在本系列第一篇推送《塔板图鉴——上篇》中（点击蓝色文字超链接直接跳转），简单介绍了一些泡罩塔板和筛孔塔板，今天除了补上其他类型塔板的介绍，我们在最后简单分析一下塔设备传质强化的思路与途径，一方面揭示这些层出不穷的高性能塔板背后的宏观原理，另一方面也是帮助我们思考如何在各种设备的设计中体现出这些思想。
浮阀塔板是20世纪中期由美国科学家开发的一种塔内件，它以其特殊的浮动机理和简单的结构受到了各国工业界的重视。在炼油、化工行业，泡罩塔板一直占据着主要地位，有着操作弹性大、不易堵塞、操作稳定的特点。但它们压降高、通量小，结构复杂，不便于维修，浮阀塔板改变了这个现状。浮阀塔板具有较高的操作弹性，尤其在气液负荷变化较大时，仍然能够保持较高的传质效率。浮阀塔板的主要优点：①由于阀片可以随着气相流量的大小上下浮动，气相流动通道可随气相流量自动调节，增大了操作弹性；②与筛板相比，浮阀塔板的气相是沿水平方向吹出，而不是垂直于塔板的流动方向，这样就有效地减小了雾沫夹带量和板上液层高度，延长了塔板上气体和液体的接触时间，传质效率大大提高；③相对于泡罩塔板，浮阀塔板的结构简单，降低了塔板制造成本。1944年，I.E.Nutter设计了最原始的鼓泡阀式塔板，但是由于压降大，结构不合理而一直没有实际应用。1953年，Koch Engineering公司推出了盘式浮阀塔板。圆盘形浮阀塔板是国内外应用非常普遍的一种塔板，最早出现的是V1型浮阀塔板，我国也叫做F1型浮阀塔板，其结构如图1所示。随后又开发出V4型浮阀塔板，它是在V1型浮阀塔板的基础上进行了结构改进，其阀孔采用文丘里结构，有利于降低塔板阻力。圆盘形浮阀塔板也有其自身的缺点：①相邻浮阀之间，水平吹出的气体相互冲撞，导致雾沫夹带增加，且容易导致塔板上的液体返混；②当气速比较大时，圆形浮阀容易在阀孔中转动，与塔板之间造成摩擦，使浮阀容易磨损、脱落；③由于塔板边缘不能安装浮阀，所以塔板边缘容易产生传质死区；④塔板上密布着凸起的浮阀，当物料黏性较大时，会阻碍物料在塔板上的流动；⑤阀盖的上方没有鼓泡区，上方气液接触状况较差，造成塔板的传质效率降低。1944年，国外就已经开发了条形浮阀，但是当时由于结构不合理且压降过高，一直都没有工业化。1951年，Nutter推出了依靠自身质量来控制阀片开度的条形浮阀塔板。主要有P型条形浮阀（图2）和BDP型条形浮阀两种。条形浮阀克服了圆盘形浮阀容易转动、易磨损的缺点，但是条形浮阀相邻两个阀体之间气液冲撞更加严重，液面落差大，影响了塔板的处理能力。从20世纪80年代中期以来，国内对条形浮阀塔板的研究比较活跃，基于P型条形浮阀和BDP型条形浮阀的缺陷，开发了很多种新型浮阀塔板，例如L1条形浮阀塔板、T形排列条阀塔板、HTⅤ船型浮阀塔板、BTⅤ浮阀塔板、导向浮阀塔板、组合导向浮阀塔板、高弹性浮阀塔板等等。为了提高条形浮阀升起的稳定性和流体力学性能，人们开发了HTV（Half Tube Valve Tray）船形浮阀，其阀件和塔板结构如图3所示。从图3中可以看出，HTV船形浮阀将普通条形浮阀的平顶阀件改为具有下凹半圆形并在两侧均匀流线化的长条形阀件，这样的设置保证了气体流道的顺畅，减少了平顶浮阀产生的涡流，克服了普通浮阀的不稳定状态。HTV阀件在塔板上以长轴与液流平行的方式进行排列，减少了轴向的返混，有利于传质的进行。中国石油大学在HTV阀件的基础上开发了BTV浮阀，并在化工、炼油行业应用中取得了良好的效果。