塔式容器基本知识课件.ppt
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1、塔式容器基本知识1.11.1塔塔设备的作用设备的作用: 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。 通过塔设备完成的单元操作通常有:精馏、吸收、解吸、萃取等,也可用来进行介质的冷却、气体的净制与干燥以及增湿等。 1 概述 塔设备操作性能的优劣,对整个装置的产品产量、质量、成本、能耗、“三废”处理及环境保护等均有重大影响。因此,随着石油、化工生产的迅速发展,塔设备的合理构造与设计越来越受到关注和重视。化工生产对塔设备提出的要求如下。1.2 塔设备对生产的影响塔设备对生产的影响 工艺性能好。 生产能力大。 操作稳定性好。 能量消耗小。 结构合理。 选材要合理
2、。 安全可靠。1.3化工生产对塔设备提出的要求化工生产对塔设备提出的要求上述各项指标的重要性因不同设备而异,要同时满足所有要求很困难。因此,要根据传质种类、介质的物化性质和操作条件的具体情况具体分析,抓住主要矛盾,合理确定塔设备的类型和内部构件的结构形式,以满足不同的生产要求。从不同角度可以有不同分类 按操作压力分:加压塔;常压塔;减压塔 按单元操作分:精馏塔;吸收塔;萃取塔;反应塔;干燥塔 按塔的内部结构分:板式塔和填料塔(最常用的分类方式)1.4 塔设备分类结构: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。 填料塔是一种以连续方式进行气、液传质的设备 2 填料塔
3、如图所示,在圆筒形塔体内部,分段装有若干段填料。填料堆积于支撑装置上,液体由塔顶入口管进入分布器,均匀喷淋在填料表面上并在重力作用下向下流动,气体在压强差的推动下,由支承板下方气体入口管进入塔内,通过填料间的空隙由塔的顶部排出。填料塔内气液两相呈逆流流动,气体和液体在填料表面上进行传质和传热,两相的组成沿塔高连续变化 。 特点特点: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。 发展发展: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
4、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。适用范围: 1)直径较小的塔; 2)处理有腐蚀性物料; 3)处理热敏性物料的真空蒸馏。 填料塔会发生液泛现象, 应绝对避免. 填料是填料塔气、液接触的元件气、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:增加填料的通过能力,增加填料的通过能力,以适应工业生产的需要;改善流体的分布与接触,以提高以适应工业生产的需要;改善流体的分布与接触,以提
5、高分离效率;解决分离效率;解决放大放大问题问题。 一、填料一、填料 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,减少占地 , 节约人力。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”,它包含了很多已查明或未查明的物理因素(或称工程因素)的影响。 什么是放大效应? 1、拉西环、拉西环(使用最早的一种填料) 外形:外径和高度相等的空心圆柱体外形:外径和高度
6、相等的空心圆柱体 优点:结构简单、价格便宜、使用经验丰富;优点:结构简单、价格便宜、使用经验丰富; 缺点:阻力大、通量小,传质效率低缺点:阻力大、通量小,传质效率低 拉西环存在着严重的沟流及壁流现象,塔径愈大,填料拉西环存在着严重的沟流及壁流现象,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层愈高,则壁流现象愈严重,致使传质效率显著下降常用填料大致分为两大类:a 个体填料:例如:拉西环、鲍尔环、阶梯环、鞍形环等。 一般直径在一般直径在75mm以下的拉西环采用乱堆方式;直径大于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。的拉西环多采用整砌方
7、式,以降低流体阻力。瓷质拉西环拉西环 金属拉西环拉西环 四氟拉西环拉西环 四氟拉西环拉西环 拉西环可用陶瓷、金属、塑料及石墨等材质制造。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。b鲍尔环鲍尔环 目前,鲍尔环以其目前,鲍尔环以其优良的性能为工业优良的性能为工业上广泛采用。上广泛采用。阶梯环是的鲍尔环基础上发展起来
8、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。阶梯环填料可由金属、陶瓷和塑料等材料制造。 目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。c阶梯环阶梯环 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
9、、苯乙烯等减压操作。d金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料属敞开型填料,如图所示。敞开形填料的特点是表面全部散开,不分内外,液体在表面两侧均匀流动,表面利用率高,气体流动阻力小,制造也方便鞍形填料鞍形填料环矩鞍填料环矩鞍填料 外形:丝网波纹填料由若干平行直立放外形: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置的波网片组成。网片的波纹方向与塔轴线成轴线成30度或度或45度,相邻两片波纹方向度,相邻两片波纹方向相反,相反,使得波纹网片之间形成一个相互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组装在
10、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。箍住,构成一个圆柱形的填料盘。优点: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,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、缺点:造价高、抗污能力差,清洗、装卸装卸困难。困难。 不适于处理粘度大,易聚合或有沉淀物的物料(二)规整填料(二)规整填料例如:栅板、网环、波纹填料等丝网波纹填料丝网波纹填料( (三)填料的装填方式三)填料的装填方式 分为乱堆和整砌两种。乱堆填料乱堆填料混堆填料层示意图 填料支承结构的填料
11、支承结构的作用作用 填料的支承结构安装在填料层的底部,其填料的支承结构安装在填料层的底部,其作用作用是是支撑支撑填填料及填料层中所载液体,同时还要保证气流能均匀地进入料及填料层中所载液体,同时还要保证气流能均匀地进入填料层,并使气流的流通面积无明显减少。填料层,并使气流的流通面积无明显减少。 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。 二、二、
12、填料支承填料支承装置装置 a.栅板支承(栅板支承(栅板式) 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0608倍。当塔径小于350 mm时,栅板可直接焊在塔壁上;当塔径为400500 mm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(D500 mm),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1040 mm。分块式中每块栅板的宽度为300400mm,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
