一种阶梯式液体环流鼓泡塔及分散气体的方法与流程

本发明涉及一种阶梯式液体环流鼓泡塔，可用于化工过程中的精馏、吸收、气液反应等单元操作，特别为萃取精馏、反应精馏等高液气比操作过程提供一种具有较大操作弹性和高效的气体分散方法。

背景技术：

对于传统的板式精馏塔，塔内大部分液体被局限在塔板上的较小空间内，塔板上方的较大空间充满的是气相，只有很少一部分液体以雾沫分散在气相中。虽然大部分塔板的传质效率不低，但由于液体分布严重不均，致使空间利用率较低。高效填料的出现大大提高了精馏塔的空间利用率，但在直径较大的塔体内对填料和分布器的质量要求很高，生产上往往达不到其应有的分离效率。

化工生产中有一类特殊的分离过程，如萃取精馏和反应精馏，其特点是操作中的液气比很大，在整个分离过程中气体流量的变化幅度较大，单一结构的塔板很难适用不同气体流量状况。且较小气体流量可能只要小直径塔板即可，也与对应的较大液体流量或较长停留时间相矛盾。至于填料塔，大液量需要较大塔径，也易于导致较小流量的气体很难均匀分布。

上世纪七十年代化工生产中出现了一种以液相为连续相的填料充泡塔，也称乳化塔。这种设备用于精馏过程获得了较高的分离效率，但由于该种塔型对气液流分布要求均较高，多局限于塔径小于600mm的场合，未见有大型精馏塔的应用报道。

本发明针对大液气比的分离操作，提出了一种阶梯式液体环流鼓泡塔结构，结合特制的鼓泡元件用于气体分散和气液传质过程。水力学实验表明，采用中心分隔板两侧交替塔板的布置方式，可促使液体逐板向下呈阶梯环流流动，不仅可减弱液体流动时的返混现象，还有益于整体提高传质推动力。此外，如采用装有特制鼓泡元件的多孔塔板代替普通筛板，气体上升时倾向于在鼓泡元件内凝结成较大的气团，促使气体流动更加稳定、均匀，且具有随气体流量变化自动调节操作弹性的能力。

本发明提出的阶梯式液体环流鼓泡塔，改进了连续相液体的流动模式，改善了气体负荷变化的操作稳定性，有望提高气液传质的整体效果。本发明的详细结构将在

技术实现要素：
和具体实施方式中再详细叙述。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种阶梯式液体环流鼓泡塔及分散气体的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种阶梯式液体环流鼓泡塔，该鼓泡塔由圆柱形塔壁、中心分隔板、若干水平等间距的半圆形塔板和l形连通管构成。所述中心分隔板从上向下贯穿于整个塔内，将鼓泡塔分为前后两个鼓泡区；所述半圆形塔板在中心分隔板前后从上向下依次交替等间距排列，同侧的半圆形塔板处于对侧相邻两块半圆形塔板的中间位置；所述l形连通管将中心分隔板前后的半圆形塔板相连；所述l形连通管由圆柱形塔壁、中心分隔板、位于中心分隔板前后的两条竖直侧板和两块水平底板围成，形成前后两个长度不同的竖直通道；所述l形连通管的两个竖直通道的顶部敞开且分别与相连的半圆形塔板齐平，底部靠位于同一高度的前后两块底板密封，两个竖直通道靠下部位于中心分隔板上的圆形开孔连通。

进一步地，所述前后竖直通道的长通道的长度为中心分隔板同侧塔板间距的0.75倍，短通道的长度为中心分隔板同侧塔板间距的0.25倍。

进一步地，所述半圆形塔板为装有若干鼓泡元件的多孔板。

进一步地，同一侧半圆形塔板的塔板间距为150～300mm。

进一步地，所述鼓泡元件为内设顶端敞开的锥形挡板，并具有锥形鼓泡面板的鼓泡元件，鼓泡面板下端固定在环形封板外侧，挡板下端固定在环形封板内侧。

进一步地，所述鼓泡元件由同中心轴的上层锥形分布罩和下层锥形集气罩构成；上层锥形分布罩由顶端封闭的锥面筛板和底部环形筛板构成；下层锥形集气罩由顶端敞开的锥面挡板、底部环形盲板和内层两级除沫网板构成；内层两级除沫网板由上部圆柱面网板和下部锥面网板构成，中间靠圆形盲板相连；圆柱面网板的上端与锥面挡板上端相连，锥面网板下端固定在环形盲板的内侧；上层锥形分布罩套在下层锥形集气罩的外部并固定组成一个鼓泡元件；该鼓泡元件固定在半圆形塔板上部并与半圆形塔板开孔相通。

