第四章塔设备的使用与维护

第四章塔设备的使用与维护石油与化学工程系孙庆国

化工设备使用与维护第一节塔设备工作过程及类型塔设备是化工、炼油生产中最重要的工艺设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触达到相际传质及传热的目的。常见的、可在塔设备中完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸及萃取等。第一节塔设备工作过程及类型塔设备的工作过程以精馏塔为例说明其工作过程精馏是分离液体混合物的一种单元操作，分离的依据是各组分挥发能力的差异。精馏装置由精馏塔、塔顶冷凝器和塔底再沸器等构成。第一节塔设备工作过程及类型塔设备的基本要求重要的单元操作设备，作用是实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的1.气液两相充分接触，相际间传热面积大2.生产能力大，即气液处理量大3.操作稳定，操作弹性大4.对气体的阻力小5.结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低6.耐腐蚀，不易堵塞基本要求净化塔填料塔空气分离塔解吸塔各种塔设备槽式液体分布器金属鲍尔环及金属改型鲍尔环填料陶瓷孔板波纹填料槽盘式气液分布器除沫器空气分离填料θ环填料各种塔设备甲醇酒精回收塔酒精回收塔填料塔

斜孔塔板

衬钛塔塔内件吊装化肥厂塔设备塔设备的投资在过程设备中所占的比重塔设备投资的比例（%）化工及石油化工

25.448.9

54装置名称装置名称塔设备钢材耗量的比例（%）炼油及煤化工化纤

34.85

44.9

25.360万t，120万t/a催化裂化30万t/a乙烯4.5万t/a丁二烯第一节塔塔设设备工作作过程及及类型塔设备的的类型塔设备分分类按操作压压力（加加压塔、、常压塔塔、减压压塔）按单元操操作分（（精馏塔塔、吸收收塔、介介吸塔、、萃取塔塔、反应应塔、干干燥塔等等）按内件结结构分（（填料塔、板式塔塔）1－吊柱2－气体出出口3－回流液液入口4－精馏段段塔盘5－壳体6－料液进进口7－人孔8－提馏段段塔盘9－气体入入口10－裙座11－釜液出出口12－检查孔孔1－吊柱2－气体出出口3－喷淋装装置4－人孔5－壳体6－液体再再分布器器7－填料8－泄料孔孔9－支承装装置10－气体入入口11－液体出出口12－裙座13－检查孔第二节塔设设备的结构板式塔板式塔的塔盘盘，按其是否否设置溢流装装置，分为溢溢流式和穿流流式两大类。。溢流式塔盘盘上有专供液液相流通的降降液管，塔盘盘上的液层高高度由溢流堰堰高度来调节节，因此可获获得较大的操操作弹性，并并能保证一定定的效率。穿穿流式塔盘上上的气液两相相同时通过塔塔板上的一些些孔道流动，，处理能力较较大，压力降降较小，但效效率及操作弹弹性较差板式塔板式塔塔盘的的形式及特点点溢流式:液相流经降液液管，经过塔塔盘板，流经经溢流堰，溢溢流堰高度度调节液层层高度。优点：重量轻轻，处理量大大，效率高，，便于维修。。缺点：结构复复杂，压力降降大穿流式:气，液两相同同时通过塔板板上的一些孔孔道流动。特点：处理量量大，压力降降小。泡罩塔泡罩塔是工业业生产上最早早出现的典型型板式塔，最最主要的传质质元件是泡罩罩。