设备管理_塔设备的使用与维护培训课件

第四章塔设备的使用与维护 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 由于其工作过程中两种介质主要发生的是质量的传递 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 且高径比较大形如 塔 状 故习惯上称其为塔设备 需要说明的是 有些设备虽形如 塔 状 但其工作原理并非传质 二是反应或换热 如氨合成塔 凉水塔等 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 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 一 塔设备的基本要求 各种塔设备 净化塔 填料塔 空气分离塔 解吸塔 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 环填料 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 塔设备分类 按操作压力 加压塔 常压塔 减压塔 按单元操作分 精馏塔 吸收塔 介吸塔 萃取塔 反应塔 干燥塔等 按内件结构分 填料塔 板式塔 组成 塔体 支座 人孔及手孔 接管 除沫器 吊柱等 二 塔设备的类型 1 吊柱 2 气体出口 3 回流液入口 4 精馏段塔盘 5 壳体 6 料液进口 7 人孔 8 提馏段塔盘 9 气体入口 10 裙座 11 釜液出口 12 检查孔 1 吊柱 2 气体出口 3 喷淋装置 4 人孔 5 壳体 6 液体再分布器 7 填料 8 泄料孔 9 支承装置 10 气体入口 11 液体出口 12 裙座13 检查孔 7塔设备 7塔设备 返回 7塔设备 返回 第二节塔设备的结构 板式塔的塔盘 按其是否设置溢流装置 分为溢流式和穿流式两大类 溢流式塔盘上有专供液相流通的降液管 塔盘上的液层高度由溢流堰高度来调节 因此可获得较大的操作弹性 并能保证一定的效率 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 处理能力较大 压力降较小 但效率及操作弹性较差 板式塔 一 板式塔塔盘的形式及特点 溢流式 液相流经降液管 经过塔盘板 流经溢流堰 溢流堰高度调节液层高度 优点 重量轻 处理量大 效率高 便于维修 缺点 结构复杂 压力降大 穿流式 气 液两相同时通过塔板上的一些孔道流动 特点 处理量大 压力降小 1 泡罩塔 泡罩塔是工业生产上最早出现的典型板式塔 最主要的传质元件是泡罩 如图所示 由泡罩 升气管 溢流堰 降液管及塔板等部分组成 a 泡罩塔板操作示意图 b 圆形泡罩 c 有帽缘的圆形泡罩 泡罩塔应用已有一百多年历史 技术成熟 操作弹性大 气液比的范围大 不易堵塞 但结构复杂 造价高 气相压降大 安装维修不变 目前几乎被浮阀塔和筛板塔所代替 只在某些情况 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时才用 2 筛板塔 筛板塔塔盘分为筛孔区 无孔区 溢流堰及降液管等部分 如图所示 液体从上层塔盘的降液管流下 横向流过塔盘 越过溢流堰经溢流管流入下层塔盘 塔盘上依靠溢流堰的高度保持其液层高度 蒸气自下而上穿过筛孔时 被分散成气泡 在穿越塔盘上液层时 进行气液两相间的传质与传热 筛板塔应用历史较久 与泡罩塔相比结构简单 成本降低40 左右 板效率提高10 15 安装维修方便 但是操作弹性不如泡罩塔 负荷有变动时 操作稳定性差 介质黏性较大或含杂质较多时筛孔易堵塞 现有大筛孔 孔径达20 25mm 导向筛板等多种形式 筛板塔结构及气液接触状况 3 浮阀塔 浮阀塔气 液两相流程与泡罩塔相似 塔盘上开有一定形状的阀孔 阀孔上有阀片 蒸气从阀孔上升 顶开阀片 穿过环形缝隙 以水平方向吹入液层 形成泡沫 浮阀塔的气液传质元件浮阀能随气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降 保持稳定操作 浮阀塔生产能力大 比泡罩塔提高20 40 操作弹性大 塔板效率较高 气液接触状态较好 气体沿水平方向吹入液层 雾沫夹带较小 结构及安装较简单 重量较轻 制造费用低 仅为泡罩塔的60 80 左右 但气速较低时 塔板有漏液 效率下降 阀片有卡死和吹脱的可能 导致操作运转及检修的困难 塔板压力降较大 妨碍了它在高气相负荷及真空塔中的应用 4 斜喷型塔 1 舌形塔 舌形塔是应用较早的一种斜喷型塔 在塔盘上冲出以一定方式排列的舌片 如图示 