专利名称：一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气液连续接触传质分离塔制造技术，具体为一种在石油、化工、制药、环保等领域的传质、传热、增湿过程中普遍应用的气液连续接触传质分离塔内的气液接触组合件及使用它的传质分离塔技术，国际专利分类号拟为Int.Cl7.B01J19/00。
背景技术：
目前在石油、化工、制药、环保领域的传质(如精馏、吸收、解吸、气提操作)、传热、增湿等过程中板式传质分离塔(以下简称板式塔)被广泛应用着。板式塔有多种类型，如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等。日特公昭46-31321公开了一种气液接触装置。该装置主要包括顶盖、开有多个喷射孔的侧壁以及水平塔板；侧壁与水平塔板之间有缝隙，水平塔板上开有一定形状的升气孔作为气体通路。其工作原理是当塔底的气体上升时，经过塔板上的升气孔产生缩流，气体的压力能部分转化为其动能，同时气体的静压降低；水平塔板上的液体经所述的缝隙进入该气液接触装置(气液接触组合件)内与由下面上升的气体进行接触形成气液混合物。在此过程中气液两相之间进行充分的传质、传热，随后气液混合物向上经侧壁上的喷射孔喷射而出，经气液分离后，气体通过升气孔继续向上进入上一层塔板，而大液滴则落回到本层塔板上，并随液相主体经降液管流到下一层塔板，完成气液接触交换工作。根据传质分离塔的直径大小，一定数量的这种气液接触装置以均匀排列方式被安装在传质分离塔中相应的塔板上，构成传质分离塔的工作组件。显然，气液接触装置是板式塔的关键组件，它的形状、结构和排列设置方式与传质分离塔的性能和工作效率直接相关。
中国专利ZL92232700.9、ZL 93218445.6和ZL 99200122.6都分别对气液接触装置或组合件进行了不同改进，取得了不同的技术效果。但它们都存在着同一的缺陷它们的形状，特别是方形或者矩形的喷射罩，其端面板之间不能有效利用，以及它们在分离塔板上的排布方式决定了其不可避免存在不同程度的雾沫夹带、气液返混现象，传质分离塔的效率不高问题，这样就很难大幅度提高分离塔的分离效果以及其处理能力，影响气液接触组合件的处理能力。此外，就喷射型传质分离塔而言，它们都存在着另一个缺陷即传质分离塔内相邻两个气液接触装置的喷射板喷射孔在工作时产生“对喷现象”，造成能耗损失，增加了雾沫夹带，影响传递效率。如果为避免这种“对喷”，需要加大每排和每列相邻两个气液接触装置的间距，则必然要减少气液接触装置在塔板上的安装数量，也即减少了关键工作组件的数量，意味着传质分离塔效能的降低。另外，“对喷现象”的存在，也影响喷射孔在喷射板或喷射罩上的开孔数量或开孔率，进而也影响传递交换的工作效率。而另一方面，对于传质分离塔内相邻两个气液接触装置的端面板(一般无喷射孔)之间又存在着“无喷现象”，也使得气液接触装置的工作效率不高，进而影响传质分离塔的性能和效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔。该气液接触组合件能够有效地减少雾沫夹带，提高塔板开孔率，使塔板面积得到充分利用，有效减少分离塔每层塔板上气液返混，减小分离塔每层塔板上液面梯度，进一步提高其处理能力，降低阻力，提高塔板效率，从而使采用本发明气液接触组合件的传质分离塔设计更科学，性能和效率更高。
本发明拟解决所述气液接触组合件技术问题的技术方案是设计一种气液接触组合件，包括喷射罩及其上端的喷射罩顶板，喷射罩下边缘均布连接有3-4个支脚，通过支脚可以把喷射罩安装在传质分离塔的塔板上升气孔的位置处，并且使喷射罩的底面与塔板之间留有间距；所述的喷射罩上均布开有喷射孔，所述的喷射罩顶板上均布开有导向孔，其特征在于在所述的喷射罩为圆柱形或圆台形，所述的喷射罩顶板的形状为与喷射罩匹配的圆形；并且在所述喷射罩及喷射罩顶板之间开有天窗。