如图所示示，由泡罩、、升气管、溢溢流堰、降液液管及塔板等等部分组成（a）泡罩塔板操操作示意图（（b）圆形泡罩（（c）有帽缘的圆圆形泡罩泡罩塔应用已已有一百多年年历史，技术术成熟、操作作弹性大、气气液比的范围围大，不易堵堵塞；但结构构复杂、造价价高、气相压压降大、安装装维修不变。。目前几乎被被浮阀塔和筛筛板塔所代替替，只在某些些情况，如生生产能力变化化大，操作稳稳定性要求高高，要求有相相当稳定的分分离能力时才才用筛板塔筛板塔塔盘分分为筛孔区、、无孔区、溢溢流堰及降液液管等部分，，如图所示。。液体从上层层塔盘的降液液管流下，横横向流过塔盘盘，越过溢流流堰经溢流管管流入下层塔塔盘，塔盘上上依靠溢流堰堰的高度保持持其液层高度度；蒸气自下下而上穿过筛筛孔时，被分分散成气泡，，在穿越塔盘盘上液层时，，进行气液两两相间的传质质与传热。筛板塔结构及及气液接触状状况筛板塔应用历历史较久，与与泡罩塔相比比结构简单，，成本降低40%左右，板效率率提高10～15%，安装维修方方便；但是操操作弹性不如如泡罩塔，负负荷有变动时时，操作稳定定性差，介质质黏性较大或或含杂质较多多时筛孔易堵堵塞。现有大大筛孔（孔径径达20～25mm）、导向筛板板等多种形式式浮阀塔浮阀塔气、液液两相流程与与泡罩塔相似似，塔盘上开开有一定形状状的阀孔，阀阀孔上有阀片片，蒸气从阀阀孔上升，顶顶开阀片，穿穿过环形缝隙隙，以水平方方向吹入液层层，形成泡沫沫。浮阀塔的的气液传质元元件浮阀能随随气速的增减减在相当宽的的气速范围内内自由升降，，保持稳定操操作浮阀塔生产能能力大，比泡泡罩塔提高20-40%；操作弹性大大；塔板效率率较高，气液液接触状态较较好，气体沿沿水平方向吹吹入液层，雾雾沫夹带较小小；结构及安安装较简单，，重量较轻，，制造费用低低，仅为泡罩罩塔的60～80%左右。但气速速较低时，塔塔板有漏液，，效率下降；；阀片有卡死死和吹脱的可可能，导致操操作运转及检检修的困难；；塔板压力降降较大，妨碍碍了它在高气气相负荷及真真空塔中的应应用斜喷型塔舌形塔:舌形塔是应用用较早的一种种斜喷型塔，，在塔盘上冲冲出以一定方方式排列的舌舌片，如图示示。舌片开启启一定角度，，舌孔方向与与液流方向一一致，气相喷喷出推动液体体，液面梯度度减小、液层层减薄、处理理能力增大、、压降减小浮动舌形塔:浮动舌形塔是是20世纪60年代研制的一一种定向喷射射型塔板。如如图示，一端端可以浮动，，最大张角约约20°。舌片厚度1.5mm，质量约20g。浮动舌形塔塔处理能力大大，压降小，，舌片可以浮浮动。塔盘雾雾沫夹带及漏漏液较小，操操作弹性显著著增加。板效效率较高，但但其舌片容易易损坏无降液管塔—穿流式栅板塔塔结构穿流式栅板塔塔塔盘上无降降液管，气液液通道为冲压压而成的长条条栅缝或圆形形筛孔。操作作时蒸气由栅栅缝或筛孔上上升，液体在在塔盘上被上上升的气体扰扰动形成泡沫沫，两相在泡泡沫中进行传传质与传热。。与气相密切切接触后的液液体又不断从从栅缝或筛孔孔流下，气液液两相同时在在栅缝或筛孔孔中形成上下下穿流穿流式栅板塔塔板式塔性能比比较板式塔板式塔的主要要内部构件塔盘就其整体构造造而言，是由由塔板盘、传传质元件(浮阀、泡罩、、舌片)、溢流装置、、连接件等构构成。按塔径及结构构分为：整块式塔盘：：DN≤700mm，分块式塔盘：：DN≥800mm。板式塔的主要要内部构件除沫装置除沫器安装在在塔顶，其作作用是分离塔塔顶气体中夹夹带的液滴，，保证塔顶馏馏出产品的质质量。除沫装置分为为丝网除沫器、、折流板除沫沫器、旋流板板除沫器、多多孔材料除沫沫器、玻璃纤纤维除沫器等等。