舌片开启一定角度 舌孔方向与液流方向一致 气相喷出推动液体 液面梯度减小 液层减薄 处理能力增大 压降减小 2 浮动舌形塔 浮动舌形塔是20世纪60年代研制的一种定向喷射型塔板 如图示 一端可以浮动 最大张角约20 舌片厚度1 5mm 质量约20g 浮动舌形塔处理能力大 压降小 舌片可以浮动 塔盘雾沫夹带及漏液较小 操作弹性显著增加 板效率较高 但其舌片容易损坏 5 无降液管塔 穿流式栅板塔结构 穿流式栅板塔 穿流式栅板塔塔盘上无降液管 气液通道为冲压而成的长条栅缝或圆形筛孔 操作时蒸气由栅缝或筛孔上升 液体在塔盘上被上升的气体扰动形成泡沫 两相在泡沫中进行传质与传热 与气相密切接触后的液体又不断从栅缝或筛孔流下 气液两相同时在栅缝或筛孔中形成上下穿流 板式塔性能的比较 二 板式塔的主要内部构件 1 塔盘 溢流型塔盘由塔板 降液管 受液槽 溢流堰和气液接触元件等组成 按塔径及结构分为 整块式塔盘 DN 700mm 分块式塔盘 DN 800mm 整块式塔盘按组装方式分为定距管式 重叠式塔盘 塔体由若干塔节组成 内装有一定数量的塔盘 塔节间用法兰连接 1 整块式塔盘 定距管式 重叠式塔盘 塔径DN 300 500mm时 塔节高度L 800 1000mm 塔径DN 600 700mm时 塔节高度L 1200 1500mm 为方便安装 每个塔节中的塔盘数为5 6块 2 分块式塔盘 对于直径较大的塔 将塔盘制造成分块式 以便于制造 安装 检修 并且能通过人孔送入塔内 焊于塔体内壁塔盘支承件上 如图所示 此时塔体为开设人孔的焊制整体圆筒 对分块式塔盘板要求其结构简单 装拆方便 刚性足够 便于制造 安装和维修 塔盘有自身梁式和槽式两类 常用自身梁式将塔盘板冲压出折边 折边与塔盘板的板面之间有一比塔板面低一板厚的凹肩 用以搭接与其相邻的塔盘板增加刚性 结构简单 节省钢材 1 出口堰 2 上段降液板 3 下段降液板 4 受液盘 5 支撑梁 6 支撑圈 7 受液盘 8 入口堰 9 塔盘边板 10 塔盘板 11 紧固件 12 通道板 13 降液板14 出口堰15 紧固件16 连接板 2 溢流装置 降液管 溢流堰 受液盘 降液管 降液管有圆形与弓形两大类 如图所示 常用的是弓形降液管 受液盘 为保证降液管出口处的液封 在塔盘上设有受液盘 受液盘有平型和凹型两种 溢流堰 根据位置不同溢流堰分为进口堰及出口堰 进口堰用于平型受液盘 保证降液管的液封 使液体均匀流入下层塔盘 并减少液流在水平方向的冲击 设在液流进入端 1 受液管 2 降液管 3 塔盘板 4 塔壁 1 塔壁 2 降液板 3 塔盘板 4 受液盘 5 筋板 受液盘结构 3 除沫装置 塔设备操作气速大时 塔顶雾沫夹带严重 造成物料流失 降低效率 污染环境 为减少液体夹带损失 确保气体纯度以及后续设备正常操作 在气体出口处设置除沫装置 除沫装置分为丝网除沫器 折流板除沫器 旋流板除沫器 多孔材料除沫器 玻璃纤维除沫器等 丝网除沫器特点是比表面积大 重量轻 空隙率大 使用方便 除沫效率高 压力降小 应用广泛 应用于清洁气体 不宜用于液滴中含有或易析出固体物质的场合 如碱液 碳酸氢钠溶液等 以免液体蒸发后留下固体堵塞丝网 当雾沫中含有少量悬浮物时 应注意经常冲洗 折流板除沫器由50mm 50mm 3mm角钢制成 如图所示 当夹带液体的气体通过角钢通道时 由于碰撞及惯性作用而达到截留及惯性分离 分离下来的液体由导液管与进料一起进入分布器 折流板除沫器结构简单 不易堵塞 但金属消耗量大 造价较高 一般情况下 它可除去5 10 2mm以上的液滴 压力降为50 100Pa 旋流板除沫器如图所示 夹带液滴的气体通过叶片时产生旋转和离心运动 在离心力的作用下将液滴甩至塔壁 从而实现气 液分离 除沫效率可达95 4 塔设备的进出口接管 塔设备上由于工艺 检测和安装 检修的需要 安装有各种接管 物料进出口 人孔 测压 测温 取样及安装液面计等都需要接管 几种常见的物料进出口接管结构如图所示 塔底防涡器 1 塔底 2 出料管 3 立板 4 顶板 5 防涡器和滤焦器 填料塔的基本特点是结构简单 压力降小 传质效率高 便于采用耐腐蚀材料制造 1 开发多种形式 规格和材质的高效 低压降 大流量的填料 2 与不同填料相匹配的塔内件结构 3 填料层中液体的流动和分布规律 4 蒸馏过程的模拟 高性能的填料及新型塔内件 气体及液体分布器的研究 填料塔 填料塔是以塔内装有大量的填料为相间接触构件的气液传质设备 填料塔的结构较简单 如图所示 填料塔的塔身是一直立式圆筒 底部装有填料支承板 填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上 