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1、第五章第五章 塔式反应器塔式反应器第一节 概述第二节 填料塔第三节 板式塔第四节 设计举例 第一节第一节 概述概述 在炼油、化工生产中，气液两相直接接触进在炼油、化工生产中，气液两相直接接触进行传质传热的过程很多（精馏、吸收、解吸、萃行传质传热的过程很多（精馏、吸收、解吸、萃取等），这些过程都是在一定压力、温度、流量取等），这些过程都是在一定压力、温度、流量等工艺条件下，在一定的设备内完成的。这些设等工艺条件下，在一定的设备内完成的。这些设备都是竖直安装的圆筒形容器，而且长径比较大，备都是竖直安装的圆筒形容器，而且长径比较大，形状如塔，习惯上称为形状如塔，习惯上称为塔设备塔设备。 在化工生产中
2、，塔设备的性能对整个装置的在化工生产中，塔设备的性能对整个装置的产品产量、质量、三废处理等各方面都有重大影产品产量、质量、三废处理等各方面都有重大影响。响。表表5-1 化工生产装置中各类工艺设备所占投资比例化工生产装置中各类工艺设备所占投资比例类别类别搅拌设备搅拌设备反应设备反应设备换热设备换热设备塔设备塔设备石油化工石油化工6.1522.9145.5525.39石油炼制石油炼制2.6313.0249.5034.85人造纤维人造纤维12.192.3040.6144.90药物和制药物和制药药33.6130.6025.929.87油脂工业油脂工业19.588.9950.9420.49油漆和涂油漆和
3、涂料料53.6622.0312.9111.40橡胶橡胶15.3812.0457.4715.11投资费用及钢材投资费用及钢材耗量仅次于换热耗量仅次于换热设备。设备。 塔设备可以用作反应器应用于气液相反应，例如，加塔设备可以用作反应器应用于气液相反应，例如，加氢、硫化、卤化、氧化等化学反应过程。氢、硫化、卤化、氧化等化学反应过程。（1 1）塔设备分类：按结构分类）塔设备分类：按结构分类塔塔设设备备分分类类：几种常见的塔设备几种常见的塔设备塔设备分类：按用途分类塔设备分类：按用途分类塔塔设设备备分分类类：精馏塔精馏塔利用液体组分中分组分的挥发性的差异来分离利用液体组分中分组分的挥发性的差异来分离各液
4、体组分叫蒸馏，多次蒸馏的过程叫精馏。各液体组分叫蒸馏，多次蒸馏的过程叫精馏。常减压塔常减压塔。萃取塔萃取塔对于各组分沸点相差很小的液体混合物，利用对于各组分沸点相差很小的液体混合物，利用精馏分离困难，可以考虑在混合物中加入某种沸点较高精馏分离困难，可以考虑在混合物中加入某种沸点较高的溶剂，利用溶解度的差异分离。的溶剂，利用溶解度的差异分离。-丙烷脱沥青中的抽丙烷脱沥青中的抽提塔。提塔。洗涤塔洗涤塔 用水去除气体中无用组分。用水去除气体中无用组分。吸收吸收-解吸塔解吸塔利用混合气体在溶液中的溶解度不同，利用混合气体在溶液中的溶解度不同，通过吸收液来分离气体的工艺过程为吸收，逆过程为通过吸收液来分
5、离气体的工艺过程为吸收，逆过程为解吸。炼厂气中回收乙烯和丙烯（变压吸附）。解吸。炼厂气中回收乙烯和丙烯（变压吸附）。（2）塔式反应器的特点）塔式反应器的特点填料塔填料塔 优点优点：结构：结构 简单，耐腐蚀简单，耐腐蚀 ，轴向返混可忽略，轴向返混可忽略 ，能获得较大，能获得较大的液相转化率，气相流动压降小，降低了操作费用。的液相转化率，气相流动压降小，降低了操作费用。缺点缺点：液体在填料床层中停留时间短，不能满足慢反应的：液体在填料床层中停留时间短，不能满足慢反应的要求，且存在壁流和液体分布不均等问题要求，且存在壁流和液体分布不均等问题 ，其生产能力低，其生产能力低于板式塔。于板式塔。应用：适用
6、于应用：适用于快速和瞬间快速和瞬间反应过程，特别适宜于低压和介反应过程，特别适宜于低压和介质具腐蚀性的操作。质具腐蚀性的操作。 填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蚀性强及强度和填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蚀性强及强度和润湿等性能优良。润湿等性能优良。优点优点：逐板操作：逐板操作 ；轴向返混降到最低，；轴向返混降到最低，并可采用最小的液流速率进行操作，从并可采用最小的液流速率进行操作，从而获得极高的液相转化率而获得极高的液相转化率 ；气液剧烈接；气液剧烈接触，气液相界面传质和传热系数大触，气液相界面传质和传热系数大 ；板；板间可设置传热构件，以移出和移入热量间可设置传热构件，以移出和移
7、入热量 。缺点缺点：反应器结构复杂，气相流动压降：反应器结构复杂，气相流动压降大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作 。应用：适用于快速和中速的传质过程控应用：适用于快速和中速的传质过程控制的化学反应过程，大多用于制的化学反应过程，大多用于加压操作加压操作过程过程 。板式塔板式塔 喷雾塔是喷雾塔是气膜控制气膜控制的反应系统，适于瞬间的反应系统，适于瞬间反应过程。塔内中空，反应过程。塔内中空，特别适用于有污泥、沉特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的体淀和生成固体产物的体系。但储液量低，液相系。但储液量低，液相传质系数小，且雾滴在传质系数小，且雾滴在气流中的浮动和气流沟气流
