塔设备使用与管理

塔设备使用与管理吴健石化培训教程目录•绪论•塔设备的结构•塔设备的维护•塔设备的检修•塔设备的试验与验收•塔设备的安全管理•常见塔设备的故障诊断与检修技术第一章绪论一、塔设备的作用及地位•作用使气（汽）液或液液两相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。•地位第一节塔设备的作用及工作原理二、塔设备的工作原理•能进行的单元操作精馏、吸收、解吸、气体的增湿冷却等。•工作原理（以常压分馏塔为例）在炼油化工行业中，塔设备的操作目的就是从混合液中将不同馏程的组分分离开来。原油是由许多不同分子量的碳氢化合物组成的混合物。当给原油加热时，原油中分子量较小，沸点低的组分就首先气化成油气而逸出。因此说原油分馏的过程就是利用原油中各组分沸点的不同来使之分离的过程。第二节塔设备的分类加压塔、常压塔、减压塔精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔、再生塔等框架塔、自支承式塔填料塔、板式塔按压力按单元操作按支承方式按塔内件结构第三节塔设备的设计原则1、高的传质效率，即气、液两相充分接触，相际传热面积大。2、生产能力大，即气、液处理量大。3、操作稳定，操作弹性大。4、压降小，即流体流动阻力小。5、结构简单，材料耗量小，制造、操作、维修方便。6、耐腐蚀，不易堵塞。1、泡罩塔在设计中应注意的问题●液量过小或液封高度不够气体直接排开液体上升，气液接触不良（锥流）●液量过大，蒸气量过小液体从泡罩升气管流下（倾流和偏流）●气量过小脉冲鼓泡（蒸气流动的脉动）●气量过大雾沫夹带●气、液量均很大液泛第三节塔设备的设计原则2、气液的传热、传质过程中的几个概念（1）塔板效率在实际生产中，由于接触时间有限，液（雾）末夹带的原因，还有制造和安装的关系，气液两相不能达到平衡的状态，使实际的塔板数大于理论的塔板数。理论塔板数与实际塔板数的比值就是塔板效率。影响因素：（1）气、液两相的物理性质，如扩散系数，相对挥发度、粘度等。（2）操作参数，如气、液两相的流速、回流比、压力、温度等。（3）塔的结构，能提供良好的两相接触，如大的截面、激励的湍流等。第三节塔设备的设计原则（2）雾沫夹带气体在液体内鼓泡后，穿过液层时总不免带有许多液滴，小液滴相互碰撞形成大液滴落回液层，还有少量微小液滴被蒸气夹带到上层塔盘称为雾沫夹带。由于雾沫夹带，往往使塔板效率下降。影响因素：①处理量的大小：处理量大时，气相负荷也增大，塔内气速变大，雾沫夹带就变得严重。②塔板间距：塔板间距不能太小，否则雾沫夹带量也加大。③塔盘结构：好的塔盘结构，能控制雾沫夹带量。第三节塔设备的设计原则气液的传热、传质过程中的几个概念（3）液泛由于气液流量都很大，而板间距过小，降液管容积过小，上、下两层塔板的压力降增大到使液体无法正常下流。部分液体不能通过降液管流下被拦劫在塔板上，使泡沫层超过板间距而形成液泛。其危害有：塔的压降急剧上升，效率急剧下降，正常操作被打破。产生原因：①气相量过大：使得大量液滴从泡沫层中喷出到达上层塔板，冷凝回流后增大了液相管负荷及塔板的压力降，产生淹塔现象。②液相量过大：降液管面积不足，使液体不能及时通过，也会产生淹塔。有时降液管堵塞也会产生这种现象。主要的防治方法：①尽量加大降液管截面积，但会减少塔板开孔面积。②改进塔盘结构，降低塔盘压力降。③控制液体回流量不能太大。第三节塔设备的设计原则气液的传热、传质过程中的几个概念（4）漏液液体在塔盘上横向流过并经降液管流入下一层塔板。如果气象负荷过小，塔内气速很低，大量的液体由于重力的作用，会从阀孔或舌形塔板的舌孔直接漏到下一层塔盘，这种现象称为漏液。危害：由于漏液，使气、液两相没有充分接触，降低了塔板的效率。主要防治方法：处理量应控制在允许范围内，不可随意减少。第三节塔设备的设计原则气液的传热、传质过程中的几个概念（5）气泡夹带液体横流过塔盘，与气体接触后由降液管流到下层塔盘。液体流入降液管时常带有大量的气泡，在降液管中停留足够的时间，使泡沫分离成气体与清液，气体上升回到上层塔盘。