了今后塔板技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

1 新型浮閥塔板

1.1 華東理工大學(xué)導(dǎo)向系列浮閥塔板

既要保留F1浮閥塔板的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又要克服其存在的缺點(diǎn)，為此華東理工大學(xué)開發(fā)了導(dǎo)向浮閥塔板[2]，其主要特征如下：①與F1浮閥相比，其上方開有導(dǎo)向孔，這樣一方面可以加快塔板上液體流動(dòng)，從而能減小液面梯度；另一方面浮閥上方也可以形成鼓泡，從而提高了傳質(zhì)效率；②導(dǎo)向浮閥為條形，有矩形和梯形兩種形狀，浮閥的兩端設(shè)有閥腿，氣體只能從浮閥的兩側(cè)噴出，噴出的方向與液體方向垂直，這樣就降低了塔板液體的返混程度；③兩側(cè)弓形區(qū)域?qū)蚋￠y的適當(dāng)排布可以有效地消除塔板上的液體滯止區(qū)；④導(dǎo)向浮閥的條形設(shè)計(jì)使其在操作中不轉(zhuǎn)動(dòng)，無磨損，不易脫落，增加了操作的穩(wěn)定性。在導(dǎo)向浮閥基礎(chǔ)之上，華東理工大學(xué)又相繼開發(fā)出了組合導(dǎo)向浮閥塔板[3]、B型導(dǎo)向浮閥塔板[4]、波紋導(dǎo)向浮閥塔板[5]、組合波紋導(dǎo)向浮閥塔板[6]、齒形導(dǎo)向浮閥塔板[7]、HLFV浮閥塔板[8]等，圖1為導(dǎo)向系列浮閥塔板的發(fā)展過程。

從圖1中可以看出，華東理工大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的浮閥塔板主要有以下特點(diǎn)：①浮閥形狀均為條形，浮閥兩端均設(shè)有閥腿，這樣的設(shè)計(jì)可以有效地減輕塔板上液體返混程度；②閥面上均開有導(dǎo)向孔，這樣的設(shè)計(jì)可以減小塔板上液面梯度，增強(qiáng)傳質(zhì)效果；③不同類型的浮閥塔板按照一定的比例搭配，組合成一種新型塔板，這樣的設(shè)計(jì)是通過合適的搭配，從而提高塔板的傳質(zhì)效率；④通過改變閥面周邊設(shè)計(jì)，使氣體細(xì)分，鼓泡均勻，提高傳質(zhì)效率。綜上所述，華東理工大學(xué)浮閥塔板的設(shè)計(jì)理念為具有導(dǎo)向作用的條形浮閥。

1.2 中國石油大學(xué)浮閥塔板

船型（HTV）浮閥塔板[9]是由中國石油大學(xué)于20世紀(jì)80年代開發(fā)的新一代高效塔板，該浮閥塔板吸取了條形浮閥、倒蠱型浮閥和管式浮閥等結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，其主要特征如下：①閥體為長方形，底部為半圓形，氣體從閥體兩側(cè)長邊噴出，在一定程度上降低了塔板上液體的返混程度；②閥體兩側(cè)帶有翻邊，可以減緩氣體流速，從而可以減輕霧沫夾帶，增強(qiáng)傳質(zhì)效果；③閥單體尺寸比F1浮閥大將近一倍，這樣可以提高塔板上可排布的閥孔數(shù)，從而提高了氣體通量；④閥體一端有小凸起，閥體兩端有高度差，并且閥底有兩個(gè)淚孔，都可以加快塔板上液體流動(dòng)，提高傳質(zhì)效率。

HTV浮閥塔板被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用表明其分離效率高、操作彈性大、安裝方便，是一種高性能塔板。但是也存在著一些不足，例如液面梯度偏大、存在一定程度的返混、弓形區(qū)存在液體滯止區(qū)、壓降偏高等。因此，在HTV浮閥塔板的基礎(chǔ)上又開發(fā)了BVT浮閥塔板[10]，既保留了管式長條形的優(yōu)點(diǎn)，又吸取導(dǎo)向浮閥、浮舌塔板[11]和偏心Nutter浮閥的優(yōu)點(diǎn)。其主要特征如下：①采用獨(dú)特的半錐形結(jié)構(gòu)，并在后端開有一個(gè)舌孔，這樣和閥孔吹出的氣體對塔板上液體產(chǎn)生雙重的推動(dòng)力，能夠很大程度上降低塔板液面梯度，從而使塔板積液減少氣體分布均勻，提高了傳質(zhì)效率，壓降也相應(yīng)降低；②浮閥前輕后重，操作過程前端先開啟，類似于浮舌塔板，全開啟狀態(tài)類似HTV浮閥，操作彈性很大，其發(fā)展過程如圖2所示。中國石油大學(xué)綜合導(dǎo)向條閥和MMVG固閥的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)了雙層導(dǎo)向浮閥塔板[12]和SFV全通導(dǎo)向浮閥塔板[13]，其發(fā)展過程如圖3所示。

