气液逆流接触塔 本发明涉及一种通常用于气液逆流接触在气体和液体之间进行热和/或质交换的竖直塔。该塔设有流体入口及出口。流体入口和出口的位置视塔的用途来确定：当此塔用来通过将气体混合物与吸收剂液体逆流接触而除去气体混合物中的污染物时，该塔在塔底设有一气体入口和一液体出口，在塔顶设有一液体入口和一气体出口；当此塔用于原料蒸馏时，该塔在靠近塔中部设有一原料进口，在塔底设置一气体入口和一液体出口，在塔顶设置一液体入口和一气体出口。
气液逆流接触时，气体通过塔向上流动而液体通过塔向下流动。为使得向上流动的气体与向下流动的液体进行接触，该塔沿轴向间隔设置了多块水平接触塔板。此塔板可以是所谓的错流接触塔板或通常所说的逆流接触塔板。错流接触塔板上设有开孔以及一通到接触塔板下方的降液管，其中，在正常操作时，气体经塔板开孔向上流动而液体经降液管由接触塔板向下流动。一种逆流接触塔板仅设有塔板开孔而没有降液管，其中，在正常操作时，气体经塔板开孔向上流动而液体可以经塔板开孔渗流由接触塔板向下流动。
当设有错流接触塔板的塔在正常操作时，气体经接触塔板上的开孔向上流动而液体由其紧邻的上一层接触塔板的降液管向该接触塔板供给。塔板上收集下来的液体形成一液体薄层，而气液接触就发生在接触塔板上的这一层液体中。液层厚度由降液管溢流堰的高度所决定。由溢流堰顶溢流的液体经降液管排除，从塔板上的液体中脱离出的气体向上流动到达紧邻的上一层接触塔板并在此与液体再次接触。向上流动的气体会夹带一些液体，而存在于气体中地液体对塔的操作性能有不利影响。
为降低液体夹带量，在USA专利说明书第1983762号中已设计对此塔增设多块带有旋流管和从板上排除液体的装置的水平分离塔板，其中每一分离塔板设置在一块接触塔板的上方。紧接的一块上层接触塔板则设置在此分离塔板的上方。
旋流管为一内设旋流发生装置的圆筒管。正常操作时，夹带有液体的气体流经旋流管，旋流发生装置使气体旋转；在离心力作用下，夹带的液体运动离开旋流管中心并聚集在圆筒管的内表面上在此形成液体薄膜。在管的顶端液膜破碎，液滴运动离开管子；这些液滴应该降落到分离塔板上。但有些液滴的运动途径将会如此：它们打在分离塔板上方的接触塔板上并通过该接触塔板上的开孔而被夹带。为降低此种夹带，旋流管顶端直接对着分离塔板上方的接触塔板的开孔排放以使气体流向接触塔板的开孔而液体打在开孔周围的接触塔板上。由此已知的分离塔板包括许多旋流管，其数目与下一上层接触塔板上的开孔数一样多，其中旋流管的直径与下一上层接触塔板上的开孔直径相等。此处旋流管的设计与开孔的设计相似。因此，所知的分离塔板的净有效截面与接触塔板的净有效截面相等。分离塔板的净有效截面定义为旋流管上开孔的面积除以分离塔板的有效面积。而接触塔板的净有效截面定义为板上开孔面积除以接触塔板的有效面积。已知塔的一个缺陷是需要巨大数量的旋流管，这使得已知的塔造价高昂。
本发明的一个目的是提供一种设有更少数量的其直径大于接触塔板上开孔直径的分离塔板。
为此目的，根据本发明的具有流体进出口的气液逆流接触塔，在塔内沿轴向间隔设置了多块水平接触塔板，各接触塔板均有开孔；该塔进一步还设置有多块水平分离塔板，各分离塔板放置在接触塔板上方，每块分离塔板均带有旋流管和用于从分离塔板上除去液体的装置。其中各旋流管均设有一放置在旋流管顶端的环状U型弯头导流板。
正常操作时，液滴将脱离旋流管顶端的液膜。液滴由U型弯头导流板强制向下流到分离塔板上。结果，液滴一般将不会向上运动到下一上层接触塔板，因此，不需要旋流管的顶端直接对着分离塔板上方的接触塔板的开孔排放。因而根据本发明，塔内旋流管的直径远远大于接触塔板上的开孔直径，这进一步意味着可以采用较少量的旋流管。适宜的旋流管直径至少是接触塔板开孔直径的三倍，而且旋流管的直径不超过接触塔板开孔直径的二十倍。
本发明的塔的进一步的优势在于：分离塔板的净有效截面大于已知的分离塔板的净有效截面。由于分离塔板上的压降随旋流管中气速的增加而增加，而且该气速与净有效截面成反比，所以该分离塔板上的压降要小于已知的分离塔板上的压降。
现参考附图通过实施例来更为详细地描述本发明，其中
图1示意表示根据本发明的气液逆流接触塔的部分剖面图，以及
图2示意表示根据本发明的一个替代的气液逆流接触塔的部分剖面图。
