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模块二 塔设备
塔 设 备
项目一 初识塔设备
塔设备作为一种常见的传质、传热设备，已成为现代石油和化工生产中最重要和最关键的设备之一。
知识点一 化工生产对塔设备的要求
1、能满足工艺要求。即能达到工艺要求的传质、传热效率。
2、生产能力大。即塔气液处理量大。
3、操作弹性大。即气液负荷波动较大时，塔仍能正常操作。
4、能量消耗小。即流体通过塔时的阻力小。
5、设备结构简单、合理、安全可靠。
知识点二 塔的总体结构
一般塔设备由塔体、塔内件、支座、塔附件四部分组成。
图2-1 塔设备总体结构的简图（以板式塔为例）
一、塔体
塔体是塔设备的外壳，通常由筒体和椭圆形封头组成。
二、塔内件
塔内件因塔的类型不同而异，例如：板式塔的塔板等。
三、支座
支座是塔体与基础的连接部件。塔设备的支座一般为裙座。
四、塔附件
塔附件包括接管、吊柱、平台、扶梯等。
知识点三 塔的基本类型
按操作压力分：减压塔、常压塔、加压塔
按单元操作分：精馏塔、吸收塔、解吸塔、冷却塔、萃取塔等
按塔的内部结构分 ：板式塔和填料塔。
项目二 板式塔
板式塔是一种逐级接触的气液传质设备，通常由一个圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干块塔板所组成。它应用广泛，结构多样，可根据各自的生产条件和范围，选择合适的塔型。
知识点一 传质机理
板式塔的内部装有一定数量相隔一定间距的开孔塔板，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔板上的液层，而液体从塔顶进入，顺塔而下，两相在塔板上充分接触进行传质、传热。两相的组分呈阶梯式变化。是一种逐级接触的气液传质设备。
溢流堰
降液管
塔板
塔体
气体出口
液体入口
气体入口
液体出口
图2-2板式塔内气液流向简图
知识点二 基本类型
根据塔板结构，尤其是气液接触元件的不同，板式塔分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等形式。
一泡罩塔
泡罩塔是工业上最早使用的塔设备，它最主要的传质元件是泡罩。其中圆形泡罩较常用，它由升气管和带有矩形（或敞开式）齿缝的圆形泡罩组成。
泡罩塔的特点：操作弹性较大；传质效果较好，塔板效率较高；不易堵塔，介质适用范围广；塔板压降大，能耗高；结构复杂，造价高。
图2-3 泡罩塔板
二、筛板塔
筛板塔盘上开有筛孔，直径一般为3-8mm。通常按正三角形排列。
图2-4 筛板塔的塔盘
筛板塔的特点：与泡罩塔相比，生产能力较大，塔板效率较高，塔板压降小，结构简单，造价低，但操作弹性差，筛孔易堵。故不适宜处理粘性大和带有固体颗粒的物料。
三、浮阀塔
浮阀塔塔盘上开有阀孔，阀孔里装有可上下浮动的浮阀。浮阀可分为盘形和条形浮阀，目前应用最广的是F1形浮阀，它是由钢板冲压而成的圆形阀片，把三条阀腿装入阀孔后，将阀腿扭转90°，则浮阀就被限制在阀孔内，随气速的变化而上下运动。浮阀的周边还有三个朝下倾斜的定距片，定距片的作用是保证最小气速时还有一定的开度，避免浮阀与塔板粘住。
图2-5 浮阀塔的塔盘
图2-6浮阀
各种浮阀
浮阀塔的特点：与泡罩塔相比，操作弹性大，生产能力高，塔板效率高，结构简单，安装容易，且不易堵塞、粘连，是一种综合性能较好的塔。与筛板塔相比，构造、压力降、生产处理能力及塔板效率稍逊，但在操作弹性及处理粘度大及含有颗粒物料方面较优 。
四、舌形塔及浮动舌形塔
舌形塔它们属于喷射型塔。塔盘上开有舌形孔，舌孔方向与液流方向一致，气体经舌孔流出，其沿水平方向的分速度促进了液体流动，液面落差小；而且气液两相是并流流动，故雾沫夹带少。
图2-7 舌形塔盘
舌形塔的特点：生产能力大，压降小，结构简单，安装方便。但操作弹性小，塔板效率低。
浮动舌形塔是舌形塔的改进型，它综合了
固定舌片和浮阀的结构特点。
浮舌
浮动舌形塔的特点：生产能力大，压降小，雾沫夹带少，操作弹性大，塔板效率高，缺点是操作过程中浮舌易磨损。