圖1 華東理工大學(xué)導(dǎo)向系列浮閥塔板發(fā)展過程

圖2 HTV和BVT浮閥塔板發(fā)展過程

從圖2中可以看出，BVT浮閥塔板為HTV浮閥塔板的一種發(fā)展改型，二者均為長條形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)可以有效地降低塔板上液體的返混程度；浮閥尺寸比F1要大很多，這樣可以增加塔板布閥數(shù)量、提高開孔率、增加氣體通量；閥底的開孔可以加快塔板上液體流動(dòng)，降低液面梯度。

從圖3中可以看出，雙層導(dǎo)向和SFV全通導(dǎo)向浮閥塔板都是在條形浮閥閥面上開設(shè)微型固閥，同時(shí)具備兩者的優(yōu)良特性，并且在閥腿上都開有導(dǎo)向孔，這樣可以加快塔板上液體流動(dòng)，降低塔板上液面梯度，消除塔板兩端液體滯留區(qū)，改善塔板上液體流體力學(xué)與傳質(zhì)性能。

圖3 雙層導(dǎo)向和SFV全通導(dǎo)向浮閥塔板發(fā)展過程

1.3 天津大學(xué)浮閥塔板

天津大學(xué)在條形浮閥塔板基礎(chǔ)上開發(fā)了復(fù)合條形細(xì)分浮閥塔板（CRSV）[14]、全周向通氣條形導(dǎo)向浮閥塔板[15]，結(jié)合舌形浮閥塔板開發(fā)了BJ浮閥塔板[16]，結(jié)合梯形浮閥塔板[17]開發(fā)了箭形浮閥塔板[18]，其發(fā)展過程如圖4所示。

天津大學(xué)在F1浮閥的基礎(chǔ)上開發(fā)了滑片式籠罩浮閥塔板（WHY）[19]，結(jié)合梯形浮閥開發(fā)了滑片式梯形導(dǎo)向浮閥塔板[20]和斜孔梯形導(dǎo)向浮閥塔板[21]，其發(fā)展過程如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，天津大學(xué)開發(fā)的大部分塔板都是條形的，并且開有導(dǎo)向孔，這樣的設(shè)計(jì)可以一定程度上減輕塔板返混，降低液面梯度，提高塔板傳質(zhì)性能。

1.4 西安石油大學(xué)3D系列浮閥塔板

西安石油大學(xué)為了更大程度地提高氣液接觸面積，提出了分層次多方位鼓泡的立體傳質(zhì)模型，開發(fā)了3D系列浮閥塔板，主要產(chǎn)品有3D圓閥塔板[22]、浮閥鼓泡器塔板[23]、鋸齒邊窄條閥塔板[24]、3D窄條閥塔板[25]，其發(fā)展過程如圖6所示。

從圖6 可以看出，西安石油大學(xué)開發(fā)的3D系列浮閥周邊都是齒邊形，這樣的設(shè)計(jì)可以使氣體細(xì)分，鼓泡均勻，減少霧沫夾帶，有利于增強(qiáng)傳質(zhì)效果。

1.5 清華大學(xué)ADV微分浮閥塔板和HAVTH塔板

清華大學(xué)澤華公司與美國AMT公司在1997年開發(fā)出ADV微分浮閥塔板[26]。該塔板是在F1浮閥塔板基礎(chǔ)上開發(fā)的，主要做了以下改進(jìn)：①在閥頂開有小閥孔，增加了傳質(zhì)空間，提高了傳質(zhì)效率；②在入口處安裝鼓泡促進(jìn)器，有利于鼓泡，防止在入口處出現(xiàn)漏夜，有利于提高效率和生產(chǎn)力；③新的閥孔結(jié)構(gòu)使浮閥只能上下移動(dòng)，不能旋轉(zhuǎn)，增加了浮閥的使用壽命；④對降液管進(jìn)行優(yōu)化，增加鼓泡區(qū)面積；⑤局部采用具有導(dǎo)向作用的浮閥，可以降低液面梯度，使氣液分布均勻增強(qiáng)傳質(zhì)。其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖4 BJ、CRSV、箭形和全周向通氣條形導(dǎo)向浮閥塔板發(fā)展過程

