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1、塔,第一节：概述 一、塔设备在炼油厂中的作用 在炼油、化工及轻工业生产中，气、液两相直接接触进行传质传热的过程是很多的，如精馏、吸收、解吸、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桶形容器，形如“塔”，故习惯上称其为塔设备。 塔设备能够为气、液或液、液两相进行充分接触提供适宜的条件，即充分的接触时间、分离空间和传质传热的面积，从而起到相际间质量和热量交换的目的，实现工艺,所要求的生产过程，生产出合格产品。所以塔设备的性能对整个装置的产品产量、
2、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等方面都有重大的影响。 塔设备的投资费用及钢材消耗仅次于换热设备。据统计，在化工和石油化工生产装置中，塔设备的投资费用占全部工艺设备总投资的25.39，在炼油和煤化生产装置中占34.85；其所消耗的钢材重量在各类设备中所占比例也是比较高的，如年产250万吨常减压蒸馏装置中，塔设备耗用钢材重量占45.5，年产120万吨催化裂化装置中占48.9，年产30万吨乙烯装置中占2528.3。可见塔设备是炼油、化工生产中最重要的工艺设备之一，它的设计、研究、使用对化工、炼油等工艺的发展起着重大的作用。 二、塔设备的分类及一般构造,随着炼油、化工生产工艺的不断改
3、进和发展，与之相适应的塔设备也形成了形式繁多的结构和类型，以满足各种特定的工艺要求。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。如按工艺用途分类，按操作压力分类，也可按其内部结构进行分类。 （一）按用途分类 1.精馏塔 利用液体混和物中各组分挥发度的不同来分离其各液体组分的操作称为蒸馏，反复多次蒸馏的过程称为精馏，实现精馏操作的塔设备称为精馏塔。如常减压装置中的常压塔、减压塔，可将原油分离为汽油、煤油、柴油以及润滑油等。 2.吸收塔、解吸塔 利用混合气中各组分在溶液中溶解度的不同，通过吸收液体来分离气体的工艺操作称为吸收；将吸收液通过加热等方法使溶解于其中的气体释放出,来的过程称为解
4、吸。实现吸收和解吸操作过程的塔设备称为吸收塔、解吸塔。如催化裂化装置中的吸收、解吸塔，从炼厂气中回收汽油、从裂解气中回收乙烯和丙烯，以及气体净化等都需要吸收、解吸塔。 3.萃取塔 对于各组分间沸点相差很小的液体混和物，利用一般的分离方法难以奏效，这时可在液体混和物 加入某种沸点较高的溶剂（称为萃取剂）；利用混合液中各组分在萃取剂中溶解度的不同，将它们分离，这种方法称为萃取（也称为抽提）。实现萃取操作的塔设备称为萃取塔。如丙烷脱沥青装置中的抽提塔等。 4.洗涤塔 用水除去气体中无用的成分或固体尘粒的过程称为水洗，所用的塔设备称为洗涤塔。 （二）按操作压力分类 塔设备根据其完成的工艺操作不同，其压
5、力和温度也,不相同。但当达到相平衡时，压力、温度、气相组成和液相组成之间存在着一定的函数关系。在实际生产中，原料和产品的成分和要求是工艺确定的，不能随意改变，压力和温度有选择的余地，但二者之间是相互关联的，如一项先确定了，另一项则只能由相平衡关系求出。从操作方便和设备简单的角度来说，选常压操作最好，从冷却剂的来源角度看，一般宜将塔顶冷凝温度控制在3040以便采用廉价的水或空气作为冷却剂。所以塔设备根据具体工艺要求，设备及操作成本综合考虑，有时可以在常压下操作、有时需要在加压下操作,有时还需要减压操作。相应的塔设备分别称为常压塔、加压塔和减压塔。 （三）按结构形式分类 塔设备尽管其用途各异，操作
6、条件也各不相同，但就其构造而言都大同小异，主要由塔体、支座、内部构件及 附件组成。根据塔内部构件的结构可以将其分为板式塔和,填料塔两大类。具体结构如图5-1、5-2所示。塔体是塔设备的外壳，由圆筒和两封头组成，封头可以是半球形、椭圆形、碟形等。支座是将塔体安装在基础上的连接部分，一般采用裙式支座，有圆筒形和圆锥形两种，常采用圆筒形。裙座与塔体采用对接銲接或搭接焊接连接，裙座的高度由工艺要求的附属设备（如再沸器、泵）及管线的布置情况而定。由图中可知，板式塔中装有一定数量的塔盘，液体借自身的重量自上而下流向塔底（在塔盘板上沿塔径横向流动），气体靠压差自下而上以鼓泡的形式穿过塔盘上的液层升向塔顶。在
