蒸馏塔塔盘、板式蒸馏塔及其应用的制作方法

1.本发明涉及精馏设备领域，具体而言，涉及一种蒸馏塔塔盘、板式蒸馏塔及其应用。


背景技术：

2.蒸馏是炼油和化工领域中最主要的一种分离手段，一般是在蒸馏塔内进行。蒸馏塔根据传质元件的不同主要分为板式塔和填料塔，在炼油化工企业塔设备中以板式塔为主。
3.传质效率是衡量塔盘优劣的最重要的参数，其中板上分散的气泡和液滴的直径大小决定了气液两相的接触面积，这是影响塔盘传质效率的关键因素之一。
4.降低分散相的粒径是增加气液接触面积的重要方式，也是本领域长期以来一直追求的目标。现有的蒸馏塔塔盘产生的气泡多为毫米级或厘米级，且气泡在形成后容易发生并聚使得气泡直径进一步增大，且容易出现漏液和雾沫夹带的现象，降低塔盘的传质效率。
5.此外，由于降液管、受液盘以及气液分离区的存在，板式塔内有效传质空间仅限于塔板开孔区上方的泡沫层区域，塔内大部分的区域并未参与传质过程，因此相较于填料塔其传质效率偏低。
6.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的目的包括，例如，提供了一种蒸馏塔塔盘、板式蒸馏塔及其应用，其能够产生微米级气泡，实现整塔截面的气液传质，大幅提高传质效率。
8.本发明的实施例可以这样实现：
9.蒸馏是一个气液传质过程，在板式塔内气相一般作为分散相。降低分散相的粒径是增加气液接触面积的重要方式，也是本领域长期追求的目标。但如何将气泡直径减小至微米级并形成可实施的方案，这是长期困扰研究人员的难点。另外，常规的板式塔中均设置有受液盘，用于防止降液管的液体穿过塔板产生漏液，受液盘不设置开孔或浮阀，造成塔板的有效利用面积下降，传质效率较低，亟须对此进行改进。
10.第一方面，本发明提供一种蒸馏塔塔盘，包括多孔塔板、降液管和降液管填料；多孔塔板与降液管连接，降液管的轴向与多孔塔板的板面相交，降液管填料填充于降液管内，多孔塔板的孔径为0.2～100μm。
11.在一些实施方式中，蒸馏塔塔盘的横截面为圆形，在其他实施方式中蒸馏塔塔盘的横截面也可以为椭圆或方形，其具体形状与蒸馏塔的形状相关，只要能将蒸馏塔塔盘充分填满蒸馏塔的某一横截面即可，本发明对此不做限制。
12.可以理解的是，蒸馏塔塔盘的横截面由多孔塔板的横截面和降液管的横截面组成。因此，在一些实施方式中，多孔塔板的形状为缺圆，降液管为圆管状，二者连接后，多孔塔板上缺失部分被降液管填满，形成的蒸馏塔塔盘其横截面为圆形。在其他实施方式中，多
孔塔板和降液管的形状也可以根据蒸馏塔的形状合理调整，本发明对此不做限制。
13.本发明通过控制多孔塔板的孔径为0.2～100μm，当气相经气液传质过程进入液相区域时，会生成粒径小于1mm的气泡，气泡的粒径减小，使得气泡总的表面积增大，气相与液相之间的传质相界面积增加，液相的停留时间延长，气泡破碎后飞溅出去的液沫量少，雾沫夹带少，传质效果显著提高，能够在更高的泡沫层高度下进行气液分离，增加了气液有效的传质空间。同时，本发明采用的多孔塔板孔径小，不易漏液，可以取消受液盘，增加传质面积。降液管内设置降液管填料也可以允许微气泡通过，并进行气液接触传质，进而实现了整塔截面的气液传质，大幅提高传质效率。
14.在可选的实施方式中，多孔塔板是由烧结和/或3d打印的方式加工制造而成。
15.优选地，制造所述多孔塔板的材料包括金属、金属氧化物、塑料、树脂、陶瓷、石墨和金刚砂的至少一种。
16.通过选择上述材料进行烧结和/或3d打印能够对多孔塔板的孔径、孔隙率等参数有效控制，得到孔径为微米级的多孔塔板，降低分散相的粒径。
17.优选地，多孔塔板的孔隙率为5～30％，厚度为1～100mm。更优选地，多孔塔板的孔隙率为8～20％，厚度为10～50mm。
18.进一步地，现有的板式塔中，塔内有效传质区域仅为塔板鼓泡区上方的液层空间，这部分空间占全塔塔板空间的比例一般小于20％，塔内大部分的空间并未得到有效利用，塔板上的液层高度较低，因此塔内空间利用率低，这也是板式塔效率较填料塔低的一个关键因素。
