塔设备

第1页共28页塔设备第一节概述在石油炼制工业中，各种塔设备占有重要的地位，塔设备的性能对于整个装置的产品质量、生产能力、能量消耗以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大影响。塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于比较，从不同的角度对塔设备进行分类。如按塔设备的用途可分为：1.分馏塔——也称蒸馏塔，炼化厂中的分馏塔也叫精馏塔，其作用是将液体混合物的各种组分分离出来。如常减压装置常压塔和减压塔、加氢裂化装置主汽提塔和分馏塔等，可将原料油分割成汽油、石脑油、煤油、柴油及润滑油等产品。2.吸收塔、解吸塔——通过溶剂来溶解、吸收气体的塔是吸收塔；将吸收液用加热等方法使溶解于其中的气体释放出来的叫解吸塔。例如催化裂化装置中的吸收解吸塔、加氢裂化装置燃料气脱硫塔和溶剂再生塔等。3.抽提塔——通过溶剂将液体混合物中某种（些）组分有选择地溶解、萃取出来的塔叫抽提塔。4.洗涤塔——用水来除去气体中无用的组分或固体尘粒，称为水洗塔，同时还有一定的冷却作用。如按塔设备的结构可分为两大类：板式塔：如图2-1所示，塔内设有一层层相隔一定距离的塔盘，每层塔盘上液体与气体互相接触传热传质后又分开，气体继续上升到上一层塔盘，液体继续流到下一层塔盘上。依照塔盘的结构形式，板式塔可分为圆泡帽塔、槽形塔盘塔、S形塔盘塔、浮阀塔、喷射塔、筛板塔等，板式塔常用做分馏塔和抽提塔。在板式塔中，两相的组份、浓度沿塔高呈阶梯式变化。填料塔：如图2-2所示，内充填有各种形式的填料，液体自上而下流动，在填料表面形成许多薄膜，使自下而上的气体，在经过填料空间时与液体具有较大的接触面积，以促进传质作用。填料塔的结构比板式塔简单，而填料的形式繁多，常用的填料有：拉西环、鲍尔环、蜂窝填料、鞍形填料和丝网填料等。填料塔常用做吸收塔、解吸塔和洗涤塔。在填料塔中，两相的组份、浓度沿塔高呈连续变化。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（或汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，塔设备还得考虑以下各项要求：1）生产能力大。在较大的气（或汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带或液泛等破坏正常操作的现象。2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（或汽）液负荷有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下第2页共28页进行稳定的操作。并且应保证能长期连续操作。3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗（具体以泵的功耗来体现），以降低生产操作费用。4）结构简单、材料耗量小、制造和安装容易。这可以减少投资、维修费用。5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。应该指出，事实上，对于任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅仅是在某些方面具有独到之处。第3页共28页第二节板式塔2.1工作原理炼化厂应用最广的是各种形式的板式塔，其中大部分是分馏塔，现以原油常压分馏塔为例来说明塔设备的基本工作原理。原油是由各种分子量不同的碳氢化合物组成的混合物，各组分沸点是不同的，例如汽油沸点＜130℃，煤油沸点为130~250℃，柴油沸点为250-350℃，蜡油沸点为350-520℃，渣油沸点为＞520℃。分馏塔就是利用各组分沸点不同的特性进行分馏的。如图2-3所示，在加热炉中加热到350℃左右的原油进入常压塔后，分子量较小沸点低汽油、煤油、柴油等组分蒸发成为油气，分子量较大沸点高的组分仍是液体。高温的油气上升经过一层层塔盘，在每层塔盘上与往下流动温度较低的液体相接触，气相中沸点较高的组分会冷凝成液体从油气中分离出来，同时塔盘上的液体被加热，其中沸点较低的组分会被汽化，从液体中分离出来。