《大通量板式分離塔》是南京大學於1997年8月21日申請的專利，該專利的申請號為971070857，公布號為CN1198959，公布日為1998年11日18日，發明人是張志炳、趙靜、卞克建。
《大通量板式分離塔》主要由塔筒、塔板、溢流堰和降液管組成，靠塔壁的溢流堰和降液管的橫截面為月牙形，以減小溢流堰和降液管在塔板中所占的面積。採用該發明後，塔板上非傳質區面積大大減少，整個塔板上的液體都均勻地流動，沒有“死區”，生產能力與傳統的塔相比可提高10%—35%。
2005年，《大通量板式分離塔》獲得第四屆江蘇省專利項目獎金獎。
基本介紹
- 中文名：大通量板式分離塔
- 公布號：CN1198959
- 公布日：1998年11日18日
- 申請號：971070857
- 申請日：1997年8月21日
- 申請人：南京大學
- 地址：江蘇省南京市漢口路22號
- 發明人：張志炳、趙靜、卞克建
- 分類號：B01D3/16
- 代理機構：南京大學專利事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：黃嘉棟
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在石油加工、化工、精細化工、環保等化學工程過程中，要大量用到各種板式傳質與分離塔器（以下簡稱板式塔），以便使多種多樣的液相混合物，氣相混合物按人們的意願分離開。板式塔有多種類型，如泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌型板塔、穿流柵板塔及旋流板塔等等。板式塔的塔板可分為有降液管和無降液管（穿流板）兩大類。有降液管塔板又有單降液管和多降液管型。
傳統有降液管塔板的構造如附圖1所示。在圓柱型塔筒內每隔一定距離安裝有水平的塔板1，塔板的兩側或中部分別有降液管2和液體溢流堰3，塔板上安設泡罩、浮閥等元件，或按一定規律開成篩孔，即分別稱為泡罩塔、浮閥塔和篩板塔，等等。由附圖1可見，有降液管塔（無論是單降液管還是多降液管）大多存在弓形區I和II。在塔板工作時，由於要接納和導引上一塊塔板流下的液體，以及通過溢流方式將該板的液體在傳質後導流向下一塊塔板，故在弓形區內，理論上沒有氣、液的直接接觸和質量傳遞，從而不發生明顯的傳質與分離作用。換言之，弓形區在塔板工作時實際上是傳質與分離的盲區。根據板式塔的傳統設計準則，有降液管塔板弓形區所占的面積一般為塔筒橫截面積的15～30％，最大時可達40％以上。這種設計導致的很明顯的問題是：（1）每塊塔板由於較大面積弓形區的存在，其傳質與分離效率沒有得以充分發揮；（2）由於汽流無法通過弓形區，故理論上使得整個塔的處理能力（或稱通量）至少降低了15～30％。
美國的NYE曾對板式塔在直徑不變情況下的擴容設計提出了一種改進結構（參見G.de Bruyn，H.A.Gangriwala，J.O.Nye，Proccedings of“Distillation and Absorption′92”，Birmingham，U.K.，1992）如圖4所示。其基本原理是：（1）採用懸掛式降液管4，其出口下沿距下層塔板有一定距離，以省出被傳統降液管占據的該弓形區面積；（2）降液管外形與傳統的類似，只是在下部出口處設定一平板5以維持降液管的液封效果；（3）降液管下端開口面向塔中心區。這樣改進的結果可使塔板理論上的有效傳質面積比傳統的增大8～15％。然而，此種結構仍然存在兩方面嚴重缺陷：其一，在弓形區懸掛式降液管下部，上升的汽相受到懸掛式降液管底部平板5的阻擋，不能順暢地與塔內上升的汽相主體匯合，從而一方面在平板5與塔板以及塔壁匯成的狹小空間內形成汽相旋渦，影響傳質效果，另一方面使塔的壓力降增加；其二，由於降液管向塔中心方向開口，流下的液體欲與弓形區I上升的汽相發生傳質交換，就必須先返流至上述狹小空間內，然後再順液體巨觀流動方向向塔板的另一側流去。這樣，在此降液管下方塔板的弓形區內，液相就不可避免地存在旋渦和返混現象，而且可能會出現流動“死區”，從而嚴重影響傳質效果。因此，雖然從理論上全塔增加了8～15％的傳質面積，但塔板並沒有達到其應有的傳質效率。
發明內容
專利目的
《大通量板式分離塔》的目的是提供一種大通量的有降液管（單降液管或多降液管）的板式分離塔，其塔板的有效傳質面積比相同直徑的傳統塔板提高10％以上。
技術方案
