本发明涉及一种在分馏塔中使用的分馏塔盘，特别是涉及一种新颖的装 置，即，能使用于分馏塔和其它用于分离两种或更多种流体(如蒸汽和液体) 的相关装置的分馏塔盘的组装时间和成本大大节省的装置。
所谓分馏是这样一种过程，即，通过在高压或真空条件下加热或去热， 将通常由两种或多种物质组成的蒸气或液体混合物的工艺流体分离成所需纯 度的组份。分馏塔是为了高效地实现这种分离而设计的。
基本的分馏是从塔柱的顶部开始进行，一直往下到塔柱的底部。较重的 工艺液体沿塔柱往下流，而较轻的工艺蒸汽则逆流而上。分馏塔的主要构件 包括：一竖直的壳体和若干个塔柱内部构件例如分馏塔盘或填料，工艺蒸气 和工艺液体物质就在塔柱内部的这些地方进行分离。塔柱内部构件可以提高 和加强被处理蒸气与液体之间的分离作用。塔柱内部构件的各种内部结构， 例如塔盘间隔、塔柱直径、加强流动用组件的安置等，可以提高效率，进而 降低能耗。
在典型的分馏塔柱中，是在竖直的壳体内水平地安装多个分馏塔盘。分 馏塔盘的特别设计有利于加强工艺蒸气和液体之间的分离，因为这种设计使 流体之间可以更密切地接触，这种接触能使分离效果更好。每个分馏塔盘都 是由若干个面板组成的，这些面板通常是通过螺栓相互联接，然后再通过螺 栓或通过夹紧的方式连接于分馏塔中的一个横梁支承件。各面板与支承件之 间的区域是一个“死区”，在那里很少发生或根本不发生蒸汽—液体的相互 作用和分离。
分馏塔盘的蒸气与液体接触区域通常被称作“活性区域”。应该将面板 与周围支承件之间的死区区域作为一个非活性区域从活性区域中减去，该死 区区域对分离过程没有帮助。因此，所有分馏塔盘的死区面积之和会降低塔 柱的效率，从而需要更多的塔盘来实现所需的效果。
最近，授予Nutter的美国专利5,468,425揭示了一种对塔盘的死区加以 改良以解决在该区域的蒸气—液体接触状况的装置。在相邻面板之间的相当 大的重叠边界区域内，在各面板上设置几何形状基本相同的孔。需要很大的 边界区域以通过螺栓将相邻的面板连接在一起。
虽然在边界区域内添加了很多孔，但是传统的螺栓还是会像传统的分馏 塔盘面板设计那样产生同样的死区问题。由于重叠的边界区域很大，并沿相 邻面板的长度方向延伸，因而通过螺栓将各块面板连接起来所需的面积有助 于生成死区。因此，在边界区域设置孔对塔盘和塔柱的容量和效率的益处被 减少了。
此外，Nutter塔盘在安装方面仍然追随传统的塔盘设计，因而需要两个 或多个安装工人。由于每块面板都是用一个螺栓连接于相邻的面板，至少一 个在塔盘上方的安装者必须将一块塔盘上的螺栓孔对准第二块面板上的螺栓 孔。此外，安装者必须在塔盘的下方用螺母或其它的锁定装置来完成螺栓最 终的紧固。熟悉该领域的人员应该认识到，这种传统的安装程序是分馏塔盘 安装过程中的一个很大的劳力成本，并会延长分馏塔安装所需的时间。因此， 在整个设备停机以更换塔柱内部构件的修理过程中，不能节省劳力或时间， 这种附加的非运行时间会影响设备的运行。
因此，需要一种能减小塔盘面板之间的死区的分馏塔盘，以提高塔柱容 量和效率。分馏塔盘应该能方便、简单地构造，同时保持足够的强度以便用 于高压蒸气和液体环境。该分馏塔盘还应该易于安装，以在关键性的安装过 程中显著地节省劳力成本和时间。
发明概要
本发明涉及一种供分馏塔内的流体分离接触用的装置，所述分馏塔是用 于两种不同质量的流体之间的质量交换。按照本发明，提供了一分馏塔盘表 面，该塔盘具有第一和第二互锁面板和多个阀穿孔。各阀穿孔可允许较轻的 流体(如蒸气)自下而上地流过分馏塔盘，以与在分馏塔盘上方流动的较重 的流体相互作用。