7、每层塔盘上气、液两相密切接触，进行传质，使两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。填料塔中则装填一定高度的填料，液体自塔顶沿填料表面向下流动，作为连续相的气体自塔底向上流动，与液体进行逆流传质，两相组分浓度沿塔高呈连续变化。,图5-1 1-裙座 ；2-蒸汽入口管；3-壳体；4-人孔； 5-扶梯平台；6-出沫器；7-吊柱；8-蒸汽出口；9-回流管；10-进料管；11-塔盘；12-保温圈；13-出料管；14-液流；15-蒸汽；16-塔盘板；17-受液盘；18-降液管；19-溢流堰,图5-2 1-裙座 ；2-筒体；3-液体再分布装置；4-卸料口； 5-喷淋装置；6-液体进口；7-除沫器；8-气体出口；9-
8、人孔；10-填料；11-填料支撑；12-气体进口；13-液体出口,三、对塔设备的基本要求 塔设备除了应满足工艺条件，如压力、温度及耐腐蚀性等外，还应满足如下基本要求。 （1）生产能力要大。即单位塔截面上单位时间内物料的处理量要大。 （2）分离效率高。即气、液相能充分接触且分离效果好。 （3）操作弹性大。即有较强的适应性和宽的操作范围。能适应不同性质的物料且在负荷波动时能维持操作稳定，仍有较高的分离效率。 （4）压降小。即流体通过时阻力小，这样可大大节约生产的动力消耗，降低成本。 （5）结构简单、耗材少，易于制造和安装，这样可以减少基建投资，降低成本。,（6）耐腐蚀不易堵塞，便于操作、调节和检修
9、。 注：一个塔设备要同时满足以上各项要求是困难的，而且实际生产中各项指标的重要性因具体情况而异，不可一概而论。所以应从生产需要及经济合理性考虑，正确处理以上各项要求。 第二节：板式塔 一、塔盘的形式及特点 板式塔的塔盘常用的有泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形及浮动舌形等。各种塔盘都有其自身的特点和适用场合，现分述如下。 （一）泡罩塔盘 泡罩塔盘是工业上应用最早的一种塔盘，它是在塔盘板上开许多圆孔，每个孔上焊接一个短管，称为升气管，,管上再罩一个“帽子”，称为泡罩，泡罩周围开有许多条形孔，其结构如图5-3所示。工作时，液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，然后横向流过塔盘板，流入再下一层塔盘；气体从下
10、层塔盘上升进入升气管，通过环形通道再经泡罩的条形孔流散到泡罩间的液层中。气、液接触状况如图5-4所示。,泡罩塔盘具有如下优点： （1）气、液两相接触充分，传质面积大，因此塔盘效率高。 （2）操作弹性大，在负荷变动范围较大时，仍能保持较高的效率。 （3）具有较高的生产能力，适合大型生产。 （4）不易堵塞，介质适应范围广，操作稳定可靠。 泡罩塔盘的不足之处是结构复杂、造价高，安装维护麻烦；气相压降较大，但在常压或加压下操作时并不是主要问题。 （二）筛板塔盘 筛板塔盘是在塔盘板上钻许多小孔，工作时液体从上层塔盘经降液管流下，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
11、气泡，穿过筛板上的液层，在此过程中进行相际间传质、传热。筛板塔盘的结构及气、液接触情况如图5-5所示。,筛板塔盘具有如下优点： 结构简单、制造维护方便。 生产能力大，比泡罩塔盘高2040。 压降小，适用于减压操作。 比泡罩塔盘效率高，但不及浮阀塔盘。 若设计合理其操作弹性也较高，但不如泡罩塔盘。 筛孔塔盘的缺点时小孔径筛孔易堵塞，故不宜处理脏、粘性大及带固体颗粒的料液。,（三）浮阀塔盘 浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔，（对常用的F型浮阀孔径为39mm），每一孔上都装有一带三条腿的可上下浮动的阀。浮阀的结构形式很多，有F型、V型、十字架型及A型等，最常用的是F-1型，其结构如图5-6所示。工作时