在填料的上方安装填料压板 以限制填料随上升气流的运动 液体从塔顶加入 经液体分布器喷淋到填料上 并沿填料表面流下 气体从塔底送入 经气体分布装置 小直径塔一般不设气体分布装置 分布后 与液体呈逆流连续通过填料层空隙 在填料表面气液两相密切接触进行传质 填料塔属于连续接触式的气液传质设备 两相组成沿塔高连续变化 在正常操作状态下 气相为连续相 液相为分散相 填料是填料塔的核心内件 它为气 液两相接触进行传质和传热提供表面 与其他内件共同决定填料塔的性能 设计时 首先选择填料 填料的类型 1 单位体积填料的表面积 即比表面积要大 且填科表面易为液体所润湿 2 单位体积填料的空隙体积 即空隙率要高 以增加气 汽 液的通过能力 减小流动阻力 3 经久耐用 具有良好的耐腐蚀性 较高的机械强度和必要的耐热性 4 取材容易 价格便宜 基本要求 1 散装填料安装以乱堆为主的填料 也可以整砌 具有一定外形的颗粒体 根据形状分为 环形 鞍形及环鞍形 从散装填料的发展沿革看 它已经历了三代发展阶段 从1907年到50年代发展出了以拉西环和弧鞍形填料为代表的第一代填料 随后到70年代相继开发出了鲍尔环和矩鞍形填料为代表的第二代填料 从70年代起又开发出了环矩鞍 阶梯环和纳特环等第三代填料 第一代填料是随后开发的各种填料的基础 但因其性能差 工业上现在几乎不再应用 第二代填料至今还在工业上广泛应用 而第三代填料因其具有更优良的性能 正在获得越来越广泛的应用 据文献报道 金属矩鞍环的填料塔已有数千座正在运转 最大塔直径达20m a 垃西环 b 环 c 十字格环 d 鲍尔环 e 弧环 f 矩环 g 阶梯环 h 金属鞍环 i 网环 j 波纹填料 1 拉西环拉西环填料于1914年由拉西 FRashching 发明 是使用最早的一种填料 为外径与高度相等的圆环 如图所示 由于拉西环在装填时容易产生架桥 空穴等现象 圆环的内部液体不易流入 所以极易产生液体的偏流 沟流和壁流 气液分布较差 传质效率低 又由于填料层持液量大 气体通过填料层折返的路径长 所以气体通过填料层的阻力大 通量小 目前拉西环工业应用较少 已逐渐被其他新型填料所取代 拉西环 2 鲍尔环可用金属 陶瓷和塑料等制作 它是在拉西环的壁上开一层 25mm以下的环 或二层 50mm以上的环 长方形小窗而成 小窗舌片向环中心弯曲搭接 如开有二层小窗 则上下二层开口错开 经如此改进后 填料具有更开放的空间 填料表面更易润湿 对汽相流动的阻力大为降低 汽液两相流动更易均布 因此 其流体力学和传质性能得到明显改进 同种材质 同种规格的两种填料相比 鲍尔环的气体通量较拉西环增大50 以上 传质效率增加30 左右 自从德国巴斯夫 BASF 公司于1948年开发成功此填料后 立即在工业中得到广泛应用 逐步取代了拉西环 3 阶梯环类似于鲍尔环 但高度减小一半 一端扩为喇叭形翻边 增加了填料环的强度 且使填料在堆积时相互的接触由线接触为主变成为以点接触为主 增加了填料颗粒的空隙 减少了气体通过填料层的阻力 改善了液体的分布 促进了液膜的更新 提高了传质效率 由金属 陶瓷和塑料等材料制成 4 弧鞍形填料通常由陶瓷制成 弧形的液体通道 空隙较环形填料连续 气体向上主要沿弧形通道流动 改善了气 液流动状况 由于相邻填料容易产生套叠和架空的现象 使一部分填料表面不能被湿润 即不能成为有效的传质表面 目前基本被矩鞍形填料所取代 5 矩鞍形填料 敞开式填料 由弧鞍型填料发展而来 它将弧鞍填料的两端由圆弧改为矩形 克服了弧鞍填料容易相互叠合的缺点 重叠较少 空隙率较大 填料表面利用率高 压降低 传质效率比拉西环提高40 以上 不易被固体悬浮颗粒堵塞 装填时破碎量较少 应用广泛 可用瓷质材料 塑料制成 6 矩鞍环将开孔环形填料和矩鞍填料的特点相结合 既有类似于开孔环形填料的圆环 环壁开孔和内伸的舌片 又有类似于矩鞍填料的圆弧形通道 开敞的结构 用薄金属板冲制的整体环鞍结构 两侧的翻边增加了填料的强度和刚度 流体的通量大 压降低 滞留量小 利于液体在填料表面的分布 从而提高传质性能 与金属鲍尔环相比 通量提高15 30 压降降低40 70 效率提高10 左右 2 规整填料 丝网波纹填料 金属 塑料 板波纹填料 金属填料 塑料填料 陶瓷板波纹填料 在塔内按均匀的几何图形规则 整齐地堆砌的填料 碳纤 金属丝网波纹填料 采用金属材质 如不锈钢 铜 铝 铁 镍及蒙乃尔等 塑料丝网波纹填料及碳纤维波纹填料 此类填料空隙率及比表面积均较大 填料的表面润湿率高 但是造价高 易堵塞 丝网波纹填料 用表面具有沟纹及小孔的金属板波纹片代替金属网波纹片 即每个填料盘由