化工设备机械基础之塔设备课件.ppt

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塔设备第五章 目录填料塔板式塔裙式支座塔设备的功能与分类1324 塔设备概念什么是塔设备?一类塔形的化工设备.1塔设备的功能与分类 塔设备的功能质量传递热量传递精馏吸收萃取塔设备通过其内部构件使气(汽)—液相和液-液相之间充分接触，进行质量传递和热量传递。介质的冷却热量传递与质量传递是同时进行的 化工过程预分离反应分离原料产品 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比重装置名称塔设备投资的比例(%)装置名称塔设备重量的比例(%)化工及石油化工25.460万吨，120万吨/年催化裂化48.9炼油及煤化工34.8530万吨/年乙烯25.3化纤44.94.5万吨/年丁二烯54 塔设备的分类塔设备分类加压塔、常压塔和减压塔精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔和冷却塔等板式塔和填料塔操作压力单元操作内部结构 板式精馏塔 吸收塔 萃取塔 冷却塔 板式塔称为逐级接触式的气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，液体靠重力作用由上层塔板经降液管流至下层塔板，最后由塔底流出；气体靠压强差推动，逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔顶。2板式塔 精馏段与塔顶冷凝器精馏段作用：提浓轻组分塔顶回流的作用：提供精馏段需要的液相。提馏段与再沸器提馏段作用：提浓重组分塔底回流作用：提供提馏段需要的气相。塔顶回流塔底回流精馏段提馏段 板式塔结构(1)塔体塔体是塔设备的外壳，通常由等直径、等壁厚的钢制圆筒和上、下椭圆封头组成。(2)支座支座是塔体与基础的连接部件。塔体支座的形式一般为裙式支座。(3)塔盘结构塔盘结构由塔板、降液管、溢流堰、紧固件、支承件等组成。(4)接管为满足物料进出、过程监测和安装维修等要求，塔设备上有各种开孔及接管。(5)塔附件塔附件包括人孔、手孔、吊柱、平台、扶梯等 塔体与封头钢制结构，起保护与支撑的作用塔的外观椭圆封头 手孔与人孔作用：停工时对塔的维护及塔板的吊装D<800mm的塔装手孔。D>800mm的塔装人孔，人孔直径一般≥450mm人孔 裙座作用：支撑塔体 塔盘结构塔盘是板式塔完成传质、传热过程的主要部件。塔盘由气液接触元件、塔板、受液盘、溢流堰、降液管、塔盘支承件和紧固件组成 （一）塔板根据塔径大小及塔板结构特点，塔板可分为整块式和分块式两种。整块式塔板DN≤700mm分块式塔板DN≥800mm 塔板通过拉杆和定距管固定在塔节内的支座上，定距管起着支承塔板的作用并保持塔板间距。塔板与塔壁间的缝隙，以软填料密封并用压圈压紧。塔节的长度取决于塔径，当塔径为300～500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度为800—1000mm为宜；当塔径为500～800mm时，人可进入塔内，塔节长度一般不宜超过2000~2500mm。为避免安装困难，每个塔节的塔板数一般不超过6块。1－法兰；2－塔体；3－塔盘圈；4－塔板；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－螺母整块式塔盘的塔节结构整块式塔板 塔体由若干塔节组成，内装有一定数量的塔板，塔节间用法兰连接。 分块式塔板 做成分块式的原因1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；2）对碳钢，塔板厚3~4mm，不锈钢2~3mm，塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块；3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。与整块式的区别分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构 (二)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。降液管每块塔板上通常设有一个液体流动通道——降液管。板式塔在正常工作时，液体从上层塔板的降液管流下，横向流过开有筛孔或浮阀的塔板，翻越溢流堰，进入该层塔板的降液管，流向下层塔板。降液管有圆形与弓形两大类。常用的是弓形降液管。弓形降液管由平板和弓形板焊制而成，并焊接固定在塔盘上。 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，以供停工时排液。 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。 