本发明拟解决所述传质分离塔技术问题的技术方案是设计一种气液接触传质分离塔，该传质分离塔采用本发明所述的气液接触组合件，并将其均布安装设置在传质分离塔内的塔板上。
该传质分离塔的进一步技术方案是把本发明所述气液接触组合件设计为两种不同的高度，并把这两种不同高度的在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板上，且要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔在高度上处于不同的水平面上。
对本发明传质分离塔的试验表明，由于采用了本发明设计的气液接触组合件和特殊设计的气液接触组合件排布方式，当空塔动能因子达到3.7时，传质分离塔内仍无明显的雾沫夹带和气液返混现象，因而大大提高了气液接触组合件进而传质分离塔处理能力及操作弹性，同时也提高了其传质、传热效率。
试验测试还表明，采用本发明气液组合件，使得塔板的气相雾沫夹带量大大减少，可比垂直筛板减少60～90％以上(专利ZL92232700.9、ZL93218445.6和ZL 99200122.都是垂直筛板的改进，其性能与垂直筛板的性能接近，故此处只用大家通常使用的垂直筛板的数据进行比较。下同)；作为以气相过量雾沫夹带为上限的板式塔，采用此技术可提高塔板的操作上限，因而可提高处理能力，同时亦使得操作弹性较垂直筛板提高30％～40％。
采用本发明高、矮两种不同高度的气液接触组合件相间排布的方式，可使原来的相邻喷射罩间液滴对喷程度大为降低，同时又能使同排喷射罩间的间距缩小(在不影响其它性能的基础上)，每排喷射罩的间距也可以缩小，这样可以大大提高板上的开孔率，塔板面积得到充分利用。本发明气液接触组合件采用圆柱形或圆台形设计，其喷射罩四壁都可以均匀开孔，不存在“盲区”，因此既提高了塔板上的开孔率，加大了气体通道面积，又可以使喷射罩四周的空间得到充分利用。试验测试表明，本发明的开孔率较垂直筛板提高20％～40％，处理能力比垂直筛板提高50％～90％。
本发明气液接触组合件及其组合设置技术由于明显减少了返混现象、对喷现象和无喷现象，提高了罩内的液体提升量，使气液接触碰撞加剧，有利于混合均匀，罩外导向折板又能有效的将喷射出的气液混合物尽可能多地“拦截”下来，从而能够有效地提高塔板的传质、传热效率。
本发明气液接触组合件及其设置技术改变喷射罩体在塔板上的布局方式，可以减少喷射罩对板上液体流道的占用，从而减少液体的流动阻力。
本发明气液接触组合件与现有技术相比，仅改变了气液接触组合件的截面形状或者说是整体的结构形状，增加了天窗和顶板导向挡板，因此结构简单，易于制造与实际应用。
图1为本发明气液接触组合件一种圆柱形实施例的示意图；
图2为本发明气液接触组合件另一种圆台形实施例的示意图；图3为本发明气液接触组合件设计有向下弯折导向挡板7和方形鱼鳞喷射孔13的圆柱形实施例的形状结构示意图；图4为本发明气液接触组合件设计有向下弯折导向挡板7和半圆形鱼鳞导向孔14的圆柱形实施例的俯视示意图；图5为本发明气液接触组合件设计有向下弯折导向挡板7和方形鱼鳞导向孔14的圆柱形实施例的俯视示意图；图6为本发明气液接触组合件在传质分离塔内塔板上排布设置方法的一种实施例的纵剖面结构示意图；图7为本发明气液接触组合件在反应塔内塔板上排布设置方法的一种实施例的俯视形状结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明本发明为一种气液接触组合件(参见图1-7)，包括喷射罩2及其上端的喷射罩顶板3，喷射罩2下边缘均布连接有3-4个支脚12，通过支脚12可以把喷射罩2安装在传质分离塔的塔板4上升气孔1的位置处，并且使喷射罩2的底面与塔板4之间留有液流通道；所述的喷射罩2上均布开有喷射孔13，所述的喷射罩顶板3上均布开有导向孔14，其特征在于在所述的喷射罩2为圆柱形或圆台形，所述的喷射罩顶板3的形状为与喷射罩2匹配的圆形；并且在所述喷射罩2及喷射罩顶板3之间开有天窗11。所述的喷射孔13和导向孔14的形状结构不受限定。图1-5所示的方形鱼鳞孔或半圆形鱼鳞孔，仅是其适用的几种形状结构。现有技术的喷射孔和导向孔形状结构也可适应于本发明的气液接触组合件，不论其名称是否相同。