12、，气、液流程与泡罩塔盘类似。气体通过阀孔将浮阀向上顶起，穿过环形间隙以水平方向吹入液层，气、液两相呈泡沫状进行传质传热。浮阀可随气速的增减在较宽的气速范围内自由调节升降，以保持稳定操作。浮阀塔盘上气、液两相接触状况如图5-7所示。,浮阀塔盘具有如下优点： （1）生产能力大，因浮阀在塔盘板上排列比泡罩更紧凑，故生产能力比泡罩提高2040，与筛板塔盘差不多。 （2）操作弹性大，因浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，所以能在较宽的气流范围内保持高的效率。浮阀塔盘操作弹性比泡罩和筛板都要大得多。 （3）效率高。由于气液接触充分，且蒸汽以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少，因此分离效果好，一般效率
13、比泡罩塔盘高15%左右。 （4）压降小。气流通过浮阀时只有一次收缩、扩大及转弯，故压降比泡罩塔盘低。 （5）与泡罩塔盘相比，结构简单、制造安装液较方便，制造安装也较方便，制造费用仅为泡罩的6080。 浮阀塔盘由于其性能优良，又无特别明显的不足，因而在炼油、化工生产的塔设备中得到了广泛的应用。,（四）舌形及浮动舌形塔盘 舌形塔盘是在塔盘板上冲制许多舌形孔，如图5-8所示。工作时，液体在塔盘上的流动方向与舌孔的倾斜方向一致，气体从舌孔中喷射而出，由于气、液两相并流流动，故雾沫夹带较少，当舌孔气速达到一定数值时，将塔盘上的液体喷射成滴状，从而加大了气、液接触面积。 舌形塔盘与泡罩塔盘相比具有塔盘上液
14、层薄，持液量少，压力降小（约为泡罩的3350），生产能力大，结构简单，可节约金属用量1245，制造、安装、维修方便等优点。但因舌孔开度是固定的，在低负荷下操作易产生漏液现象，故其操作弹性较小。,浮动舌形塔盘是综合了舌形和浮阀得优点而研制出的一种塔盘，其结构如图5-9所示。浮动舌形塔盘既有舌形塔盘生产能力大、压降小、雾沫夹带少的优点，又有浮阀塔盘的操作弹性大、塔盘效率高、稳定性能好等优点，其缺点是舌片易损坏。,二、板式塔的适宜工作区 各种结构形式的塔盘都有一个最适宜的工作区域，可用操作负荷性能图来表示。浮阀塔的操作负荷性能图见图5-10。图中各曲线所包围的区域即为最适宜工作区，若塔盘上气、液负荷
15、配合得恰当，落在图上几条曲线包围得范围内，塔就可以正常良好的操作，否则就属于不正常操作，塔的效率下降，甚至完全不能工作。操作负荷图中各曲线的形状和相对位置与塔盘形式、具体构造及操作条件等有关。,（一）雾沫夹带 气、液两相在塔盘上以鼓泡形式接触后，气体穿出液层时总不免带有许多细微的液滴，有的来不及分离出来就被带到了上一层的塔盘液体中，这种现象称为雾沫夹带。被带上去的少量液滴所含的重组分比上一层塔盘上液体所含的重组分要多，降低了塔盘的分馏效率。极少量的雾沫夹带是避免不了的，也是允许的，但当气相负荷增加，塔内气速增加，雾沫夹带量就增加。一般认为当气体中夹带液体的质量超过上升气体的10时为严重雾沫夹带
16、，此时的气相负荷定位塔的气相负荷上限，在操作负荷性能图上对应的曲线称为雾沫夹带线。产生严重雾沫夹带，破坏了塔的正常操作，塔盘效率大大降低，这是不允许的。减少雾沫夹带的主要措施是控制气相负荷，使其在允许范围内，另外，增大塔盘间距（一般须在300mm以上），改进塔盘结构也可起到一定的效果。,（二）气泡夹带 液体横向流过塔盘，与气体接触后由降液管流到下层塔盘。液体流入降液管时常有大量的气泡，在降液管中停留足够的时间，使泡沫分离成气体和清液，气体上升回到上层塔盘。如果液相负荷增加，液体在降液管中流速增加，停留时间很短，液体中夹带的气泡来不及分离就被带入下一层塔盘，这种现象称为气泡夹带。此时的液体负荷定为液相上限，在操作负荷性能图上对应的曲线称为气泡夹带线。严重气泡夹带同样会降低塔盘的分离效率，所以也是不允许的。防止气泡夹带的主要措施是控制回流量。 （三）漏液 液体在塔盘上横向流动并经降液管流入下一层塔盘。如果气相负荷过小，塔内气速很低，大量的液体由于重力的作用，从阀孔，或舌形塔盘的舌孔直接漏到下一层塔盘，这种
