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1、1塔设备1塔设备概述2板式塔3填料塔4精馏塔5吸收塔6萃取塔第1页/共197页21塔设备概述第2页/共197页3化工厂塔设备1化工厂塔设备2塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。第3页/共197页4在炼油、化工及轻工等工业生产中，气液两项直接接触进行传质传热的过程是很多的，如精馏、吸收、解析、萃取等。这些过程都是在一定的压力、温度、流量等工艺条件下、在一定的设备内完成的。由于其过程中两种介质主要发生的是质的交换，所以也将实现这些过程的设备叫传质设备。从外形上看，这些设备都是竖直安装的圆筒型设备，且长径比较大、形如塔，故习惯上称其为塔设备。第4页/共197页51.1 塔设
2、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。第5页/共197页6外形特点：圆筒形、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。第6页/共197页71.3 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（用途），可将塔设备分为：精馏塔、吸收
3、塔、解吸塔、萃取塔、反应塔、再生塔、干燥塔、洗涤塔等。（3）按操作压力可将塔设备分为：加压塔、常压塔和减压塔。第7页/共197页81.4化工生产对塔设备提出的要求如下。工艺性能好。生产能力大。操作稳定性好。能量消耗小。结构合理。选材要合理。安全可靠。上述各项指标的重要性因不同设备而异，要同时满足所有要求很困难。因此，要根据传质种类、介质的物化性质和操作条件的具体情况具体分析，抓住主要矛盾，合理确定塔设备的类型和内部构件的结构形式，以满足不同的生产要求。第8页/共197页91.5塔设备的主要外部构件及作用（1）板式塔（2）填料塔第9页/共197页101.5.1塔体塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由
4、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。第10页/共197页11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。1.5.2支座第11页/共197页121.5.3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。1.5.4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。
5、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。第12页/共197页13垂直吊盖人孔回转盖人孔第13页/共197页141.5.6吊柱安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。1.5.5除沫器为用于捕集夹带在气流中的液滴。除沫器工作性能的好坏对除沫效率、分离效果都具有较大的影响。第14页/共197页152板式塔第15页/共197页162.1 板式塔的概念 n板式塔是一种逐级（板）接触的气液传质设备。n塔内以塔板（塔盘）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。第16页/共19
6、7页172.2 板式塔的类型 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。2.2.1泡罩塔泡罩塔是工业应用最早的板式塔，而且在相当长的一段时期内是板式塔中较为流行的一种塔型。泡罩塔盘的结构主要由泡罩(气液接触元件)、升气管、溢流堰、降液管及塔板等部分组成。第17页/共197页18泡罩塔盘泡罩塔盘1 1升气管；升气管；2 2泡罩；泡罩；3 3塔盘板塔盘板第18页/共197页19第19页/共197页20泡罩塔的优点：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。泡罩塔的缺点：结构复杂、造价高
7、、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。第20页/共197页212.2.2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。第21页/共197页22工作时液体从上层塔板经降液管流下，横向流过塔盘进入本层塔盘降液管流入下一层塔盘；气体则自下而上穿过筛孔，分散成气泡，穿过筛板上的液体，在此过程中进行相际间传质传热。由于上升的气体具有一定的压力和流速，对液体有“支撑”作用，故一般情况下液体不会