进一步地，所述上层锥形分布罩、下层锥形集气罩和集气罩内部的锥面网板的底角均相等；所述上层锥形分布罩和下层锥形集气罩的底端外径相等；所述上层锥形分布罩底部的环形筛板与下层锥形集气罩底部的环形盲板大小相同。

进一步地，所述锥面筛板和底部环形筛板的筛孔规格为φ2～4.5mm，锥面筛板上的筛孔按正三角形或正方形排列，环形筛板上的筛孔沿两个同心圆等间距排列，孔间距为孔径的2.5～4.5倍。

进一步地，内层两级除沫网板由冲孔网板围成，网孔为菱形、多边形或十字形等，上部圆柱面网板和下部锥面网板可为同一种网板，也可为不同网板。

一种应用上述阶梯式液体环流鼓泡塔分散气体的方法，包括以下步骤：

操作前将工艺液体灌满整个塔体。

液体从塔体上部左侧最高处的液体入口引入，从左向右横向流过中心分隔板后面的第一块半圆形塔板进入到右侧的l形连通管，向下流到连通管底部穿过中心分隔板再向上流入到分隔板前面的最顶端塔板上，随后从右向左横向流过塔板进入到左侧的l形连通管，然后流到中心分隔板后面的第二块塔板上完成一个环流通路，如此逐板向下环流流动最后从底部液体出口排出；气体从塔底进入，经气体分布器平均分成两部分分别进入中心分隔板前后两侧的塔板下方，向上穿过鼓泡元件分散到塔板上方的液体中，再聚集进入到上一级塔板下方，如此逐板向上流动最后从塔顶的气体出口排出。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明一种阶梯式液体环流鼓泡塔，液体可在中心分隔板两侧呈逐板阶梯向下环流流动，有利于减弱返混现象，且可整体提高传质推动力。

(2)本发明一种阶梯式液体环流鼓泡塔以液体作为连续相，气体作为分散相，气体穿过特制鼓泡元件时形成斜向上对喷现象，有利于增加气液接触的扰动程度提高传质效率。

(3)本发明一种阶梯式液体环流鼓泡塔的特制鼓泡元件具有调节操作负荷的能力，因而弹性较大。

附图说明

图1为鼓泡塔的正面和侧面图；

图2为两端l形连通管的结构示意图；

图3为前后半圆形塔板与一侧l形连通管连接示意图；

图4为鼓泡元件在塔板上的两种布置示意图；

图5为第一种鼓泡元件的结构图；

图6为第二种鼓泡元件的结构图；

图中，塔壁1、中心分隔板2、半圆形塔板3、l形连通管4、侧板5、底板6、竖直通道7、圆形开孔8、鼓泡元件9、挡板911、鼓泡面板912、环形封板913、锥形分布罩921、锥形集气罩922、锥面筛板923、环形筛板924、锥面挡板925、环形盲板926、圆柱面网板927、锥面网板928、圆形盲板929、液体入口10、液体出口11、气体入口12、气体分布器13、气体出口14。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明一种阶梯式液体环流鼓泡塔，该鼓泡塔由圆柱形塔壁1、中心分隔板2、若干水平等间距的半圆形塔板3和l形连通管4构成。所述中心分隔板2从上向下贯穿于整个塔内，将鼓泡塔分为前后两个鼓泡区；所述半圆形塔板3在中心分隔板2前后从上向下依次交替等间距排列，同侧的半圆形塔板3处于对侧相邻两块半圆形塔板3的中间位置；所述l形连通管4将中心分隔板2前后的半圆形塔板3相连；所述l形连通管4由圆柱形塔壁1、中心分隔板2、位于中心分隔板2前后的两条竖直侧板5(竖直侧板5与中心分隔板2垂直布置)和两块水平底板6围成，形成前后两个长度不同的竖直通道7；所述l形连通管4的两个竖直通道7的顶部敞开且分别与相连的半圆形塔板3齐平，底部靠位于同一高度的前后两块底板6密封，两个竖直通道7靠下部位于中心分隔板2上的圆形开孔8连通。

