立体连续传质塔板技术进展

杜佩衡

（天津衡创工大现代塔器技术有限公司）

前言：

今向大家推介由河北工业大学教授杜佩衡经过20多年潜心研究开发出来的喷射型板式塔技术，分为三个阶段予以简介：

第一阶段：New-VST（新型垂直筛板）技术

·1983年开始研究，1990年通过天津市组织的专家鉴定，认定“综观这一科研成果其应用结果技术先进，经济效益显著，填补了国内技术空白，其理论研究成果为国内首创，达到八十年代国际先进水平”。

·1993年获天津市人民政府科技进步二等奖。

·1994年获天津市（首次）科技兴市突出贡献奖（市长特别奖，为特等奖，奖金10万元）。

New-VST具有诸多优良性能，与F₁型浮阀塔板相比：处理能力大、传质效率高、阻力小、操作弹性良好（与F₁ 型浮阀相当），操作简便可靠，特别是它具有防有机物自聚堵塞与固体悬浮物堵塞的独特能力。

从1988年起New-VST已广泛应用于PVC、化肥、制药、石化、煤化工、甲醇、酒精等行业，取得了重大的经济效益与良好的社会效益。

第二阶段：LLCT（梯矩形立体连续传质塔板）技术

LLCT是在New-VST基础上经过深入研究及工业实践的总结而开发出来的水平更高，质量更好的板式塔技术。与New-VST相比具有更大的处理能力、更高的传质效率、阻力更小、操作弹性更高，与New-VST一样具有独特的防有机物自聚堵塞与固体悬浮物堵塞的能力，且与New-VST一样特别适用于易发泡物系的操作。

第三阶段：三项发明专利已经国家专利局授权。

A. New-VST（新型垂直筛板）技术

一、New-VST结构、操作原理

参图1、图2

图1  帽罩单元

图2  气液流动接触状况

1．结构

主要以帽罩的形态为特征。它有圆形、方形、矩形、梯形等，相应在板上开有圆形、方形、矩形大孔。帽罩上开有圆孔、条形孔、栅条孔等。

2．操作原理

普通塔板（浮阀、筛板、泡罩及其变种）气液流动接触系呈泡沫状态。在塔板上气液两相系错流接触式，而新型垂直筛板上气液流动接触呈喷射状态，气液两相取并流接触形式。来自上一层的液体从降液管流出，横向穿过各排帽罩，经帽罩底隙流入帽内；从板孔上升的来自下一层的气体在罩内与液体进行接触，这过程可以四段论加以描述：①托液拉膜段②破膜粉碎段③气液喷射段④气液分离段。被喷出的气液混合物中的大液滴回落入板上液层并进行循环（重复上述四段）；小液滴（雾沫）悬浮于罩顶空间并随气流进入上一层塔板。而液体则从上游帽罩周围流过，并到达下游帽罩．．．．．．直至通过降液管流入下一塔板。

二、New-VST主要技术特性

试验研究与工业化实践证明（与F浮阀塔相比）：

        ●处理能力大       提高50%～100%以上

        ●传质效率高       提高15%～20%以上

        ●阻力小           降至大约一半

        ●操作弹性优       与浮阀塔板相当

        ●操作简便可靠

        ●特别适用于易发泡物系的操作

        ●具有独特的防有机物自聚堵塞及固体颗粒堵塞能力（唯一）

这些技术特性是由于New-VST具有较独特的结构与操作特性所决定的。下面作具体分析：

1．处理能力大

其气（汽）速可达普通塔板（浮阀、筛板、泡罩塔板）的1.5~2.0倍，这主要是：① 因为New-VST的操作上限为过量雾沫夹带，而其帽罩结构决定了它的气液混合物乃呈水平方向喷出。这就使它能大大降低了液沫夹带量，也因此可以大大提高其空塔气速。② 由于New-VST塔板上的液体基本上呈清液状态，也即使进入降液装置的液体几乎为清液状态（非泡沫状态），因而液体在降液管内停留时间可以大大减少，从而可以减小降液管体积，遂使塔板的有效截面积增加，可以增加塔板开孔率。①② 两点均与处理能力成正比关系，它证明了何以New-VST的处理能力比普通塔板大的理由。