8、从筛孔中漏下。第22页/共197页23第23页/共197页24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)(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)(2)塔板压力降较低，适用于真空蒸馏；(3)(3)塔板效率较高，但稍低于浮阀塔；(4)(4)具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔。第24页/共197页252.2.3浮阀塔n浮阀塔板的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，阀片本身连有
9、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。n阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。第25页/共197页26第26页/共197页27浮阀塔盘气液接触状况浮阀塔盘气液接触状况 第27页/共197页28浮阀塔的优点：(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)在气速较低时，仍有塔板漏液，故低气速时塔板效率有所下降；(2)浮阀阀片有卡死和吹脱的可能，这会导致操作运转及检修的困难；(3)塔
10、板压力降较大，妨碍了它在高气相负荷及真空塔中的应用。浮阀塔板是对泡罩塔板的改进，取消了升气管，在塔板开孔上方设置了浮阀，浮阀可根据气体的流量自行调节开度。气量较小时可避免过多的漏液，气量较大时可使气速不致过高，降低了压降。第28页/共197页292.2.4舌形塔舌型塔是应用较早的一种斜喷型塔。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，但这种塔的负荷弹性较小，塔板效率较低，因而使用受到一定限制。第29页/共197页30为了克服上述舌形塔的不足，20世纪60年代研制的一种定
11、向喷射型浮动舌形塔板。它的处理能力大，压降小，舌片可以浮动。因此，塔盘的雾沫夹带及漏液均较小，操作弹性显著增加，板效率也较高，但其舌片容易损坏。第30页/共197页312.2.5穿流式栅板塔穿流式栅板塔（如右图）属于无溢流堰装置的板式塔，在工业上也得到广泛的应用。根据塔盘上所开的栅缝或筛孔，分别称为穿流式栅板塔或穿流式筛板塔。这种塔没有降液管，气液两相同时相向通过栅缝或筛孔。操作时蒸气通过孔缝上升进入液层，形成泡沫；与蒸气接触后的液体不断地通过孔缝流下。第31页/共197页32 优点：由于没有降液管，所以结构简单，加工容易、安装维修方便，投资少；因节省了降液管所占的塔截面（一般约为塔盘截面的1
12、5%30%），允许通过更多的蒸气量，因此生产能力比泡罩塔大20%100%；因为塔盘上开孔率大，栅缝或筛孔处的压力降较小，比泡罩塔低40%80%，可用于真空蒸馏。第32页/共197页33其缺点是：塔板效率比较低，比一般板式塔低30%60%，但因这种塔盘的开孔率大，气速低，形成的泡沫层高度较低，雾沫夹带量小，所以可以降低塔板的间距，在同样分离条件下，塔总高与泡罩塔基本相同；操作弹性较小，能保持较好的分离效率时，塔板负荷的上下限之比约为2.53.0。第33页/共197页34 2.2.6导向筛板塔导向筛板塔盘的结构如上图所示。它是在普通筛板塔盘上进行了两项改进，其一是在筛板上开设了一定数量与液流方向一
13、致的导向孔；其二是在液体进口区设置了鼓泡促进装置。第34页/共197页35 利用导向孔喷出的气流推动液体，既可减少液面落差，又可通过适当安排的导向孔来改善液流分布的状况，减少液体返混，从而提高塔板效率，并且导向孔气流与筛孔气流合成了抛物线型的气流，可减少雾沫夹带。鼓泡促进装置使塔盘进口区的液层变薄，可避免漏液，因而易于鼓泡，从而使整个鼓泡区内气体分布均匀，故可增大处理能力和减少塔板压力降。第35页/共197页362.2.7板式塔的比较各种板式塔的比较是一个十分复杂的问题。但就生产能力、塔板效率、操作弹性、压力降及造价等方面来看，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
14、，因而目前获得了广泛应用。筛板塔的压降小、造价低、生产能力大，除操作弹性较小外，其余均接近浮阀塔，故应用也较广。第36页/共197页372.3板式塔的适宜工作区操作特性 各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接触，从而得到较好的传质效果。可用塔板负荷性能图来表示。第37页/共197页38图中的几条边线所表示的气液流量限度为：漏液线。气体流量低于此限时，液体经开孔大量泄漏。过量雾沫夹带线。气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。液流下限线。若液体流量过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致使板效率降低。液流上限线。液体流量太大时，液体在
15、降液管内停留时间过短，液相夹带的气泡来不及分离，会造成气相返混，板效率降低。（气泡夹带线）液泛线。气液流量超过此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。如果塔板的正常操作范围大，对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大。第38页/共197页392.4板式塔的主要零部件n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。n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。n溢流式塔盘是炼油厂主要使用形式，下面主要介绍溢流式塔盘结构。2.4.1塔盘的结构第39页/共197页40 溢流式塔盘
