设备管理_塔设备培训教材

第十章塔设备 第一节概述第二节板式塔第三节填料塔第四节填料塔与板式塔的比较 第一节概述 一 塔设备的作用和分类二 评价塔设备的基本性能指标 一 塔设备的作用和分类 基本作用有两个 一个作用是提供气 液两相充分接触的场所 使传热 传质两种传递过程能够迅速有效地进行 另一个作用是使接触后的气液两相及时分开 互不夹带 传质要求的充分混合与分离要求的及时分开是一对矛盾 板式塔 填料塔 根据塔内气液接触部件的结构型式 可将塔设备分为两大类 板式塔和填料塔 板式塔内设有若干层塔板 液体由上向下逐级流过塔板 并在各层塔板上形成液层 气体由下向上穿过各层塔板 气液两相在塔内进行逐级接触传热传质 填料塔内装有各种形式的固体填充物即填料 液体由喷淋装置均匀分布于填料层上 气液在填料的润湿表面上进行接触传热传质 三 评价塔设备的基本性能指标 1 生产能力 单位塔截面上单位时间的处理量 2 分离效率 板式塔 每层塔板所能达到的分离程度 填料塔 单位高度填料层所能达到的分离程度 3 操作弹性 塔的最大处理量与最小处理量之比 4 流动阻力 主要指气相阻力 即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降 除上述几项主要性能外 塔的造价 安装及维修的难易以及长期运转的可靠性等因素也是必须考虑的实际问题 一 塔板类型二 塔板结构三 板式塔常见的不正常操作 第二节板式塔 1 无溢流塔板 穿流型塔板 塔板结构简单 板上无液面落差 气体分布均匀 塔板面积利用充分 但需要较高的气流速度才能维持板上液层 操作弹性差且效率较低 目前在现场已很少使用 2 有溢流塔板 溢流型塔板 相对比较稳定 便于操作 技术上也比较成熟 所以目前的塔设备多采用这种方式 一 塔板类型 塔板主要有两大类 无溢流塔板和有溢流塔板 1 泡罩塔板 泡罩 升气管 齿缝 升气管高出液面 板上的液体不会从中漏下 升气管上覆以泡罩 泡罩下部四周开有许多齿缝 齿缝浸没在板上液层中形成液封 上升气体通过齿缝被分散成小气泡或流股进入液层 液体通过降液管留下 泡罩塔 优点 操作稳定 操作弹性大 不易堵塞 能处理含少量污物的物料 缺点 塔板结构复杂 造价高 塔板上液层较厚 气体流动阻力较大 液体流过塔板时因阻力而有液面落差 液层深浅不同 使气量分布不均匀 影响板效率 在新建的塔设备中 泡罩塔已很少见 2 浮阀塔板自二十世纪五十年代问世后 很快在石油 化工行业得到推广 至今仍为应用最广的一种塔板 浮阀塔常用于分馏稳定 塔板上开有正三角形排列的孔 孔的上方安置可上下浮动的阀片 阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度 在低气量时 开度小 气量大时 阀片自动上升 开度增大 因此 气量变化时 通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定 气体水平进入液层也强化了气液接触传质 阀有轻 重之分 重阀的质量为33g 轻阀25g 重阀需要较高的气体压力才能打开 关闭迅速 阀的泄漏少 效率高 为增加塔的操作弹性 同一层塔板上可布置质量不同的浮阀 浮阀塔的特点 结构简单 生产能力和操作弹性大 板效率高 气体压降及液面落差较小 综合性能较优异 浮阀塔有一个最大的缺点 阀是活动部件 使用中容易松脱和卡住 从而造成工作失常 浮阀工作状态 塔板上的浮阀有顺排和叉排两种布置方式 建议采用叉排 叉排时相邻浮阀吹出的气体使液层搅拌和鼓泡均匀 有利于传质传热 同时气体夹带雾沫量也较小 顺排叉排 F1型浮阀 国内最常使用的阀片型式 十字架型浮阀 HTV HalfTubeValve 型浮阀 3 筛孔塔板筛孔塔板即筛板 出现也较早 1830年 是结构最简单的一种板型 但由于早期对其性能认识不足 存在易漏液 操作弹性小 难以稳定操作等问题 使用受到极大限制 1950年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究 从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率 流体力学性能以及塔板漏液等问题 获得了成熟的使用经验和设计方法 使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一 筛板塔常用于闪蒸稳定 塔板上的筛孔以一定排列方式布置 直径约3 8mm 板厚为孔径的0 4 0 8倍 筛板塔的优点 结构简单 造价低 生产能力大 塔板效率高 压降小 主要缺点是操作弹性小 小孔筛板容易堵塞 4 舌形塔板 舌形塔板是60年代初期提出的 塔板上有许多舌形孔 舌叶与板面成一定角度 向塔板的液流出口侧张开 上升气流穿过舌形孔后 沿舌叶的张角向斜上方喷出 塔板液流出口测的液体被喷射至降液管上方 然后流入降液管 降液管不设溢流堰 但比一般塔板的降液管尺寸大 典型尺寸舌形孔 优点 气液并流避免了返混和液面落差 塔板上液层较低 塔板压降较小 气流方向近于水平 相同的液气比下 舌形塔板的液沫夹带量较小 故可以达到较高的生产能力 缺点 张角固定 在气量较小时 经舌形孔喷射的气速低 塔板漏液严重 操作弹性小 液体在同一方向上加速 有可能使液体在板上的停留时间太短 液层太薄 板效率降低 舌形塔板工作状态 二 塔板结构 1 塔板的分区 鼓泡区 气液两相传热 传质降液区 小气泡聚合成大气泡再返回受液区 接受降液管的液体安定区 减少降液管气泡夹带量边缘区 支撑塔板及塔板上液体 2 主要构件1 气体通道鼓泡元件 形成气液两相传热传质的主要构件 型式有筛板型 泡罩型 浮阀型等等 降液管 溢流堰 受液盘 2 液体通道包括溢流堰 降液管 和受液盘 降液管作用 