第四章-塔设备的使用与维护-PPT.ppt

第四章第四章 塔设备的塔设备的使用与维护使用与维护石油与化学工程系石油与化学工程系 孙庆国孙庆国 化工设备使用与维护第一节第一节 塔设备工作过程及类型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。它可使气可使气(或汽或汽)液或液液两相之间进行紧密接触达到相际传质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：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。精馏、吸收、解吸及萃取等。第一节第一节 塔设备工作过程及类型塔设备工作过程及类型v塔设备的工作过程塔设备的工作过程n以以精馏塔精馏塔为例说明其工作过程为例说明其工作过程n精馏是分离液体混合物的精馏是分离液体混合物的一种单元操作，分离的依一种单元操作，分离的依据是各组分挥发能力的差据是各组分挥发能力的差异。异。n精馏装置由精馏塔、塔顶精馏装置由精馏塔、塔顶冷凝器和塔底再沸器等构冷凝器和塔底再沸器等构成。成。第一节 塔设备工作过程及类型v塔设备的基本要求塔设备的基本要求 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，即气液处理量大生产能力大，即气液处理量大 3.操作稳定，操作弹性大操作稳定，操作弹性大 4.对气体的对气体的阻力小阻力小 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，不易堵塞耐腐蚀，不易堵塞基本要基本要求求净化塔净化塔净化塔净化塔填料塔填料塔填料塔填料塔空气分离塔空气分离塔空气分离塔空气分离塔解吸塔解吸塔解吸塔解吸塔各种塔设备各种塔设备槽式液体分布器槽式液体分布器金属金属鲍尔环鲍尔环及金属改型及金属改型鲍尔鲍尔环环填料填料陶瓷孔板波陶瓷孔板波纹纹填料填料槽槽槽槽盘盘式气液分布器式气液分布器式气液分布器式气液分布器除沫器除沫器空气分离填料空气分离填料 环环填料填料各种塔设备各种塔设备甲醇酒精回收塔甲醇酒精回收塔酒精回收塔酒精回收塔填料塔填料塔 斜孔塔板斜孔塔板 衬钛塔衬钛塔塔内件吊装塔内件吊装化肥厂塔设备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的投资在过程设备中所占的比重塔设备投资的比例塔设备投资的比例塔设备投资的比例塔设备投资的比例（%）化工及石油化工化工及石油化工化工及石油化工化工及石油化工 25.448.9 54装置名称装置名称装置名称装置名称装置名称装置名称装置名称装置名称塔设备钢材耗量的比塔设备钢材耗量的比塔设备钢材耗量的比塔设备钢材耗量的比例（例（例（例（%）炼油及煤化工炼油及煤化工炼油及煤化工炼油及煤化工化纤化纤化纤化纤 34.85 44.9 25.36060万万万万t t，120120万万万万 t/a t/a 催化裂化催化裂化催化裂化催化裂化3030万万万万t/a t/a 乙烯乙烯乙烯乙烯4.54.5万万万万 t/a t/a 丁二烯丁二烯丁二烯丁二烯第一节 塔设备工作过程及类型v塔设备的类型塔设备的类型 塔设备分类塔设备分类 按操作压力（加压塔、常压塔、减压塔）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、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）反应塔、干燥塔等）按内件结构分（填料塔、板式塔）按内件结构分（填料塔、板式塔）1吊柱吊柱2气体出口气体出口 3回流液入口回流液入口 4精馏段塔盘精馏段塔盘5壳体壳体 6料液进口料液进口 7人孔人孔8提馏段塔盘提馏段塔盘9气体入口气体入口 10裙座裙座11釜液出口釜液出口 12检查孔检查孔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裙座裙座 13检查孔检查孔第二节第二节 塔设备的结构塔设备的结构v板式塔板式塔 板式塔的塔盘，按其是否设置溢流装置，分为溢流板式塔的塔盘，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能力较大，压力降较小，但效率及操作弹性较差板式塔n板式塔塔盘的形式及特点溢流式溢流式:液相流经降液管，经过塔盘板，流经溢流堰，溢流堰高液相流经降液管，经过塔盘板，流经溢流堰，溢流堰高 度调节液层高度度调节液层高度。优点：重量轻，处理量大，效率高，便于维修。优点：重量轻，处理量大，效率高，便于维修。缺点：结构复杂，压力降大缺点：结构复杂，压力降大 穿流式穿流式:气，液两相同时通过塔板上的一些孔道流动。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。特点：处理量大，压力降小。n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泡罩塔板操作示意图 （b）圆形泡罩）圆形泡罩 （c）有帽缘的圆形泡罩）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n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。筛筛板板塔塔结结构构及及气气液液接接触触状状况况 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1015%，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2025mm）、导向筛板等多种形式n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6080%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n斜喷型塔 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 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 n无降液管塔穿流式栅板塔结构 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 穿流式栅板塔穿流式栅板塔 板式塔性能比较塔型塔型与泡罩塔与泡罩塔 相相比的相对气比的相对气相负荷相负荷效率效率操作操作 弹性弹性85%最大负最大负 荷荷时的单板时的单板 压降压降（Pa）与泡罩与泡罩 塔相比塔相比 的相对的相对 价格价格可靠性可靠性泡罩塔泡罩塔1.0良良超超4417841.0优优浮阀塔浮阀塔1.3优优超超4415880.7良良筛板塔筛板塔1.3优优良良2944900.7优优舌形塔舌形塔1.35良良超超3906860.7良良栅板塔栅板塔2.0良良中中2453900.5中中板式塔n板式塔的主要内部构件板式塔的主要内部构件n塔盘塔盘n就其整体构造而言，是由塔板盘、传质元件就其整体构造而言，是由塔板盘、传质元件(浮阀、泡罩、浮阀、泡罩、舌片舌片)、溢流装置、连接件等构成。、溢流装置、连接件等构成。按塔径及结构分为：按塔径及结构分为：整块式塔盘：整块式塔盘：DNDN700mm700mm，分块式塔盘：分块式塔盘：DNDN800mm800mm。板式塔的主要内部构件n除沫装置n除沫器安装在塔顶，其作用是分离塔顶气体中夹带的液滴，保证塔顶馏出产品的质量。n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。n丝网除沫器n气体通过除沫器的丝垫，可除去夹带的雾沫n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。