16、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。塔盘的分类n塔盘按结构特点可分为整块式塔盘和分块式塔盘。n当塔径300 DN900mm时，采用整块式塔盘；n塔径DN800mm时宜采用分块式塔盘，可在塔内进行拆卸作业；n当塔径800DN900mm，可根据具体情况来选择塔盘类型。第40页/共197页411.整块式塔盘整块式塔盘用于内径小于700800mm的板式塔。塔体由若干个塔节组成，每个塔节内安装若干块整块塔盘，每个塔节之间通过法兰连接。工业上一般不是迫不得已时，塔径都在800mm以上，以便安装分块时塔盘，使塔体可以焊接成整体。根据塔盘的组装方式不同，整块式塔盘又可分
17、为定距管式和重叠式两种。第41页/共197页42定距管式塔盘塔盘通过拉杆和定距管固定在塔节内的支座上，定距管起着支承塔盘的作用并保持塔板间距。塔盘与塔壁间的缝隙，以软填料密封并用压圈压紧。1法兰；2塔体；3塔盘圈；4塔盘板；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螺母第42页/共197页43塔节的长度取决于塔径，当塔径为300500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度为8001000mm为宜；当塔径为500800mm时，人可进入塔内，塔节长度一般不宜超过20002500mm。为避免安装困难，每个塔节的塔板数一般不超过6块
18、。第43页/共197页44重叠式塔盘重叠式塔盘是在每一塔节的下部焊有一组支座，底层塔盘安置在塔内壁的支座上，然后依次装入上一层塔盘，塔盘间距由焊在塔盘下的支柱保证，并用调节螺钉来调整塔盘的水平度。塔盘与塔壁之间的缝隙，以软质填料密封后通过压板及压圈压紧。第44页/共197页45整块式塔盘的密封：在整块式塔盘结构中，为了便于安装塔盘，在塔盘与塔壁间留有一定的空隙，为了防止气体在此通过，必须进行密封。密封件一般采用10-12石棉绳做填料。第45页/共197页462.分块式塔盘当塔体直径大于800900mm时，为了便于塔盘的安装、检修、清洗，而将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装到焊在塔体内壁的支持
19、圈或支持板上，这种结构称为分块式塔盘。此时，塔体不需要分成塔节，而是焊制成开设有人孔的整体圆筒。第46页/共197页47根据塔径大小，分块式塔盘可分为单流塔盘和双流塔盘两种。当塔径为8002400mm时，一般采用单流塔盘；当塔径大于2400mm时，采用双流塔盘。第47页/共197页48第48页/共197页49塔板结构分块式塔盘的塔板块数与塔体直径有关。在数块塔板中，靠近塔壁的两块塔板做成弓形，称弓形板。两弓形板之间的塔板做成矩形，称矩形板。为了安装、检修需要，在矩形板中，必须有一块用作通道板。各层塔盘板上的通道板，最好开在同一垂直位置上，以利于采光和拆卸。为了提高刚度，分块的塔盘板多采用自身梁
20、式或槽式。这种结构是将塔板边缘冲压折边而成。使用最多的是自身梁式。第49页/共197页50塔板的连接通道板与其他塔板的连接，一般采用上、下均可拆的结构形式。塔板之间的连接也可采用楔形紧固件的结构。其特点是结构简单，装拆方便。塔板与支持圈(或支持板)一般用上可拆的卡子连接。连接结构由卡子、卡板、螺柱、螺母、椭圆垫板及支持圈组成。支持圈焊在塔壁或降液板上。常见连接方式见图5-17-至5-20。第50页/共197页51第51页/共197页52第52页/共197页53第53页/共197页54塔盘的支承为了使得塔板上液层厚度一致、气体分布均匀，传质效果良好，不仅塔板在安装时要保证规定的水平度，而且在工作
21、时也不能因承受液体重量而产生过大的变形。因此，塔盘应有良好的支承条件。对于直径较小的塔(D52000mm)的塔板跨度也较小，而且自身梁式塔板本身有较大的刚度，所以通常采用焊在塔壁上的支持圈来支承即可。对于直径较大的塔，为了避免塔板跨度过大而引起刚度不足，通常在采用支持圈支承的同时，还采用支承梁结构。分块塔板一端支承在支持圈上，另一端支承在支承梁上。第54页/共197页55第55页/共197页562.4.2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。1.降液管n每块塔板上通常设有一个液体流动通道降液管。n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
22、有清液流往下层塔盘。第56页/共197页57降液管的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。降液管下端必须保证液封，使液体能从降液管底部流出而气体不能窜入降液管。为此，降液管下缘的缝隙高度h0溢流堰高hW。塔盘的弓形降液管塔盘的弓形降液管 第57页/共197页582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