筛孔降液管溢流堰（剖面图） 降液管受液区溢流堰开孔区俯视图 降液管溢流堰受液盘 塔板上常见的溢流方式溢流方式：液体流经塔板的方式单溢流（直径流）D<2m双溢流（半径流）D>2mU型溢流（回转流） (三)除沫装置作用：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。分类：常用的除沫装置有丝网除沫器、旋流板除沫器等。 丝网除沫器优点：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。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。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。 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％。 (四)进出口管装置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。1－进料口；2－进口堰 (五)人孔与手孔分块式塔盘的塔体一般都开设有人孔。人孔是人员进出塔器和传送内件的通道。除此之外，在气、液进出口等需经常维修清理的部位，以及塔顶和塔釜处，应各设置一个人孔。在塔体上宜采用垂直吊盖人孔。若垂直吊盖妨碍人员操作或塔体有保温层时，可采用回转盖人孔。人孔和手孔都有标准件。 垂直吊盖人孔回转盖人孔 板式塔的分类根据气液接触元件的不同，板式塔可分为泡罩塔、筛板塔、栅板塔、浮阀塔、喷射塔等形式； A泡罩塔泡罩塔是最早应用于工业生产的典型板式塔。泡罩塔盘由塔板、泡罩、升气管、降液管液流溢等组成。生产中使用的泡罩形式有多种，最常用的是圆形泡罩矩形齿缝，直径为80、100敞开式齿缝，直径150 工作原理每层塔板上开有若干个孔，升气管上覆以泡罩，上升气体通过泡罩进入液层时，被分散成许多细小的气泡，为气液两相提供了大量的传质界面。优点：相对于其他塔形操作稳定性较好，易于控制，负荷有变化时仍有较好的弹性，介质适应范围广。缺点：生产能力较低，流体流经塔盘时阻力与压降大，且结构较复杂，造价较高，制造加工有较大难度。 B筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm。通常按正三角形不知，孔间距与孔径的比值为3~4，今年来，发展了大孔径（20~25mm）和导向筛板等多种类型。操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气液间密切接触而进行传质。 塔内结构优点：筛板塔与泡罩塔相比，生产能力提高20％～40％，塔板效率高10％～15％，压力降小于30％一50％，且结构简单，造价较低，制造、加工、维修方便，故在许多场合都取代了泡罩塔。缺点：操作弹性不如泡罩塔，当负荷有变动时，操作稳定性差。当介质粘性较大或含杂质较多时，筛孔易堵塞。 C栅板塔其结构特点是不设降液管。气体和液体同时经由板上孔道逆流通过，在塔盘上形成泡沫进行传质与传热。优点：结构简单，制造、加工、维修简便，塔截面利用率高，生产能力大，塔盘开孔率大，压降小。缺点：塔板效率较低，操作弹性较小。 D浮阀塔浮阀塔是20世纪50年代发展起来的板式塔。塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm），每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片，阀片本身有三条“腿”，插入阀孔后将各股底脚板转90°，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度。优点：生产能力提高，操作弹性大，气液流动阻力比泡罩塔小，但比筛孔板大。塔板效率较高。结构简单，造价低。缺点：浮阀装卸清洗较困难。 特点：浮阀可随气速的变化上、下自由浮动，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。 舌型塔板E喷射塔 舌形塔板是喷射型塔板的一种，其结构如下图所示。塔板上冲出许多舌形孔，舌片与板成一定角度（20°），舌孔按正三角形排列。塔板的液流出口处不设溢流堰，只保留降液管，上升气流穿过舌孔后，以较高的速度（20～30m／s）沿舌片的张角向斜上方喷出。液体流过每排舌孔时，即为喷出的气流强烈扰动而形成泡沫体，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中。 优点：舌形塔盘物料处理量大，压降小，结构简单，安装方便。缺点：操作弹性小，塔板效率低。被气体喷射的液流在通过降液管时，会夹带气泡到下塔板，气相夹带现象严重。 浮动舌形塔浮动舌形塔盘是在塔板孔内装设了可以浮动的舌片。浮动舌片既保留了舌形塔倾斜喷射的结构特点，又具有浮阀操作弹性好的优点。优点：处理量大、压降小、雾沫夹带少、操作弹性大、稳定性好、塔板效率高等优点（介于浮动塔板与固定舌形塔板之间）。