化工设备机械基础之塔设备

目录填料塔板式塔裙式支座塔设备的功能与分类1324塔设备概念什么是塔设备?一类塔形的化工设备.1塔设备的功能与分类塔设备的功能质量传递热量传递精馏吸收萃取塔设备通过其内部构件使气(汽)—液相和液-液相之间充分接触，进行质量传递和热量传递。介质的冷却热量传递与质量传递是同时进行的化工过程预分离反应分离原料产品塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比重装置名称塔设备投资的比例(%)装置名称塔设备重量的比例(%)化工及石油化工25.460万吨，120万吨/年催化裂化48.9炼油及煤化工34.8530万吨/年乙烯25.3化纤44.94.5万吨/年丁二烯54塔设备的分类塔设备分类加压塔、常压塔和减压塔精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔和冷却塔等板式塔和填料塔操作压力单元操作内部结构板式精馏塔吸收塔萃取塔冷却塔板式塔称为逐级接触式的气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，液体靠重力作用由上层塔板经降液管流至下层塔板，最后由塔底流出；气体靠压强差推动，逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔顶。2板式塔精馏段与塔顶冷凝器精馏段作用：提浓轻组分塔顶回流的作用：提供精馏段需要的液相。提馏段与再沸器提馏段作用：提浓重组分塔底回流作用：提供提馏段需要的气相。塔顶回流塔底回流精馏段提馏段板式塔结构(1)塔体塔体是塔设备的外壳，通常由等直径、等壁厚的钢制圆筒和上、下椭圆封头组成。(2)支座支座是塔体与基础的连接部件。塔体支座的形式一般为裙式支座。(3)塔盘结构塔盘结构由塔板、降液管、溢流堰、紧固件、支承件等组成。(4)接管为满足物料进出、过程监测和安装维修等要求，塔设备上有各种开孔及接管。(5)塔附件塔附件包括人孔、手孔、吊柱、平台、扶梯等塔体与封头钢制结构，起保护与支撑的作用塔的外观椭圆封头手孔与人孔作用：停工时对塔的维护及塔板的吊装D800mm的塔装手孔。D800mm的塔装人孔，人孔直径一般≥450mm人孔裙座作用：支撑塔体塔盘结构塔盘是板式塔完成传质、传热过程的主要部件。塔盘由气液接触元件、塔板、受液盘、溢流堰、降液管、塔盘支承件和紧固件组成（一）塔板根据塔径大小及塔板结构特点，塔板可分为整块式和分块式两种。整块式塔板DN≤700mm分块式塔板DN≥800mm塔板通过拉杆和定距管固定在塔节内的支座上，定距管起着支承塔板的作用并保持塔板间距。塔板与塔壁间的缝隙，以软填料密封并用压圈压紧。塔节的长度取决于塔径，当塔径为300～500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度为800—1000mm为宜；当塔径为500～800mm时，人可进入塔内，塔节长度一般不宜超过2000~2500mm。为避免安装困难，每个塔节的塔板数一般不超过6块。1－法兰；2－塔体；3－塔盘圈；4－塔板；5－降液管；6－拉杆；7－定距管；8－压圈；9－填料；10－吊环；11－螺母；12－压扳；13－螺柱；14－支座（焊在塔体内壁上）；15－螺母整块式塔盘的塔节结构整块式塔板塔体由若干塔节组成，内装有一定数量的塔板，塔节间用法兰连接。分块式塔板做成分块式的原因1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；2）对碳钢，塔板厚3~4mm，不锈钢2~3mm，塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块；3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。与整块式的区别分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构(二)溢流装置板式塔内溢流装置包括降液管、受液盘、溢流堰等部件。降液管每块塔板上通常设有一个液体流动通道——降液管。板式塔在正常工作时，液体从上层塔板的降液管流下，横向流过开有筛孔或浮阀的塔板，翻越溢流堰，进入该层塔板的降液管，流向下层塔板。降液管有圆形与弓形两大类。常用的是弓形降液管。弓形降液管由平板和弓形板焊制而成，并焊接固定在塔盘上。