23、，以供停工时排液。第58页/共197页59第59页/共197页603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。第60页/共197页61第61页/共197页622.4.3除沫装置n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。n分类：常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器、旋流板除沫器等。第62页/共197页631丝网除沫器组成：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
24、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。丝网除沫器 第63页/共197页64第64页/共197页65第65页/共197页66n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。n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。第66页/共197页672折流板除沫器折流板除沫器结构简单，但消耗金属量大，造价较高。若增加折流次数，能有较高的分离效率。除沫器的折流板常由50m
25、mX50mmX3mm的角钢制成。折流板除沫器 第67页/共197页683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。第68页/共197页692.4.42.4.4防涡器和滤焦器 塔底防涡器塔底防涡器 1塔底；2出料管；3立板；4顶板第69页/共197页70第70页/共197页712.4.5进出口管装置1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。第71页/共197页72
26、对液体进料当塔径大于等于800mm，且物料较清洁时可用图1（a）的结构；当塔径小于800mm时，或物料较脏、需经常清洗时宜采用图1（b）的结构。液体进料（包括回流）管 1进料口；2进口堰第72页/共197页73对气体分布要求不高，直径较小的塔，可采用图2（a）的简单进气管；为了避免进塔气体冲溅、夹带塔底的储液，进气管应安装在塔内最高液面之上一定距离；当塔径较大、要求进气分布均匀时，宜采用图2（b）的横管结构，管上有三排出气小孔，孔径由工艺决定。图2气体进料管 第73页/共197页74若为气、液混合进料，为使物料经气、液分离，除将加料塔盘间距适当加大外，还应采用图3所示的切向进料管。图3气液混合
27、进料管（也称切向进料管）1上挡板；2下挡板；3导向挡板第74页/共197页752出料管对气体出料管为减少雾沫夹带在未设置除沫器的塔中可采用下图所示的气体出口结构。第75页/共197页762.5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。第76页/共197页77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
28、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。塔板操作示意（浮阀）链接5塔板操作示意（筛板）链接6第77页/共197页782.62.6塔设备的检修1 1、运行中检查为确保塔设备安全稳定运行，必须做好日常检查，并记录检查结果，以作为定期停车检查、检修的历史资料。日常检查项目如下:(1)(1)原料、成品及回流液的流量、温度、纯度，公用工程流体，如水蒸气、冷却水、压缩空气等的流量、温变及压力。(2)(2)塔顶、塔底等处的压力及塔的压力降。第78页/共197页79(3)(3)塔底的温度。如果温度低于正常温度，应及时排水、并彻底排净。(4)(4)安全装置、压力表、温度计、液面
29、计等仪表是否正常，动作是否灵敏可靠。(5)(5)保温、保冷材料是否完整，并根据具体情况及时进行修复。第79页/共197页80 2 2、停车检查塔设备在一般情况下，每年定期停车检修1 1一2 2次，将设备打开，对其内部构件及壳体上大的损坏进行检查、检修。停车检查的主要项目如下:(1)(1)检查塔盘水平度，支持件、连接件的腐蚀、松动等情况，必要时取出塔外进行清洗或更换。第80页/共197页81(2)(2)检查塔体腐蚀、变形及各部位焊缝的情况，对塔壁、封头、进料口处筒体，出入口接管等处进行超声波测厚，判断设备的使用寿命。(3)(3)全面检查安全阀、压力表、液面计有无发生堵塞现象，是否在规定的压力下动
30、作，必要时重新进行调整和校验。(4)(4)如在运行中发现异常振动现象，停车检查时一定要查明原因、并妥善处理。第81页/共197页82 3 3、塔体裂缝的修补 （1 1）不穿透的裂缝 对深度不超过塔体壁厚40%40%的裂缝，应先在裂缝两端各钻一个小孔，阻止裂缝继续延伸，再从裂缝两侧铲出坡口、深度以能铲掉裂缝为准，然后采用分段倒退法进行焊接，以减少焊接应力和变形。第82页/共197页83（2 2）穿透的窄裂缝对宽度小于15mm15mm的穿透裂缝，应先在裂缝两端各钻一个直径稍大于裂缝宽度的孔，并沿裂缝两侧铲出坡口；当厚度小于15mm15mm时可采用单面坡口，厚度大于15mm15mm时采用双面坡口。裂