第一互锁面板具有一基本上水平的平面，该平面具有若干个阀穿孔和一 对准区域。对准区域具有至少一个对准插槽和至少一个对准穿孔。
第二互锁面板靠近第一互锁面板。第二互锁面板具有用于插入到第一互 锁面板的对准插槽中的至少一个对准凸片。对准凸片还包含一阀穿孔。
在安装过程中，将对准凸片插入到第一互锁面板的对准插槽中。阀穿孔 对准对准穿孔，因而使蒸气可以自下而上地通过分馏塔盘，与在塔盘表面流 动的液体相互作用。
分馏塔盘和面板最好由一位于对准区域的整体式构架元件来支承。该整 体式构架元件从对准区域向下延伸，并设计成对对准穿孔的影响最小。一凸 缘从整体式构架的支脚部分伸出，以便加强对构架的支承。
在一个较佳实施例中，将一分馏阀插入对准凸片的阀穿孔。该阀可以是 可动阀也可以是固定阀。利用该阀可以减少泛滥和滴漏现象，可以将来自于 分馏塔盘下方上升的蒸气偏移进入一水平的横向流。
较佳的是，在安装过程中，不需要用螺栓来联接第一和第二互锁面板， 这样就可以使安装所需的劳力成本减至最低。互锁面板可以使安装更加迅速， 从而减少设备停机(例如因维修)所需的时间。此外，不用螺栓还允许在传 统的非活性区域上安置阀穿孔，从而减小分馏塔盘的机械死区。这样，由于 能使蒸气和液体之间的相互作用变大，因而可以提高分馏塔盘和塔柱的容量 和效率。
本发明的分馏塔盘设计可以提供迅速且方便的安装。由于能提高塔柱的 容量和效率，因而这种面板对准系统可以从劳力成本和运行成本两方面来降 低塔盘成本。
附图简要说明
图1是根据本发明的一分馏塔盘的俯视平面图，示出了相互连接的一第 一互锁面板和一第二互锁面板；
图2是一侧视立体图，示出了图1中的分馏塔盘的第一和第二互锁面板， 这些互锁面板具有位于多个阀穿孔中的阀；
图3是第一和第二面板之间的对准区域的放大侧剖视图，更详细地示出 了对准凸片和阀；
图4是一立体图，示出了具有阀的第一和第二互锁面板，其中包括图1 所示分馏塔盘的第二互锁面板的对准区域和第一互锁面板对准凸片；
图5是一侧剖视图，示出了将第二互锁面板插入第一互锁面板的对准区 域以形成图1所示之塔盘的情况；
图6是一立体图，示出了将第二互锁面板插入第一互锁面板的对准区域 以形成图1所示之分馏塔盘的情况。
对本发明的详细描述
下面将结合图1至5来描述本发明的一个较佳实施例。本发明的分馏塔 盘并不限于该实施例。说明书和权利要求书中所用的描述性的语言仅仅是为 了描述清楚和方便，并不在任何程度上隐含地局限于质量交换技术或者是局 限于质量交换塔内常见的部件垂向配置。
术语“流体”是取自质量交换领域的专门术语，以便在不局限于质量交 换技术的情况下来总地描述流过本发明之阀的颗粒类型。质量交换作业中的 颗粒通常包括分子级的或显微尺度的液滴或气泡。通常，“蒸气”或“气体” 是较轻的流体，而“液体”是较重的流体。本发明的塔盘用阀可以较为理想 地应用于高压流体环境，例如分层分馏塔柱。这种高压流体环境允许蒸气和 液体分离。
术语“塔盘”和“塔板”意指用于质量交换的塔柱内的面板。也可以将 塔盘描述成流体接触的分馏塔盘。在典型的塔盘装置中，塔盘的上表面朝着 塔柱的顶端，而其下表面朝着塔柱的底端。在塔板上可以有若干个塔盘开口。 通常，阀或其它装置位于塔盘开口的上方，用以调节流过液体的蒸气流量。 然而，这里的术语塔盘指的就是可通过其安装例如本发明的阀的任何面板。
“流体流”是定义为流体在分馏塔中的以及横过分馏塔盘的总体流动。 蒸气流通常从塔柱的底部通过塔板上的穿孔流向塔柱的顶部。液体流通常是 从顶部塔盘向下流向底部塔盘。液体从分馏塔盘的上游或入口部分流向分馏 塔盘的下游或出口堰部。在通过出口堰部之后，液体流过并覆盖下水管区域， 直至下一个塔盘的入口部分。