如果液相负荷增加，液体在降液管中流速增加，停留时间很短，液体中夹带的气泡来不及分离就被带入到下一层塔盘，这种现象称为“气泡夹带”。危害：严重的气泡夹带同样会降低塔盘的分离效率。主要防治方法：防止气泡夹带的主要措施是控制回流量。第三节塔设备的设计原则气液的传热、传质过程中的几个概念塔的总体结构主体部分（塔体、裙座）内件（塔盘、降液管、溢流堰、紧固件、支承件、除沫器等）设备的接管口（人孔、手孔、物料进出口接管、仪表口接管）附件（吊柱、支承圈、平台等）第二章塔设备的结构第一节塔设备的基本部件•填料塔和板式塔结构见右图。从图中可看出，两种不同的塔结构，均包括一些基本部件，如塔体、支座及塔体附件。而其不同的内件结构则在介绍两种塔型时分别介绍。填料塔板式塔第一节塔设备的基本部件（一）塔体•塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头为多。但随着装置的大型化，不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度、刚度要求外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所带来的影响，以及吊装、运输、检验、开停工等情况。•塔体材质常采用的有：碳素钢、低合金钢、不锈耐酸钢（复层、衬里）、锻件等。第一节塔设备的基本部件（二）塔体支座•塔设备常采用裙式支座。它应当具有足够的强度和刚度，来承受塔体操作重量、风力、地震等引起的载荷。•塔体支座的材质常采用碳素钢，也有采用铸铁的。（三）塔体附件（1）接管；（2）人孔和手孔；（3）吊耳；（4）吊柱；（5）平台和爬梯。填料塔是化学工业中最常用的气液传质设备之一，填料塔具有结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，适应性较好的特点。填料塔广泛的应用在蒸馏、吸收和解吸操作，而在大型装置中，填料塔的使用范围正在扩大。六十年代后期，直径超过6米的填料塔已十分普遍。目前，填料塔不仅可以大型化，而且在某些方面超过了板式塔的规模。所以，近代化学、石油工业中，填料塔的地位变得日益重要。近来，由于塔内采用接触面积较大的矩鞍型或聚丙烯鲍尔环填料，经实践证明，已克服大型填料塔的不足，显示出效率高，处理量大，压力降小等优点。第二节填料塔填料塔属于微分接触型的气液传质设备。塔内以填料作为气液接触和传质的基本元件。液体在填料表面呈膜状自上而下流动，气体呈连续自上而下与液体做逆流流动，并进行气液两相间的传热和传质。两相的组分浓度或温度沿塔高呈连续变化。第二节填料塔（一）填料1、填料的选择填料塔操作的好坏与选用填料的正确与否有很大关系。选择填料的原则如下：•单位体积填料的表面积要大；使气液相接触的自由体积要大；对气相阻力要小，即：空隙截面积大；重量要轻；机械强度要高；耐介质腐蚀，经久耐用；价格低廉。•填料的选择，应根据操作压力和介质来选择填料的材质，根据操作工艺要求，选择填料的型式，根据填料塔径选择填料尺寸。第二节填料塔第二节填料塔2、填料的分类工业用填料大致分为散装填料和规整填料两大类。板波纹填料丝网波纹填料规整填料金属环矩鞍填料改进矩鞍填料矩鞍填料弧鞍填料鞍形填料阶梯环改进鲍尔环鲍尔环开孔环形填料填料θ环、十字环及内螺旋拉西环环形填料散装填料（乱堆填料）填料第二节填料塔3、填料的材质选择填料要根据被处理物料的腐蚀性及操作压力，确定使用填料的材质。各种材质的填料使用范围见下表。填料的使用范围第二节填料塔4、填料尺寸的选择填料尺寸选定与塔径尺寸有关，一般要求塔径与填料直径之比不能太小，否则，填料与塔壁的间隙过大，易使液体沿塔壁空隙流下，使截面上液体分布不均。一般乱堆填料的最大装填尺寸与塔径的比例：对拉西环为1：8～1：20，鲍尔环为1：10～1：15，弧鞍形填料为1：10，矩鞍形填料为1：8～1：10。根据经验也可按下表来选择。