为了加强导向条形浮阀的推流的作用，20世纪90年代，天津大学将条形浮阀改进为梯形浮阀，并因此开发了新型的导向梯形浮阀，其结构如图4所示。梯形的结构大大改善了原有条形浮阀的推液作用，将原来吹向两侧的气体，改为朝液流方向有一个夹角，这样从阀两侧和导向孔出来的气体共同对液流产生了向前的推液作用。导向梯形浮阀与F1型浮阀塔板的性能对比具有如下优点：①塔板结构简单；②塔板压降可降低15%~20%，气相负荷下限可降低1/3左右，气相负荷上限可提高10%~20%，操作弹性大大提高。导向浮阀塔板已代替F1型浮阀塔板在炼油厂常减压塔、煤气厂脱苯塔、乙醇装置中得到应用，均获得显著效果。清华泽华公司和美国AMT公司合作，对F1浮阀塔板进行了改进，开发出了ADV微分浮阀塔板，其结构如图5所示。ADV浮阀塔板在原来的F1浮阀塔板上做了些创新，主要创新有：①在浮阀的阀顶上开设小阀孔，以促进浮阀上方液体鼓泡，增加浮阀上方的气液接触；②部分ADV微分浮阀具有一定的导向功能，能够消除塔板上的液位差；③在降液管区域设有向上突起的鼓泡促进器；④对降液管和浮阀阀腿进行改进。ADV浮阀塔板具有传质效率高，漏液小等优点，目前已在工业上得到应用。固阀型塔板，是将全开浮阀的形式固定在塔板上，而其制作方式又类似于冲孔的方式，故其结构介于浮阀和筛板之间。固阀和塔板是一个整体，其形状可以被制作成方形、圆形或者其他成熟浮阀的结构。这种方式便于加工，降低了制作成本，且性能处于浮阀和筛板之间。阀盖和阀腿之间的空隙为气体流动通道，相对于浮阀塔板来讲，气体流动不需要支撑浮动的阀盖，其压降要低于浮阀塔板。相对于筛板来讲，气体流动是从阀孔水平流出，降低了雾沫夹带，因此，在同等开孔率下处理能力比筛板塔大。V-Grid固阀塔板是 Nutter公司20世纪70年代开发的，其结构如图6所示。其主要特点为：浮阀表面为梯形，气体流出方向和液流方向有一个向前的角度。中国石油大学的孙兰义等开发出了半椭圆固定阀塔板，使得气体从侧面吹出并带有一定推动液流的作用。天津大学为了增大固定阀吹动面积和提高其导流作用，设计了三角固定阀和十字交叉型固定阀。有一类固定阀塔板是从浮阀塔板改造过来的，它们并不是单独设计开发，而是在将工程上得到良好验证的浮阀改造成固定阀塔板。基于固定阀压降低、造价低、不出现卡死等优点，这类固定阀也得到了良好的应用，例如：华东理工大学的组合导向固定阀、由F1浮阀和ADV微分浮阀改造的固定阀等等。泡罩、筛板、浮阀式塔板是应用最久也是最广泛的塔板类型，但近年以来，为了适应现代石化行业的特殊要求，一些异于这三种塔板的特殊设计的塔板也大量开发出来，并取得了良好的应用效果。传统泡罩、筛板、浮阀型塔板在正常操作时，呈泡沫鼓泡操作，都是气液错流塔板。20世纪50年代开始，以气液并流为特点的喷射型塔板问世并迅速在工业分离中获得应用，适应了现代化工分离设备高效、低阻、大通量的要求。喷射型塔板主要利用斜孔或导流孔实现喷射操作，气液两相在孔口相遇，形成两相并流，呈喷雾液滴形式进行气液接触。此时，液相为分散相，气相为连续相。舌形塔板的舌孔是在塔板上直接冲制成型的，设置时孔口与液流方向相同，有三面开口型（I型）和拱形（Ⅱ型）两种，其结构和在塔板上的排布如图7所示。舌形塔板的优点：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：液流在板上被舌孔气流不断加速，停留时间短。