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1、塔设备基础知识,主 要 内 容,1 塔设备概述,2 板式塔,3 填料塔,4 精馏塔,化工厂塔设备1,化工厂塔设备2,1 塔 设 备 概 述,1.1 塔设备的概念,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。,外形特点：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。,1.3 塔设备的种类,（1）按塔的内部
2、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（功能），可将塔设备分为：精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔、解吸塔、再生塔和干燥塔等。,（3）按操作压力可将塔设备分为：加压塔、常压塔和减压塔。,1.4 塔设备的主要外部构件及作用,（1）板式塔,（2）填料塔,1.4.1 塔体,塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、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 。,塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设备较高、重量
3、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。,1.4.2 支座,1.4.3 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。,1.4.4 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。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。除此之外还有除沫器、吊柱等。,2 板 式 塔,2.2 板式塔的类型,2.1 板式塔的概念,板式塔是一种逐级（板）接触的气液传质设备。塔内以塔板为基本构件，气体自塔底以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的
4、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。,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,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。,缺点 ：,结构复杂、造价高、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。,2.2.2 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
5、孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。,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)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)塔板压力降较低，适用于真空蒸馏；,(3)塔板效率较高，但稍低于浮阀塔；,(4)具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔。,2.3 塔盘,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。穿流式塔盘
6、处理能力较大，压力降较小，但效率及操作弹性较差。,溢流式塔盘由气液接触元件（如浮阀、筛孔、泡罩等）、塔板、降液管及受液盘、溢流堰等构成。塔板结构,2.3.1 塔盘的结构,塔盘按结构特点可分为整块式塔盘和分块式塔盘。当塔径700mm时，采用整块式塔盘；塔径800mm时宜采用分块式塔盘。,2.3.2 塔盘的分类,整块式塔盘根据组装方式不同可分为定距管式、重叠式和支撑圈式。采用整块式塔盘时，塔体由若干个塔节组成，每个塔节中装有一定数量的塔盘，塔节之间采用法兰连接。,（1）整块式塔盘,直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。分块式
7、塔盘的塔体，通常为焊制整体圆筒，不分塔节。,（2）分块式塔盘,2.3.3 降液管,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，从而仅有清液流往下层塔盘。,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 。降液管模型,2.4 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。工作模型 为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有两方面
8、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。,3 填 料 塔,填料塔属于微分接触型的气液传质设备。塔内以填料为气液接触和传质的基本元件。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。,3.1 填料塔的概念,3.2 填料塔的结构,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。,3.3 填料,填料是填料塔的