8、中的浮动和气流沟流存在，气液两相返混流存在，气液两相返混严重。严重。 喷雾塔喷雾塔鼓泡塔鼓泡塔 储液量大，适于速度储液量大，适于速度慢和热效应大的反应。液慢和热效应大的反应。液相轴向返混严重，连续操相轴向返混严重，连续操作型反应速率明显下降。作型反应速率明显下降。在单一反应器中，很难达在单一反应器中，很难达到高的液相转化率，因此到高的液相转化率，因此常用多级彭泡塔串联或采常用多级彭泡塔串联或采用间歇操作方式用间歇操作方式 （3）塔式反应器选型）塔式反应器选型塔式反应器选型一般考虑以下因素：塔式反应器选型一般考虑以下因素：具备较高的生产能力具备较高的生产能力有利于反应温度的控制有利于反应温度的控
9、制有利于反应选择性提高有利于反应选择性提高有利于降低能耗有利于降低能耗能在较少液体流率下操作能在较少液体流率下操作第二节第二节 填料塔填料塔填料塔结构包填料塔结构包括：塔体、液括：塔体、液体分布器、支体分布器、支撑板、液体收撑板、液体收集器、填料等集器、填料等。塔体塔体 塔体是塔设备的主要部件，大塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头多。塔体除体，顶盖以椭圆形封头多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度和刚满足工艺条件对它提出的强度和刚度要求外，还应该考虑风力、地震、度要求外，还应该考虑风力、地震、偏心载荷等等。偏心载荷等等。 塔
10、体材质常采用的有：非金属塔体材质常采用的有：非金属材料、碳钢、不锈耐酸钢等。材料、碳钢、不锈耐酸钢等。塔体支座塔体支座塔设备常采用塔设备常采用裙式支座裙式支座，它，它应当具备足够应当具备足够的强度和刚度，的强度和刚度，来承受塔体操来承受塔体操作重量、风力作重量、风力等引起的载荷。等引起的载荷。人孔和手孔人孔和手孔 人孔是安装和检修人员人孔是安装和检修人员进出塔器的唯一通道。人孔进出塔器的唯一通道。人孔的设置应便于人员进入任何的设置应便于人员进入任何一层塔板。一层塔板。 手孔是手和手提灯能伸手孔是手和手提灯能伸入的设备孔口，用于不便进入的设备孔口，用于不便进入或不必进入设备即能清理、入或不必进入
11、设备即能清理、检查或修理的场合。检查或修理的场合。塔内件塔内件 填料塔内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装填料塔内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置和液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料置和液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作和优良的传质性能十分重要。塔的正常操作和优良的传质性能十分重要。（1）除沫器）除沫器 除沫装置减少液体的夹带损失，确保气体的除沫装置减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。纯度，保证后续设备的正常操作。（2）填料）填料拉西环拉西环鲍尔环鲍尔环鞍环鞍环球形填料球形填料聚丙烯
12、球聚丙烯球共轭环共轭环陶瓷波纹填料陶瓷波纹填料 常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍环等，材质有陶常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍环等，材质有陶瓷、不锈钢、石墨和塑料。瓷、不锈钢、石墨和塑料。（3）填料支撑装置）填料支撑装置 作用是支撑塔内填料层，对其要求是：有足作用是支撑塔内填料层，对其要求是：有足够的强度和刚度，能支撑填料重量、填料的持液够的强度和刚度，能支撑填料重量、填料的持液量及操作中的附加压力等；具有大于填料层空隙量及操作中的附加压力等；具有大于填料层空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；结构率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；结构合理，有利于气液相的均匀分布，阻力小，便于合理，有
13、利于气液相的均匀分布，阻力小，便于拆装。拆装。（4）填料压紧装置）填料压紧装置 为保持操作中填料层为一高度恒定的固定床，为保持操作中填料层为一高度恒定的固定床，而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，在填料层填装后于其上安装填料压紧装置。可以防在填料层填装后于其上安装填料压紧装置。可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。松动和跳动。（5）液体分布装置）液体分布装置第三节第三节 板式塔板式塔总体结构总体结构外观立式筒体结构；外观立式筒体结构；内部设置塔板；内部设置塔板；塔板上设置了降
14、液管、塔板上设置了降液管、工作区、溢流堰、受工作区、溢流堰、受液盘等部件。液盘等部件。气液流向气液流向 液体自上而下，液体自上而下，气体自下而上；气体自下而上； 塔体总体上气液两塔体总体上气液两相相逆流逆流流动；流动； 塔板上气液两相塔板上气液两相错错流流流动。流动。（1）塔板结构）塔板结构气体通道气体通道：溢流堰溢流堰：降液管：降液管：（2）塔板类型）塔板类型泡罩塔板泡罩塔板优点：弹性大、操作稳定可靠。优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。现状：近二、三十年来已趋于淘汰。现状：近二、三十年来已趋于淘汰。筛塔板筛塔板优点：优点：构造简单、制作方便、成本低、压降小、处理构造简单、制作方便、成本低、压降小、处理量大、清洗维修也。量大、清洗维修也。缺点：操作弹性小、筛孔容易堵塞、安装要求缺点：操作弹性小、筛孔容易堵塞、安装要求高。高。浮阀塔板浮阀塔板舌型塔板舌型塔板 浮舌塔板浮舌塔板斜孔塔板斜孔塔板