液体通道 让液体在其中停留一段时间 使液体所夹带的气泡有充分的时间得以从液体中溢出 型式 圆形 弓形 弓形降液管具有较大容积 又能充分利用塔板面积 应用较为普遍 受液盘作用 接受由降液管下来的液体 缓冲液体流下时的冲击作用 稳定塔上液体的流动状态 以确保传质过程的稳定进行 形式 平形 凹形 平形 凹形 溢流堰 出口堰 有两个作用 一个是维持塔板上有一定的液面高度 以确保传质过程的顺利进行 另一个是将降液管出口封在液面以下 以免气体短路从降液管中上升 影响传质过程的进行 形式 平形 齿形 平形 齿形 三 板式塔常见的不正常操作 板式塔常见的不正常操作有气泡夹带 雾沫夹带 过量漏液和液泛 1 气泡夹带 在一定结构的塔板上 液体流量过大 使降液管内液体的溢流速度过大 降液管中液体所夹带的气体泡沫来不及从降液管中分离而被带到下一层塔板上的现象称为气泡夹带 2 雾沫夹带 当气速增大 塔板处于泡沫解除状态或喷射解除状态时 由于气泡的破裂或气体动能大于液体的表面能 而把液体吹散成液滴 并抛到一定的高度 某些液滴被气体带到上一层塔板的现象称为雾沫夹带 3 过量漏液 当气体通过塔板的速率较小时 上升的气体通过塔板上开孔的阻力和克服液体表面张力所形成的压降较小 不足以抵消塔板上液层的重力 大量的液体会从塔板上的开孔处往下漏 这种现象叫作漏液 漏液的发生有两种情况 一种是漏液发生在整个塔截面上 整个截面的漏液基本均匀 且漏液量随着气速的增加很快地减少 另一种是局部漏液 它发生在塔板的局部位置 由于塔板上气液相分布不均匀而引起 4 液泛 淹塔 泛液又包括两种 夹带液泛和溢流液泛 夹带液泛 当塔板上的液体流量很大 上升气体的速度又很高时 液体被上升的气体夹带到上一层塔板上 雾沫夹带 的量猛增 使相邻的两块塔板间充满了气 液混合物 最终使整个塔内空间全部被液体所占据 这种现象称为夹带液泛 溢流液泛 因降液管设计太小 液体的流动阻力过大 或因其他原因使降液管局部区域堵塞而变窄 液体不能正常地通过降液管向下流动 使得液体在塔板上积累而充满整个塔内空间 这种现象称为溢流液泛 一 填料特性和分类二 填料塔结构 第三节填料塔 1 填料特性1 比表面积 单位体积填料层所具有的表面积称为填料的比表面积 单位为m2 m3 显然 值大有利于增大传质面积 2 空隙率 单位体积填料层所具有的空隙体积称为填料的空隙率 其单位为m3 m3 值大 气液通过能力大 流动阻力小 压降小 3 填料因子 3 填料因子代表填料的流体力学特性 单位1 m 值小 表明流动阻力小 液泛 夹带液泛 速度较高 此外填料还应质量轻 造价低 坚固耐用 不易堵塞 耐腐蚀等 一 填料特性和分类 拉西环 鲍尔环 阶梯环 2 填料分类常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类 散装填料在塔内可乱堆 也可以整砌 1 拉西环 Raschigring 填料优点 易于制造 价格低廉 且对它的研究较为充分 所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用 缺点 液体常存在严重的沟流和壁流现象 且拉西环填料的内表面润湿率较低 因而传质速率也不高 在拉西环基础上衍生了 环 十字环等 其基本改进是在拉西环内增加一结构 以增大填料的比表面积 拉西环 2 鲍尔环 Pallring 填料同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率 但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通 使环的内壁面得以充分利用 比之拉西环 鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降 且分离效率较高 沟流现象也大大降低 鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视 应用十分广泛 可由陶瓷 金属或塑料制成 塑料鲍尔环 金属鲍尔环 3 阶梯环 Stairring 填料阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高 其生产能力可提高约10 压降则可降低25 且由于填料间呈多点接触 床层均匀 较好地避免了沟流现象 阶梯环一般由塑料和金属制成 由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料 因此获得广泛的应用 4 弧鞍形 矩鞍形填料优点 空隙率高 气体阻力小 液体分布性能较好 填料性能优于拉西环 相邻弧鞍形填料易相互套叠 使填料有效表面降低 从而影响传质速率 矩鞍填料的两端为矩形 且填料两面大小不等 克服了弧鞍填料相互重叠的缺点 填料的均匀性得到改善 液体分布均匀 气液传质速率得到提高 瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料 5 规整填料规整填料一般由波纹状的金属网或多孔板重叠而成 优点 空隙大 生产能力大 压降小 流道规则 只要液体初始分布均匀 则在全塔中分布也均匀 因此规整填料具有很高的传质效率 缺点 造价较高 易堵塞 难清洗 因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况 二 填料塔结构 填料塔除了塔体和填料外 其内部结构包括填料支承板 液体分布装置 液体出口的液体收集器和气体出口的除雾装置 栅板支承 升气管式支承 1 填料支承板 2 液体分布装置 莲蓬头分布器 多孔管式分布器 1 塔顶液体分布装置 2 液体再分布器 盘式液体再分布器 截锥式液体再分布器 3 液体出口的液体收集器