化工设备知识塔设备

化工设备基础知识——塔设备主要内容1塔设备概述2板式塔3填料塔4精馏塔5吸收塔6萃取塔1塔设备概述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。1塔设备概述外形特点：体型高，长宽比大。1.2塔设备的主要特点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1.3塔设备的种类1塔设备概述（1）按结构形式：板式塔和填料塔。（2）按操作单元特性：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：加压塔、常压塔和减压塔。1塔设备概述1.4塔设备的主要外部构件及作用（1）板式塔（2）填料塔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。塔体承受一定的操作压力、温度，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求。1塔设备概述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，分为圆筒形和圆锥形两种。1.4.2支座1塔设备概述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。1.4.6吊柱安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。1塔设备概述1.4.4接管进液管、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。1.4.5除沫器捕集夹带在气流中的液滴。2板式塔2板式塔2.1概念一种逐级接触的气液传质设备。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。2.2板式塔的类型2板式塔泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌片塔等。2.2.1泡罩塔应用最早的板式塔。结构主要由泡罩(气液接触元件)、升气管、溢流堰、降液管及塔板等部分组成。2板式塔泡罩塔的优点：操作弹性大，气液比的范围大，不易堵塞。泡罩塔的缺点：结构复杂、造价高、气相压降大、以及安装维修麻烦等。只是在生产能力变化大，操作稳定性要求高，要求有相当稳定的分离能力等要求时，才考虑使用泡罩塔。2板式塔：泡罩塔2.2.2筛板塔应用历史较久的塔型，结构简单。筛板塔塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。2板式塔筛板塔2板式塔筛板塔的优点：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。(1)结构简单，制造和维修方便，生产能力同比高于浮阀塔；(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。2.2.3浮阀塔结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。2板式塔浮阀塔的优点：浮阀塔板是对泡罩塔板的改进。(1)生产能力大；(2)操作弹性大；(3)塔板效率较高；(4)塔板结构及安装较泡罩简单，重量较轻。浮阀塔的缺点：(1)低气速时塔板效率有所下降；(2)浮阀阀片有卡死的可能，导致操作运转及检修困难；(3)塔板压力降较大，妨碍了它在高气相负荷中的应用。2板式塔2.2.4舌形塔气体通道为在塔盘上冲出的以一定方式排列的舌片。舌片开启一定的角度，舌孔方向与液流方向一致。舌形塔板是为了防止过量液沫夹带而设计的一种塔型。舌形塔结构简单，安装检修方便，但弹性较小，效率较低2板式塔2板式塔20世纪60年代研制的一种定向喷射型浮动舌形塔板。处理能力大，压降小，舌片可以浮动。操作弹性显著增加，板效率也较高，但其舌片容易损坏。2.2.5板式塔的比较浮阀塔在蒸气负荷、操作弹性、塔板效率方面与泡罩塔相比都具有明显优势，获得了广泛应用。筛板塔的压降小、造价低、生产能力大，除操作弹性较小外，应用也较广。2板式塔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。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。2板式塔2.3.1塔盘的结构2.3.2塔盘的分类定距管式、重叠式和支撑圈式。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2板式塔直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘板分成数块，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。塔体通常为焊制整体圆筒，不分塔节。（2）分块式塔盘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。2板式塔结构型式：圆形降液管通常用于塔径较小的场合，弓型降液管适用于大直径的塔。为了保证降液管出口处的液封，在塔盘上设置受液盘，受液盘有平型和凹型两种。2.3.4受液盘2板式塔溢流堰促使液流均匀分布。为使上层塔板流入的液体能在塔盘上均匀分布，常在液体进口处设置进口堰。2.3.5溢流堰及进口堰2板式塔2.4板式塔工作原理2板式塔液体由塔底排出；气体由塔顶排出，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。3填料塔3.1概念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。3.2结构塔体、填料及支承、液体分布器及再分布器、除沫器等。3填料塔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。3.3.1散装填料以乱堆为主的填料，具有一定外形的颗体，又称颗粒填料（1）环形填料：拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料；（2）鞍形填料：弧鞍填料、矩鞍填料、改进矩鞍填料；（3）金属鞍环填料；3填料塔3.3.1.1拉西环（Raschigring）填料缺点：存在沟流和壁流。内表面润湿率较低，传质速率不高。