板式塔

塔設備是化工、石油等工業中廣泛使用的重要生產設備。塔設備的基本功能在於提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使質、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行；還要能使接觸之後的氣、液兩相及時分開，互不夾帶。因此，蒸餾和吸收操作可在同樣的設備中進行。根據塔內氣液接觸部件的結構型式，塔設備可分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔內沿塔高裝有若干層塔板（或稱塔盤），液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底，並在各塊板面上形成流動的液層；氣體則靠壓強差推動，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內進行逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。

填料塔內裝有各種形式的固體填充物，即填料。液相由塔頂噴淋裝置分佈於填料層上，靠重力作用沿填料表面流下；氣相則在壓強差推動下穿過填料的間隙，由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進行接觸，其組成沿塔高連續地變化。

在工業生產中，當處理量大時多采用板式塔，而當處理量較小時多采用填料塔。蒸餾操作的規模往往較大，所需塔徑常達一米以上，故採用板式塔較多；吸收操作的規模一般較小，故採用填料塔較多。

工業上最早出現的板式塔是篩板塔和泡罩塔。篩板塔出現於1830年，很長一段時間內被認為難以操作而未得到重視。泡罩塔結構複雜，但容易操作，自1854年應用於工業生產以後，很快得到推廣，直到20世紀50年代初，它始終處於主導地位。第二次世界大戰後，煉油和化學工業發展迅速，泡罩塔結構複雜、造價高的缺點日益突出，而結構簡單的篩板塔重新受到重視。

通過大量的實驗研究和工業實踐，逐步掌握了篩板塔的操作規律和正確設計方法，還開發了大孔徑篩板，解決了篩孔容易堵塞的問題。因此，50年代起，篩板塔迅速發展成為工業上廣泛應用的塔型。與此同時，還出現了浮閥塔，它操作容易，結構也比較簡單，同樣得到了廣泛應用。而泡罩塔的應用則日益減少，除特殊場合外，已不再新建。60年代以後，石油化工的生產規模不斷擴大，大型塔的直徑已超過10m。為滿足設備大型化及有關分離操作所提出的各種要求，新型塔板不斷出現，已有數十種。

板式塔為逐級接觸式塔，氣液傳質在板上液層空間內進行；兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續相，氣相為分散相。

（1）在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，以減小傳質阻力；

（2）在塔內應儘量使氣液兩相呈逆流流動，以提供較大的傳質推動力。

板式塔在總體上氣液呈逆流流動；每塊塔板上呈均勻錯流。

塔板是板式塔中氣液兩相接觸傳質的部位，決定塔的操作性能，通常主要由以下三部分組成：

（1）氣體通道：為保證氣液兩相充分接觸，塔板上均勻地開有一定數量的通道供氣體自下而上穿過板上的液層。

氣體通道的形式很多，它對塔板性能有決定性影響，也是區別塔板類型的主要標誌。篩板塔塔板的氣體通道最簡單，只是在塔板上均勻地開設許多小孔（通稱篩孔），氣體穿過篩孔上升並分散到液層中。泡罩塔塔板的氣體通道最複雜，它是在塔板上開有若干較大的圓孔，孔上接有升氣管，升氣管上覆蓋分散氣體的泡罩。浮閥塔塔板則直接在圓孔上蓋以可浮動的閥片，根據氣體的流量，閥片自行調節開度。

（2）溢流堰：為保證氣液兩相在塔板上形成足夠的相際傳質表面，塔板上須保持一定深度的液層，為此，在塔板的出口端設置溢流堰。塔板上液層高度在很大程度上由堰高決定。對於大型塔板，為保證液流均布，還在塔板的進口端設置進口堰。

（3）降液管：液體自上層塔板流至下層塔板的通道，也是氣（汽）體與液體分離的部位。為此，降液管中必須有足夠的空間，讓液體有所需的停留時間。

此外，還有一類無溢流塔板，塔板上不設降液管，僅是塊均勻開設篩孔或縫隙的圓形篩板。操作時，板上液體隨機地經某些篩孔流下，而氣體則穿過另一些篩孔上升。無溢流塔板雖然結構簡單，造價低廉，板面利用率高，但操作彈性太小，板效率較低，故應用不廣。