本发明所述气液接触组合件的进一步特征在于所述圆形喷射罩顶板3的直径大于所述圆形喷射罩2上口的直径15～35mm，并且在所大于部分的1/4-1/2处以γ角向下弯折构成导向挡板7(参见图3)。所述的向下弯折γ角为0～90°。当夹角γ为90°时，意味着导向挡板7垂直向下；而当夹角γ为0°时，意味着导向挡板7没有弯折，是一平板。夹角γ的具体设计可根据使用物料的性质(如密度、粘度等)不同而有所变化。一般而言，夹角γ优选范围是30～60°。导向挡板7的设计可以使从天窗3喷射出的液相尽可能多地“拦截”下来，减少气液返混。
本发明所述气液接触组合件的进一步特征是，气液接触组合件的整体高度设计为两种，其高度差可以根据实际工况以及工作介质的性质变化，一般在45～90mm之间选择。除高度外，两种气液接触组合件的形状结构没有区别。不同高度气液接触组合件的这种设计并不是其本身的需要，而是为了提高配合效率，减少所述对喷现象，将其安装在传质分离塔内的特别设计。
本发明进一步设计了所述的气液接触组合件在传质分离塔内的设置方法(参见图6、7)，其特征在于先将所述气液接触组合件设计为两种不同的高度，再把所述两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上，并要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔13在高度上不处于同一水平面上，然后在塔板4的每一个所述的气液接触组合件的下面对应开有升气孔1，且在所述的气液接触组合件下口与塔板4之间留有液流通道。这里所述的把气液接触组合件设计为两种不同的高度，主要是指针对现有技术的气液接触组合件的同一高度而言，即新设计的气液接触组合件的一种高度可维持原有高度不变，另一种高度则可降低。这种设计可以使本发明方法简单方便地用于现有传质分离塔的维修和改造。但并不排除气液接触组合件的两种不同高度都新设计，这种新设计适用于传质分离塔的整体新设计。
本发明所述的把两种不同高度的气液接触组合件在横、纵两个排列方向中的至少一个排列方向上分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上，应当包括1.在横排方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件2分别或俩俩间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；2.在纵列方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件2分别或俩俩间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；3.在横排和纵列两个方向上，把所述两种不同高度的气液接触组合件都分别一一间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板4上；还包括4.在相邻的两个横排上，把所述两种不同高度的气液接触组合件分别错位排列安装设置在传质分离塔内的塔板4上(参见图6、7)。
为了确保减少乃至避免所述的对喷现象，除了设计两种不同高度的气液接触组合件，并按照所说气液接触组合件的安装设置方法排列以外，本发明方法还要求安装气液接触组合件时，要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔13在高度上处于不同的水平面上，或者说两者不处于同一水平面上，否则无意义或意义不大。这不仅意味着新设计与气液接触组合件的安装设置方法有关，也意味着与所述气液接触组合件的高度设计有关。本发明方法的进一步特征是所述的两种气液接触组合件的高度差可以根据实际工况以及工作介质的性质变化，一般在45～90mm之间选择。在这一范围内，设计时，最好把一个气液接触组合件的喷射孔13对准其所相邻的气液接触组合件上最靠近该喷射孔13水平面的两个喷射孔13的中间，以避免相邻的气液接触组合件之间喷射孔处于同一水平面时可能产生的对喷。