31、缝长度小于100 mm100 mm时可一次性焊完，否则应采用分段倒退法进行焊接，以减少焊接应力，施焊时应从裂缝两端向中间施焊、并采用多层焊。第83页/共197页84 （3 3）穿透的宽裂缝对宽度大于15mm15mm的穿透裂缝，应将带有整个裂缝的钢板切除，在切口边缘加工出坡口，再补焊上一块和被切除钢板尺寸和材料完全一样的钢板;被切除钢板的宽度应不小于250mm250mm、长度比裂缝长度大50-100mm50-100mm，以避免焊接补板的两条平行焊缝间彼此影响。焊接补板时应从板中心向两端对称分段焊接，以使补板四周间隙均匀，保证焊接质量。第84页/共197页85第85页/共197页86第86页/共1
32、97页873填料塔第87页/共197页88 填料塔也是炼油化工生产中较常用的一种气、液传质设备。与板式塔相比，填料塔具有结构简单、压降小、填料易用耐腐蚀材料制造等优点。填料塔常用于吸收、真空蒸馏等操作，特别是当处理量小、采用小塔径对板式塔在结构上有困难时，或处理的是在板式塔中难以操作的高黏度或易发泡物料时，常采用填料塔。但填料塔清洗、检修都较麻烦，对含固体杂质、易结焦、易聚合的物料适应能力较差。3.1 填料塔的概念 第88页/共197页89n填料塔属于微分接触型的气液传质设备。n塔内以填料为气液接触和传质的基本元件。n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
33、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。第89页/共197页90n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。第90页/共197页913.2填料及支撑结构3.2.1填料n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。n可分为散装填料和规整填料两大类。第91页/共197页92对填料的基本要求填料的作用是为气液两相提供充分的接触面，并为强化其湍流提供条件，以利于传质。填料塔效率的高低与其使用的填料密切相关，一般要求为（1）空隙率（也称自由体积）要大；即单位体积填料层中的空隙体积要大。（2）比表面要大；即单位体积
34、填料层表面积要大。（3）表面润湿性能要好；并在结构上利于两相接触（4）对处理物料的耐腐蚀性；（5）填料本身的密度要小，且有足够的机械强度；（6）取材容易、制造方便、价格便宜。第92页/共197页931.散装填料散装填料是指以乱堆为主的填料，这种填料是具有一定外形的颗粒体，又称之为颗粒填料，根据外形分以下三种：n环形填料：拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料；n鞍形填料：弧鞍填料、矩鞍填料、改进矩鞍填料；n金属鞍环填料；第93页/共197页94（1）拉西环（Raschigring）填料 在拉西环基础上衍生了环、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。n优点：易于制
35、造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。n缺点：由于高径比大，堆积时填料间易形成线接触，因此液体在填料层流动时，常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。第94页/共197页95瓷质拉西环 金属拉西环 四氟拉西环 四氟拉西环 拉西环可用陶瓷、金属、塑料及石墨等材质制造。第95页/共197页96（2）鲍尔环（Pallring）填料n在拉西环的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，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。n比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也
36、大大降低。n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。第96页/共197页97目前，鲍尔环以其优良的性能为工业上广泛采用。第97页/共197页98n这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。n阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，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。n阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。（3）阶梯环填料（Stair
