塔设备基础知识

天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司塔设备基础知识天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司主要内容1塔设备概述2板式塔3填料塔4精馏塔天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司化工厂塔设备1化工厂塔设备21塔设备概述天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司1.1塔设备的概念化工生产过程中可提供气液或液液两相之间进行直接接触机会，达到相际传质及传热目的，又能使接触之后的两相及时分开，互不夹带的设备。注：相是指没有外力作用下，物理、化学性质完全相同，成分相同的均匀物质的聚集态。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司外形特点：体型高，长宽比大。1.2塔设备的主要特点塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。常见的、可在塔设备中完成单元操作的有精馏、吸收、解吸、萃取及气体的洗涤、冷却、增湿、干燥等。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司1.3塔设备的种类（1）按塔的内部构件结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。（2）按化工操作单元的特性（功能），可将塔设备分为：精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔、解吸塔、再生塔和干燥塔等。（3）按操作压力可将塔设备分为：加压塔、常压塔和减压塔。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司1.4塔设备的主要外部构件及作用（1）板式塔（2）填料塔天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司1.4.1塔体塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及上下封头组成。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求。塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设备较高、重量较大，为保证其足够的强度及刚度，通常采用裙式支座（简称“裙座”）。裙座分为圆筒形和圆锥形两种。1.4.2支座天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司1.4.3人孔及手孔为安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置人孔或手孔。不同的塔设备，人孔或手孔的结构及位置等要求不同。1.4.4接管为用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。按其用途可分为进液管、出液管、回流管、进气出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管、液位计接管等。除此之外还有除沫器、吊柱等。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2板式塔2.2板式塔的类型2.1板式塔的概念板式塔是一种逐级（板）接触的气液传质设备。塔内以塔板为基本构件，气体自塔底以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气-液相密切接触而进行传质传热，两相的浓度呈阶梯式变化。板式塔类型的不同，在于其中的塔板结构不同，常见的主要类型有：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌片塔等。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2.2.1泡罩塔优点：操作弹性大，因而在负荷波动范围较大时，仍能保持塔的稳定操作及较高的分离效率；气液比的范围大，不易堵塞等。缺点：结构复杂、造价高、气相压降大、以及安装维修麻烦等。目前，只是在某些情况如生产能力变化大，操作稳定性要求高，要求有相当稳定的分离能力等要求时，可考虑使用泡罩塔。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2.2.2筛板塔筛板塔也是应用历史较久的塔型之一，与泡罩塔相比，筛板塔结构简单，筛板塔结构及气液接触状况如下图所示。筛板塔塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司筛板塔的优点：筛板塔的缺点：小孔径筛板易堵塞，不适于处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液。筛孔塔板是最简单的塔板，造价低廉，只要设计合理，其操作弹性是可以满足生产需要的，目前已成为应用最为广泛的一种板型。(1)结构简单，制造和维修方便，相同条件下生产能力高于浮阀塔；(2)塔板压力降较低，适用于真空蒸馏；(3)塔板效率较高，但稍低于浮阀塔；(4)具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2.3塔盘板式塔的塔盘主要分为溢流式和穿流式两大类，二者之间的区别就在于溢流式塔盘有降液管，而穿流式塔盘上的气液两相同时通过塔板上的一些孔道流动。穿流式塔盘处理能力较大，压力降较小，但效率及操作弹性较差。溢流式塔盘由气液接触元件（如浮阀、筛孔、泡罩等）、塔板、降液管及受液盘、溢流堰等构成。——塔板结构2.3.1塔盘的结构天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司塔盘按结构特点可分为整块式塔盘和分块式塔盘。当塔径≤700mm时，采用整块式塔盘；塔径≥800mm时宜采用分块式塔盘。2.3.2塔盘的分类整块式塔盘根据组装方式不同可分为定距管式、重叠式和支撑圈式。采用整块式塔盘时，塔体由若干个塔节组成，每个塔节中装有一定数量的塔盘，塔节之间采用法兰连接。（1）整块式塔盘直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。分块式塔盘的塔体，通常为焊制整体圆筒，不分塔节。（2）分块式塔盘天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2.3.3降液管作用：使夹带气泡的液流进入降液管后具有足够的分离空间，能将气泡分离出来，从而仅有清液流往下层塔盘。结构型式：可分为圆形降液管和弓形降液管两类。圆形降液管通常用于液体负荷低或塔径较小的场合，弓型降液管适用于大液量及大直径的塔。——降液管模型天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司2.4板式塔工作原理正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆储有一定的液体，气体穿过时两相接触进行传质。——工作模型为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有两方面的功能：（1）每块板上气液两相保持密切充分的接触，为传质过程提供足够大且不断更新的相界面，减小传质阻力；（2）使气液两相尽量保持逆流流动状态，以提供最大的传质推动力。