专利名称：无放大效应的汽液传质方法
技术领域：
本发明涉及石油和化学加工技术领域，用于汽液传质设备中的新型汽液相传质方法，属于均相体系传质分离技术范畴。
背景技术：
工业汽液传质过程，如蒸馏、吸收、解吸等汽液传质过程，是石油和化学加工工业应用数量最多的均相体系分离技术，其中以蒸馏技术最为重要，应用面最广，投资数额巨大。到目前为止，这类分离技术主要采用塔设备，塔设备可分为板式塔和填料塔两种基本类型。
板式塔是最常见的汽、液传质设备。板式塔的塔板类型一般以鼓泡类的泡罩塔板、浮阀塔板和筛孔塔板为主；还有一类是高气速的筛孔型的喷射类塔板，例如网孔塔板，属于泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板的改进和发展。
鼓泡类和喷射类塔板分别适用于液相负荷和气相负荷相对较高的操作体系，其中前者是塔板的主流，两类塔板产生用于汽液传质的相界面的原理完全相同，都是通过消耗气体的能量产生相界面，都存放大效应的影响、先天性液体滞留区的影响等问题。制约板式塔设备生产能力的因素是汽液密度差和塔板上的汽液分散程度。
填料塔分为规整填料和乱堆填料两类填料塔。无论是规整填料和乱堆填料的填料塔，填料塔用于传质的相界面积基本上是填料的比表面。一旦气体、液体不均匀分布，则填料塔的有效比表面积将会降低，从而引起填料效率的降低。由于大规模填料塔的气体分布器和液体分布器的分布效果较差，因此传统填料塔设备在教科书中认为填料塔仅适用于小塔。20世纪60年代，大型液体分布器放大成功，使填料技术在大型塔设备中广泛应用，但优良的分布器使得汽液进入填料床前初始分布均匀并不意味着床层内部汽液均匀分布，大型填料床层内部依然存在着汽液不均匀分布问题，因此放大效应同样造成了填料塔传质效能的降低。制约填料塔生产能力的因素同样是汽液密度差。
总之，无论是板式塔还是填料塔，普遍受放大效应的影响，其生产能力受自然重力控制，普遍受体系极限的制约。经过近一个世纪的实践结果证明，在设计合理的基础上，各种传统塔内件的最大处理能力相差并不大，最大允许的空塔动能因数不超过3.0Pa0.5。当操作负荷为最大负荷的85％时，不同结构的塔板效率基本相同。这说明，塔板并没有从根本上改变汽液相间的传质机制，这种汽液相间受重力场作用的接触传质方式决定了塔板的特点，所以无论怎样改进，其性能难有显著改观。
在上世纪，精馏设备技术是最为活跃的化学工程研究领域。国内外已有成千上万的各种塔内件专有技术和专利技术出现。这些专利和专有技术可归纳为如下方面。
板式塔的改进涉及有多方面。如汽液接触构型改变、塔板开孔方式改变、消除液体滞流区改善、塔板空间的合理利用、提高塔设备处理能力的相关技术和降液管型式改变等。对填料塔的发展主要涉及三方面新构型的填料、大型液体分布器、大型气体分布器及其相关技术等。
这些技术的出现大幅度地提高了精馏技术水平，使得精馏技术成为技术成熟度和应用成熟度最高的化学工程技术，工业精馏设备技术的设计成功率接近100％，塔设备设计的规模已经由传统的小塔，达到最大16m的直径，极大地推动了石油和化学加工工业的发展。但是设计技术主要依靠大量的工程经验积累而形成的，实际工程设计总是以提高设计的安全因数、降低传质性能、增加设备的复杂程度等手段来实现的，即便如此，仍存在以下问题未能很好地解决。
①对体系性质的外推尚具有很大的盲目性，造成一些设计失败的问题；②对实验室的研究成果很难进行100％的成功放大；③对液体滞流区的问题未能从根本上解决；
④对板式塔和填料塔放大效应问题尚未从根本上解决；⑤对起泡体系存在着极大的降额；⑥汽液不均匀分布造成填料塔效能损失，造成了生产投资的增加；⑦各种塔内件的处理能力水平还相对较低。