13、泛,且塔内组装时,各块之间常有卡嵌现象。1、规整填料2、支撑栅板3、液体收集器4、集液环5、多级槽式液体分布器6、填料压圈7、支撑栅板8、蒸汽入口管9、塔底10、至再沸器循环管11、裙座12、底座环此结构适合于直径大于等于800mm的填料塔。 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。b格栅板(格栅板(栅板式) 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
14、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。c开孔波形板(开孔波形板(升气管式)开孔波形板开孔波形板 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
15、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。三、液体喷淋装置三、液体喷淋装置a管式喷淋器管式喷淋器 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35排孔径为45 mm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0608倍。环管多孔喷淋器结构较简单,
16、喷淋均匀度比直管好,适用于直径小于1200mm的塔设备。 图56(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13排布液孔,孔径为36 mm。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150200mm。当液体负荷小于25 m3m2h时,排管式喷淋器可提供良好的液体分布。其缺点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 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
17、塔设备。b喷头式喷淋器喷头式喷淋器 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。优点优点:操作弹性大,不易堵塞,操作可靠且便于分块安装。 缺点缺点: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23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
18、的水平度,以便液体均匀地淋洒到填料层上。c盘式喷淋器盘式喷淋器d槽式喷淋器槽式喷淋器 槽式喷淋器也属于溢流型溢流型分布器。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: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。e冲击形喷淋器冲击形喷淋器 反射板式喷淋器属于冲击形冲击形布液装置 结构结构: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
19、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。 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,应将填料层应将填料层分段分段,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
20、料高度不应超过45m。 工厂中应用最多的是锥形分布器。它的结构特点是将分配锥倒装以收集壁流,并将液体通过设在锥壳上的34根管子引入塔的中央。槽形分配锥有较大的自由截面,可用于较大直径的塔。四、液体再分布装置四、液体再分布装置盘式再分布器盘式再分布器3 板式塔结构板式塔结构 板式塔称为板式塔称为逐级接触式逐级接触式的气液传质设备。的气液传质设备。 在一个圆筒形的壳体在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距内装有若干块按一定间距放置的水平塔板,塔板上放置的水平塔板,塔板上开有很多筛孔,液体靠开有很多筛孔,液体靠重重力作用力作用由上层塔板经降液由上层塔板经降液管流至下层塔板,最后由管流至下层塔板,最
21、后由塔底流出;气体靠塔底流出;气体靠压强差压强差推动,逐板由下向上穿过推动,逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔筛孔及板上液层而流向塔顶。顶。 气体通过每层板上液气体通过每层板上液层时,形成层时,形成气泡与液沫气泡与液沫,泡沫可为两相接触提供足泡沫可为两相接触提供足够大的相际接触面,有利够大的相际接触面,有利于相间传质,气液组成沿于相间传质,气液组成沿塔高逐渐增大塔高逐渐增大。一、总体结构与基本类型一、总体结构与基本类型如图如图5-1所示,主要构件如下。所示,主要构件如下。 (1)塔体塔体 塔体是塔设备的外壳,通常由等直径、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
22、等壁厚的钢制圆筒和上、下椭圆封头组成。成。 (2)支座支座 支座是塔体与基础的连接部件。塔体支支座是塔体与基础的连接部件。塔体支座的形式一般为座的形式一般为裙式裙式支座。支座。 (3)塔内件塔内件 板式塔内件由塔板、降液管、溢流堰、板式塔内件由塔板、降液管、溢流堰、紧固件、支承件及除沫装置等组成。紧固件、支承件及除沫装置等组成。 (4)接管接管 为满足物料进出、过程监测和安装维修为满足物料进出、过程监测和安装维修等要求,塔设备上有各种开孔及接管。等要求,塔设备上有各种开孔及接管。 (5)塔附件塔附件 塔附件包括人孔、手孔、吊柱、平台、塔附件包括人孔、手孔、吊柱、平台、扶梯等。扶梯等。 根据塔板
23、结构,板式塔可分为泡罩塔、根据塔板结构,板式塔可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔等形式。浮阀塔、筛板塔等形式。(二)基本类型(二)基本类型按照塔板结构,板式塔可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔等形式。 1泡罩塔泡罩塔 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(见图5-14)。 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。缺点缺点:生产能力
24、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。 2筛板塔筛板塔(图(图5-16) 塔板上开有许多均布的筛孔,孔径一般为38mm。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。 在通常的操作气速下,通过筛孔上升的气流,应能阻止液体经筛孔向下泄漏。 筛板分为筛孔区、无孔区、溢流堰、降液管区等几个部分。优点优点:筛板塔与泡罩塔相比,生产能力提高2040,塔板效率高1015,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。缺点缺点:操作弹性不如泡罩塔,当负荷有变动时,操作稳定性差。
25、当介质粘性较大或含杂质较多时,筛孔易堵塞。但已有大孔应用。常见的有:往复筛板萃取塔,转盘筛板萃取塔 3穿流板塔(图穿流板塔(图5-17) 穿流板塔与筛板塔相比,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。 常用的塔板结构有筛孔板和栅板两种。优点:优点:穿流板塔结构简单,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。缺点缺点:塔板效率较低,操作弹性较小。 4浮阀塔(图浮阀塔(图5-18) 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
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