n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v防涡器和滤焦器防涡器和滤焦器n塔底液体流出时，若带有漩涡则会将油气带入与塔底出口相连的泵内，使泵容易发生抽空现象，为此，塔底大多装有防涡器n对减压塔、催化裂化分馏塔等，为了防止焦块进入塔底出口管被带入泵内，影响正常工作，都装有塔底滤焦器塔底防涡器塔底防涡器 1 1塔底；塔底；2 2出料管；出料管；3 3立板；立板；4 4顶板顶板板式塔的主要内部构件n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第二节 塔设备的结构v填料塔填料塔 填料塔填料塔的基本特点是的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造便于采用耐腐蚀材料制造。填料塔 填料塔是以塔内装有大量的填料为相间接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。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，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，经气体分布装置底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设小直径塔一般不设气体分布装置气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通分布后，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过填料层空隙。在填料表面气液两相密切接触进行传质。进行传质。填料塔属于连续接触式的气液传质设备，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，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，液相为分散相气相为连续相，液相为分散相填料塔n填料的类型填料的类型 填料是填料塔的核心内件，它为气填料是填料塔的核心内件，它为气液两相接触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，首先选择填料塔的性能。设计时，首先选择填料n基本要求基本要求n单位体积填料的表面积，即比表面积要大，且填科表面易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。为液体所润湿。n单位体积填料的空隙体积，即空隙率要高，以增加气（汽）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、减小流动阻力液的通过能力、减小流动阻力n经久耐用，具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和必要经久耐用，具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和必要的耐热性的耐热性n取材容易，价格便宜取材容易，价格便宜填料的类型n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（a a）垃西环）垃西环 （b b）环环 （c c）十字格环）十字格环 （d d）鲍尔环）鲍尔环 （e e）弧环）弧环（f f）矩环）矩环 （g g）阶梯环）阶梯环 （h h）金属鞍环）金属鞍环 （i i）网环网环 （j j）波纹填料）波纹填料散装填料n拉西环 拉西环填料于1914年由拉西(F Rashching)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。拉西环拉西环散装填料n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，逐步取代了拉西环散装填料n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散装填料n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散装填料n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、塑料制成散装填料n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1530%，压降降低4070%，效率提高10%左右填料的类型n规整填料丝网波纹填料丝网波纹填料丝网波纹填料丝网波纹填料金属金属金属金属塑料塑料塑料塑料板波纹填料板波纹填料板波纹填料板波纹填料金属填料金属填料金属填料金属填料塑料填料塑料填料塑料填料塑料填料陶瓷板波纹填料陶瓷板波纹填料陶瓷板波纹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。在塔内按均匀的几何图形规则、整齐地堆砌的填料。碳纤碳纤碳纤碳纤规整填料n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n板波纹填料 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，即每个填料盘由若干金属板波纹片相互叠合而成。板波纹填料分为：金属、塑料及陶瓷板波纹填料三大类。金属板波纹填料保留了金属丝网波纹填料压降低、通量高、持液量小，气液分布均匀，几乎无放大效应等优点，传质效率也比较高金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料填料塔n填料的支撑装置 填料支撑装置安装在填料层的底部，支承操作时填料层的重量，且防止填料穿过支承装置而落下。要求填料支撑装置有足够的开孔率，使气液两相能自由通过，具备足够的强度及刚度，结构简单，便于安装，耐腐蚀填料支承装置填料支承装置填料支承装置填料支承装置栅板形支承栅板形支承栅板形支承栅板形支承气液分流形支承气液分流形支承气液分流形支承气液分流形支承波纹式波纹式波纹式波纹式孔管式（气体分布较好）孔管式（气体分布较好）孔管式（气体分布较好）孔管式（气体分布较好）填料塔n液体分布装置 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。一种合理的液体分布装置应该满足基本条件为：通道不易堵塞，液体压头不需要太大，气体通过时的阻力小，结构简单，制造、安装方便。n液体收集及再分布器n作用是减小壁流现象n壁流现象：在乱堆填料层内存在的液体逐渐流向塔壁的现象n在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置板式塔和填料塔的比较板式塔和填料塔的比较项目塔型项目塔型填料塔填料塔板板 式式 塔塔压降压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小规整填料，压降较小较大较大空塔气速空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺寸及规小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大整填料气速较大较大较大塔效率塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高规整填料效率较高较稳定、效率较高较稳定、效率较高液液-气比气比对液体量有一定要求对液体量有一定要求适用范围较广适用范围较广持液量持液量较小较小较大较大安装、检修安装、检修较难较难较容易较容易材质材质金属及非金属材料均可金属及非金属材料均可一般用金属材料一般用金属材料造价造价新型填料，投资较大新型填料，投资较大大直径时造价较低大直径时造价较低