经过每层塔盘都会有这种质量和热量的传递，于是油气越往上就变得轻组分增多，重组分减少，到塔顶部就是汽油成分，抽出后经冷凝便得到液体的汽油产品，将其中的一部分再打回到塔顶的塔盘上去，就形成了塔盘下流液体，这叫塔顶回流。下流的液体每经过一层塔盘就发生和汽相相反的变化，越往下变得重组分越多，轻组分越少，到某一层塔盘便成为煤油组分，抽出一部分经冷却便得到了煤油产品，其余的继续下沉。到更下面的某一层塔盘便成为柴油组分，塔底出来的重组分成为常压重油。从塔侧线抽出的液体组分不仅仅是产品，有时也是其它装置的原料，如减压馏分油作为催化裂化原料。塔内上升的油气一方面是由进料中的气相形成，另一方面是由塔底通入过热汽提蒸汽或把塔底部分重油经过加热釜加热汽化形成的。对分馏塔，一般把进料口以上部分叫精馏段，用来提浓汽相中的轻组分，进料口以下部分叫提馏段，用来提浓液相中的重组分。第4页共28页2.2、塔盘2.2.1、塔盘的工作原理塔盘也称塔板，是塔设备的重要部件，其基本技术要求是分馏效率高，生产能力大，操作稳定，压降小和结构简单。由塔的工作原理可知，塔盘要提供汽液两相之间的接触界面，它应包括以下几个功能：(1)油气上升的通道；(2)液体下降的降液板或降液管；(3)供气液两相充分接触的构件。现以圆泡帽塔盘为例来说明塔盘的工作情况：图2-4表示圆泡帽塔盘的结构，在塔盘上开有许多圆孔，每孔焊一个圆管，称升气管；管上再罩一个帽子，叫泡帽；泡帽下部圆周方向开有许多矩形竖直开口，称气缝。液体从上一层塔盘的降液管流下，流经该塔盘面并由该塔盘的降液管继续流至下一层塔盘。为使塔盘上保持一定厚度的液层，使泡帽的气缝完全淹没在液层内，在降液管上部装有溢流堰。气体从升气管上升，拐弯通过升气管与泡帽的环形空间，从气缝喷散而出，形成鼓泡现象，使气液两相充分接触，进行传热与传质。一般来讲，鼓泡越细越激烈，两相接触就越好，分馏效率也就越高。各种结构形式的塔盘都有一个适宜的工作区。气体在液体内鼓泡后，穿出液层时总不免带有许多细微的液滴，有的来不及分离就被带到上层塔盘的液体中去，这种现象称为“雾沫夹带”。被夹带上去的少量液滴所含的重组分比上一层塔盘液体所含的重组分要多，会降低塔盘的分馏效率。气体负荷增加，塔内气速变大，“雾沫夹带”变得严重，当它波及所有塔盘时就会形成“冲塔”，从而导致回流罐满罐，影响下游装置。因此要严格限制气相负荷，不能随便提高塔底重沸器的加热量或汽提蒸汽量。反之，若是液体量过大，降液管面积不够，液体来不及流向下一层塔盘，导致几层塔盘的液体连成一片，不能进行分馏操作，这种现象称为“液泛”，当它波及所有塔盘时就会形成“淹塔”。防止“液泛”的主要办法是限制塔顶回流量，或改进塔盘的结构形式，或加大降液管的面积。2.2.2、常见塔盘（1）舌形塔盘：如图2-5所示，舌片由钢板上冲出并按一定角度朝一个方向翘起，在塔盘上呈三第5页共28页角形排列。气休从舌片下的孔中吹出，与液层搅拌接触。液体流动方向与气流方向一致，故塔板上的液面落差较小，全塔盘鼓泡较均匀。气体斜喷再折而向上，所以雾沫夹带较少，气体流量可提高，塔盘上只有降液管，没有溢流堰，因此塔盘上压力降较小，塔盘金属耗量较小，且制造安装方便。（2）浮阀塔盘：它可分为两大类,一类是盘状浮阀，如图2-6所示，即浮阀呈圆盘形，塔板上开孔是圆孔，按其在塔扳上固定的方法又可分为用三条支腿固定浮阀升高位置的F1型浮阀和用十字架限定升高位置的十字架型浮阀；另一类是条状浮阀，浮阀是带支腿的长条片，塔板上开的是长条孔，长条片面上有的还开有长条孔或凹槽等，形式多样。第6页共28页由于浮阀的操作弹性大、雾沫夹带少、全塔盘鼓泡均匀、效率较高、压降小、结构简单、造价低等一系列优点，所以得到非常广泛的应用。目前，炼化厂最广泛采用的是Fl型盘状浮阀，现以F－1型浮阀为例说明其工作情况：圆盘浮阀靠三条支腿插在塔板上三角形排列的圆孔内，当气体通过圆孔上升时，靠气流的动能把阀片顶起，气体就吹入塔板上的液层内进行鼓泡。阀片上的三条支腿，起到限制阀片的运动和开度的作用，并且，F－1型浮阀的周边有三个起始定距片，即使浮阀完全关闭，阀片与塔板之间仍能保持一定距离（2.5mm—6mm左右），这样即使在小气量时，气体也能通过所阀片均匀鼓泡。因而可以得到较宽的稳定操作范围。