现参考图1。塔1设有水平接触塔板5、6、7和8，它们在塔1内沿轴向间隔设置。水平接触塔板5、6、7和8为通常所说的筛板。筛板是一种带有孔状通路的平板；为清楚起见，板上的开孔没有用参考标号来标记。水平接触塔板5、6、7和8分别设有降液管10、11、12和13。降液管10在接触塔板5的下方通到其后的下层接触塔板6，依此类推。降液管13开口于其上的塔板未示出，而实际上附属于该塔的最下层分离塔板的降液管将通到塔的底部。
塔1在下端设有一气体入口和一液体出口，在顶端设有一液体入口和一气体出口；图1中未示出气体入口、液体出口、液体入口及气体出口。
塔1进一步还设有水平分离塔板15、16和17，每一分离塔板15、16或17放置在一块接触塔板6、7或8上方。分离塔板15、16和17设有旋流管20、21和22。旋流管20、21和22内部设有旋流发生装置25，例如它可是旋流叶片。各分离塔板15、16或17进一步有从分离塔板上排除液体的装置，其形式为降液管29、30及31。分离塔板15的降液管29经降液管11通到分离塔板15下方的第二块接触塔板7上，以此类推。提请注意：分离塔板17下方的第二块接触塔板未示出，而接触塔板5上方的分离塔板也未示出。
各旋流管20、21或22分别设有一环状U型弯头导流板34、35和36，设置在旋流管20、21或22的顶端。
正常操作时，气体经塔1底端的气体入口(未示出)供给塔1，液体经塔1顶端的液体入口(未示出)供给塔1。在塔1中，气体和液体在水平接触塔板5、6、7和8上相接触交换质和/或热。气液接触以后液体和气体经塔1顶端的气体出口(未示出)及塔1底部的液体出口(未示出)从塔1排出。过量液体经降液管10、11、12和13从接触塔板5、6、7和8排出，而一些液体将随向上流动的气体夹带出去。
塔的操作性能决定于作为液体流量函数的最大气流量；其中最大气流量为上升气体开始夹带液体时的气体流量。
为改善该塔的操作性能，必须减少夹带量。为减少液体夹带量，塔1设有分离塔板15、16和17。在分离塔板15、16和17的旋流管20、21和22中，夹带有液体的上升气流经受一离心运动，其结果是液体从气体中分离出来。分离出的液体聚集在旋流管20、21和22的内表面。在旋流管20、21和22的顶端，液体将脱离旋流管20、21和22的内表面。U型弯头导流板34、35和36将脱离出的液体导向分离塔板15、16和17的塔板上。液体经开口于接触塔板6、7和8的降液管11、12和13中的降液管29、30和31从分离塔板上排出。
为表明本发明的塔在操作性能上的改进之处，在一内径为45cm的塔内进行试验。该塔内装设了四块接触塔板，板间距为600mm。接触塔板为净有效截面为20％的筛板，各接触塔板均设有通到塔板下方的降液管。该塔设有四块分离塔板，每块分离塔板直接放置于一接触塔板之上。每块分离塔板设有5个直径为110mm的旋流管，而每一旋流管带有一U型弯头导流板。分离塔板的净有效截面为30％。
该塔在相应于流动参数范围在0.05～0.15之间的液体流量下操作，其中流动参数定义为(L/G)*(ρl/ρg)1/2。对于这些流动参数，可达到相应于最大负荷参数范围在0.20-0.18m/s之间的最大气流量，其中负荷参数定义为Ug*(ρg/(ρl-ρg)1/2上述的定义中：L为液体流量，m3/s；G为气体流量，m3/s；ρl为液体密度，kg/m3；ρg为气体密度，kg/m3；Ug为表现气体速度，m/s。
接触塔板和分离塔板上的总压降在500～4000Pa之间。
现在考察两个并非根据本发明的塔的实施例。没有分离塔板时，对于同样的流动参数，最大负荷参数约为0.12～0.10，而压力降在250～2000Pa之间。因此根据本发明的塔达到高的最大负荷参数，其代价是压力降较大。
将本发明的塔内的分离塔板用与筛板的净有效截面相同即具有20％净有效截面的分离塔板来代替，并将旋流管用不带U型弯头导流板的旋流管代替，则获得较低的最大负荷参数和较大的压力降。
为从气体中分离液体，旋流管设有一环状U型弯头导流板。正常操作时，液体沿旋流管管壁内表面向上流动，流进一个由环状U型弯头导流板与旋流管管壁所限定的环形通道中。液体沿旋流管管壁内表面向上流动并沿旋流管管壁的外表面向下流动。一些气体将与液体一起流经环形通道。
为抑制气体随液体一起流过环形通道，对环状U型弯头导流板加工成型，将液体在其中向下流过的环形通道部分作成向下收缩的形状。环状U型弯头导流板的这一设计形式应用于图1中所示的旋流管20。由U型弯头导流板34的边缘40与旋流管20外表面所形成的环的表面积小于由U型弯头导流板34的内表面与旋流管20的外表面在旋流管顶端41所形成的环的表面积。