进一步地，所述前后竖直通道7的长通道的长度为中心分隔板2同侧相邻塔板间距的0.75倍，短通道的长度为中心分隔板2同侧相邻塔板间距的0.25倍。

进一步地，所述阶梯式液体环流鼓泡塔的同一侧半圆形塔板3的塔板间距为150～300mm。

进一步地，所述阶梯式液体环流鼓泡塔的半圆形塔板3为装有若干特制鼓泡元件9的多孔板，如图4所示。

以下给出两种鼓泡元件9的示例，但不限于此：

第一种鼓泡元件：如图5所示，该鼓泡元件9为内设顶端敞开的锥形挡板911具有锥形鼓泡面板912的鼓泡元件。

在一些实施例中，鼓泡元件9的底端外径为50～120mm；鼓泡面板912下端固定在环形封板913外侧，挡板911下端固定在环形封板913内侧；鼓泡面板912和挡板911的底角相等，大小为50～75°；挡板911的高度为鼓泡面板912高度的0.3～0.5倍；环形封板913的圆环宽度为其外径的0.12～0.2倍。

鼓泡面板912采用圆孔规格为φ2～4.5mm的锥面筛板，其上的圆孔按正三角形或正方形排列，孔间距为孔径的2.5～4.5倍。

第二种鼓泡元件：如图6所示，该鼓泡元件9由同中心轴的上层锥形分布罩921和下层锥形集气罩922构成；上层锥形分布罩921由顶端封闭的锥面筛板923和底部环形筛板924构成；下层锥形集气罩922由顶端敞开的锥面挡板925、底部环形盲板926和内层两级除沫网板构成；内层两级除沫网板由上部圆柱面网板927和下部锥面网板928构成，中间靠圆形盲板929相连；圆柱面网板927的上端与锥面挡板925上端相连，锥面网板928下端固定在环形盲板926的内侧；上层锥形分布罩921套在下层锥形集气罩922的外部并固定组成一个鼓泡元件。该鼓泡元件固定在半圆形塔板3上部并与半圆形塔板3开孔相通。

气体在半圆形塔板3上的该鼓泡元件9内聚集向上穿过下部的锥面网板928进入两级除沫板和下层的锥形集气罩922的锥面挡板925间，再折向上穿过圆柱面网板927进入上层锥形分布罩921内，继续向上穿过上层锥形分布罩921的锥面筛板923分散成细小的气泡进入罩外的液体内。

该鼓泡元件9的上层锥形分布罩921与下层锥形集气罩922间形成环隙通道，在气相流量较小时通过液封的作用防止液相进入分布罩内部，气相流量较大时作为气相流道让气相快速穿过罩体，因而具有调节操作弹性的作用。

该鼓泡元件9内部设置两级除沫网板，可使不同尺度大小的液珠均能被有效脱除，有利于减小液沫夹带的影响。

在一些实施例中，上层锥形分布罩921、下层锥形集气罩922和集气罩内部的锥面网板928的底角均相等，大小为50～75°。

上层锥形分布罩921和下层锥形集气罩922的底端外径相等，大小为50～120mm。

下层锥形集气罩922的高度为上层锥形分布罩921的0.5～0.75倍。

上层锥形分布罩921底部的环形筛板924与下层锥形集气罩922底部的环形盲板926大小相同，其圆环的宽度为底板外径的0.12～0.2倍。

上层锥形分布罩921的锥面筛板923和底部环形筛板924的筛孔规格为φ2～4.5mm，锥面筛板923上的筛孔按正三角形或正方形排列，环形筛板924上的筛孔沿两个同心圆等间距排列，孔间距为孔径的2.5～4.5倍。

内层两级除沫网板由冲孔网板围成，网孔为菱形、多边形或十字形等，上部圆柱面网板927和下部锥面网板928可为同一种网板，也可为不同网板。

本发明还提供一种应用上述阶梯式液体环流鼓泡塔分散气体的方法，该方法包括以下步骤：

操作前将工艺液体灌满整个塔体。

液体从塔体上部左侧最高处的液体入口10引入，从左向右横向流过中心分隔板2后面的第一块半圆形塔板3进入到右侧的l形连通管4，向下流到连通管底部穿过中心分隔板2再向上流入到分隔板前面的最顶端塔板3上，随后从右向左横向流过塔板进入到左侧的l形连通管4，然后流到中心分隔板2后面的第二块塔板上完成一个环流通路，如此逐板向下环流流动最后从底部液体出口11排出；气体从塔底气体入口12进入，经气体分布器13平均分成两部分分别进入中心分隔板2前后两侧的塔板下方，向上穿过鼓泡元件9分散到塔板上方的液体中，再聚集进入到上一级塔板下方，如此逐板向上流动最后从塔顶的气体出口14排出。