37、ring）第98页/共197页99n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。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道，n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。n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，因此弧鞍填料很快就被矩鞍填料所取代。（4）弧鞍形填料第99页/共197页100属敞开型填料，如图所示。敞开形填料的特点是表面全部散开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，气体流动阻力小，制造也方便鞍形填料环矩鞍填料第100页/共197页101n矩鞍是在弧鞍基础上发展起来的一种结构
38、不对称的鞍形填料。矩鞍填料的两端为矩形，且填料的两面大小不等。n这样的结构使矩鞍克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。因而使液体分布均匀，气液传质速率得到提高。n瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。（5）矩鞍形填料第101页/共197页102（6）金属英特洛克斯（Intalox）填料n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；n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，因而获得广泛应用，在减压蒸馏中其优势更为显著。第102页/共197页103上述几种形式的填料属实体填料，与之对应的另一类金属丝网制成的填料称为网体填料。网体填
39、料也有多种形式，如网环和鞍型网等。（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。优点：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。第103页/共197页1042.规整填料在乱堆的散装填料塔内，气液两相的流动路线是随机的，加之填料填装时难以做到各处均匀如一，因而容易产生沟流等不良情况，从而降低塔的效率。规整填料是一种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
40、效应，通常具有很高的传质效率。造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。第104页/共197页105规整填料的种类按照结构可分为丝网波纹填料和板波纹填料。使用时根据填料塔的结构尺寸，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第105页/共197页1063.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。（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
41、除外），但价格较昂贵。第106页/共197页1073.2.2填料的支撑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。支撑栅板是结构最简单、最常用的填料支承装置（如下图）。它由相互垂直的栅条组成，放置于焊接在塔壁的支撑圈上。这种支承装置广泛用于规整填料塔。用于散装填料时，栅板上先放置一盘板波纹填料，然后再装填散装填料。避免散装填料直接乱堆在栅板上，将空隙堵塞从而减少其开孔率。1.栅板型支撑第107页/共197页1082.气液分流型支承气液分流型支承属于高通量低压降的支承装置。其特点是为气体及液体提供了不同
42、的通道，避免了栅板式支承中气液从同一孔槽中逆流通过。这样既避免了液体在板上的积聚，又有利于液体的均匀再分配。气液分流型支承有驼峰式支承装置和孔管式填料支承装置。驼峰式支承装置孔管式填料支承装置第108页/共197页1093.3填料塔的液体分布器3.3.1液体喷淋装置 填料塔在操作时，保证在任一截面上气、液的分布均匀十分重要，它直接影响到塔内填料表面的有效利用率，进而影响传质效率。而气液是否能均匀分布，取决于液体能否均匀分布，所以，液体从管口进入塔内的均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。液体是否初始分布均匀，依赖于液体喷淋装置的结构与性能。第109页/共197页110为了满足不同塔
43、径、不同液体流量以及不同均布程度的要求，液体喷淋装置有多种结构形式，按操作原理可分为喷洒形、溢流形、冲击形等，按结构又可分为管式、喷头式、盘式、槽式等形式。第110页/共197页1111管式喷淋器图5-6(a)为直管式喷淋器。它结构简单，安装、拆卸简便。但喷淋面积小，而且不均匀，只能用于塔径小于300mm，且对喷淋均匀性要求不高的场合。第111页/共197页112图5-6(b)为环管多孔喷淋器。它是在环管的下部开有35排孔径为45mm的小孔，开孔总面积与管子截面积大约相等。环管中心圆直径一般为塔径的0608倍。环管多孔喷淋器结构较简单，喷淋均匀度比直管好，适用于直径小于1200mm的塔设备。第