从根本上解决这些问题是极困难的，在当今化学工程处于经验描述的局面下，仍然存在着巨大的困难，为此本发明提出一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无放大效应的汽液传质方法。采用该方法，可以在解决现有分离技术的不足，可以提高实验室放大的成功率、改善塔板上的液体滞留区、缓解甚至消除精馏塔的放大效应，不仅适用于板式塔，也适用于填料塔以及其他类型的塔内件。
本发明主要是这样实现的无放大效应的汽液传质方法，是在塔板上并联安装有多个传质元件。气体从元件下方进入，同时塔板上的液相由于塔板与元件内部存在压差也被压入元件，汽、液相在传质元件内进行接触传质，然后从传质元件顶部排出，排出后因汽液相存在密度差所以汽相和液相分离。所以整个相际传质过程都在传质元件内发生，即两相分散-相间传质-两相分离。而塔板上仅仅起到液体传输和分配的作用，无显著汽液接触传质发生。塔板上部空间也仅仅是气相汇聚和传输的场所，汽液接触和传质过程完全发生在安装在塔板上的各相互并联的汽液传质元件之内。
所述的汽液传质元件形状为柱状，如圆柱状、圆台柱状、四边形柱状或六边形柱状等。汽液传质元件横截面公称尺寸在50-400毫米之间。汽液传质元件有多种形式，如顶罩式、旋风分离式、倒锥式或旋风分离与倒锥结合式等多种形式。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液相传质后离开传质元件的液相与进入传质元件传质前的液相不混合，传质后的液相可以直接进入下一层塔板，也可以通过集液装置混合后，再通过降液装置共同流向下一层塔板。而传质后离开传质元件的气相相互之间部分混合，然后进入上一层塔板。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于相分离可以在单一汽液传质元件内分别实现；也可以由塔板上部分或全部并联的汽液传质元件共同来实现。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于产生用于传质相际界面的方式可以采用常规板式塔消耗气体动能的方式；可以采用常规填料塔人为提供的方式；也可以同时采用常规填料塔人为提供和常规板式塔消耗气体能量两种方式相结合。具体细节的选定视实际工业条件决定。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于相分离是利用流动体系汽液密度差产生气液惯性力差；或利用自然重力差产生气液惯性力差；或利用流动体系汽液密度差和自然重力差产生气液惯性力差方式来实现。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件可以安装在塔板上部；汽液传质元件也可以安装在塔板下部；汽液传质元件也可以同时安装在塔板的上部和下部。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件的实现可以为任何可发生气液接触、产生汽液相界面、实现相际传质过程的结构。
所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件内部可以装添填料，也可以不装添填料。
本发明的有益效果在于(1)利用小塔无放大效应原理，克服大塔有放大效应并随着塔径的增加而猛增的缺点。提出了通过无数个传质元件“小塔”并联构成“大塔”的新结构，不仅适用于板式塔，而且也适用于填料塔。由此可以按传质元件的个数将塔板划分为若干个区域，汽液传质过程只是在传质元件内发生，而塔板上和塔板间只是汽相和液相的单相流动，所以传质元件的汽液接触传质效果不受塔设备规模的限制，因此，塔板上没有滞留区，可以消除塔设备规模扩大引起的放大效应。
(2)因为不受设备规模的制约，所以可以将实验室规模单元件的研究结果直接放大到工业应用，减少了研发条件限制和巨大投资。
(3)相分离的程度制约着塔设备的处理能力，采用该方法，相分离的动力可以是自然重力差，也可以是惯性力差，因此相分离可以得到强化，极大地提高塔设备的处理能力。