在说明书和权利要求书中，“可动的”一般是用来描述塔盘阀被插入塔 板的泡沫促进开孔之后的运动。一般地说，熟悉本技术领域的人应该理解， 本发明的阀组件或其它装置最好可以相对于塔板向上和向下运动。这种运动 可以让流体从塔板的下表面流向上表面，从而藉助质量交换技术来实现所需 的流体分馏。塔板与扩散阀之间的距离限定了一个让向上流动的微粒通过的 流体逸出通道或开口。
术语“泛滥(flooding)”和“滴漏(weeping)”是指分馏塔盘工作过 程中的状况。泛滥是指上升的蒸气从分馏塔盘下方通过塔板上的开口垂直地 向上直射，以在液体中相对未受干扰的方式流过液体而撞击到上面的塔板上。 通常，泛滥发生在蒸气压力较高因而允许蒸气射过液体的情况下。滴漏发生 在低流速情况下，即，低流速的液体可以通过塔盘表面的穿孔渗漏到下面的 塔盘上。在液体流速较高的情况下，可能发生“倾泻(dumping)”，即，液 体流过阀穿孔，而不是横流过塔板并经过下水管。
本发明的分馏塔盘是构造成可以装配在一个质量交换分馏塔内。在以下 的较佳实施例中描述、图示和要求保护该分馏塔盘。
现请参见附图，图1是本发明分馏塔盘的平面图。一第一互锁面板10A 具有若干个阀穿孔，在每个穿孔中均插设有阀30。较佳的是，沿着塔盘面板 的整个长度方向设置了多个对准凸片20，以便连接一相邻的互锁面板。每个 对准凸片20均具有一凹陷部分21和一突起部分22。
如图1所示，对准凸片20沿互锁面板10A的边缘均匀地固定和定位。对 准区域1(未图示)的位置与对准凸片20相对。每个对准凸片20均具有一在 凸片内的相应的阀穿孔35。阀穿孔35最好是一个基本上圆的开口，但是也可 以加以改变以接纳任何阀或其它流体偏移组件。
第二互锁面板10B示出了对准区域1的情况，该区域基本上与第一互锁 面板10A上的对准区域相同。对准区域1具有一用于接纳相邻塔盘面板的对 准凸片20的凹陷部分21的对准插槽15。对准穿孔25紧挨在对准插槽25的 后面。对准穿孔25最好是一个大于阀穿孔的敞开区域。因此，如果预先在分 馏塔的外侧来安装阀，在将阀30的腿部穿过对准孔来进行安装时，可以减少 安装所需的时间。阀30在阀穿孔35中的定位可以分别防止在开、闭的位置 上发生滴漏和泛滥现象。
图2示出了本发明图1所示的互锁面板的立体图。图中的两块塔盘面板 完全组装在一起，其中阀30插设在分馏塔盘的阀穿孔中。图中示出了第二互 锁面板10B的整体式构架元件40。该整体式构架元件从对准区域1向下延伸， 不会妨碍蒸气流过对准穿孔25。整体式构架40的厚度与塔盘面板相同。
现请参见图3，这是互锁面板的侧剖视图。图中所示的各阀30插设在塔 板上，并位于塔盘面板的阀穿孔中。在图中，对准凸片20的凹陷部分21和 突起部分22是在第一互锁面板10A上。最好是将对准凸片20设计成这样， 即，能使互锁的塔盘面板保持如图2所示的基本水平的状态。在图中，阀32 穿过对准区域1上的阀穿孔和对准穿孔。
如图3所示，整体式构架元件40从对准区域1向下延伸。一构架凸缘45 从整体式构架元件40横向地延伸而形成一个支脚。这样能大大地提高整体式 构架的刚度，同时允许构架保持为一个薄金属片。
图4是对准区域1的一个详示剖视图，其中对准凸片20插设在对准插槽 15(未图示)中。凹陷部分21最好是在第二互锁平面10B的水平面下方，并 且如图所示的那样插入对准插槽15。突起部分22在第一互锁平面10A的对准 区域1的上方。凹陷部分21与突起部分22的组合使得相邻的塔盘面板能够 在安装之后保持在一个平的、水平的平面上，以便使液体能更均匀一致地流 过塔板表面。阀32是通过第二互锁面板10B的对准凸片20和第一互锁面板10A 的对准区域1插入的。这样就可以提供一个无螺栓但却仍然稳定的连接。