丝网除沫器气体通过除沫沫器的丝垫，，可除去夹带带的雾沫丝网除沫器特特点是比表面面积大，重量量轻、空隙率率大、使用方方便，除沫效效率高、压力力降小、应用用广泛，应用用于清洁气体体。不宜用于液滴滴中含有或易易析出固体物物质的场合(如碱液、碳酸酸氢钠溶液等等)，以免液体蒸蒸发后留下固固体堵塞丝网网。当雾沫中中含有少量悬悬浮物时，应应注意经常冲冲洗防涡器和滤焦焦器塔底液体流出出时，若带有有漩涡则会将将油气带入与与塔底出口相相连的泵内，，使泵容易发发生抽空现象象，为此，塔塔底大多装有有防涡器对减压塔、催催化裂化分馏馏塔等，为了了防止焦块进进入塔底出口口管被带入泵泵内，影响正正常工作，都都装有塔底滤滤焦器塔底防涡器1－塔底；2－出料管；3－立板；4－顶板板式塔的主要要内部构件塔设备的进出出口接管塔设备上由于于工艺、检测测和安装、检检修的需要，，安装有各种种接管，物料料进出口、人人孔，测压、、测温、取样样及安装液面面计等都需要要接管。几种种常见的物料料进出口接管管结构如图所所示第二节塔设设备的结构填料塔填料塔的基本本特点是结构简单，压压力降小，传传质效率高，，便于采用耐耐腐蚀材料制制造。填料塔填料塔是以塔塔内装有大量量的填料为相相间接触构件件的气液传质质设备。填料塔的结构构较简单，如如图所示。填填料塔的塔身身是一直立式式圆筒，底部部装有填料支支承板，填料料以乱堆或整整砌的方式放放置在支承板板上。在填料料的上方安装装填料压板，，以限制填料料随上升气流流的运动。液液体从塔顶加加入，经液体体分布器喷淋淋到填料上，，并沿填料表表面流下。气气体从塔底送送入，经气体体分布装置(小直径塔一般般不设气体分分布装置)分布后，与液液体呈逆流连连续通过填料料层空隙。在在填料表面气气液两相密切切接触进行传传质。填料塔属于连连续接触式的的气液传质设设备，两相组组成沿塔高连连续变化，在在正常操作状状态下，气相相为连续相，，液相为分散散相填料塔填料的类型填料是填料塔塔的核心内件件，它为气—液两相接触进进行传质和传传热提供表面面。与其他内内件共同决定定填料塔的性性能。设计时时，首先选择择填料基本要求单位体积填料料的表面积，，即比表面积积要大，且填填科表面易为为液体所润湿湿。单位体积填料料的空隙体积积，即空隙率率要高，以增增加气（汽））液的通过能能力、减小流流动阻力经久耐用，具具有良好的耐耐腐蚀性、较较高的机械强强度和必要的的耐热性取材容易，，价格便宜宜填料的类型型散装填料安装以乱堆堆为主的填填料，也可可以整砌。。具有一定定外形的颗颗粒体，根根据形状分分为：环形、鞍形形及环鞍形形（a）垃西环（（b）θ环（（c）十字格环环（（d）鲍尔环（（e）弧环（f）矩环（（g）阶梯环（（h）金属鞍环环（i）θ网环（（j）波纹填料料散装填料拉西环拉西环填料料于1914年由拉西(FRashching)发明，是使使用最早的的一种填料料，为外径径与高度相相等的圆环环，如图所所示。由于于拉西环在在装填时容容易产生架架桥、空穴穴等现象，，圆环的内内部液体不不易流入，，所以极易产产生液体的的偏流、沟沟流和壁流流，气液分分布较差，，传质效率率低。又由于填料料层持液量量大，气体体通过填料料层折返的的路径长，，所以气体体通过填料料层的阻力力大，通量量小。目前前拉西环工工业应用较较少，已逐逐渐被其他他新型填料料所取代。