(4)因为相分散-相际传质-相分离只在传质元件内发生，塔板上只是汽相和液相的单相流动，所以能够显著降低体系鼓泡性对塔设备处理能力的制约。
(5)常规填料塔的规模越大，汽液分布越容易不均匀，对液体分布器的设计要求也越高，而采用该办法可将塔内划分为若干个传质单元区域，同样可以改善塔内汽液分布，消除放大效应，并且降低了对液体分布器等内件的设计要求。
(6)传质后液相无返混，液相可以直接进入下一层塔板，也可以由集液装置混合后，再通过降液装置共同流向下一层塔板；而离开传质元件的气相相互之间完全和部分混合，然后进入上一层塔板，所以传质效率高。而且传质的推动力可以根据需要调整，传质元件的操作汽速可以非常高，不受自然重力制约，因此汽液相间的传质得到强化。
(7)该传质方法容易实现，对板式塔、填料塔及复合塔都能适用；对现有塔设备进行改造时，只需更换塔板或填料，内构件不需变动，改造费用较低，而且可针对不同体系和不同操作工况作调整，应用灵活。
本发明的无放大效应的汽液传质结构设计有较大的改进，使其实用性和制造成本上，均符合石油和化学加工产业的需要并产生了实用效果。是一项新颖、进步、实用的新方法。
附图1为本发明结构示意图。是一种利用现有传统的板式塔结构改进为汽液传质元件的结构示意图。是一种实施例。
附图2为本发明结构示意图。是一种利用现有传统的填料塔结构改进为汽液传质元件的结构示意图。是一种实施例。
附图3是一个圆柱形顶罩式传质元件的示意图。
附图4是一个圆柱形顶罩式下部带有倒锥的传质元件示意图。
附图5是一个圆台式下部带有旋风分离式的传质元件示意图。
附图6是一个圆台式下部带有旋风分离式并有倒锥的传质元件示意图。
附图7是附图5和附图6的截面示意图，表示旋风分离式打的结构。
具体实施例方式
本发明所述的无放大效应的汽液传质方法，是利用“小塔无放大效应，大塔有放大效应并随着塔径的增加而猛增”的现实，提出了通过多个传质元件并联安装在台板上，即传质元件“小塔”来并联构造“大塔”的新方法。
参阅附图3。将汽液传质元件并联、均匀分布安装在一层塔板上。汽液传质元件为圆柱状。汽液传质元件直径为300毫米。汽液传质元件为顶罩式。汽液传质元件内装有传质填料。
参阅附图5。又如，汽液传质元件并联、均匀分布安装在一层塔板上。汽液传质元件形状为圆台柱状，上部圆柱直径260毫米，下部圆柱直径为200毫米。在塔板下部安装有旋风分离式汽液传质元件。汽液传质元件内不装传质填料。
又如，将汽液传质元件并联、均匀分布安装在一层塔板上。汽液传质元件形状为正六边形柱状，六边形对边距离为250毫米。汽液传质元件旋风分离式。汽液传质元件内不装传质填料。
参阅附图1。按传质元件的个数将塔板划分为若干个区域，汽液传质过程只是在传质元件内发生，而塔板上只是汽相和液相的单相流动，所以传质元件的汽液接触传质效果不受塔设备规模的限制，塔板上基本没有滞留区，可以显著降低甚至消除塔设备规模扩大引起的放大效应。因为不受设备规模的制约，所以可以将实验室规模的研究结果直接放大到工业应用，大大减少了研发条件的限制。该机制可以应用于板式塔，也可以应用于填料塔及复合塔。常规填料塔的规模越大，汽液分布越容易不均匀，对液体分布器的设计要求也越高，而采用该机制可将塔内划分为若干个传质单元区域，同样可以改善塔内汽液分布，消除放大效应，并且降低了对液体分布器等内件的设计要求。
汽液传质元件可以安装在塔板上部，也可以安装在塔板下部，也可以安装在塔板上、下两侧，即，传质过程可以发生在塔板上部，和/或下部。传质后液相无返混，液相可以直接进入下一层塔板，也可以由集液装置混合后，再通过降液装置共同流向下一层塔板；而离开传质元件的气相相互之间完全和部分混合，然后进入上一层塔板，所以传质效率高。而且传质的推动力可以根据需要调整，元件内的汽速可以非常高，不受自然重力制约，因此汽液相间的传质得到强化。
因为相分离的程度制约着塔设备的处理能力，采用该机制，相分离的动力可以是自然重力差，也可以是惯性力差，因此相分离可以得到强化，极大地提高设备的处理能力。同时，相分散-相际传质-相分离只在传质元件内发生，塔板上只是汽相和液相的单相流动，所以能够显著降低体系鼓泡性对设备处理能力的制约。