另一方面，正常操作时，由存在于分离塔板上的液体对U型弯头导流板开口处的液封作用可防止液体对气体的夹带。此种设计应用于旋流管21中，其中U型弯头导流板35的外壁45向下延伸到降液管30的溢流堰47的堰顶以下。
为进一步减少液体的夹带，旋流管22设有一液滴捕集器，其型式为放置在U型弯头导流板36的气体出口端的扩口环49。
接触塔板可用任何合适的接触塔板，例如浮阀塔板来代替筛板。
在以上对本发明的叙述中，由分离塔板15排出的液体返回到接触塔板6下方的分离塔板15所属于的接触塔板7；这也适用于其它分离塔板16和17。当塔在低液体负荷下操作时，由分离塔板所分离出的至少一部分液体可以返回到该分离塔板所属于的接触塔板。这可以采用设置在分离塔板开口区的降液管或采用在分离塔板下方的接触塔板上开设的降液管来实现。
本发明提供对于现有塔的一种改进：即减小了流到下一上层塔板上的气体所夹带的液体量。据此，本发明允许在较高的负荷参数下对塔进行操作。
在讨论图2的替代实施方案之前，注意力放在增加负荷参数对于接触塔板操作性能的影响上。为此目的，参考具有降液管12的接触塔板7(图1)。正常操作时，气体向上流动通过接触塔板7上的开孔并与存在于塔板7上的液层进行接触。在接触以后液气分离，气体夹带着液体向上流动而其中分散有气体的液体经降液管12从接触塔板7上除去。降液管12充满了气液分散体系。降液管12中的液体高度正比于接触塔板7上的压力降。由于塔板压力降与表现气速成正比从而与负荷参数成正比，因此降液管中的液体高度正比于负荷参数。由于液体高度不能超过降液管12的高度，因此降液管的高度就限制了负荷参数。
为消除由接触塔板的降液管所造成的局限，设计用一种不带降液管的逆流接触塔板代替错流接触塔板。
现参考图2，图中所示为本发明的一个替代的实施方案，其中与图1所示相似的部分用同样的参考标号标记。
图2所示的实施方案与图1所示的实施方案有二个方面不同。其一是用逆流接触塔板代替了接触塔板。为清楚起见，仅示出了两块接触塔板，这两块塔板用参考标号6′和7′标记。其二是一块分离塔板的降液管开口于该分离塔板下方的第二块接触塔板上；这意味着分离塔板15的降液管延伸到分离塔板15下方的第二块接触塔板7′上而分离塔板16的降液管延伸到分离塔板16下方的第二块接触塔板(未示出)上。加长的降液管用参考标号29′和30′标记。为完整起见，参考标号50系指来自设置在塔1内更上一层的分离塔板(未示出)的加长降液管。
正常操作时，气体通过塔1下端的气体入口(未示出)供给塔1，液体通过塔1顶端的液体入口(未示出)供给塔1。在塔1内，气体和液体在水平接触塔板上相接触交换质和/或热，其中示出了二块塔板，用参考标号6′和7′标记。在接触以后液体和气体通过塔1顶部的气体出口(未示出)与塔1底部的液体出口(未示出)从塔1排出。
向上流过塔1的气体在接触塔板7上与来自降液管29′的液体相接触并在接触塔板6′上与来自降液管50的液体相接触。接触塔板6′和7′即为所说的不带降液管的逆流接触塔板。逆流接触塔板这一名称来源于如下事实：在低的气体速度时，气体通过板上的开孔向上运动而液体通过这些开孔向下滴流。然而，本发明的塔1在相当高的负荷参数下操作，这意味着气速很大足以夹带液体。这样一来，液体与上升气体一起从塔板7排出，而液体和气体在分离塔板16的旋流管25中得以分离。从气体中分离出的液体经降液管30′流到设置于接触塔板7′T方的一块接触塔板(未示出)上。上升气体在接触塔板6′上与由降液管50供给的液体相接触。进一步，液体与上升气体一起从塔板6′排出，而液体和气体在分离塔板15的旋流管25中得以分离。从气体中分离出的液体经降液管29′流到设置于接触塔板6′下方的接触塔板7′上。
本实施方案具有两个优势。第一个优势是降液管29′和30′比图1所示的实施方案中的降液管要高。因此这些降液管中的液体高度可以较高，从而图2中所示的塔能够在较高的负荷参数下操作。第二个优势在于如下事实：由旋流管25分离出的液体基本上不含气体。因为通过旋流管装置分离得到的液体基本上不含气体，由此流经降液管29′和30′的基本上是清液。这意味着对同样数量的液体，分离塔板的降液管与必须处理气液分散体系的接触塔板的降液管相比，其横截面较小。尺寸的差别可达到75％。因此，接触塔板6′和7′的有用面积比图1中所示的接触塔板6和7的有用面积要大得多。