拉西环散装填料鲍尔环可用金属、、陶瓷和塑塑料等制作作，它是在在拉西环的的壁上开一一层(φ25mm以下的环)或二层(φ50mm以上的环)长方形小窗窗而成。小小窗舌片向向环中心弯弯曲搭接，，如开有二二层小窗，，则上下二二层开口错错开。经如如此改进后后，填料具具有更开放放的空间，，填料表面面更易润湿湿，对汽相相流动的阻阻力大为降降低，汽液液两相流动动更易均布布，因此，，其流体力力学和传质质性能得到到明显改进进。同种材材质、同种种规格的两两种填料相相比，鲍尔尔环的气体体通量较拉拉西环增大大50%以上，传质质效率增加加30%左右。自从从德国巴斯斯夫(BASF)公司于1948年开发成功功此填料后后，立即在在工业中得得到广泛应应用，逐步步取代了拉拉西环散装填料阶梯环类似于鲍尔尔环，但高高度减小一一半，一端端扩为喇叭叭形翻边，，增加了填填料环的强强度，且使使填料在堆堆积时相互互的接触由由线接触为为主变成为为以点接触触为主，增增加了填料料颗粒的空空隙，减少少了气体通通过填料层层的阻力，，改善了液液体的分布布，促进了了液膜的更更新，提高高了传质效效率。由金金属、陶瓷瓷和塑料等等材料制成成散装填料弧鞍形填料料通常由陶瓷瓷制成。弧弧形的液体体通道，空空隙较环形形填料连续续，气体向向上主要沿沿弧形通道道流动，改改善了气-液流动状况况。由于相邻填填料容易产产生套叠和和架空的现现象，使一一部分填料料表面不能能被湿润，，即不能成成为有效的的传质表面面，目前基基本被矩鞍鞍形填料所所取代散装填料矩鞍形填料料敞开式填料料，由弧鞍鞍型填料发发展而来，，它将弧鞍鞍填料的两两端由圆弧弧改为矩形形，克服了了弧鞍填料料容易相互互叠合的缺缺点。重叠叠较少，空空隙率较大大，填料表表面利用率率高；压降降低，传质质效率比拉拉西环提高高40%以上，不易易被固体悬悬浮颗粒堵堵塞，装填填时破碎量量较少；应应用广泛。。可用瓷质质材料、塑塑料制成散装填料矩鞍环将开孔环形形填料和矩矩鞍填料的的特点相结结合，既有有类似于开开孔环形填填料的圆环环、环壁开开孔和内伸伸的舌片，，又有类似似于矩鞍填填料的圆弧弧形通道，，开敞的结结构。用薄薄金属板冲冲制的整体体环鞍结构构，两侧的的翻边增加加了填料的的强度和刚刚度。流体体的通量大大、压降低低、滞留量量小，利于于液体在填填料表面的的分布，从从而提高传传质性能，，与金属鲍鲍尔环相比比，通量提提高15～30%，压降降低低40～70%，效率提高高10%左右填料的类型型规整填料丝网波纹填填料金属塑料板波纹填料料金属填料塑料填料陶瓷板波纹纹填料在塔内按均均匀的几何何图形规则则、整齐地地堆砌的填填料。碳纤规整填料丝网波纹填填料采用金属材材质，如不不锈钢，铜铜、铝、铁铁、镍及蒙蒙乃尔等，，塑料丝网网波纹填料料及碳纤维维波纹填料料。此类填填料空隙率率及比表面面积均较大大，填料的的表面润湿湿率高，但但是造价高高，易堵塞塞板波纹填料料用表面具有有沟纹及小小孔的金属属板波纹片片代替金属属网波纹片片，即每个个填料盘由由若干金属属板波纹片片相互叠合合而成。板板波纹填料料分为：金金属、塑料料及陶瓷板板波纹填料料三大类。。金属板波波纹填料保保留了金属属丝网波纹纹填料压降降低、通量量高、持液液量小，气气液分布均均匀，几乎乎无放大效效应等优点点，传质效效率也比较较高金属丝网波纹填料金属孔板波纹填料填料塔填料的支撑撑装置填料支撑装装置安装在在填料层的的底部，支支承操作时时填料层的的重量，且且防止填料料穿过支承承装置而落落下。要求求填料支撑撑装置有足足够的开孔孔率，使气气液两相