44、112页/共197页113图56(c)为排管式喷淋器。它由液体进口主管和多列排管组成。主管将进口液体分流给各列排管。每根排管上开有13排布液孔，孔径为36mm。排管式喷淋器一般采用可拆连接，以便通过人孔进行安装和拆卸。安装位置至少要高于填料表面层150200mm。当液体负荷小于25m3m2h时，排管式喷淋器可提供良好的液体分布。其缺点是当液体负荷过大时，液体高速喷出，易形成雾沫夹带，影响分布效果，且操作弹性不大。第113页/共197页114第114页/共197页1152喷头式喷淋器喷头式喷淋器又叫莲蓬头，是应用较多的液体分布装置。莲蓬头一般由球面构成。莲蓬头喷淋器结构简单，安装方便，但易堵塞，
45、一般适用于直径小于600mm的塔设备。第115页/共197页1163盘式喷淋器n它与多孔式液体喷淋器不同，进入布液器的液体超过堰的高度时，依靠液体的自重通过堰口流出，并沿着溢流管壁呈膜状流下，淋洒至填料层上。溢流型布液装置目前广泛应用于大型填料塔。n优点：操作弹性大，不易堵塞，操作可靠且便于分块安装。n缺点：制造比较麻烦。第116页/共197页117操作时，液体从中央进液管加到分布盘内，然后从分布盘上的降液管溢出，淋洒到填料上。气体则从分布盘与塔壁的间隙和各升气溢流管上升。降液管一般按正三角形排列。为了避免堵塞，降液管直径不小于15mm，管子中心距为管径的23倍。分布盘的周边一般焊有三个耳座，
46、通过耳座上的螺钉，将分布盘支承在支座上。拧动螺钉，还可调整分布盘的水平度，以便液体均匀地淋洒到填料层上。第117页/共197页1184槽式喷淋器槽式喷淋器也属于溢流型分布器。操作时，液体由上部进液管进入分配槽，漫过分配槽顶部缺口流人喷淋槽，喷淋槽内的液体经槽的底部孔道和侧部的堰口分布在填料上。分配槽通过螺钉支承在喷淋槽上，喷淋槽用卡子固定在塔体的支持圈上。第118页/共197页119优点：槽式喷淋器的液体分布均匀，处理量大，操作弹性好，抗污染能力强，适应的塔径范围广，是应用比较广泛的液体分布装置。第119页/共197页1205冲击形喷淋器反射板式喷淋器属于冲击形布液装置结构：由中心管和反射板组
47、成。操作时液体沿中心管流下，靠液体冲击反射板的反射分散作用而分布液体。反射板可做成平板、凸板和锥形板等形状，为了使填料层中央部分有液体喷淋，在反射板中央钻有小孔。当液体喷淋均匀性要求较高时，还可由多块反射板组成宝塔式喷淋器。第120页/共197页121优点：冲击形喷淋器喷洒范围大，液体流量大、结构简单、不易堵塞。但应当在稳定的压头下工作，否则影响喷淋范围和效果。第121页/共197页1223.3.2液体再分布装置当液体沿填料层向下流动时，有流向器壁形成“壁流”的倾向，结果使液体分布不均，降低传质效率，严重时使塔中心的填料不能被润湿而形成“干锥”。n为了提高塔的传质效率，填料必须分段，在各段填料
48、之间，安装液体收集再分布装置。n其作用有二：（1）收集上一填料层的液体，并使其在下一填料层均匀分布；（2）当塔内气、液相出现径向浓度差时，液体收集再分布器将上层填料流下的液体完全收集、混合，然后分布到下层填料，并将上升的气体均匀分布到上层填料以消除各自的径向浓度差。第122页/共197页123当采用金属填料时，每段填料高度不应超过7m，采用塑料填料时，每段填料高度不应超过4.5m。工厂中应用最多的是锥形分布器。它的结构特点是将分配锥倒装以收集壁流，并将液体通过设在锥壳上的34根管子引入塔的中央。槽形分配锥有较大的自由截面，可用于较大直径的塔。第123页/共197页124第124页/共197页1
49、25盘式再分布器第125页/共197页1263.4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。当填料层移动并下沉时，填料压板即随之一起下落，故散装填料的压板必须有一定的重量。常用的填料压紧板有栅条式和网板式填料压板，均可制成整体式或分块结构，视塔径大小及塔体结构而定。丝网压板第126页/共197页127（2）填料限位器又称床层定位器，用于金属、塑料制成的散装填料及所有规整填料。它的作用是防止高气速、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。3.5除沫器用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴，安
50、装在液体分布器上方。第127页/共197页128 3.6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。第128页/共197页1293.7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。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；填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料；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；填料塔的塔径可