19.在可选的实施方式中，降液管悬挂于多孔塔板上，降液管底部的出液端与下方空间连通。可选地，降液管可以是圆管也可以是方管，其具体形状本发明不做限定，只要能够使分散相通过即可。
20.可选地，降液管与下方空间可以是直接连通或通过打孔的方式连通，本发明对此不做限定，只要能够使分散相通过即可。
21.优选地，降液管的轴向与多孔塔板的板面垂直。
22.优选地，降液管的进液端与多孔塔板上表面的垂直距离为80～300mm，更优选为150～250mm。可以理解的是，当上述蒸馏塔塔盘安装于板式蒸馏塔中使用时，上述记载“降液管的进液端与多孔塔板上表面的垂直距离”可以一般理解为“降液管的溢流堰高度”。
23.优选地，多孔塔板在进行气液传质的过程中，液面高于降液管进液端，本发明的降液管进液端高度远高于传统塔板的溢流堰高度，其原因在于，本发明提供的多孔塔板孔径小，能够获得微米级气泡，因此气泡发生破裂时，不易夹带雾沫，同时也不会出现漏液等情况，因此可在高液面下传质，增加传质空间。
24.液相从降液管通过时会携带少量的气体，在通过降液管填料时，降液管填料可促进气泡聚并和降液管内的气液分离，防止上一层的液相夹带气泡进入下一层的塔板，产生反混影响塔板效率。
25.在可选的实施方式中，降液管填料可以低于多孔塔板的高度，也可以与多孔塔板同一高度，也可位于多孔塔板之上。
26.在较佳的实施方式中，降液管填料与多孔塔板同高或低于多孔塔板的高度。
27.在可选的实施方式中，为了实现整塔传质，增加有效传质面积，防止上层的气泡被
降液管内液相携带进入下层塔盘。降液管填料包括丝网、格栅和波纹板的至少一种，只要能使液相通过即可，本发明对其具体材质不做限定。
28.优选地，降液管填料的填充厚度为30～150mm，优选为50～100mm。
29.在可选的实施方式中，还包括气相分布层，气相分布层设置于降液管靠近出液口的一端，且覆盖于多孔塔板下表面。可以理解的是，气相分布层和多孔塔板的形状、大小应当完全相同，如此才能有效进行气液传质。
30.优选地，气相分布层的孔隙率为10％～99％，孔径为0.1～50mm，厚度为小于300mm。更优选地，孔径为1～10mm，厚度10～100mm。需要说明的是，在同一蒸馏塔塔盘中，气相分布层的孔径需大于多孔塔板的孔径，因此，本发明记载气相分布层的孔径为0.1～50mm，当气相分布层的孔径为0.1mm时，多孔塔板的孔径范围实际应当为0.2～100μm，但不包括100μm。
31.在可选的实施方式中，气相分布层是由多孔材料、丝网和规整填料的至少一种制成；
32.优选地，多孔材料是经烧结和/或3d打印的方式加工制造而成。
33.优选地，制造多孔材料的原料包括金属、金属氧化物、塑料、树脂、陶瓷、石墨和金刚砂的至少一种。
34.优选地，规整填料包括格栅、折流板、波纹填料的至少一种。
35.在可选的实施方式中，气相分布层、多孔塔板、降液管和降液管填料之间的连接方式包括焊接、粘接、镶嵌、卡扣和螺丝的至少一种。例如，气相分布层和多孔塔板可以通过焊接连接，也可以通过粘接连接或是通过卡扣和螺丝连接，或是二者进行镶嵌。只要能将上述元件按照以上任一种实施方式连接即可，具体的连接方式本发明不做限定。
36.另外需要说明的是，以上任一实施方式提到的蒸馏塔塔盘可以是气相分布层、多孔塔板、降液管和降液管填料已经连接好的整体，也可以是单个可直接组装的气相分布层、多孔塔板、降液管和降液管填料。
37.进一步地，蒸馏塔塔板要实现其较佳的传质效果需要依赖于蒸馏塔实现，蒸馏塔根据传质元件的不同主要分为板式塔和填料塔。在板式塔内，气液两相在塔板上以气体鼓泡和液体喷射状态完成气液接触，同时进行热量和质量的传递，轻组分部分气化进入气相，重组分部分冷凝进入液相。因气液密度不同，在重力作用下，气液两相在塔盘上方分离，气相向上运动进入上层塔盘，液相向下运动进入下层塔盘。气液经过多层塔盘完成多级传质分离过程，最终轻、重组分在蒸馏塔内得到了分离，塔顶主要得到轻组分，塔底主要得到重组分。
38.第二方面，为进一步实现蒸馏塔塔盘的传质效果，本发明提供一种板式蒸馏塔，包括如前述实施方式任一项的蒸馏塔塔盘。