2．传质效率高

New-VST系呈喷射状态操作，通过在帽罩内气液的激烈接触与冲突，使液体被分散成为细小液滴（一般情况下95%的液滴粒径为0.5~5mm的范围），从而大大增加（提供了）气液接触传质面积，并且由于气液混合物在两板之间的空间接触时，液滴不断被气流翻动，从而使气液两相接触表面不断更新，遂可大大提高传质系数，这就使New-VST具有高的传质速率。加上在塔板之间气液混合物停留时间长，遂使传质量大为提升。众所周知传质量Q=传质速率q×传质接触时间τ。鉴于这样的情况使New-VST体现出高的传质效率。

3．阻力小

众所周知板式塔单板阻力由三部分组成：

Δp=Δp+Δp+Δp

这其中Δp之值往往是Δp的主要部分。像浮阀塔塔板之类泡沫型塔的液层阻力是由板上清液层产生的，而New-VST则只要克服被气体提升那部分液体厚度的重力。测试表明New-VST被提升的液体（已被托液拉膜）液膜厚度比板上清液层厚度要小许多，往往仅为板上清液层厚度的几分之一。这就可以解释何以New-VST的单板阻力要比浮阀塔板等泡沫型塔板的单板阻力小许多的原因。

4．操作弹性良好（对“操作弹性”作一名词解释）

研究测试与工业化表明与浮阀塔板等泡沫型塔板相比，New-VST的板孔动能因子F0（=μ）可在更大的数值下正常操作，即操作上限（为过量雾沫夹带）动能因子大，因而操作弹性可与浮阀塔板相当（而浮阀塔板乃是公认的操作弹性最好的塔板）。需要指出既然New-VST的F₀上限大于浮阀塔板，何以两者操作弹性相当呢？这是因为New-VST的操作下限漏液点F₀比浮阀塔板操作下限（也是漏液点）要高，两相抵消，其结果两者操作弹性相当。

5．防堵塞能力特别好

在PVC氯乙烯低沸精馏塔中使用New-VST后，发现其防氯乙烯自聚堵塞能力特别好。对此我们的解释：由于New-VST的帽罩的气流通道中气液混合物的流动速度大，因此它具有很强的自我冲刷清洗能力，即有机物（比如氯乙烯）自聚虽然照样产生，但气流通道（面积）可以维持不变，体现在系统的阻力不发生变化。另外，由于板开孔大且无升气管，又无其它遮拦，故对含固体悬浮物的物料也具有良好的适应性。

6．对易发泡物料的适应性特别好

New-VST塔板上的液体始终处于清液状态，即使是易发泡物料仍然如此。这样降液装置的结构尺寸的考虑与不易发泡物料大体是一致的，即降液装置的尺寸。比起泡沫型板式塔可以大大缩小，这对提高通量无疑是很有好处的。

7．New-VST的漏液点气速要求数值颇高，故在设计上必须确保在漏液点以上进行操作，这应属于New-VST的弱点。另外，对于液体粘度很大的物料（比如超过80cp以上），由于托液拉膜效果差，即不能将液体打碎成很细小的液滴，因而传质效率大大降低。还应指出：New-VST的阻力在板式塔中是属于很小的塔板，但若与规整填料相比则阻力偏大，因而像石油减压蒸馏塔、化肥原料气脱硫塔这类要求塔板阻力特别小的工艺，则New-VST不便使用。

三、New-VST技术工业应用开发状况

1988年首先用New-VST技术在天津大沽化工厂低沸精馏塔（氯乙烯）技术改造中一举取得成功。其效果引起同行业企业的兴趣，先后在沈阳化工厂（1991年11月）低沸精馏塔、高沸精馏塔；沧州化工厂（1991年11月）低沸精馏塔；天津化工厂（1992年与1993年）低沸、高沸精馏塔；张家口树脂厂（1992年）低沸精馏塔的技术改造同样取得成功。然后整个PVC行业几十家企业纷纷采用New-VST技术对氯乙烯低沸塔、高沸塔进行技术改造（有些企业迄今已用过3~4次，在不断扩产中继续不断地采用New-VST技术），均取得良好效果。

另外，于1991年在河北丰润第一化肥厂的循环热水塔（也称第二热水塔）；1992年石家庄滹沱河化肥厂与邢台南和化肥厂的综合塔（尾气NH3回收清洗塔）；1991年华北制药厂丁醇回收塔（精馏塔）．．．．．．等等相继工业化开发成功。