液体被气体冲至塔壁落入降液管，带有大量气泡，气相夹带很严重，使塔板效率降低。固定舌形塔板操作弹性小，气流量小时易漏液。舌形塔板广泛应用于常减压原油分馏和脱丙烷等石油炼制工艺过程，具有投资省、处理能力高、压降低、制作简单、造价低廉等特点。后来，人们在舌形塔板的基础上开发了设有导流板的舌形塔板、浮动舌形塔板等多种改进型。斜孔塔板是另一种典型的喷射性塔板，是我国在20世纪70年代开发的，具有自主专利的塔板类型，其结构如图8所示。斜孔塔板的阀件是在塔板上直接冲制的簸箕形斜孔。这些斜孔的开孔方向与液流方向垂直（避免了朝向液流方向造成的液体加速），相邻两排孔口方向相反（气液喷流互相牵制，互相补偿，在塔板上形成较均匀的两相液层）。这种设计使得斜孔塔板有效地避免了喷射塔板停留时间过短和液层不均的弊端。无溢流塔板又称穿流型塔板，其结构特点是无溢流堰，塔板上开有栅孔或筛孔。在操作时蒸汽由塔板上的栅缝或开孔上升，与塔板上的液体形成泡沫接触，进行传质传热，然后液体下降，气体升入上层塔板。这种塔板因为没有溢流装置，节省了塔内空间，而且结构简单、造价低廉、压降低，但这种塔板的操作弹性比较小，一般应用于汽提塔等对操作弹性要求不大的场合。穿流式波纹筛板是普通筛孔和栅孔型穿流筛板的改进型，其结构如图9所示。波纹筛板的加工安装过程为：首先在4~8mm的钢板上冲出筛孔，然后压弯成为波纹状，后固定在支撑圈上，支撑圈的高度比波谷略高，相邻两层塔板呈90°错排。按照负荷的不同，塔板波纹的深浅不同，负荷越高，深度越深。这种塔板已经应用于原油蒸馏、溶剂回收等多种工艺过程。其处理能力比淋降筛板高40%，能达到泡罩塔板的两倍，且制造费用低亷。此外，还有浮阀型无溢流塔板、浮动筛板穿流塔板等多种无溢流塔板。并流塔板在经典的板式塔中并无此种分类，如何给此种塔板下一个准确的定义比较困难。而从实际来看，并流塔板并非指一类塔板，而是指一类气液在塔内的特殊流程，即气体或液体在塔内被分割为两股以上的独立气相或液相，同相流动且分别完成传质的板式塔构型。详细地可以分为以下几种。①单纯液体并流：Coflo Slit塔板；②单纯气体并流：Cse Med塔板；③汽液同时并流：Parastillation网孔型并流筛板。1982年，Coflo并流塔板的原型Trutna塔板开始进行设计，其基本思路是设置专门的塔板和气液分离段，后经过 Texas大学等的改进，于1998年定型，并命名为Coflo tray，被誉为近些年以来板式塔最重要的发展之一。Coflo并流塔板的基本结构如图10所示。其在常规塔板上部加入集液器，通过集液器实现气液分离，强化了常规意义上的气液重力分离，并通过集液器调高了降液有效空间高度，降液管内基本是清液流动，因此可以大幅提高塔板的气相和液相处理能力。Coflo并流塔板的操作处于喷射状态，对于超大型设备也不需要设计多溢流，但结构复杂、造价高、压降大，放大效应很低，现今在工业上还没有应用实例。旋流塔板是一种新型的旋转喷射型塔板，由我国自行开发。结构如图11所示。塔板的叶片固定在中间轴上，好像风车叶片一般。气流通过旋转的叶片时会产生一定的离心力，液体通过旋转叶片时会受到气流的影响，离心作用使得液层很薄，且气液接触均匀，喷射出的液滴会撞击到塔壁上，并流到集液槽中，然后通过降液管流至下层塔板。旋流塔板具有处理能力大、负荷高、压降低、弹性宽、不易堵等特点。