在选定或设计好所述两种气液接触组合件的排列方式后，还需要在塔板4的每一个已经定位的所述气液接触组合件的下口或底面对应开有升气孔1，并且在所述的气液接触组合件的下口或底面与塔板4之间留有液流通道。液流通道的大小与传质分离塔的用途有关。这还说明，当利用本发明方法对现有传质分离塔进行技术升级改造时，不仅要更换所述的气液接触组合件，而且塔板4也可能需要同时更换。
总之，本发明把喷射罩2设计为圆形或者圆台形可使得液体全方位地喷射，加大了工作空间，从而使气、液混合的更加充分，提高了传质效率；同时，在喷射罩上设计了导向挡板7，以及采用高低错落立体排布方式有效的改善或减少因为对喷而产生的返混以及雾沫夹带现象，从而在提高传质效率的同时还能够大幅度提高传质分离塔的处理能力；同时天窗11的设计可进一步提升传质分离塔的处理能力。
本发明比较适于在直径φ1200以下的中小型传质分离塔中使用，因为圆形或者圆台形设计的喷射罩2形体小，可方便地在中小型传质分离塔中排布的更多，有利于提高塔板的利用率。
本发明的工作原理和过程如下(参见图6)在塔体10内安装有若干层水平塔板4以及与之配套的降液管6和溢流堰9；每层塔板4上开有与液流8方向垂直的若干排升气孔1，在与升气孔1对应的位置上安装有喷射罩2，而每排喷射罩2采用为高矮相间错落排布的安装方式。液相8从上一层塔板4的降液管6流入本层塔板4，流经每排喷射罩2再经降液管6流到下一层塔板4上；气相5从塔板4的下方通过升气孔1进入本层塔板4的喷射罩2内。在气相5进入喷射罩2内并上升的同时，液相8从喷射罩2底面的液流通道进入，气液两相在喷射罩2内进行剧烈混合接触。在接触的过程中液相8被气相5破碎成大量大小不同的液滴，此后气液混和物从喷射罩2的侧壁喷射孔13及条形天窗11和顶板3上的导向孔14喷射而出。由天窗11喷射出的气液混和物首先打在所述的导向挡板7上，同理，由顶板3上的导向孔14喷射出来的气液混和物也会因导向孔14的鱼鳞形状而受到阻挡，在此过程中，液滴继续被破碎、混和后，沿着导向挡板7或者鱼鳞导向孔14的开口方向喷射而出，最后气相5与液滴在喷射罩2及塔板4之间的空间处经过碰撞凝聚、液滴捕集、罩顶板3捕集等过程以及气相5在喷射罩2间的曲线折流上升分离作用，液滴可回落到塔板4上的液层8中，随后通过降液管6流到下一层塔板4上。气液两相在这个接触过程中完成传质、传热等过程。
本发明设计的气液接触组合件及其在传质分离塔内的设置方法，由于明显减少甚至避免现有技术所存在的“对喷”和返混，因而在不影响传质分离塔原有性能的基础上，能使同排相邻的气液接触组合件间的间距缩小，每排气液接触组合件的间距也可以缩小，这样可以有效地提高喷射板或喷射罩上的开孔率、大幅提高传质分离塔的处理能力，并有效地减少雾沫夹带，提高塔板利用效率和操作弹性；同时由于相对于现有技术的气液接触组合件的高度有所降低，因而节约了生产组合件的使用材料，降低了制造成本；另外，就本发明方法而言，主要是传质分离塔内气液接触组合件设置方法的调整或者重新布置，因而方法简单，易于推广实施，具有显著的经济效益。
下面给出本发明技术的具体应用实施例实施例1氯乙烯单体低沸精馏塔(原塔径为Φ600mm)，采用F1型浮阀塔板，塔板数为38块，塔板为单溢流型，降液管截面呈弓形，溢流堰长456mm，板间距300mm，。其生产能力为3.0万吨PVC/年，产品氯乙烯中含C2H2量≤10～20ppm。曾用垂直筛板塔改造该低沸塔(只更换塔板，其它如塔径、塔板数、板间距等均不变)，结果生产能力提高至5.5万吨PVC/年，产品氯乙烯中含C2H2量降至0(仪器检测不出来，下同)，塔板阻力降至原来的60％左右。采用本发明气液接触组合件和安装方法改造用垂直筛板改造过的同一型号的另一低沸塔，塔径不变，圆形喷射罩顶板3的直径设计大于所述圆形喷射罩2上口的直径20mm，并且在所大于部分的1/4处以γ＝45°角向下弯折构成导向挡板7，塔板数降为32块，两种气液接触组合件的高度差为55mm，产品氯乙烯中含C2H2量为0，生产能力可提高至8.5万吨PVC/年，塔板阻力又比垂直筛板改造过的低沸塔降低约30％，操作弹性则达到4.5以上。