填料尺寸选择表mm第二节填料塔5、常用填料的规格及特性（1）常用填料型式第二节填料塔（2）填料的生产能力填料的生产能力通常以相对生产能力来表示，即在相同的生产条件下，以拉西环为1来比较其它型式填料的生产能力，见下表。常用填料的规格及特性常用填料的相对生产能力表第二节填料塔（3）填料的效率填料的效率采用传质单元高度或理论当量高度表示之。同样，也可用在相同塔径，相同气速下，以填料相对压力降来表示，以判断填料的优劣，见下表。常用填料的规格及特性塔内填料层具有一定的几何特性，如比表面积、空隙率等，这些特性随着填料的类型、材料、装填方法而不同。常用填料相对压降表第二节填料塔（4）常用填料介绍①拉西环拉西环使用历史悠久，各种参数比较完整；设计与操作经验丰富，外形简单、制造方便；取材容易、造价低廉，适用于非金属耐腐蚀材料制造等优点。但拉西环由于表面积利用率低，因而使塔的生产能力降低，阻力较大，加上自身的形状决定了它沟流和壁流严重，使气液分布不均匀，气—液接触不良。②鞍形填料鞍形填料又分弧鞍形和矩鞍形两种。我国已制成暂行标准系列，此种填料常用于吸收操作，处理腐蚀性介质较为适宜，且成本低。近来，又对矩鞍形填料予以改进。它是目前瓷制填料中处理量大，效率较高的一种。常用填料的规格及特性第二节填料塔③鲍尔环鲍尔环除钢制外，还有用陶瓷和塑料制成的。具有如下优点：•对于同样的空隙率而言，阻力比拉西环小，因而可提高气速，生产能力可以提高。•由于小窗叶片向环中心弯，液体分布较为均匀，所以沟流和壁流情况比拉西环好。•开小窗后表面积比拉西环要大，且环内表面得以充分利用，以进行气液传质，而拉西环内表面利用率较低。•操作弹性范围大。在一般情况下，当同样压降时，处理量比拉西环大50%以上；在同样处理量时，压降可降低，传质效率能提高20%左右。近来又对鲍尔环加以改进，已用在原油减压蒸馏，液—液萃取，二氧化碳和硫化氢气体的洗涤设备中。常用填料介绍第二节填料塔（二）喷淋装置在塔顶部装设喷淋装置，可使塔顶引入的液体沿塔截面均匀分布进入填料层，避免部分填料得不到湿润，降低填料层的有效利用率，影响传质效果。喷淋装置的类型很多，常用的如下所示：管式喷淋型莲蓬头式盘式溢流型喷淋装置类型槽式宝塔式冲击型反射板式离心式机械式第二节填料塔1、管式喷淋器•小直径的填料塔（300mm以下）可以采用管式喷淋器，如图（1）、（2）所示。直径小于600mm的塔可采用多孔直管式如图（3）。该结构的优点是结构简单，缺点是喷淋面积小而且不均匀。（a）直管（b）弯管（c）多空直管式管式喷淋器第二节填料塔•对于直径稍大的填料塔（1200mm以下），可以采用多孔环管喷淋器，如下图所示。环状管的下面开有小孔，小孔直径为4～8mm，共有3～5排，小孔面积总和约与管截面积相等，环管中心圆直径D一般为塔径的Di的60%～80%。这种喷淋器优点是结构简单，制造及安装方便，但缺点是喷淋面积小，不够均匀，而且液体要清洁，否则小孔易堵塞。环管多孔喷淋器管式喷淋器第二节填料塔2、莲蓬头式喷淋器•这种结构是应用最普遍的一种喷淋装置，结构简单，喷淋较均匀，如下图所示。莲蓬头可以作成半球形、碟形或杯形，它悬于填料上方中央处，液体经小孔分股喷出，莲蓬头直径一般为塔径的20%～30%，小孔直径为3～15mm，它的安装位置离填料表面的距离一般约为（0.5～1)DN，此种结构的缺点是容易堵塞，液体分布情况与压头有关，所以适用于料液清洁且料液压头不变或变化不大的情况，一般用于直径600mm以下的塔设备。第二节填料塔3、溢流型喷淋器盘式分布器是常用的一种溢流型喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，喷淋到填料上。中央进料的盘式分布器如右图所示。降液管一般按等边三角形排列，焊接在喷淋盘的分布板上。盘式布液器第二节填料塔•如果喷淋盘与塔壁之间的孔隙不够大，而气体又需要通过分布盘时，可在分布盘上装升气管及降液管，如下图所示。此种分布器适用于直径800mm以上的塔设备。1-定距管2-升气管3-降液管4、5-螺栓、螺母带升气管的分布盘溢流型喷淋器第二节填料塔4、冲击型喷淋器•反射板式喷洒器为冲击型的一种，利用液流冲击反射板（可以是平板、凸