五、垂直筛板塔
属于并流喷射塔板。其气液接触过程可描述为：气体从板孔进入罩内，将帽罩底隙进入的液体提升，气液两相在罩内剧烈撞击、破碎、湍动，然后气液从帽罩侧孔喷出，罩间对喷，液滴落回塔盘，气体上升进入上层塔盘。新型垂直筛板的气液接触是以气液两相在喷射状态下进行的，气相为连续相、液相为分散相，与传统的泡罩、筛板、浮阀塔板有着本质的不同,后者的气液接触是以鼓泡状态进行，气相为分散相、液相为连续相。
垂直筛板塔的特点：传质效率高，塔板效率高，操作弹性大，气相负荷大，雾沫夹带少，生产能力大，不易堵塔。
图2-8垂直筛板塔塔盘
板式塔性能的比较
塔型 与泡罩塔相比的相对气相负荷 效率 操作弹性 85%最大负荷时的单板压降
（mm水柱） 与泡罩塔相比
的相对价格 可靠性
泡罩塔 1.0 良 超 45～80 1.0 优
浮阀塔 1.3 优 超 45～60 0.7 良
筛板塔 1.3 优 良 30～50 0.7 优
舌形塔 1.35 良 超 40～70 0.7 良
栅板塔 2.0 良 中 25～40 0.5 中
知识点三 塔盘
一、类型
按气液两相的接触状态，塔盘有溢流式和穿流式如两类。
溢流式塔板盘上设置有降液管，塔板上的液层高度可通过溢流堰的高度来调节。塔板效率高，操作弹性大。应用较广。
图2-9溢流式塔盘的气液流动简图
穿流式塔盘上无降液管，气液两相同时逆流穿过孔道，处理量大，压降小，但操作弹性小，塔板效率低。
图2-10 穿流式塔盘的气液流动简图
二、溢流式塔盘组成
溢流式塔盘由气液接触元件、塔板、降液管、受液盘、溢流堰、塔盘支承件和紧固件组成。
1、塔板
按塔盘的结构，塔盘可分为整块式和分块式两种。整块式塔盘用于塔的直径不超过800mm的场合；当塔径大于900mm时，因人可以进入塔内安装、检修，可采用分块式塔盘；当塔径在800-900mm之间时，可根据具体情况，选择整块式或分块式塔盘的一种。
塔盘的板面可划分为若干区域，各区的名称、作用。
图2-11塔板的板面布置图
（1）有效传质区Aa：塔板上布置有气液接触元件的区域，称有效传质区。
（2）降液区Af：每根降液管所占用的塔板区域，称降液区，降液区内不开孔。
（3）入口安定区Ws′：塔板上液流的上游部位有狭长的不开孔区，叫入口安定区，此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。
（4）出口安定区Ws：在塔板上液流的下游靠近溢流堰部位也有狭长的不开孔区，叫出口安定区，，这部分不开孔是为了减小因流进降液管的液体中含气泡太多而增加液相在降液管内排气的困难。
（5）边缘固定区Wc ：在塔板边缘有宽度为25～50mm的区域不开孔，这部分用于塔板固定。
2、降液管
作用：降液管的作用是将进入其内的含有气泡的液体进行气液分离，使清液进入下一层塔盘。为了更好地分离气泡，一般取液体在降液管内的停留时间为2-5s，由此决定降液管的形式和尺寸。
分类：常见的降液管有圆筒形和弓形两种。圆筒形降液管常用于负荷小的场合；弓形降液管能充分利用塔板空间，具有较大的降液面积，气液分离效果好，降液能力大，应用较广。
图2-12 圆形降液管
图2-13 弓形降液管
3、受液盘
作用：受液盘的作用是保证降液管出口处的液封。
分类：受液盘有平形和凹形两种。
平形受液盘特点和应用：平形受液盘即塔板面本身，结构简单，适用于易结焦和易聚合的物料。
图2-14 平形受液盘
凹形受液盘特点和应用：凹形受液盘具有缓冲液体冲击，防止液体飞溅，液封效果好，能使液体均匀流过塔盘的鼓泡区的优点，故应用较广。
图2-15 凹形受液盘
4、入口堰和溢流堰
入口堰：入口堰一般设置在平形受液盘的塔盘上，目的是保证降液管的液封，使从降液管下来的液体能在塔板上均匀分布，同时也为了减小入口处液体的水平冲击。当然筛板塔、浮阀塔等可不在塔盘上设入口堰，而采用操作液封。
溢流堰：溢流堰的作用是为了能在塔板上保持一定高度的液层并促使液体均匀分布。
分类：平堰：平堰应用较广。
齿形堰 ：多用于液体流量小或塔径较大而难以保证堰的水平度的场合。
图2-16平堰
图2-17齿形堰
三、塔盘的支承
1、整块式塔盘