39.在可选的实施方式中，板式蒸馏塔还包括进料口、出液口、回流口和气相出口。
40.进料口设置于板式蒸馏塔的中部，用于进料；出液口设置于板式蒸馏塔的底部，用于排出气液分离后的液相；回流口设置于板式蒸馏塔上部，用于回流塔顶冷凝回流的液体；气相出口设置于板式蒸馏塔顶部，用于排出分离后的气相。
41.在可选的实施方式中，板式蒸馏塔内安装有多层蒸馏塔塔盘。相邻的两层蒸馏塔塔盘中，上层蒸馏塔塔盘的降液管与下次蒸馏塔塔盘的降液管分别设置于板式蒸馏塔相对
的两端，例如，“左”和“右”或“前”和“后”。多层蒸馏塔塔盘的降液管交替设置，确保每层蒸馏塔塔盘降液管流出的液体能够充满下层塔盘的多孔塔板。
42.优选地，充分考虑到传质效果和传质时间，蒸馏塔塔盘的数量为3～10层，相邻两层蒸馏塔塔盘之间的距离为400～800mm，具体塔盘数量和塔盘间距也可根据实际情况进行调整。
43.优选地，上层蒸馏塔塔盘的降液管出液端与下层蒸馏塔塔盘多孔塔板的上表面相距40～150mm，优选为50-100mm。
44.第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的板式蒸馏塔在气液分离过程中的应用。
45.本发明具有以下有益效果：
46.本发明提供了一种蒸馏塔塔盘、板式蒸馏塔及其应用，通过控制多孔塔板的孔径，使气相经气液传质过程进入液相区域时，会生成粒径小于1mm的气泡，气泡的粒径减小，使得气泡总的表面积增大，气相与液相之间的传质相界面积增加；同时液相的停留时间延长，传质效果显著提高；另外，气泡直径减小，破碎后飞溅出去的液沫量少，因而雾沫夹带少。由于多孔塔板的孔径较小，漏液和雾沫夹带产生的影响小，因而可以在更高的泡沫层高度下进行气液分离，从而增加了气液有效的传质空间。本发明不设置受液盘，增大了鼓泡区域，同时降液管也可以允许部分多孔塔板产生的微气泡通过，并进行气液的接触传质，进而实现了整塔截面的气液传质，大幅提高传质效率。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
48.图1为实施例1提供的一种板式蒸馏塔的纵截面示意图；
49.图2为实施例1提供的一种蒸馏塔塔盘的纵截面示意图。
50.图标：100-板式蒸馏塔；120-蒸馏塔塔盘；121-多孔塔板；122-降液管；123-降液管填料；124-气相分布层；130-进料口；140-出液口；150-回流口；160-气相出口；170-液面。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
52.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
55.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
57.第一实施例
58.请参考图1，本实施例提供了一种板式蒸馏塔100，包括蒸馏塔塔盘120、进料口130、出液口140、回流口150和气相出口160。
59.进料口130设置于板式蒸馏塔100的中部，用于进料；出液口140设置于板式蒸馏塔100的底部，用于排出气液分离后的液相；回流口150设置于板式蒸馏塔100上部，用于回流塔顶冷凝回流的液体；气相出口160设置于板式蒸馏塔100顶部，用于排出分离后的气相。
60.在一些实施方式中，板式蒸馏塔100内安装有多层蒸馏塔塔盘120，在本实施例中蒸馏塔塔盘120为10层，相邻两层蒸馏塔塔盘120间的间距为550mm。在其他实施方式中也可以根据需要减少或增加蒸馏塔塔盘120的数量。
61.请配合参考图2，蒸馏塔塔盘120包括多孔塔板121、降液管122、降液管填料123和气相分布层124。
62.多孔塔板121和气相分布层124均为大小相同的缺圆，将二者形状重合后用螺栓连接，气相分布层124设置于多孔塔板121下方。
63.具体地，多孔塔板121采用金刚砂烧结制成，孔隙率为20％，多孔塔板的孔径不均一，平均孔径为50μm，多孔塔板的厚度为8mm。