实施例2某PVC单体高沸精馏塔，塔径Φ1400。采用F1型浮阀塔板，塔板数为40块，其中精馏段为24块，提馏段为16块，塔板间距分别为300mm与350mm，塔板为单溢流型，弓形降液管，原设计生产能力为7.5万TPVC/年的单体。要求成品单体中含高沸物(二氯乙烯等)≤80～100ppm。操作运行表明不能达到上述要求。采用垂直筛板塔技术重新进行设计，新塔直径为φ1000，塔板数与浮阀塔设计相同。投产后表明生产能力可达到9.0万TPVC/年的单体。且成品单体中高沸物含量降至5～8ppm。表明处理能力大为增加(若以同样塔径进行换算，则同比处理能力提高1.2倍以上)，且成品单体质量大为提高。进一步采用本发明技术进行新塔设计，塔径设计为φ900(塔板数，板间距等参数均不变)，圆形喷射罩顶板3的直径设计大于所述圆形喷射罩2上口的直径35mm，并且在所大于部分的1/3处向下弯折构成导向挡板7，顶板弯折角γ为60°，两种气液接触组合件的高度差为70mm，生产运行表明，生产能力可达到12.5万TPVC/年单体以上，且成品单体中高沸物含量≤3～5ppm，与垂直筛板塔相比，本发明技术又使生产能力提高了约70％。
权利要求
1.一种气液接触组合件，包括喷射罩(2)及其上端的喷射罩顶板(3)，喷射罩(2)下边缘均布连接有3-4个支脚(12)，通过支脚(12)可以把喷射罩(2)安装在传质分离塔的塔板(4)上升气孔(1)的位置处，并且使喷射罩(2)的底面与塔板(4)之间留有液流通道；所述的喷射罩(2)上均布开有喷射孔(13)，所述的喷射罩顶板(3)上均布开有导向孔(14)，其特征在于在所述的喷射罩(2)为圆柱形或圆台形，所述的喷射罩顶板(3)的形状为与喷射罩(2)匹配的圆形；并且在所述喷射罩(2)及喷射罩顶板(3)之间开有天窗(11)。
2.根据权利要求1所述的气液接触组合件，其特征在于所述圆形喷射罩顶板(3)的直径大于所述圆形喷射罩(2)上口的直径15～35mm，并且在所大于部分的1/4-1/2处以γ角向下弯折构成导向挡板(7)，所述的γ角为0°～90°；优选30°～60°。
3.根据权利要求1或2所述的气液接触组合件，其特征在于所述的气液接触组合件的整体高度设计为两种，其高度差为45～90mm。
4.一种采用权利要求1或2所述气液接触组合元件的传质分离塔，其特征在于将所述的气液接触组合件均布安装设置在传质分离塔内的塔板(4)上。
5.一种采用权利要求3所述气液接触组合元件的传质分离塔，其特征在于把所述两种不同高度的气液接触组合件分别间隔开安装设置在传质分离塔内的塔板(4)上，并要使相邻的两个气液接触组合件的喷射孔(13)在高度上处于不同的水平面上。
全文摘要
本发明涉及气液接触组合件及使用它的传质分离塔。该气液接触组合件包括喷射罩及其上端的喷射罩顶板，喷射罩下边缘均布连接有3－4个支脚，通过支脚可以把喷射罩安装在传质分离塔的塔板上升气孔的位置处，并且使喷射罩的底面与塔板之间留有间距；喷射罩上均布开有喷射孔，喷射罩顶板上均布开有导向孔，其特征在于在所述的喷射罩为圆柱形或圆台形，喷射罩顶板的形状为与喷射罩匹配的圆形；并且在喷射罩及喷射罩顶板之间开有天窗。该传质分离塔采用本发明的气液接触组合件，并将其均布安装设置在传质分离塔内的塔板上。本发明的喷射罩四壁均可开孔，无“盲区”，可提高塔板开孔率，加大气体通道面积，提高塔板效率。
文档编号B01D3/14GK1660463SQ20041009393
公开日2005年8月31日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者杜佩衡, 董艳河, 杜剑婷, 黄敬 申请人:河北工业大学