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1、气液传质设备 塔器设备 Mass Transfer Equipments,大型化工装置,大型化工装置,常见的化工设备： 反应器 塔器 换热器 容器,1、容 器：主要用来贮存原料，中间产品和成品等。按形状分有圆柱形、球形等，而以圆柱形容器应用最广。 2、换热器：主要用来使两种不同温度的物料进行热量交换，以达到加热或冷却之目的。 3、反应器：主要用来使物料在其中间进行化学反应，生成新的物质，或者使物料进行搅拌、沉降等单元操作。 4、塔 器：用于吸收、洗涤、精馏、萃取等化工单元操作。塔器多为立式设备，其断面一般为圆形。塔器的高度和直径之比，一般相差较大。,常见化工设备,反应器,塔器,容器,换热器,第
2、一章 概论,塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液和液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。 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形容器，且长径比较大，形如“塔”，故习惯上称其为塔设备。,第一节 塔设备在化工生产中的作用和地位,第一节 塔设备在化工
3、生产中的作用和地位,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，从而达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，生产出合格的产品。所以塔设备的性能对整个装置的产品产量、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部有着重大的影响。 塔设备的投资费用及钢材耗量仅次于换热设备。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工艺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
4、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。,第二节 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。,1、按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔。 塔设备根据其完成的工艺操作不同，其压力和温度也不相同。但当达到相平衡时，压力、温度、气相组成和液相组成之间
5、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。,2、按塔的内件构成结构分为板式塔和填料塔。 塔设备尽管其用途各异，操作条件也各不相同，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
6、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。,第二节 塔设备的分类及一般构造,第二节 塔设备的分类及一般构造,在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沉向塔底(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。在每层塔盘上气、液两相密切接触，进行传质，使两相的组分
7、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，两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。,第二节 塔设备的分类及一般构造,按单元操作（用途）可以分为： 1、精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。挥发度较高的物质在气相中的浓度比在液相中的浓度高，因此借助于多次的部分汽化及部分冷凝，而达到轻重组分分离的目的。这样的操作称为蒸馏，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、柴油及润滑油等；铂重整装置中的各种精馏塔，可以分离出苯
8、、甲苯、二甲苯等。 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。,第二节 塔设备的分类及一般构造,3、萃取塔 ：对于各组分间沸点相差很小的液体混合物，利用一般的分馏方法难以奏效，这时可在液体混合物中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刑中溶解度的不同，将它们分离，这种方法称为萃取(也称为抽
9、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，这样的塔设备称为洗涤塔。 5、反应塔： 反应即混合物在一定的温度、压力等条件下生成新物质的过程。,第二节 塔设备的分类及一般构造,6、再生塔：再生的过程是混合物经蒸汽传质、汽提而使溶液解吸再生的过程。 7、干燥塔：固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是对固体加热以使湿分气化的传热过程，然后是气化后的湿分蒸气分压较大而扩散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料内部借扩散等的作用而源源不断地输送到达固体表面，则是一个物料内部的传质过程。因此干燥过程的特点是传质和传热过程
10、同时并存。 这里需要说明一点，有些设备就其外形而言属塔式设备，但其工作实质不是分离而是换热或反应。如凉水塔属冷却器，合成氨装置中的合成塔属反应器。,第二节 塔设备的分类及一般构造,乙苯单元-塔设备,第二节 塔设备的分类及一般构造,苯乙烯单元-塔设备,第二节 塔设备的分类及一般构造,塔设备的构件，除了种类繁多的各种内件外，其余构件则是大致相同。主要包括以下几个部分： 1、塔体：塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和底盖的椭圆形封头所组成。包括筒体、端盖（主要是椭圆形封头）及连接法兰。 2、支座：塔体支座是塔体安防盗基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行
11、正常的工作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座，即裙座。 3、除沫器：除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重金属、提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。,第二节 塔设备的分类及一般构造,4、接管：塔设备的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。 5、人孔和手孔：人孔和手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的，在板式塔和填料塔中，各有不同的
12、设置要求。 6、吊耳：塔设备的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在塔设备上焊接吊耳。 7、吊柱：在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。,第二节 塔设备的分类及一般构造,第三节 塔设备的要求,作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率，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。在较大的气液流速下，仍不知发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。 2、分离效率高。即气、液相能充分接触且分离效果好
13、。 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c在减压塔中若压降过大系统将难以维持必要的真空度。 5、结构简单、耗材少，易于制造及安装，这样可减少基建投资，降低成本。 6、耐腐蚀不易堵塞，便于操作、调节及检修。 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。,第四节 塔设备的发展和现状,泡罩塔是1813年Cellier提出的，它在化工生产
14、中一直占有重要的地位。1832年开始用于酿造工业，使出现较早的并获得广泛应用的一种塔型。1830年出现了筛板塔，它们都是板式塔。工业规模的填料塔始于1881年的蒸馏操作中，1904年才用于炼油工业，当时的填料是碎砖瓦、小石块。 20世纪初，随着炼油工业的发展和石油化工工业的兴起，塔设备开始被广泛采用，并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的数据和经验。 20世纪中期，为了适应各种化工产品的生产和发展，不仅需要新建大量的塔，还得对原有的塔设备进行技术改造，故而陆续出现了一批能适应各方面要求的新塔型。这一时期的板式塔按塔盘类型可分为如下几种：泡罩型、筛板型、浮阀型、喷射型。,第四节 塔设备的
15、发展和现状,这批新型塔盘的出现，不仅为创建综合性能更好的塔型打开了思路，而且位接着发生的设备大型化后选择塔型指出了方向。在此期间，许多学者总结了塔设备长期操作的经验，并对筛板塔作了系统研究，认为设计合理的筛板塔，不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点，而且操作负荷在较大范围内变动时，仍能保持理想的效率。近年来，随着对筛板塔研究工作的不断深入和设计方法的日趋完善，筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型。 这一时期填料塔也进入了一个新的发展阶段，在瓷环填料，亦称拉西环填料（Raschi gring）被广泛采用后，弧鞍形填料（Berl saddle）相继问世，更大大的促进了规整填料的发展。 从2
16、0世纪60年代起，由于化工界械制造业成功解决了高压离心式压缩机的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等技术关键，使化肥和石油化工的生产，在能量综合利用方面提高到一个新水平，继而带动了整个化学、炼油工业向大型化方向迅速发展。在大型装置中，塔设备的单台规模也随之增大，直径在10m以上的板式塔时有出现，塔板数多达上百块，塔的高度达80余米，设备重量有几百吨；填料塔的最大直径也有15m，塔高达100m。,第四节 塔设备的发展和现状,在此期间，为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求，又出现了很多新型塔盘，但按结构特点，仍属于泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进和相互结合。 这一时期，新型填料也有了较多的发展。 进入20世纪70年代，有关塔设备的基础理论研究工作进度放慢了，人们通过实践接受了观点：当负荷达到最高负荷的85%时，所有不同结构的塔盘，其效率大致是相同的。研究结构表明，塔盘的效率并不取决于塔盘的结构，而主要取决于物系的性质，如相对挥发度、黏度、混合物的组分等。国外塔设备的发展的前提下，保持一定的操作弹性和适当的压力降，