同时，由于阀片与塔板之间的点接触，可以避免阀片与塔板粘住，使浮阀在气量增大时能平稳升起。F1型浮阀现已标准化（JB1118-68），一般从其型号上可以出其特性。其型号如下例所示：F1Z──3A││││A—A3F│││└─浮阀材质B—1Cr13│││C—1Cr18Ni9Ti│││D—Cr18Ni12MoTi││└─适用的塔板厚度(mm)包括2、3、4、4.5几种│└─重型(Z)或轻型(Q),一般应用重型为多└─F1型浮阀标志上例就表示为F1型重型浮阀，材质为A3F适用于3mm厚的塔板。其中：重型F1型浮阀重约32—34g，用δ＝2mm薄钢板冲成。轻型F1型浮阀重约25—26g，用δ＝1.5mm薄钢板冲成。第7页共28页尽管F1型浮阀应用很广泛，但也有其缺点：※浮阀阀盖上方没有鼓泡区，其上方气液接触状况较差，造成塔板传质效率降低；※塔板上的液面梯度较大，气体在液体流动方向上分布不均匀。在塔板上的进口端容易产生过量的泄漏，或者在塔板上的出口端容易导致气体喷射，二者均使塔板效率降低。※从阀孔出来的气体向四周吹出，导致塔板上液体返混程度较大；※在塔板两侧的弓形部位存在一定的液体滞留区。在滞留区内，液体无主动流动，通过滞留区的气相几乎无组成变化，这使塔板的效率降低。※在操作中，F1浮阀不停地在旋转，浮阀和阀孔易被磨损，浮阀易脱落。（3）筛孔塔盘：筛孔塔盘的结构很简单，就是在钢板上钻许多三角形排列的孔，孔直径为φ3-8mm。气流从小孔中穿出吹入液体内鼓泡，液体则横流过塔板从降液管中流下。这种塔盘开孔率较大，生产能力也较大，气流没有拐弯，压降较小，塔板上无障碍物，液面落差较小，鼓泡可以较均匀。但它的操作弹性较小，气流负荷变小时，容易泄漏，效率下降，且有时小孔易堵。近年来发展了大孔筛板(孔径达φ20-25mm)、导向筛板等多种筛板塔。2.2.3、其他新型塔板：（1）浮动喷射塔盘：这种塔盘综合了舌形单向喷射和浮阀自动调节的特点。图2-8(a)为其中的一种，塔板为百叶窗形，其条形叶片是活动的。当有气体通过时，把叶片顶开，气体向斜上方喷出，气速越大叶片的张角越大；图2-8(b)为另一种类型，舌片带有限制其升高位置的支腿，当气体通过时，将其抬起呈倾斜状态，浮动舌片的开度随气流负荷的变化而自动地调节。舌片的倾斜均为同一方向，有利于流体的流动，减少液面落差。第8页共28页（2）ADV微分浮阀塔盘：如图2-9所示，与传统F1浮阀塔盘相比，ADV浮阀塔盘从浮阀结构、降液管结构等方面进行了改进：（a）ADV微分浮阀在阀顶开小阀孔，充分利用浮阀上部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，汽液接触更加充分；（b）局部采用带有导向作用的ADV微分浮阀，消除了塔板上的液体滞留现象，提高了汽液分布的均匀度；（c）采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀并降低液面梯度，从而提高传质效率；（d）适当改进降液管，增加鼓泡区的面积；（e）阀腿采用新的结构设计，使浮阀安装快捷方便，操作不易转动或脱落。与F1浮阀相比：微分浮阀的塔板效率提高了10％--20％，处理能力提高了40％。目前该类型塔盘已在炼化化工行业得到广泛应用。（3）导向浮阀塔板：导向浮阀也称条形阀（气体从浮阀的两侧流出，气体流出的方向垂直于塔板上的液体流动方向，可减少液体返混现象），只不过在阀片上开有一个和两个导向孔（开口方向与液流方向相同），具有一个导向孔的阀布置在塔板中间，具有两个导向孔的阀布置在两侧弓形区（以加速该区域的液体流动，从而消除塔板上的液体滞留区）。其目的是一部分气流从导向孔吹出，使阀盖上的气第9页共28页液两相并流，气相推动液体流动，从而减少液面落差Δ与液体的滞留时间，压降减小，通量增大。更重要的是这类浮阀解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足，板效率大大提高，而且导向浮阀在操作中不旋转，浮阀不易磨损脱落，为浮阀的发展作出了贡献。（4）BJ浮阀塔板：BJ浮阀也是一种导向浮阀，它在条形浮阀的前阀腿上开一矩形孔，气流在水平通过阀体两侧的同时，增加了一个向前吹出的气流动力（体流通面积增大），导引液体向前流动。它不但可以改善阀与阀之间的鼓