从开始采用New-VST技术到近几年采用LLCT技术已在国内28个省市的PVC（氯碱）、化肥、制药、甲醇、酒精、石化、煤化工、氟化工、醋酸、碳酸二甲酯等多个行业55种类型的工业塔中使用，初步统计已在1000余座工业塔技术改造中取得成功。

通过技术改造，New-VST技术与普通塔板（如F1浮阀）相比充分体现了其处理能力大、传质效率高、压降小及具有良好的操作弹性（与F1浮阀相当）。

（一）PVC行业——乙炔法氯乙烯低、高沸精馏塔

在PVC行业乙炔法生产PVC的氯乙烯低、高沸精馏塔从早期的拉西环开始，经历了泡罩、浮动喷射塔板、F1浮阀塔板等几次换代，精馏技术在不断提高，但实际生产中氯乙烯杂质含量仍然较高，例如使用F1型浮阀塔板精馏，氯乙烯的低沸物（主要是乙炔）含量达10ppm，高沸物（二氯乙烷等）含量达80~100ppm，甚至还远高于这数值。其次，生产中容易产生氯乙烯自聚，会造成塔板的严重堵塞，塔内压降急剧增加，产品质量迅速下降，并使塔的操作周期缩短，甚至非正常停工。采用New-VST技术替代F1型浮阀塔板后，生产面貌迅速改观。下面举出具体例子：

1．大沽化工厂

于1988年在氯乙烯低沸精馏塔用New-VST替代原F1型浮阀塔板，改造前后情况如下：

改造前：φ600低沸塔（塔内件为F1型浮阀塔板），生产能力为3.0万T PVC/年，C2H2含量不能保证。

改造后：用New-VST技术，设计要求生产能力为4.5万T PVC/年（采用原φ600旧浮阀塔），具体生产数据：

（1）    实际生产能力（93年下半年后）达到6.0万T PVC/年，即提高100%

（2）    氯乙烯产品中降至“0”ppm（用仪器测不出来）

（3）    压降（阻力）为0.01Mpa（原来用F1型浮阀塔板时为0.03~0.04 Mpa）

（4）    从开车时800Nm³/h气量——至最后达到3200Nm³/h气量以上。表明操作弹性达到4以上，表明它具有很好的操作弹性。

（5）    从1988年11月开始运行始终未发生因自聚而堵塞的现象（直至2000年拆除共计12年），投产2年9个月后大修时拆开此塔时发现虽然有氯乙烯的自聚现象，但气流、液流通道不堵塞，即防自聚堵塞很成功。

2．天津化工厂

原由某设计院设计的高沸塔（浮阀塔，F1型），φ1400塔径，生产能力为7.5万T PVC/年，未成功。

后由我们在1993年采用φ1000的塔，塔内件为New-VST，开车后不久即达到设计能力8.5万T PVC/年，且高沸物为“0”（仪器根本测不出来），后来此塔能完成10万T PVC/年，足见与F1型浮阀塔板相比，New-VST使生产能力提高100%以上，且质量指标大为提升。

3．浙江衢化电化厂

改造前用F1型浮阀塔板的φ700低沸精馏塔、φ700高沸精馏塔各两套，每套生产能力为2.0万T PVC/年。

改造后，仅用一套φ700低沸塔、φ700高沸塔，生产能力达到5.0万T PVC/年，且C2H2、高沸物等杂质含量均为“0”（仪器根本检测不出来），表明生产能力增加100%以上。

以后又在全国几十家PVC企业的百余座低沸塔、高沸塔用New-VST进行技术改造，即用它替代后F1型浮阀塔板或泡罩塔板，均达到上述几家企业同样的效果，将其归纳起来：

低沸物、高沸物杂质除尽，负荷能力大大提高（提高50%~100%以上）；塔阻力大为下降（低沸塔由原来0.03~0.04Mpa降至0.01~0.015Mpa，高沸塔由原来0.04~0.06Mpa降至0.02~0.025Mpa）；操作弹性很好，实际操作情况下体现为3~4；操作简便可靠；具有独特的防有机物（比如氯乙烯）自聚而堵塞的能力（大沽化工厂从开始运行直至拆除共计12年未堵塞，其它各家同样也不堵塞）。总言之，New-VST比F1型浮阀塔板体现出多方面的优越性能。

PVC行业应用New-VST进行技术改造的部分企业（表１）

表1  聚氯乙烯行业应用New-VST进行改造的部分企业