总之，设计意图是塔内逆流、板上错流。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司3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，气体呈连续相自下而上与液体做逆流流动，并进行气液两相间的传质与传热。两相的浓度或温度沿塔高呈连续变化。3.1填料塔的概念天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司3.2填料塔的结构典型填料塔的结构如上图所示，主要部件有塔体、填料及支承、液体分布器及再分布器、除沫器等。3.3填料填料是填料塔的核心内件，它为气－液两相充分接触进行传热传质提供了表面积。可分为散装填料和规整填料两大类。——填料类型3.3.1填料用材的选择（1）塑料：设备操作温度较低，除浓硫酸、浓硝酸等强酸外，体系对塑料无溶胀，但塑料表面对水溶液的润湿性差。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司（2）陶瓷一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对HF和高温下的H3PO4与碱不能使用。（3）金属耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐蚀（含Cl-的酸除外），但价格较昂贵。3.4填料的支承装置填料的支承装置安装在填料层的底部。其作用是防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。常用的支撑装置有栅板型、气液分流型。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司3.5填料塔的液体分布器液体分布器：对进入塔内的液体进行分布，使得液体在塔截面上分布均匀。液体分布器根据其结构形式，可分为以下几种：天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司3.6除沫器用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。3.7填料塔工作原理操作时，液体自塔上部进入，并通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上，并在填料表面呈膜状流下；气体自塔下部进入，通过填料层中的空隙由塔顶排出。气液两相在液膜表面进行传质。——工作模型天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司3.8板式塔与填料塔的比较对许多逆流接触的过程，填料塔和板式塔都可以使用。各种塔型各有优劣，应根据物系综合考虑选择。⑴填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷的变化更为敏感；⑵填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料；⑶当气液接触过程中需要冷却以移出反应热或溶解热时，不适宜用填料塔。另外，当有侧线出料时，填料塔也不如板式塔方便；⑷填料塔的塔径可以很小，但板式塔的塔径一般不小于0.6m；⑸板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，安全系数可以取得更小；天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司⑹当塔径不很大时，填料塔的造价便宜；⑺对于易起泡的物系，填料塔更合适；⑻对于腐蚀性物系，填料塔更合适；⑼对于热敏性物系，采用填料塔较好；⑽填料塔的压降比板式塔小，更适于真空操作。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4精馏塔4.1精馏塔的结构液体混合物的蒸馏操作，是提纯物质和分离混合物的一种方法，它广泛应用于化工生产中。——板式精馏塔模型4.2精馏塔操作的基本概念4.2.1沸点、泡点、露点任何液体受热，其饱和蒸汽压等于外界大气压时的温度，叫该液体的沸点。外界压强越高，液体的沸点就越高；外界的压强越低，液体的沸点也越低。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司在一定压力下，将某液体混合物加热至刚刚开始气化（即刚刚出现第一个微小气泡）时保持的平衡温度，称为该液体混合物的泡点温度（简称泡点）。继续加热，直至全部气化并将这种气体混合物在一定压力下，冷却至刚刚出现第一滴液珠所保持平衡时的温度，称为露点温度（简称露点）。4.2.2精馏基本原理精馏是把液体混合物在传质设备（塔）中，进行多次部分汽化，同时把产生的蒸汽多次部分冷凝，达到完全分离混合物，获得所要求纯度的组分的操作。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司精馏的操作过程中，是在逆流作用的塔式设备中进行的。被塔釜加热的流体，所产生的蒸汽在塔内自下而上地流动，而送入塔顶的回流液体，则与上升的蒸汽相迎，自上而下地流动。由于气液两相在塔中不断地相互接触，进行热和质的交换，使两相在热交换过程中，易挥发组分不断地从液相中向气相中扩散，气相中易挥发组分增浓；液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增浓；两相处于不平衡情况下，则存在推动力，产生质的传递，直至两相达到平衡时，这种传质过程停止。通过整个精馏过程，最终由塔顶得到纯度较高的易挥发组分（塔顶馏出物）的产品，由塔釜排出不易挥发的物质。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4.2.3液泛塔正常工作时,降液管中的液面必须有足够的高度,以克服两板间的压降而流动。当气液两相之一的流量增大，使降液管内液体不能顺利下流，造成两板间液体相连。（1）控制气液速度于液泛速度之下；后果：出现淹塔现象。采取措施：（2）采用较大的板间距；天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4.2.4雾沫夹带上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层塔板的现象。为保证传质达到一定效果，将液沫夹带量控制在0.1kg(液)/kg(气)以下。后果：过量液沫夹带后果－－造成返混，导致板效率严重下降。采取措施：（1）控制气速；（2）增大板间距；天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4.2.5漏液指当上升气体流速减小，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下，便会出现漏液现象。增大气速，使气流分布不均。后果：塔板效率下降，严重时塔无法正常工作。采取措施：漏液量不大于液体流量的10％。漏液气速操作气速液泛速度天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4.2.6塔的操作弹性塔的操作弹性是指最大允许负荷（负荷上限）至最小允许负荷（负荷下限）的范围。精馏塔的负荷上限，使用液沫夹带控制（允许夹带量不大于10%），以能引起“液泛”现象为止，两者界限下的最大负荷；负荷下限，是以漏液量接近10%为准的最小负荷。一般，浮阀塔操作弹性较大，可达9左右；泡罩塔约为5；筛板塔较小；填料塔最小。天然气事业部牙哈作业区中国石油塔里木油田公司4.3影响精馏操作的工艺因素4.3.1塔釜温度在操作压力不变的情况下，