64.具体地，气相分布层124为三层，沿多孔塔板121到气相分布层124的延长线依次设置第一层至第三层(图中未具体区分)，采用金属烧结物或格栅制成，使用螺栓与多孔塔板121固定。第一层为金属烧结物，其孔隙率为20％，平均孔径为1mm，材料孔径不均一，厚度为10mm；第二层为金属烧结物，其孔隙率为50％，平均孔径为3mm，材料孔径不均一，厚度为20mm；第三层为格栅填料，其孔隙率为95％，平均孔径为10mm，材料孔径均一，厚度为50mm。
65.降液管122为圆管状结构，且降液管122的中部与多孔塔板121焊接，使得降液管122能够完全填充于多孔塔板121缺失的部分，使二者结合后的横截面形成整圆。
66.具体地，降液管122的溢流堰高度为220mm。
67.降液管122内填充有降液管填料123，降液管填料123填充于多孔塔板121高度以下。较佳地，在一些实施方式中，降液管填料123设置于气相分布层124高度以下。
68.具体地，降液管填料123为格栅填料，高度为40mm。
69.较佳地，相邻的两层蒸馏塔塔盘120中，上层蒸馏塔塔盘120的降液管122与下次蒸馏塔塔盘120的降液管122分别设置于板式蒸馏塔100相对的两端，例如，“左”和“右”或“前”和“后”。多层蒸馏塔塔盘120的降液管122交替设置，确保每层蒸馏塔塔盘120降液管122流出的液体能够完全流入下层蒸馏塔塔盘120的多孔塔板121上。
70.具体地，上层蒸馏塔塔盘120的降液管122的出液端距下层蒸馏塔塔盘120的上表
面高度为90mm。
71.根据本实施例提供的一种板式蒸馏塔100，其工作原理如下：
72.待分离物系从进料口130进入板式蒸馏塔100中部开始进行气液分离，液相中液面170的高度超过降液管122的溢流堰，增加传质空间。
73.气液两相在蒸馏塔塔盘120上以气体鼓泡的状态完成气液接触，同时进行热量和质量的传递。上一层蒸馏塔塔盘120的液相通过降液管122，进入两层塔盘间的区域，即气液传质区，与气相进行气液传质传热，经过气液传质的液相经降液管122进入下一层蒸馏塔塔盘120。
74.气相经由蒸馏塔塔盘120下方的气相分布层124进行气相预分布，同时除去气相中夹带的雾沫，然后再进入多孔塔板121，生成直径小于1mm的气泡进入到液相中，与液相进行气液传质传热。
75.液相中的轻组分部分气化进入气相，气相中的重组分部分冷凝进入液相，因气液密度不同，在重力作用下，气液两相在蒸馏塔塔盘120上方分离。气相通过气液相传质区域后进入上一层蒸馏塔塔盘120中；液相溢流后经降液管122向下进入下层蒸馏塔塔盘120。气液经过多层蒸馏塔塔盘120完成多级传质分离过程，最终轻、重组分在蒸馏塔内得到了分离，轻组分从塔顶的气相出口160流出，重组分从塔底的出液口140流出，完成气液分离。
76.本实施例提供的一种板式蒸馏塔100，通过环己烷-正庚烷物系测试，塔内气泡的平均直径为551μm，该蒸馏塔中的蒸馏塔塔盘120较f1浮阀塔盘效率提高约50％，较微气泡整体塔盘效率提高约12％。
77.第二实施例
78.本实施例提供了一种板式蒸馏塔100，其结构和零部件之间的连接关系与第一实施例大致相同，区别仅在于：
79.在本实施例中，蒸馏塔塔盘120共设置了5层，相邻两层蒸馏塔塔盘120间的间距为600mm。上层蒸馏塔塔盘120的降液管122的出液端距下层蒸馏塔塔盘120的上表面高度为100mm。
80.多孔塔板121采用金属粉末烧结制成，孔隙率为10％，多孔塔板的孔径不均一，平均孔径为5μm，多孔塔板的厚度为5mm。
81.气相分布层124采用金属丝网制成，使用焊接的方式与多孔塔板121固定，其孔隙率为70％，平均孔径为5mm，材料孔径不均一。
82.降液管122的溢流堰高250mm。降液管填料123为丝网填料，高度为50mm。
83.本实施例提供的一种板式蒸馏塔100，通过环己烷-正庚烷物系测试，塔内气泡的平均直径为114μm，该蒸馏塔中的蒸馏塔塔盘120较f1浮阀塔盘效率提高约60％，较微气泡整体塔盘效率提高约15％。