结构简单，制造方便。缺点：在操作过程中浮舌易磨损。 各种板式塔比较板式塔的结构形式多种多样，各种塔盘结构都具有各自的特点，且都有各自适宜的生产条件和范围，在具体选择塔盘结构时应根据工艺要求选择。上表对几种常用塔形的性能进行了比较，供使用时参考。 塔板上的异常操作现象1）漏液漏液两相在塔板上的接触时间↓板效率↓控制：漏液量不大于气体流量的10%。——板式塔操作的气速下限原因：气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀 2）严重雾末夹带和泡沫夹带影响液沫夹带因素空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小现象：液滴随气体进入上层塔板——雾沫(液沫)夹带。气体随液体进入下层塔板——泡沫夹带。后果：过量液沫夹带和泡沫夹带，造成液、气相在板间的返混，板效率下降。控制：液沫夹带量eV＜0.1kg(液)/kg(气)。 3）液泛液泛夹带液泛降液管液泛原因：气液两相流速过大影响因素：流量、塔板结构板间距大液泛速度高 3填料塔1、定义填料塔:是一种以连续方式进行气、液传质的设备2、结构填料塔主要由塔体、填料、喷淋装置、液体分布器、填料支承结构、支座等组成。 3、特点结构简单、压力降小、填料种类多、具有良好的耐腐蚀性能，特别是在处理容易产生泡沫的物料和真空操作时，有其独特的优越性。4、发展：过去由于填料本体特别是内件的不够完善，使得填料塔局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进，新型高效填料的开发，以及对填料流体力学、传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展，填料塔已被推广到所有大型气、液传质操作中。在某些场合，甚至取代了传统的板式塔。 填料塔演示图 一、填料填料是填料塔气、液接触的元件填料性能的优劣直接决定着填料塔的操作性能和传质效率。到目前为止，各种形式、各种规格、各种材料的填料达数百种之多；填料结构改进的方向为：（1）增加填料的通过能力，以适应工业生产的需要；（2）改善流体的分布与接触，以提高分离效率；（3）解决放大问题 什么是放大效应？从实验室到工业生产特别是大规模的生产，都要解决一个装置的放大问题。生产规模扩大和经济效益提高的重要途径是装置的放大，以节省投资，降低消耗。但是,在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。这种起源于放大过程的效应，长期以来被笼统地称作“放大效应”。 填料的分类目前，在石油和化工类工厂中，使用较多的填料有以下五种：拉西环填料，鲍尔环，阶梯环，金属环矩鞍填料以及丝网波纹填料（规整填料）。 1、拉西环填料外形：外径和高度相等的空心圆柱体优点：结构简单、价格便宜、使用经验丰富；缺点：阻力大、通量小，传质效率低拉西环存在着严重的壁流现象，塔径愈大，填料层愈高，则壁流现象愈严重，致使传质效率显著下降。一般直径在75mm以下的拉西环采用乱堆方式；直径大于100mm的拉西环多采用整砌方式，以降低流体阻力。 拉西环填料四氟拉西环金属拉西环瓷质拉西环拉西环可用陶瓷、金属、塑料及石墨等材质制造 2、鲍尔环鲍尔环是在拉西环的基础上改进的环形填料。外形：填料的侧壁上开设两层长方形窗孔，小窗的舌片的一端连接在侧壁上，另一端弯入环心优点：鲍尔环由于环壁开孔，大大提高气液接触面积，内表面利用率增加，且使气体流动阻力降低，液体分布也较均匀,液体分散度大，通量提高，因此，鲍尔环比拉西环的传质效率高，操作弹性大,而气体压降明显降低，但价格较高。 鲍尔环目前，鲍尔环以其优良的性能为工业上广泛采用。 3、阶梯环阶梯环是的鲍尔环基础上发展起来的新型填料。外形：与鲍尔环相比，高度减小了一半，而填料的一端做成翻边喇叭形。优点：这一改进，不仅使填料在堆积时由线接触为主变为点接触为主，增加了填料颗粒的空隙，减少了阻力，而且改善了液体分布，促进了液膜更新，提高了传质效率。目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。 阶梯环阶梯环填料可由金属、陶瓷和塑料等材料制造。 4、金属环矩鞍填料外形：环矩鞍填料既保留了鞍形填料的弧形结构，又吸收了鲍尔环的环形形状和具有内弯叶片小窗的结构特征。优点：通过能力大、压力降低、滞液量小、容积重量轻(因为它采用极薄的金属板轧制,仍能保持住良好的机械强度）填料层结构均匀，是一种开敞结构的、综合性能较好的新型填料。特别适用于乙烯、苯乙烯等减压操作。鞍形填料 5、丝网波纹填料外形：丝网波纹填料由若干平行直立放置的波网片组成。网片的波纹方向与塔轴线成30度或45度，相邻两片波纹方向相反，使得波纹网片之间形成一个相互交叉又相互贯通的三角形截面的通道网。组装在一起的波纹片周围用带状丝网圈箍住，构成一个圆柱形的填料盘。