采用整块式塔盘的板式塔的塔体有若干个塔节组成，每个塔节内安装若干块塔盘，每个塔节之间通过法兰连接。塔节的长度取决于塔径，当塔径为300-500mm时，人只能将手臂伸入塔节安装塔板，塔节长度以800-1000mm为宜；当塔径为600-800mm时，人可以将上身伸入塔内安装塔板，塔节长度可增至1200-1600mm。同时为便于安装，每个塔节内的塔板数一般不宜超过6块。
（1）定距管式塔盘
一定数量的塔盘利用3-4根两端带螺纹的拉杆与定距管连在一起，最后用螺母将拉杆紧固在焊在塔壁的塔盘支座上。定距管支承着塔盘并使塔盘保持规定的间距。
1—塔盘板 2—降液管
3—拉杆 4—定距管
5—塔盘圈 6—吊耳
7—螺栓 8—螺母
9—压板 10 —压圈
11—石棉绳
（2）重叠式塔盘
每个塔节的下部一般焊有三个支座，用于支承底层塔盘，然后依次装入上一层塔盘，塔盘间距由焊在塔盘下的支柱保证，并通过调节螺钉来调整塔盘的水平度。由于拧调节螺栓时人需要进入塔内，因此多用于塔径等于或大于700mm的场合。
1—调节螺栓 2—支承板
3—支柱 4—压圈
5—塔盘圈 6—填料
7—支承圈 8—压板
9—螺母 10—螺柱
11—塔盘板 12—支座
2、分块式塔盘
采用分块式塔盘的板式塔的塔体不需要分塔节，而是焊制成开设有人孔的整体圆筒。其塔盘的支承有支承圈和支承梁两种结构。支承圈支承多用于塔径较小时（Di≤2000mm）的场合；
而塔径较大时（Di＞2000mm）必须采用支承梁支承。
四、塔板的结构
1、整块式塔盘
整块式塔盘有角焊和翻边两种结构。
（1）角焊结构
这种塔盘是将塔盘圈角焊在塔盘板上。制造简单，但容易产生焊接变形而引起塔板不平。
塔盘圈较低时用
塔盘圈较高时用
（2）翻边结构
这种塔盘的塔盘圈是由塔板翻边而成。当塔盘较低时，可由塔板整体冲压而成；当塔盘较高时，可在冲压翻边的基础上加焊塔盘圈 。
两种结构塔板的塔盘圈高度不得低于
溢流堰高，一般为70mm左右。
直边较短，整体冲压成型
塔盘圈与塔板对接焊而成
（3）密封装置
为了便于安装塔盘，塔盘与塔壁之间要留有一定的间隙。为了防止气体由此通过，须将此间隙密封。常用的密封填料是φ10-20mm的石棉绳，放置2-3层，通过上紧螺母，压紧压板及压圈来密封。
螺栓 2—螺母 3—压板 4—压圈 5—填料 6—圆钢圈 7—塔盘
2、分块式塔盘
分块式塔盘根据塔径的大小，又分为单溢流型和双溢流型塔盘，当塔径为800-2400m时，采用单溢流塔盘；塔径大于2400mm时，则采用双溢流塔盘。
分类：分块式塔盘的塔板块数与塔体的直径关。塔板根据装配位置和作用的不同，分为矩形板、道板、和弓形板。
（1）弓形板
弓形板是指靠近塔壁的两块弓形塔板。其弦边作成自身梁， 其长度与矩形板相同。
（2）通道板
通道板设置在塔盘的中间，便于安装和维修。它是平板结构，通常放置在矩形板和弓形板上。为方便采光和通风，各层塔盘上的通道板最好开在同一垂直位置上。且为方便拆卸，每块通道板不宜超过30公斤。
（3）矩形板
其余的塔板因做成矩形称为矩形板。为了提高刚度，塔板有自身梁式和槽式两种，其中，自身梁式应用最广。
知识点四 除沫器
作用：除沫器的作用是分离塔顶出口气体中夹带的液滴和雾沫，保证传质效率和改善后续设备的操作。除沫器安装在塔顶，为保证良好的分离效果，与第一块踏板的间距要稍大于板间距。
分类：常用的除沫器有丝网除沫器、离心分离除沫器。
一、丝网除沫器
大型丝网除沫器是由若干层平铺的丝网被夹在上、下格栅之间形成的一个组合件；而直径小于600mm的小型丝网除沫器往往是由带状卷成盘形。丝网的材料可根据介质的物性及操作条件选择。
图2-22丝网除沫器
特点：
丝网除沫器具有比表面积大，重量轻、除沫效率高、压降小、使用方便的特点。应用广泛，已标准化。丝网除沫器适用于洁净的气体，不适用气液混合物中含有颗粒或粘性物料的场合。
二、离心分离除沫器
利用离心力的作用，实现气、液的分离。
特点：除沫效果不如丝网除沫器好，通常用于分离含有较大液滴或颗粒的气液分离。

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