图4还放大地示出了整体式构架元件40，其中，构架从对准区域1向下 延伸。构架元件40的厚度基本上等同于塔盘面板的其余部分的厚度。构架凸 缘45从构架元件40横向地延伸而形成一个支脚部分。这样就可以加强构架 元件，使它可以间互锁塔盘支承在分馏塔内。熟悉本技术的人员应该可以认 识到，分馏塔盘和整体式构架所采用的金属厚度是按照材料的标准厚度而定 的。构成材料包括碳素钢，并且可以是7规格(gauge)或4.5mm厚度的碳素 钢至10规格或3.5mm厚度的碳素钢。规格较薄的材料(如14规格的材料) 也可以包括外来金属，如钛金属。
图5是将第二互锁面板插入到第一互锁面板的对准区域中的侧剖视图。 其中，以一个由X表示的角度，将对准凸片20的凹陷部分21插入到第一互 锁面板10A的对准插槽中。为便于安装，先将阀30插设到塔板上，然后再将 塔盘安装到分馏塔中。由于塔柱相对于塔盘面板而言是一个狭长的竖直壳体， 因而上述的安装方法可以降低安装成本。由于在塔柱的外侧将阀30插入塔板， 因而使安装作业变得非常快速，并且可以降低劳力成本。
随后，使在对准凸片20的阀穿孔35中的阀32的腿部穿过对准对准穿孔 25。由于对准穿孔25最好是大于阀穿孔35，因而可以很方便地将阀32插入 对准穿孔25。由于有重力作用在第二互锁面板10B的末端，因而第二互锁面 板可以移动角度X，如图3所示的那样对准第一互锁平面的水平面。
现请参见图6，该立体图示出了互锁面板的安装情况。随着第二互锁面板 移动角度X，对准凸片20中的各阀穿孔35中的每个阀32就会插入到第一互 锁面板的对称穿孔25中。互锁面板10B的天然重力作用可以为塔盘面板提供 沿所需水平方向对准所需的力。
本发明可以大大降低将塔盘安装在一分馏塔中的劳力成本，因为互锁面 板可以提供快速的安装同时减小安装所需的劳力。对准区域的设计使得安装 者可以很方便地将一塔盘面板与相邻的塔盘面板对准。因此，本发明的塔盘 面板的安装时间要少得多，从而缩短时间很关键的塔柱和设备维修所需的周 转时间。
带有穿孔的对准区域还可以减小死区面积，同时不需要在塔盘面板之间 添加联接螺栓。由于死区会减小蒸气与液体的相互作用面积，因而这样就能 提高塔柱的工作能力。由于减小了死区或非活性区域，因而可以采用较少的 分馏塔板，从而提高了整个塔柱的效率。
虽然上面结合较佳实施例对本发明进行了描述，但也可以采用其它的构 造。例如，可以按照插入到分馏塔盘内的阀的设计来调节互锁凸片和穿孔的 尺寸及形状，在对准凸片之间可以采用一螺栓，以进一步加强两块面板之间 的互锁作用。
在各阀穿孔内可以采用固定阀。可以采用微扩散阀(如Chuang等人在1997 年10月10日提交的美国临时专利申请60/061,504，以及1998年9月1日提 交的美国临时专利申请09/145,187所揭示)来进一步地使上升的蒸气扩散进 入液体流。这种罩盖阀的微扩散作用可以使蒸气微细地分散，使蒸气在液体 内微扩散而允许进行更大的蒸气—液体相互作用。这样就可以大大改善分离 和蒸馏过程。微扩散阀可以用于整个塔板表面，或者单独地用于对准区域。
用来构造塔盘面板的金属的厚度使得整体式构架的高度可调，从而不会 堵塞减小的死区。熟悉本技术的人员应该理解，塔盘面板可以是弯曲的，例 如面板的靠近分馏塔的圆形壳体的部分可以是弯曲的。
可以在不偏离本发明主题的情况下，对所揭示的实施例和其它实施例做 出各种改型。