优点：由于结构紧凑，具有很大的比表面积，且因气体和液体均不断重新分布，气、液分布均匀，放大效应不明显，故传质效率高，又因填料的规整排列，使流动阻力减小。缺点：造价高、抗污能力差，清洗、装卸困难。不适于处理粘度大，易聚合或有沉淀物的物料 丝网波纹填料 二、填料支承装置填料的支承装置结构对填料塔的操作性能影响很大。若设计不当，将导致填料塔无法正常工作。对填料支承装置的基本要求为：有足够的强度以支承填料的重量；有足够的自由截面，以使气、液两相通过时阻力较小；装置结构要有利于液体的再分布；制造、安装、拆卸要方便。常用的填料支承装置有栅板、格栅板、波形板等。 1、栅板栅板通常由若干竖立的扁钢组焊成型。栅板间距一般为散堆填料环外径的0.6—0.8倍。当塔径小于350mm时，栅板可直接焊在塔壁上；当塔径为400～500mm时，栅板需搁置在焊于塔壁的支持圈上；当塔体直径较大时，栅板不仅需搁置在支持圈上，而且支持圈还得用支持板来加强。若塔径不大(D≤500mm)，可采用整块式栅板，塔径较大时，宜采用分块式栅板。栅板外径比塔内径小10～40mm。分块式中每块栅板的宽度为300—400mm，以便从人孔送人塔内进行组装。栅板支承结构简单，强度较高，是填料塔应用较多的支承结构。但栅板自由截面积较小，气速较大时易引起液泛，且塔内组装时，各块之间常有卡嵌现象。 2、格栅板格栅板由格条、栅条以及边圈组成。格栅板通常由碳钢制成。当介质腐蚀性较大时，可采用不锈钢制造。格栅板适用于规整填料的支承。 3、开孔波形板开孔波形板属于梁形气体喷射式支承装置。结构：波形板由开孔金属平板冲压为波形而成。在每个波形梁的侧面和底部上开有许多小孔，上升的气体从侧面小孔喷出，下降的液体从底部小孔流下，故气液在波形板上为分道逆流。既减少了流体阻力，又使气、液分布均匀。开孔波形板的特点是：支承板上开孔的自由截面积大，需要时，可达100％；支承板上气液分道逆流，允许较高的气、液负荷；气体通过支承板时所产生的压降小；支承板做成波形，提高了刚度和强度。波形板结构为多块拼装形式，每块支承件之间用螺栓连接，波形的间距与高度和塔径有关。 三、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。 为了满足不同塔径、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。 1．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。图5-6(b)为环管多孔喷淋器。它是在环管的下部开有3～5排孔径为4—5mm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0．6～0．8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。 图5—6(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1～3排布液孔，孔径为φ3~φ6mm。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150—200mm。当液体负荷小于25m3／m2·h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 2．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，一般适用于直径小于600mm的塔设备。 3．盘式喷淋器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。优点：操作弹性大，不易堵塞，操作可靠且便于分块安装。缺点：制造比较麻烦。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2—3倍。分布盘的周边一般焊有三个耳座，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。 4．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。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。 5．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。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。 四、液体再分布装置当液体沿填料层流下时，由于周边液体向下流动阻力较小，故液体有逐渐向塔壁方向流动的趋势，使液体沿塔截面分布不均匀，降低了传质效率。为了克服这种现象，必须设置液体再分布装置。同时，为了提高塔的传质效率，应将填料层分段，在各填料层之间，安装液体再分布器。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。 液体在分布装置