清華大學(xué)化工系結(jié)合固閥和浮閥塔板的優(yōu)缺點(diǎn)開發(fā)了一種兩者相結(jié)合的高性能自適應(yīng)浮閥塔板，即HAVTH塔板[27]。該塔板由MVG固閥塔板和Superfrac微分浮閥塔板組合而成，這樣的設(shè)計(jì)可以充分利用塔板上方的傳質(zhì)空間，提高塔的操作彈性。其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖5 WHY、滑片式梯形和斜孔梯形導(dǎo)向浮閥塔板發(fā)展過程

圖6 西安石油大學(xué)3D系列浮閥塔板發(fā)展過程

圖7 ADV微分浮閥塔板

圖8 HAVTH塔板

1.6 導(dǎo)向浮閥塔板在齊魯石化公司橡膠廠丁二烯裝置中應(yīng)用[28]

齊魯石化公司烯烴廠丁二烯裝置第二萃取精餾塔原為60層V1浮閥塔板，開工后負(fù)荷率只有75%， 1994和1995年經(jīng)過兩次停車整理，負(fù)荷率達(dá)到90%左右。為了提高負(fù)荷，決定對此塔進(jìn)行改造，用導(dǎo)向浮閥塔板替換原來的V1浮閥塔板，經(jīng)過改造后，負(fù)荷率由原來的90.5%提高到96.7%，塔頂丁二烯中乙烯基乙炔含量由原來的50mg/L降至5mg/L以下，塔頂產(chǎn)品合格率和開工率都得到了明顯改善，該改造項(xiàng)目獲得齊魯石化科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

1.7 塔板工業(yè)應(yīng)用情況

以上介紹的新型浮閥塔板在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于化工、制藥、化肥等行業(yè)中，應(yīng)用效果顯著，性能優(yōu)良，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，其工業(yè)應(yīng)用情況匯總見表1。

表1 新型浮閥塔板工業(yè)應(yīng)用情況匯總

（續(xù)表1）

2 新型浮閥塔板研究展望

通過對以上新型浮閥塔板的分析研究，未來浮閥塔板的發(fā)展方向有以下幾方面。

（1）針對F1浮閥塔板形狀為圓形，浮閥易磨損、脫落的缺點(diǎn)，未來浮閥塔板發(fā)展從塔板形狀來看主要以條形為主，相比圓形浮閥，條形浮閥有很多優(yōu)點(diǎn)，例如條形浮閥不易旋轉(zhuǎn)、不易磨損及脫落、返混程度較小、處理能力較大等。

（2）隨著現(xiàn)代化工生產(chǎn)裝置的大型化，目前的塔板可能滿足不了要求，因此未來浮閥塔板會(huì)向著高效率、大通量、高彈性方向發(fā)展。

（3）針對一些有特殊要求的化工裝置開發(fā)一些有特殊功能的浮閥塔板，例如防堵抗臟型塔板、具有機(jī)械消泡功能的塔板、無返混塔板等[37]。

（4）設(shè)計(jì)的新型浮閥塔板閥面上大部分都開有導(dǎo)向孔，從而可以更加充分地利用浮閥上方的傳質(zhì)空間，形成多層次三維空間傳質(zhì)模式[38]。

3 結(jié) 語

（1）以上介紹的浮閥塔板能應(yīng)用到不同的化工裝置中，有各自特定的應(yīng)用場合。

（2）通過不同類型塔板的復(fù)合，能起到更好的傳質(zhì)效果。

（3）不同的浮閥塔板有其適宜的操作范圍，傳質(zhì)效果、分離效率、操作能力相差不大。但若要大規(guī)模提高液體處理能力或分離易發(fā)泡物系，還應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)降液管的結(jié)構(gòu)，如采用多降液管、懸掛式矩形降液管等[39]。

（4）科研工作者大部分都是從浮閥的結(jié)構(gòu)入手，開發(fā)低壓降、低霧沫夾帶和低漏液的塔板，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，進(jìn)一步提高水力學(xué)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。

王少鋒（1987—），男，碩士研究生，從事塔板水力學(xué)計(jì)算研究。聯(lián)系人：項(xiàng)曙光，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檫^程系統(tǒng)工程。E-mail xsg@qust.edu.cn。