一般意义上的复合塔板，是指不同类型的塔内件之间的复合，一般分为以下几种情况：（1）同一块塔板上有不同的鼓泡内件，如不同种类的浮阀组合或浮阀和筛孔的复合；（2）不同种类的塔板经过组合复合成一块复合塔板，如筛板和筛板的组合或浮阀塔板上置一块筛板；（3）塔板和填料的组合。T/P型复合塔板是在穿流筛板的下方设置一段规整填料。穿流筛板没有降液管，这也使得气液逆流依次穿过筛板和规整填料。这种结构令塔板空间得到充分利用，并将塔板和填料结合起来，其优点概括起来包括以下几点。第一，充分利用塔内空间，使传质效率大幅度提升；第二，穿流筛板使得液体在填料层内分布更加均匀，气液接触良好；第三，填料的存在，基本消除了雾沫夹带；第四，穿流筛板的液层较低，板压降很小。实践已证明该复合塔板的传质效率非常高，但是填料的存在使得该塔板的抗堵性能较差。P/T型复合塔板最早是由加拿大原子能公司提出的。它的结构是在普通筛板的鼓泡区上设置一段金属丝网填料。这段填料可以提高鼓泡区液层高度，同时填料的设置将液体撕裂成更小的液滴，提高了气液相间接触面积，同时，填料的设置减少了夹带，提高了塔板效率。当然还有将塔板和填料更有机地组合在一起的复合塔板，如导向立体板填复合塔板、NS穿流复合塔板、并流喷射填料塔板等。下面以NS并流复合塔板为例进行讲解，其结构如图12所示。塔板开孔采用正八字的文丘里式喷嘴孔，降低气体通过压降，增强塔板强度。可将八字形长条孔的两长边沿设计成锯齿形，便于气体通过通道时预分散，缩短气液体混合距离，提高了帽罩内空间利用率和气液体的混合强度，提高了传质效率。帽罩气液喷孔为开口斜向下的百叶窗式结构，延长了气液混合物的停留时强化了传质；气液两相流经百叶窗斜向下喷出，获得向下的速度分量，减少了帽间的对喷，便于液相由于惯性较大，落到板上液层中，气相折返向上进入上一层塔板，从而有效降低雾沫夹带量，进一步提高了塔的操作上限。也可将帽罩上下倾百叶窗式条孔两边沿设计成锯齿形，气液混合物并流通过通道时进一步提高气液混合强度并分散进入罩外填料，提高了传质效率。帽罩外倒锥形空间安置具有三维通道的高效规整填料，气液并流斜向下喷入规整填料进一步高效传质；同时上部填料成为传质后气流的除沫器，下部填料解决了传质后液体的脱气，较大程度地提高了传质效率和降低了雾沫夹带。由于气体不穿过板面液层，加之帽罩外高效规整填料的脱气作用，降液管内液体停留时间可降至1 s（通常塔板设计降液管内液体停留时间为5~10 s），降液管液体通过能力提高4倍以上。帽罩排列方向与液流方向一致，通过帽罩和填料内加隔板分区，使板面上液体呈螺旋式流动，减小板上液体返混和液面落差，成倍地增加了气液接触时间，使板上气液分布均匀，有利于提高传质效率和减小塔的放大效应；通过将配套的降液管底部设计成带有侧吹孔的出口堰，进一步解决塔板入口液体的初分布均匀性，保证NS并流复合塔板的大型化。鉴于浮阀塔板操作弹性大，处理量大的优点，越来越多的塔设备改造为新型的浮阀塔板。但科技工作者们对浮阀塔板的操作性能仍然不满足，对传统的浮阀塔板压降高、阀片上方传质效率低等缺点进行了改进：泽华工程将固定阀和浮阀相结合，在矩形固定阀上增加了一个较小的浮阀，开发了HAV浮阀，并成功应用。南京大学的张志炳教授设计了母子菱形浮阀，将两个大小不同的菱形浮阀复合起来，起到增大操作弹性和导流的作用。中国石油大学也基于上述思想，在固定浮阀上设置了一个同样的小型固阀，起到了优化原有浮阀的作用。