各種塔板只有在一定的氣液流量範圍內操作，才能保證氣液兩相有效接觸，從而得到較好的傳質效果。可用塔板負荷性能圖來表示塔板正常操作時氣液流量的範圍，圖1中的幾條邊線所表示的氣液流量限度為：

（1）漏液線。氣體流量低於此限時，液體經開孔大量泄漏。

（2）過量霧沫夾帶線。氣體流量高於此限時，霧沫夾帶量超過允許值，會使板效率顯著下降。

（3）液流下限線。若液體流量過小，則溢流堰上的液層高度不足，會影響液流的均勻分佈，致使板效率降低。

（4）液流上限線。液體流量太大時，液體在降液管內停留時間過短，液相夾帶的氣泡來不及分離，會造成氣相返混，板效率降低。

（5）液泛線。氣液流量超過此線時，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破壞。

如果塔板的正常操作範圍大，對氣液負荷變化的適應性好，就稱這些塔板的操作彈性大。浮閥塔和泡罩塔的操作彈性較大，篩板塔稍差。這三種塔型在正常範圍內操作的板效率大致相同。

工業生產對塔板的要求主要是：通過能力要大，即單位塔截面能處理的氣液流量大；塔板效率要高；塔板壓力降要低；操作彈性要大；結構簡單，易於製造。

在這些要求中，對於要求產品純度高的分離操作，首先應考慮高效率；對於處理量大的一般性分離（如原油蒸餾等），主要是考慮通過能力大。

為了滿足上述要求，近30年來，在塔板結構方面進行了大量研究，從而認識到霧沫夾帶通常是限制氣體通過能力的主要因素。

在泡罩塔、篩板塔和浮閥塔中，氣體垂直向上流動，霧沫夾帶量較大，針對這種缺點，併為適應各種特殊要求，開發了多種新型塔板，主要是有以下幾類。

（1）舌形塔板

塔板上設有傾斜的舌孔，使噴出氣流的方向接近水平，因而霧沫夾帶大為減少，同時氣流對液流有推進作用，因此氣液流通過能力均較高；但由於塔板上液層太薄，板效率顯著降低。

（2）斜孔塔板

由中國開發，它的結構特點是使舌孔的開口方向與液流垂直，相鄰兩排的開孔方向相反，這樣既允許較大氣速且液層不會過薄，保證高效率。

（3）網孔塔板

由衝有傾斜開孔的薄板組成，板上還裝有幾塊攔截液流的碎流板，以阻止液體被連續加速，這是一種氣液通過能力大，而板效率無明顯降低的新塔板。

（4）林德篩板

專為真空精餾設計的高效率低壓力降塔板，結構特點是在整個篩板上設置一定數量的導向篩孔，在塔板入口處設置斜台。林德篩板利用部分氣體的動量推動液體流動，以抵消液體流經塔板因受到流動阻力而形成的水力坡度，均勻降低液層，減少氣液兩相在空間上的反向流動和不均勻分佈，因此既降低塔板壓力降，又提高塔板效率。斜台的作用是避免低氣速下在塔板入口處發生漏液現象。

（5）多降液管塔板

特別適用於大液體負荷操作。每塊塔板上設有多根平行的降液管（一般其間隔約0.5m），相鄰兩塔板的降液管成90°交錯，降液管下端懸空在下面塔板的鼓泡區上方，液流從管底的縫隙下落。靠管內積液的液封作用，阻止氣體竄入管中。一般因積液層淺，可以採用較小的板間距，這樣能抵償它板效率稍低的缺點。

（6）旋流塔板

這種氣體通過能力大、板間距小的新型塔板，也是中國開發的。當氣流通過類似於風車葉片式的塔板時，發生旋轉運動，並將降液管流下的液體噴散，使氣液較好地接觸。因為離心力的作用，霧沫夾帶大為減小，故可採用較高氣速；但因氣液接觸時間短，板效率較低。