《大通量板式分離塔》主要由塔筒、塔板、溢流堰和降液管組成，靠塔壁的溢流堰6和降液管7的橫截面為月牙形，即將傳統的溢流堰3降液管2，如圖1所示的弓形橫截面中的直線改變為如圖3、圖4所示的弧線，以減小溢流堰3和降液管2在塔板中所占的面積。對於多降液管板式分離塔塔板中部的降液管仍為直線形，如圖4所示。該發明的月牙形溢流堰6和月牙形降液管7橫截面的弧長l′w為：（1/6）πD≤l′w＜（1/2）πD優選的l′w為：（1/5）πD≤l′w＜（2/5）πD（D為塔徑）並使單個溢流堰劃出的溢流區面積II’不大於塔板總面積的5％。
該發明的月牙形降液管可以是拖尾懸掛降液管，即月牙形降液管8的管尾向塔壁收縮，其拖尾處縱剖面可以是直線形，如圖4a所示，也可以是流線型，如圖4b所示。月牙形懸掛降液管7的出口下沿距下層塔板的距離略大於下層塔板的溢流堰高度。對於多降液管的板式分離塔，塔板中部的拖尾降液管，則向中間收縮成狹縫，其拖尾處縱剖面可以是直線型，也可以是流線型，也可以是懸掛降液管，即出口下沿距下層塔板的距離大於下層塔板的溢流堰高度。
改善效果
1.由於採用了月牙形溢流堰，其溢流通道所占空間縮小。對於單降液管板式塔，採用《大通量板式分離塔》後，塔板上非傳質區面積從圖1a中的I和II兩個弓形陰影區變成圖3中一個陰影區I’，對於多降液管板式塔，採用該發明後，塔板上非傳質區面積則從圖1b中的三個陰影區變成了圖4a中的中部條形陰影區和圖4b中的兩個月牙形陰影區。從而使非傳質區在整塊塔板上所占的面積比傳統的溢流區面積要小3％以上，甚至達到20％，使塔板的有效傳質面積明顯增加；
2.由於採用了月牙形拖尾式懸掛降液管，使降液管流下的液體直接沿塔壁流下，並從塔板的一側最邊緣處向塔板的另一側流動，從而使塔板上液體巨觀流動狀態處於較理想的“活塞流”狀態，又由於月牙形溢流堰6和月牙形降液管7有一定的弧度，使整個塔板上的液體都均勻地流動，沒有“死區”，因此有助於提高傳質效率；
3.由於該發明的降液管7採用拖尾式懸掛降液管，出口處不占塔板面積，故它與傳統塔板相比，相當於省出了圖1中弓形區I的塔板面積，增加了塔板的有效傳質面積。在塔徑一定的情況下，該發明的生產能力（通量）與傳統的塔相比可提高10-25％，有時可達35％（視傳統的兩個弓形區面積不同而異）。
4.該發明在省出的塔板面積區域上，不需增加其它異於該板傳質元件的其它傳質器件，結構簡單，製作方便，經濟且可靠。
附圖說明
圖1為傳統有降液管板式分離塔結構示意圖，a為單降液管，b為多降液管；
圖2為NYE改進的板式分離塔結構示意圖；
圖3為《大通量板式分離塔》的單降液管板式分離塔結構示意圖，a和b為兩種月牙形溢流堰和降壓管的形狀，a為尖頭月牙形，b為平頭月牙形；
圖4為該發明的多降液管板式分離塔結構示意圖；
圖5為該發明的拖尾式降液管側視示意圖。
權利要求
1.《大通量板式分離塔》主要由塔筒、塔板、溢流堰和降液管組成，其特徵是靠塔壁的溢流堰（7）和降液管（8），其橫截面為月牙形，其橫截面的內側弧長l′w為：（1/6）πD≤l′w＜（1/2）πD（D為塔徑）。
2.根據權利要求1所述的板式分離塔，其特徵升優選的內側弧長l′w為：（1/5）πD≤l′w＜（2/5）πD（D為塔徑）。
實施方式
實施例一
乙醇一水分離體系，原塔徑D＝1200毫米，採用傳統小孔篩板，單降液管型，塔板間距為HT＝500毫米，弓形降液管的堰長lw＝876毫米，寬度Wd＝190毫米，降液管與溢流區所占面積為全塔橫面積的20.4％，即有效傳質面積為79.6％如圖1a所示。採用該發明新結構後，仍然為單溢流型，板間距不變，溢流堰長為l′w＝930毫米，寬度Wd′＝1.25毫米。降液管尾部採用直線相交型連線，開口寬度b＝14毫米。降液管尾部下沿距塔板高度h1＝25毫米，如圖3所示。測定顯示，該發明所示塔的處理能力比原塔提高16.2％，塔底殘液中乙醇含量比原塔降低83％。
實施例二
醋酸脫水塔，傳統篩板雙降液管型，D＝3200毫米/3500毫米。操作壓力：塔頂111.7千帕，塔底189千帕。塔板數90塊，板間距610毫米/1450毫米，弓形降液管的溢流堰寬Wd平均為332毫米/842毫米，弓形區I，II與中間降液管所占面積與塔橫截面積之比為41％，如圖1b所示。
採用《大通量板式分離塔》新結構，仍為雙降液管，板數和板間距不變。溢流堰高度與原來相等，兩側溢流區形狀由弓形變為月牙形，中間降液管寬度縮小，採用拖尾懸掛式降液管，總面積占塔橫截面積的比例平均為7.8％，降液管尾部採用流線型連線，降液管中清液高度維持在100-200之間，其下沿距塔板高度h1＝50毫米。新、舊結構塔操作顯示：新結構塔生產能力比原來增加20％。同時，塔底醋酸純度由原來的98.9％提高到99.3％。
榮譽表彰
2005年，《大通量板式分離塔》獲得第四屆江蘇省專利項目獎金獎。