权利要求
1.一种无放大效应的汽液传质方法，其特征在于在塔板上并联安装有多个汽液传质元件；气体从汽液传质元件下方进入，同时塔板上的液相由于塔板与汽液传质元件内部存在压差也被压入元件，汽、液相在汽液传质元件内进行接触传质，然后从汽液传质元件顶部排出，排出后因汽液相存在密度差所以汽相和液相分离，所以整个相际传质过程都在传质元件内发生，即两相分散—相间传质—两相分离，塔板上仅仅起到液体传输和分配的作用，无显著汽液接触传质发生；塔板上部空间也仅是气相汇聚和传输的场所，汽液接触和传质过程完全发生在安装在塔板上的各相互并联的汽液传质元件内。
2.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液相传质后离开传质元件的液相与进入传质元件传质前的液相完全不混合，传质后的液相可以直接进入下一层塔板，也可以通过集液装置混合后，再通过降液装置共同流向下一层塔板；而传质后离开传质元件的气相相互之间部分混合，然后进入上一层塔板。
3.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于相分离是利用流动体系汽液密度差产生气液惯性力差；或利用自然重力差产生气液惯性力差；或利用流动体系汽液密度差和自然重力差产生气液惯性力差方式来实现。
4.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于产生用于传质相际界面的方式可以采用常规板式塔消耗气体动能的方式，或采用常规填料塔的方式，或同时采用常规填料塔和常规板式塔消耗气体能量两种方式相结合。
5.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件安装在塔板上部。
6.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件安装在塔板下部。
7.根据权利要求1所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件同时安装在塔板的上部和下部。
8.一种无放大效应的汽液传质元件，其特征在于所述的汽液传质元件形状为柱状，汽液传质元件横截面公称尺寸在50-400毫米之间，汽液传质元件内部装有添填料。
9.一种无放大效应的汽液传质元件，其特征在于所述的汽液传质元件形状为柱状，汽液传质元件横截面公称尺寸在50-400毫米之间，汽液传质元件内部无添填料。
10.根据权利要求8或9所述的无放大效应的汽液传质方法，其特征在于汽液传质元件为顶罩式。
11.根据权利要求8或9所述的无放大效应的汽液传质元件，其特征在于汽液传质元件为旋风分离式。
12.根据权利要求8或9所述的无放大效应的汽液传质元件，其特征在于汽液传质元件为倒锥式。
13.根据权利要求8或9所述的无放大效应的汽液传质元件，其特征在于汽液传质元件为旋风分离与倒锥结合式。
全文摘要
本发明涉及无放大效应的汽液传质方法，该方法是指在一层塔板上并联安装多个传质元件，在传质元件内实现相际传质的全过程，即相分散－相际传质－相分离，塔板仅起液体传输和分配作用，无显著的汽液传质发生；塔板上部空间也只是气相汇聚和传输场所。通过该方法可以消除液体滞流区、减缓塔设备的放大效应、降低体系起泡性的制约，改善填料塔内的汽液不均匀分布，使传质过程得到强化，实现增大处理能力、提高传质效率的目的。
文档编号B01D3/20GK1978026SQ20051012780
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者刘艳升, 曹睿, 刘拥军 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)