以下通过具体实施例对本发明的结构作进一步说明，但不应认为本发明只适合这些案例。

实施例1

图1代表了一种阶梯式液体环流鼓泡塔的结构图，塔径为250mm，中心分隔板两侧各设置半圆形塔板8块，同一侧的板间距为160mm，每块半圆形塔板上布置2个第一种锥形鼓泡元件(图4a)。

l形连通管结构如图2所示，竖直通道的高度分别为120mm和40mm，侧板的宽度为85mm。

鼓泡元件的结构如图5所示，锥形鼓泡面板的底角为63.5°，底端的外径和高均为60mm，内部锥形挡板的高为22mm，底角也是63.5°，环形封板的宽度为9mm。锥形鼓泡面板上开有φ2mm的圆孔164个，呈正三角形排列，孔间距为6mm。

采用这个阶梯式液体环流鼓泡塔对空气进行增湿，25℃的空气从塔底气体入口进入，总流量为120nm³/h，湿度为0.0075kg/kg干空气；50℃的水从塔顶液体入口进入，流量为0.5m³/h。测得塔顶气体出口的湿空气温度为42℃，湿度为0.0472kg/kg干空气。

实施例2

鼓泡塔结构与实施例1相同。

25℃的空气从塔底气体入口进入，总流量为95nm³/h，湿度为0.0075kg/kg干空气；50℃的水从塔顶液体入口进入，流量为0.4m³/h。测得塔顶气体出口的湿空气温度为44℃，湿度为0.0507kg/kg干空气。

实施例3

鼓泡塔结构与实施例1相同。

25℃的空气从塔底气体入口进入，总流量为100nm³/h，湿度为0.0075kg/kg干空气；50℃的含氯化钙20％(重量百分比)的水溶液从塔顶液体入口进入，流量为0.5m³/h。测得塔顶气体出口的湿空气温度为43℃，湿度为0.0484kg/kg干空气。

实施例4

图1代表了一种阶梯式液体环流鼓泡塔的结构图，塔径为600mm，中心分隔板两侧各设置半圆形塔板16块，同一侧的板间距为200mm，每块半圆形塔板上按正三角形布置12个第二种锥形鼓泡元件(图4b)。

l形连通管结构如图2所示，竖直通道的高度分别为150mm和50mm，侧板的宽度为200mm。

鼓泡元件的结构如图6所示，锥形罩的底角为63.5°，底端的外径为60mm，上层锥形分布罩高为60mm；下层锥形集气罩高为40mm；上层锥形分布罩底部的环形筛板与下层锥形集气罩底部的环形盲板大小相同，其圆环的宽度为10mm；上层锥形分布罩的锥面筛板和底部环形筛板的圆孔规格为φ2mm，锥面筛板上的圆孔共164个，按正三角形排列(与图5相同，孔间距6mm)，环形筛板上的筛孔沿两个同心圆等间距排列，同心圆的直径分别为45mm、55mm(等间距圆孔各22和28个)。

采用这个阶梯式液体环流鼓泡塔对空气中的丙酮气体进行吸收，25℃的空气和丙酮混合气体(丙酮体积分数0.083)从塔底气体入口进入，总流量为500nm³/h，25℃的水从塔顶液体入口进入，流量为1.8m³/h。稳定操作后丙酮的吸收率为90.8％。

实施例5

鼓泡塔结构与实施例4相同。

当25℃的空气和丙酮混合气体(丙酮体积分数0.083)流量为650nm³/h时，25℃的水流量为2.4m³/h时，稳定操作后丙酮的吸收率为88.6％。

实施例6

鼓泡塔结构与实施例4相同。

当25℃的空气和丙酮混合气体(丙酮体积分数0.083)流量为500nm³/h时，25℃的水流量为2.4m³/h时，稳定操作后丙酮的吸收率为96.9％。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。