84.第三实施例
85.本实施例也提供了一种板式蒸馏塔100，其结构和零部件之间的连接关系与第一实施例大致相同，区别仅在于：
86.在本实施例中，蒸馏塔塔盘120共设置了3层，相邻两层蒸馏塔塔盘120间的间距为500mm。上层蒸馏塔塔盘120的降液管122的出液端距下层蒸馏塔塔盘120的上表面高度为60mm。
87.多孔塔板121采用3d打印的金属氧化物制成，孔隙率为8％，多孔塔板的孔径不均一，平均孔径为1μm，多孔塔板的厚度为8mm。
88.气相分布层124采用格栅填料制成，使用焊接的方式与多孔塔板121固定，其孔隙率为95％，平均孔径为12mm，材料孔径不均一，厚度为100mm。
89.降液管122的溢流堰高200mm。降液管填料123为格栅填料，高度为80mm。
90.本实施例提供的一种板式蒸馏塔100，通过乙醇-水物系测试，塔内气泡的平均直径为43.8μm，该蒸馏塔中的蒸馏塔塔盘120较f1浮阀塔盘效率提高约70％，较微气泡整体塔盘效率提高约17％。
91.综上所述，本发明提供的板式蒸馏塔至少具有以下优点：
92.1、大幅增加气液传质相界面积。
93.多孔塔板为多微孔结构，其孔径为0.2～100μm，当气相经多孔塔板进入液相区域时会生成粒径小于1mm的气泡，这些气泡具有很大的表面积，大大增加了气相与液相之间的接触面积。本发明提供的板式蒸馏塔可产生平均直径为100μm或更小的气泡，而传统塔盘所产生的气泡直径一般为10～30mm，则本发明提供的板式蒸馏塔的气液相界面积是传统塔盘的100～300倍。
94.2、增加气液传质时间。
95.本发明提供的蒸馏塔塔盘能够产生平均直径为100μm的气泡。相关研究表明，在无破泡内件的情况下，根据以下曳力公式计算曳力与浮力平衡时的气泡终端速度：
[0096][0097]
其中，fd为曳力，cd为曳力系数，re为气泡雷诺数，d
eq
为气泡的平均粒径，ug为气泡的终端速度，u
l
为液体的流速，ρ
l
为液体的密度。
[0098]
在球形气泡假设下，气泡的终端速度如下表所示：
[0099]
表1气泡的直径与终端速度的关系
[0100][0101]ug-1
和u
g-2
分别为不同曳力系数公式下的终端速度。通过上述表格可知，本发明产生的气泡，其终端速度是直径为20mm的气泡的1/155倍，因此，本发明产生的气泡在液相中停留的时间更长，可以大幅延长气相在泡沫层的停留时间，进而增加气液两相传质时间，有利于提高传质效果。
[0102]
3、雾沫夹带小。
[0103]
当气相负荷过大，气液在塔盘上搅拌加剧，泡沫层增加，以致气相夹带许多还未分离的液沫进入到上一层塔盘。本发明提供的塔盘所生成的气泡直径很小，破碎后飞溅出去的液沫量少，因而雾沫夹带少。此外，由于设置了气相分布层，少量被夹带的液滴也被气相分布层拦截聚集后返回至塔板的液层内，不会被携带进入上层塔盘。
[0104]
4、实现了全塔空间的气液传质。
[0105]
在传统板式塔内，塔盘上的泡沫层高度较低，气液有效的传质空间仅为塔盘上的泡沫层区域，塔盘间大量的空间并未进行传质，因此传质效率低。本发明提供的塔盘，由于多孔塔板的孔径较小，漏液和雾沫夹带产生的影响小，因而可以在更高的泡沫层高度下操作，从而增加了气液有效的传质空间。而当气速较低时，即使多孔塔板有少量漏液，仍可以以均匀分布的小液滴的形式在气相分布层区域以及泡沫层上方与气相接触传质，从而实现了轴向方向上空间的充分利用。
[0106]
此外，本发明提供的蒸馏塔塔盘采用的多孔塔板孔径小，不易漏液，可以取消传统的受液盘，增大了鼓泡区域，同时降液管也可以允许部分多孔塔板产生的微气泡通过，并进行气液的接触传质，进而实现了整塔截面的气液传质。
[0107]
因此，本发明提供的塔盘，不仅可以充分利用轴向方向上的空间，还实现了整塔截面的气液传质，因此可以充分利用塔内的空间，实现全塔空间的气液传质，进而大幅提高传质效率。
[0108]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。