θ环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。优点：易于制造，价格低廉。3填料塔3.3.1.2鲍尔环（Pallring）填料在拉西环基础上发展起来的鲍尔环是在其侧壁上开一层或两层长方形小孔鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。鲍尔环有较大的生产能力和较低的压降，效率较高，沟流现象大大降低。3填料塔3填料塔阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，生产能力提高10%，压降降低25%，较好地避免了沟流现象。结构与鲍尔环相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。阶梯环一般由塑料和金属制成，其性能优于其它侧壁开孔填料，获得广泛应用。3.3.1.3阶梯环填料（Stairring）弧鞍是较早开发的一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料，又称马鞍填料优点：与拉西环相比，空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，性能优于拉西环。缺点：相邻填料易发生互套叠现象，使填料有效表面降低，从而影响传质速率，弧鞍填料很快就被矩鞍填料所取代。3.3.1.4弧鞍形填料3填料塔在弧鞍基础上发展起来的一种结构不对称填料。矩鞍填料的两端为矩形，且填料的两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。气液传质速率提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。3.3.1.5矩鞍形填料3填料塔3.3.1.6金属英特洛克斯（Intalox）填料将环形结构与鞍形结构的特点集于一体而形成的一种独特结构的填料，具有生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大等优良性能，获得广泛应用，如减压蒸馏优势显著。3填料塔金属丝网制成的填料称为网体填料，如网环和鞍型网。3.3.1.7网体填料（Wiregauzepackings）缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。因网丝细密，填料的空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。3填料塔优点：3.3.2规整填料在塔内按均匀的几何图形规则、整齐堆砌的填料，空隙大，故生产能力大，压降小，且因流道规则，所以只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。适用范围：造价较高，易堵塞难清洗，一般用于较难分离或分离要求很高的情况。3填料塔规整填料种类：丝网波纹填料和板波纹填料。叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。各种陶瓷规整填料金属板波纹规整填料3填料塔3.3.3填料用材的选择（1）塑料：要求设备操作温度较低，除强酸外，体系对塑料无溶胀。（2）陶瓷：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填料塔3.4填料的支撑装置支承装置安装在填料层底部。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。结构最简单、最常用的填料支承装置3.4.1栅板型支撑3填料塔3.4.2气液分流型支承属于高通量低压降的支承装置。为气体及液体提供不同通道，避免了液体在板上的积聚，有利于液体的均匀再分配。驼峰式支承装置孔管式填料支承装置3填料塔3.5填料塔的液体分布器3填料塔3.6液体收集再分布器3.6.1填料层分段“壁流”倾向使液体分布不均，降低传质效率。填料段间液体收集再分布装置作用为：（1）收集上层填料液体，使其在下一层均匀分布；（2）消除塔内气液相出现的径向浓度差。3填料塔23.6.2典型结构3填料塔3.7填料的压紧和限位装置（1）填料压紧器:又称填料压板。将其自由放置于填料层上部，靠其自身的重量压紧填料。丝网压板3填料塔（2）填料限位器:又称床层定位器。防止高气速、高压降或塔的操作出现较大波动时，填料向上移动而造成填料层出现空隙，从而影响塔的传质效率。3填料塔3填料塔3.8除沫器安装在液体分布器上方。3.9工作原理液体自塔上部进入，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。3填料塔3填料塔3.10板式塔与填料塔的比较⑴填料塔操作范围较小，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需要冷却移出热量不适宜用填料塔。⑷填料塔塔径可以很小，但板式塔的塔径一般不小于0.6m；⑸板式塔设计更为可靠，安全系数可以取得更小。3填料塔⑹当塔径不很大时，填料塔造价便宜；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填料塔压降小，更适于真空操作。4精馏塔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。4.1精馏塔的结构4精馏塔4精馏塔4.2精馏塔操作的基本概念4.2.1沸点、泡点、露点在一定压力下，将某液体混合物加热至刚刚开始气化时保持的平衡温度，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精馏塔4.2.2精馏基本原理精馏是把液体混合物在传质设备中，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。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产品，由塔釜排出不易挥发的物质。4.2.3板式精馏塔正常状态4精馏塔4精馏塔4.2.4液泛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。出现淹塔现象。（1）控制气液速度；采取措施：（2）采用较大板间距；4精馏塔4.2.5液沫夹带上升气流穿过塔板液层时将板上液体带入上层塔板后果：过量液沫夹带造成返混，导致板效率下降。采取措施：（1）控制气速；（2）增