9、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。可分为散装填料和规整填料两大类。填料类型,3.3.1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-的酸除外），但价格较昂贵。,3.4 填料的支承装置,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。常用的支撑装置有栅板型、气液分流
10、型。,3.5 填料塔的液体分布器,液体分布器：对进入塔内的液体进行分布，使得液体在塔截面上分布均匀。液体分布器根据其结构形式，可分为以下几种：,3.6 除沫器,用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。,3.7 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。工作模型,3.8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；,
11、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；, 填料塔的塔径可以很小，但板式塔的塔径一般不小于0.6m；, 板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，安全系数可以取得更小；, 当塔径不很大时，填料塔的造价便宜；, 对于易起泡的物系，填料塔更合适；, 对于腐蚀性物系，填料塔更合适；, 对于热敏性物系，采用填料塔较好；, 填料塔的压降比板式塔小，更适于真空操作。,4 精 馏 塔,4.1 精馏塔的结构,液体混合物的蒸馏操作，是提纯物质和分离混合物的一种方法，它广泛应用于化工生产中。板式精
12、馏塔模型,4.2 精馏塔操作的基本概念,4.2.1 沸点、泡点、露点,任何液体受热，其饱和蒸汽压等于外界大气压时的温度，叫该液体的沸点。外界压强越高，液体的沸点就越高；外界的压强越低，液体的沸点也越低。,在一定压力下，将某液体混合物加热至刚刚开始气化（即刚刚出现第一个微小气泡）时保持的平衡温度，称为该液体混合物的泡点温度（简称泡点）。继续加热，直至全部气化并将这种气体混合物在一定压力下，冷却至刚刚出现第一滴液珠所保持平衡时的温度，称为露点温度（简称露点）。,4.2.2 精馏基本原理,精馏是把液体混合物在传质设备（塔）中，进行多次部分汽化，同时把产生的蒸汽多次部分冷凝，达到完全分离混合物，获得所
13、要求纯度的组分的操作。,精馏的操作过程中，是在逆流作用的塔式设备中进行的。被塔釜加热的流体，所产生的蒸汽在塔内自下而上地流动，而送入塔顶的回流液体，则与上升的蒸汽相迎，自上而下地流动。由于气液两相在塔中不断地相互接触，进行热和质的交换，使两相在热交换过程中，易挥发组分不断地从液相中向气相中扩散，气相中易挥发组分增浓；液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增浓；两相处于不平衡情况下，则存在推动力，产生质的传递，直至两相达到平衡时，这种传质过程停止。,通过整个精馏过程，最终由塔顶得到纯度较高的易挥发组分（塔顶馏出物）的产品，由塔釜排出不易挥发的物质。,4.2.3 液泛,塔正常工作时,降液管中的液
14、面必须有足够的高度,以克服两板间的压降而流动。当气液两相之一的流量增大，使降液管内液体不能顺利下流，造成两板间液体相连。,（1）控制气液速度于液泛速度之下；,后果：出现淹塔现象。,采取措施：,（2）采用较大的板间距；,4.2.4 雾沫夹带,上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层 塔板的现象。,为保证传质达到一定效果，将液沫夹带量控制在0.1kg(液)/kg(气)以下。,后果：过量液沫夹带后果造成返混，导致板效率严重下降。,采取措施：,（1）控制气速；,（2）增大板间距；,4.2.5 漏液,指当上升气体流速减小，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下，便会出现漏液现象。,增大气
15、速，使气流分布不均。,后果：塔板效率下降，严重时塔无法正常工作。,采取措施：,漏液量不大于液体流量的10。,漏液气速操作气速 液泛速度,4.2.6 塔的操作弹性,塔的操作弹性是指最大允许负荷（负荷上限）至最小允许负荷（负荷下限）的范围。,精馏塔的负荷上限，使用液沫夹带控制（允许夹带量不大于10%），以能引起“液泛”现象为止，两者界限下的最大负荷；负荷下限，是以漏液量接近10%为准的最小负荷。,一般，浮阀塔操作弹性较大，可达9左右；泡罩塔约为5；筛板塔较小；填料塔最小。,4.3 影响精馏操作的工艺因素,4.3.1 塔釜温度,在操作压力不变的情况下，提高塔釜温度，则使塔内液相中的易挥发组分减少，同
16、时并使上升蒸汽的速度增大，有利于提高传质效率。,如果由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中，易挥发组分减少，可减少工艺损失；如果塔釜排出物为产品，则可以提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组分中夹带的难挥发组分增多，从而增大工艺损失。因此在提高温度时，既要考虑到产品质量，又要考虑到工艺损失。,在平稳操作过程中，釜温突然升高，来不及调节相应的压力和塔釜温度时，必然导致塔釜液被蒸空，压力升高。这时重组分（难挥发组分）易被蒸到塔顶，使塔顶产品不合格。,4.3.2 操作压力,在一定操作温度的情况下，提高操作压力，可以相应地提高塔的生产能力。但是在塔釜难挥发产品中，易挥发组分含量增加。如果从塔顶得到产品，则可以提高产品的质量和易挥发组分的浓度。,4.3.3 加料温度,常见的进料情况有沸点进料、冷液进料、饱和蒸气进料、气液混合进料和过热蒸气进料。,如果是冷液进料，且进料温度低于加料板上的温度，那么加入的物料全部进入提馏段，使提馏塔负荷增加，塔釜消耗蒸汽量增加，塔顶难挥发组分降低。若塔顶为产品，则会提高产品