另外也有在浮阀塔板上开筛孔的方法，可以在不更换塔板的情况下提高气相负荷上限。前面的内容，包括上篇介绍的塔板可谓是五花八门，在工业应用上也是八仙过海，各显神通。其实万变不离其宗，这些结构各异的塔内件的核心还是在提高传质效率，同时尽量减少负面影响（漏液、夹带等）。那么如何才能提高气液两相的传质效率？或者以上塔板是如何实现强化传质的？接下来做一个非常简单的分析。众所周知，气液两相传质速率符合以下规律：式中：M —— 传质速率K —— 传质系数(或传质阻力的倒数)A —— 传质界面的有效面积Δc —— 传质推动力气液两相传质速率为传质系数、传质面积和传质推动力三者的乘积。因此提升传质速率意味着增大这三者中的一项或者多项。第一点，提高传质系数。根据下表所示的三个经典传质理论，提高传质系数就需要减少液膜厚度、减少微元接触时间和增大表面更新率。具体的实施方法可以为提高湍动程度、强化气液混合和提高表面更新速度。第二点，增大传质面积，可以通过提高两相分散程度来实现。第三点，提高传质推动力。根据双膜理论，提高酸气分压可以增大传质推动力，这也是一些吸收塔操作压力高于常压的原因。随着传质设备技术水平的提高，气液传递由亳米尺度提升到纳微尺度，气液两相传质不仅通过分散相破碎为微米尺度的颗粒相外，而且还依靠纳微尺度的颗粒相破裂分散与聚并的界面更新来实现。保持尽可能大的有效接触面积、较高的界面更新速率和较长的气液接触传质时间，这是提高传质效率的有效途径。现代高效率的传质塔内件均采用液相为分散相，在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下，气液两相的传质速率大大提高。液相分散成液滴后，气液接触传质面积大，但液滴须有一个合适的粒径分布。液滴的大小关系到相际接触面积、传质系数和塔的流通量。气速过高形成的液滴较小，相际接触面积大，有利于传质，但液滴过小易形成雾沫夹带，对提高通量不利。所以，液滴对传质的影响必须从通量和传质效率两方面考虑，蒸馏塔内气液相分散/相分离的矛盾造成了处理能力和传质效率之间的矛盾，关键的控制变量为瞬时相界面。要解决蒸馏塔的通量和传质效率之间的矛盾，从瞬时相界面最大化调控着手，针对大型的蒸馏过程，涉及相界面更新调控和相界面调控两方面。相界面调控对于塔内件开发和实现工业蒸馏塔改造的最优设计和消除瓶颈就是选择合理的液体分散粒度分布，解决雾沫夹带问题，使气、液相高度分散和接触时间长，以增大两相实际接触面积（如利用比表面很大的填料、立体垂直筛板、喷射性的塔板等）或延长两相实际接触时间（如气液同向流的塔内件、穿流塔板与填料的复合等）。相界面更新调控对于塔内件开发和实现工业蒸馏塔改造的最优设计和消除瓶颈就是提高表面更新速率（如带有横向混合的高效填料、立体垂直筛板、气流交错的塔板等）。
资料来源：李群生. 传质分离理论与现代塔器技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2016.田原宇, 乔英云. 新型复合塔板技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2014.2020化工设计竞赛交流QQ3群（群号：1023844891）
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