浮阀塔板塔板是20世纪中期由美国科学家开发的一种塔内件,它以其特殊的浮动机理和简单的结构受到了各国工业界的重视。在炼油、化工行业,泡罩塔板一直占据着主要地位,有着操作弹性大、不易堵塞、操作稳定的特点。但它们压降高、通量小,结构复杂,不便于维修,浮阀塔板改变了这个现状。浮阀塔板具有较高的操作弹性,尤其在气液负荷变化较大时,仍然能够保持较高的传质效率。浮阀塔板的主要优点:①由于阀片可以随着气相流量的大小上下浮动,气相流动通道可随气相流量自动调节,增大了操作弹性;②与筛板相比,浮阀塔板的气相是沿水平方向吹出,而不是垂直于塔板的流动方向,这样就**地减小了雾沫夹带量和板上液层高度,延长了塔板上气体和液体的接触时间,传质效率大大提高;③相对于泡罩塔板,浮阀塔板的结构简单,降低了塔板制造成本。
1.1圆形浮阀
1944年,I.E.Nutter设计了*原始的鼓泡阀式塔板,但是由于压降大,结构不合理而一直没有实际应用。1953年,Koch Engineering公司推出了盘式浮阀塔板。圆盘形浮阀塔板是国内外应用非常普遍的一种塔板,*早出现的是V1型浮阀塔板,我国也叫做F1型浮阀塔板,其结构如图1所示。随后又开发出V4型浮阀塔板,它是在V1型浮阀塔板的基础上进行了结构改进,其阀孔采用文丘里结构,有利于降低塔板阻力。
圆盘形浮阀塔板也有其自身的缺点:①相邻浮阀之间,水平吹出的气体相互冲撞,导致雾沫夹带增加,且容易导致塔板上的液体返混;②当气速比较大时,圆形浮阀容易在阀孔中转动,与塔板之间造成摩擦,使浮阀容易磨损、脱落;③由于塔板边缘不能安装浮阀,所以塔板边缘容易产生传质死区;④塔板上密布着凸起的浮阀,当物料黏性较大时,会阻碍物料在塔板上的流动;⑤阀盖的上方没有鼓泡区,上方气液接触状况较差,造成塔板的传质效率降低。
1.2条形浮阀
1944年,国外就已经开发了条形浮阀,但是当时由于结构不合理且压降过高,一直都没有工业化。1951年,Nutter推出了依靠自身质量来控制阀片开度的条形浮阀塔板。主要有P型条形浮阀(图2)和BDP型条形浮阀两种。条形浮阀克服了圆盘形浮阀容易转动、易磨损的缺点,但是条形浮阀相邻两个阀体之间气液冲撞更加严重,液面落差大,影响了塔板的处理能力。
从20世纪80年代中期以来,国内对条形浮阀塔板的研究比较活跃,基于P型条形浮阀和BDP型条形浮阀的缺陷,开发了很多种新型浮阀塔板,例如L1条形浮阀塔板、T形排列条阀塔板、HTⅤ船型浮阀塔板、BTⅤ浮阀塔板、导向浮阀塔板、组合导向浮阀塔板、高弹性浮阀塔板等等。
1.3 HTV船形浮阀塔板
为了提高条形浮阀升起的稳定性和流体力学性能,人们开发了HTV(Half Tube Valve Tray)船形浮阀,其阀件和塔板结构如图3所示。从图3中可以看出,HTV船形浮阀将普通条形浮阀的平顶阀件改为具有下凹半圆形并在两侧均匀流线化的长条形阀件,这样的设置保证了气体流道的顺畅,减少了平顶浮阀产生的涡流,克服了普通浮阀的不稳定状态。HTV阀件在塔板上以长轴与液流平行的方式进行排列,减少了轴向的返混,有利于传质的进行。中国石油大学在HTV阀件的基础上开发了BTV浮阀,并在化工、炼油行业应用中取得了良好的效果。
1.4导向梯形浮阀
为了加强导向条形浮阀的推流的作用,20世纪90年代,天津大学将条形浮阀改进为梯形浮阀,并因此开发了新型的导向梯形浮阀,其结构如图4所示。梯形的结构大大改善了原有条形浮阀的推液作用,将原来吹向两侧的气体,改为朝液流方向有一个夹角,这样从阀两侧和导向孔出来的气体共同对液流产生了向前的推液作用。
图4导向梯形浮阀结构示意
导向梯形浮阀与F1型浮阀塔板的性能对比具有如下优点:①塔板结构简单;②塔板压降可降低15%~20%,气相负荷下限可降低1/3左右,气相负荷上限可提高10%~20%,操作弹性大大提高。导向浮阀塔板已代替F1型浮阀塔板在炼油厂常减压塔、煤气厂脱苯塔、乙醇装置中得到应用,均获得显著效果。
1.5 ADV微分浮阀
清华泽华公司和美国AMT公司合作,对F1浮阀塔板进行了改进,开发出了ADV微分浮阀塔板,其结构如图5所示。ADV浮阀塔板在原来的F1浮阀塔板上做了些创新,主要创新有:①在浮阀的阀顶上开设小阀孔,以促进浮阀上方液体鼓泡,增加浮阀上方的气液接触;②部分ADV微分浮阀具有一定的导向功能,能够消除塔板上的液位差;③在降液管区域设有向上突起的鼓泡促进器;④对降液管和浮阀阀腿进行改进。ADV浮阀塔板具有传质效率高,漏液小等优点,目前已在工业上得到应用。
1.6固阀型塔板
固阀型塔板,是将全开浮阀的形式固定在塔板上,而其制作方式又类似于冲孔的方式,故其结构介于浮阀和筛板之间。固阀和塔板是一个整体,其形状可以被制作成方形、圆形或者其他成熟浮阀的结构。这种方式便于加工,降低了制作成本,且性能处于浮阀和筛板之间。阀盖和阀腿之间的空隙为气体流动通道,相对于浮阀塔板来讲,气体流动不需要支撑浮动的阀盖,其压降要低于浮阀塔板。相对于筛板来讲,气体流动是从阀孔水平流出,降低了雾沫夹带,因此,在同等开孔率下处理能力比筛板塔大。V-Grid固阀塔板是Nutter公司20世纪70年代开发的,其结构如图6所示。其主要特点为:浮阀表面为梯形,气体流出方向和液流方向有一个向前的角度。中国石油大学的孙兰义等开发出了半椭圆固定阀塔板,使得气体从侧面吹出并带有一定推动液流的作用。天津大学为了增大固定阀吹动面积和提高其导流作用,设计了三角固定阀和十字交叉型固定阀。
有一类固定阀塔板是从浮阀塔板改造过来的,它们并不是单独设计开发,而是在将工程上得到良好验证的浮阀改造成固定阀塔板。基于固定阀压降低、造价低、不出现卡死等优点,这类固定阀也得到了良好的应用。