受液盘为了保证降液管出口处的液封，在塔盘上一般都设置有受液盘。受液盘的结构形式对塔的侧线取出、降液管的液封、液体流出塔盘的均匀性都有影响。受液盘有平形和凹形两种。在塔或塔段的最底层塔盘降液管末端应设液封盘，以保证降液管出口处的液封。液封盘上开设有泪孔，以供停工时排液。溢流堰根据溢流堰在塔盘上的位置可分为进口堰和出口堰。当塔盘采用平形受液盘时，为保证降液管的液封，使液体均匀流入下层塔盘，并减少液流沿水平方向的冲击，应在液体进口处设置进口堰。•筛孔•降液管•溢流堰（剖面图）降液管受液区溢流堰开孔区俯视图降液管溢流堰受液盘塔板上常见的溢流方式溢流方式：液体流经塔板的方式单溢流（直径流）D2m双溢流（半径流）D2mU型溢流（回转流）(三)除沫装置作用：分离出塔气体中含有的雾沫和液滴，以保证传质效率，减少物料损失，确保气体纯度，改善后续设备的操作条件。分类：常用的除沫装置有丝网除沫器、旋流板除沫器等。丝网除沫器优点：丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、空隙率大、效率高、压降小和使用方便等特点，从而得到广泛应用。适用：丝网除沫器适用于洁净的气体，不宜用于液滴中含有易粘结物的场合，以免堵塞网孔。组成：丝网除沫器由丝网、格栅、支承结构等构成。丝网可由金属和非金属材料制造。常用的金属丝网材料有奥氏体不锈钢、镍、铜、铝、，钛、银、钼等有色金属及其合金；常用的非金属材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、涤纶等。丝网材料的选择要由介质的物性和工艺操作条件确定。旋流板除沫器旋流板除沫器由固定的叶片组成风车状。夹带液滴的气体通过叶片时产生旋转和离心作用。在离心力作用下，将液滴甩至塔壁，从而实现气、液的分离。除沫效率可达95％。(四)进出口管装置进料管液体进料管可直接引入加料板。为使液体均匀通过塔板，减少进料波动带来的影响，通常在加料板上设进口堰。气体进料管一般做成45°的切口，以使气体分布较均匀。1－进料口；2－进口堰(五)人孔与手孔分块式塔盘的塔体一般都开设有人孔。人孔是人员进出塔器和传送内件的通道。除此之外，在气、液进出口等需经常维修清理的部位，以及塔顶和塔釜处，应各设置一个人孔。在塔体上宜采用垂直吊盖人孔。若垂直吊盖妨碍人员操作或塔体有保温层时，可采用回转盖人孔。人孔和手孔都有标准件。垂直吊盖人孔回转盖人孔板式塔的分类根据气液接触元件的不同，板式塔可分为泡罩塔、筛板塔、栅板塔、浮阀塔、喷射塔等形式；A泡罩塔泡罩塔是最早应用于工业生产的典型板式塔。泡罩塔盘由塔板、泡罩、升气管、降液管液流溢等组成。生产中使用的泡罩形式有多种，最常用的是圆形泡罩矩形齿缝，直径为80、100敞开式齿缝，直径150工作原理每层塔板上开有若干个孔，升气管上覆以泡罩，上升气体通过泡罩进入液层时，被分散成许多细小的气泡，为气液两相提供了大量的传质界面。优点：相对于其他塔形操作稳定性较好，易于控制，负荷有变化时仍有较好的弹性，介质适应范围广。缺点：生产能力较低，流体流经塔盘时阻力与压降大，且结构较复杂，造价较高，制造加工有较大难度。B筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm。通常按正三角形不知，孔间距与孔径的比值为3~4，今年来，发展了大孔径（20~25mm）和导向筛板等多种类型。操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气液间密切接触而进行传质。塔内结构优点：筛板塔与泡罩塔相比，生产能力提高20％～40％，塔板效率高10％～15％，压力降小于30％一50％，且结构简单，造价较低，制造、加工、维修方便，故在许多场合都取代了泡罩塔。缺点：操作弹性不如泡罩塔，当负荷有变动时，操作稳定性差。当介质粘性较大或含杂质较多时，筛孔易堵塞。C栅板塔其结构特点是不设降液管。气体和液体同时经由板上孔道逆流通过，在塔盘上形成泡沫进行传质与传热。优点：结构简单，制造、加工、维修简便，塔截面利用率高，生产能力大，塔盘开孔率大，压降小。缺点：塔板效率较低，操作弹性较小。D浮阀塔浮阀塔是20世纪50年代发展起来的板式塔。塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm），每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片，阀片本身有三条“腿”，插入阀孔后将各股底脚板转90°，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度。优点：生产能力提高，操作弹性大，气液流动阻力比泡罩塔小，但比筛孔板大。塔板效率较高。结构简单，造价低。缺点：浮阀装卸清洗较困难。特点：浮阀可随气速的变化上、下自由浮动，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。舌型塔板E喷射塔舌形塔板是喷射型塔板的一种，其结构如下图所示。塔板上冲出许多舌形孔，舌片与板成一定角度（20°），舌孔按正三角形排列。塔板的液流出口处不设溢流堰，只保留降液管，上升气流穿过舌孔后，以较高的速度（20～30m／s）沿舌片的张角向斜上方喷出。液体流过每排舌孔时，即为喷出的气流强烈扰动而形成泡沫体，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中。优点：舌形塔盘物料处理量大，压降小，结构简单，安装方便。缺点：操作弹性小，塔板效率低。被气体喷射的液流在通过降液管时，会夹带气泡到下塔板，气相夹带现象严重。浮动舌形塔浮动舌形塔盘是在塔板孔内装设了可以浮动的舌片。浮动舌片既保留了舌形塔倾斜喷射的结构特点，又具有浮阀操作弹性好的优点。优点：处理量大、压降小、雾沫夹带少、操作弹性大、稳定性好、塔板效率高等优点（介于浮动塔板与固定舌形塔板之间）。结构简单，制造方便。缺点：在操作过程中浮舌易磨损。各种板式塔比较板式塔的结构形式多种多样，各种塔盘结构都具有各自的特点，且都有各自适宜的生产条件和范围，在具体选择塔盘结构时应根据工艺要求选择。上表对几种常用塔形的性能进行了比较，供使用时参考。塔板上的异常操作现象1）漏液漏液两相在塔板上的接触时间↓板效率↓控制：漏液量不大于气体流量的10%。——板式塔操作的气速下限原因：气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀2）严重雾末夹带和泡沫夹带影响液沫夹带因素•空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小•塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小现象：液滴随气体进入上层塔板——雾沫(液沫)夹带。气体随液体进入下层塔板——泡沫夹带。后果：过量液沫夹带和泡沫夹带，造成液、气相在板间的返混，板效率下降。控制：液沫夹带量eV＜0.1kg(液)/kg(气)。3）液泛液泛夹带液泛降液管液泛原因：气液两相流速过大影响因素：流量、塔板结构板间距大液泛速度高3填料塔1、定义填料塔:是一种以连续方式进行气、液传质的设备2、结构填料塔主要由塔体、填料、喷淋装置、液体分布器、填料支承结构、支座等组成。3、特点结构简单、压力降小、填料种类多、具有良好的耐腐蚀性能，特别是在处理容易产生泡沫的物料和真空操作时，有其独特的优越性。4、发展：过去由于填料本体特别是内件的不够完善，使得填料塔局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进，新型高效填料的开发，以及对填料流体力学、传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展，填料塔已被推广到所有大型气、液传质操作中。在某些场合，甚至取代了传统的板式塔。填料塔演示图一、填料填料是填料塔气、液接触的元件填料性能的优劣直接决定着填料塔的操作性能和传质效率。到目前为止，各种形式、各种规格、各种材料的填料达数百种之多；填料结构改进的方向为：（1）增加填料的通过能力，以适应工业生产的需要；（2）改善流体的分布与接触，以提高分离效率；（3）解决放大问题什么是放大效应？从实验室到工业生产特别是大规模的生产，都要解决一个装置的放大问题。生产规模扩大和经济效益提高的重要途径是装置的放大，以节省投资，降低消耗。但是,在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。这种起源于放大过程的效应，长期以来被笼统地称作“放大效应”。填料的分类目前，在石油和化工类工厂中，使用较多的填料有以下五种：拉西环填料，鲍尔环，阶梯环，金属环矩鞍填料以及丝网波纹填料（