一、塔设备概况

 

塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。它可使气（汽）液或液液相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。在塔设备中能进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸，气体的增湿及冷却等。

 

塔设备的分类

 

塔设备的种类很多，为了便于比较和选型，必须对塔设备进行分类，常见的分类方法有：

 

① 按操作压力分有加压塔、常压塔及减压塔；

② 按单元操作分有精馏塔、吸收塔、解吸塔、淬取塔、反应塔、干燥塔等；

③ 按内件结构分有板式塔、填料塔。

 

二、塔设备的主要构件及作用

 

 

由上图可见，无论是板式塔还是填料塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。

 

a.塔体 塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及上下封头组成。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求

 

b.支座 塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设备较高、重量较大，为保证其足够的强度及刚度，通常采用裙式支座。

 

c.人孔及手孔 为安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置人孔或手孔。不同的塔设备，人孔或手孔的结构及位置等要求不同。

 

d.接管 用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。按其用途可分为进液管、出液管、回流管、进气出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管、液位计接管等。

 

e.除沫器 用于捕集夹带在气流中的液滴。除沫器工作性能的好坏对除沫效率、分离效果都具有较大的影响。

 

f.吊柱 安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。

 

三、塔设备的一般类型（按内件结构分）

 

板 式 塔

 

A 、常用板式塔的类型

 

1、泡罩塔

 

泡罩塔是工业应用最早的板式塔，而且在相当长的一段时期内是板式塔中较为流行的一种塔型。泡罩塔盘的结构主要由泡罩、升气管、溢流堰、降液管及塔板等部分组成，如下图所示。

 

 

优点：操作弹性大，因而在负荷波动范围较大时，仍能保持塔的稳定操作及较高的分离效率；气液比的范围大，不易堵塞等。

 

缺点：结构复杂、造价高、气相压降大、以及安装维修麻烦等。

 

目前，只是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等要求时，可考虑使用泡罩塔。

 

2、浮阀塔

 

浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。浮阀的类型很多，国内常用的F1型、V-4型及T型等 。

 

优点：

• 生产能力大；

• 操作弹性大；

• 塔板效率较高，；

• 塔板结构及安装较泡罩简单，重量较轻 。

 

缺点：

• 在气速较低时，仍有塔板漏液，故低气速时塔板效率有所下降；

• 浮阀阀片有卡死和吹脱的可能，这会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。

 

3、筛板塔

 

筛板塔也是应用历史较久的塔型之一，与泡罩塔相比，筛板塔结构简单，筛板塔结构及气液接触状况如下图所示。筛板塔塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。

 

 

 

优点：

• 结构简单，制造和维修方便，相同条件下生产能力高于浮阀塔；

• 塔板压力降较低，适用于真空蒸馏；

• 塔板效率较高，但稍低于浮阀塔；

• 具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔。

 

缺点：小孔径筛板易堵塞，不适于处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液。

 

4、舌形塔及浮动舌形塔

 

（1）舌型塔盘产生的原因

 

一般情况下，塔盘上气流垂直向上喷射（如筛板塔），这样往往造成较大的雾沫夹带，如果使气流在塔盘上沿水平方向或倾斜方向喷射，则可以减轻夹带，同时通过调节倾斜角度还可以改变液流方向，减小液面梯度和液体返混。

 

（2）舌形塔

 

舌型塔应用较早的一种斜喷型塔。气体通道为在塔盘上冲出的以一定方式排列的舌片。舌片开启一定的角度，舌孔方向与液流方向一致，如下图[a]所示。

 

 

舌形塔结构简单，安装检修方便，但这种塔的负荷弹性较小，塔板效率较低，因而使用受到一定限制。

 

舌孔有两种，三面切口［上图（b）］及拱形切口［上图（c）］。通常采用三面切口的舌孔。舌片的大小有25mm和50mm两种，一般采用50mm［如上图（d）］，舌片的张角常用20°

 

(3)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。它的处理能力大，压降小，舌片可以浮动。因此，塔盘的雾沫夹带及漏液均较小，操作弹性显着增加，板效率也较高，但其舌片容易损坏。

 

浮动舌片的结构见下图 ，其一端可以浮动，最大张角约20°。舌片厚度一般1.5mm，质量约为20g。

 

 

5、穿流式栅板塔

 

穿流式栅板塔（如下图）属于无溢流堰装置的板式塔，在工业上也得到广泛的应用。根据塔盘上所开的栅缝或筛孔，分别称为穿流式栅板塔或穿流式筛板塔。这种塔没有降液管，气液两相同时相向通过栅缝或筛孔。操作时蒸气通过孔缝上升进入液层，形成泡沫；与蒸气接触后的液体不断地通过孔缝流下。

 

 

优点 ：

• 由于没有降液管，所以结构简单，加工容易、安装维修方便，投资少；

• 因节省了降液管所占的塔截面（一般约为塔盘截面的15%～30%），允许通过更多的蒸气量，因此生产能力比泡罩塔大20%～100%；

• 因为塔盘上开孔率大，栅缝或筛孔处的压力降较小，比泡罩塔低40%～80%，可用于真空蒸馏。

 

其缺点是：

• 塔板效率比较低，比一般板式塔低30%～60%，但因这种塔盘的开孔率大，气速低，形成的泡沫层高度较低，雾沫夹带量小，所以可以降低塔板的间距，在同样分离条件下，塔总高与泡罩塔基本相同；

• 操作弹性较小，能保持较好的分离效率时，塔板负荷的上下限之比约为2.5～3.0。

 

6、导向筛板塔

 

导向筛板塔盘的结构如下图所示。

 

 

它是在普通筛板塔盘上进行了两项改进，其一是在筛板上开设了一定数量与液流方向一致的导向孔；其二是在液体进口区设置了鼓泡促进装置。

 

利用导向孔喷出的气流推动液体，既可减少液面落差，又可通过适当安排的导向孔来改善液流分布的状况，减少液体返混，从而提高塔板效率，并且导向孔气流与筛孔气流合成了抛物线型的气流，可减少雾沫夹带。

 

鼓泡促进装置使塔盘进口区的液层变薄，可避免漏液，因而易于鼓泡，从而使整个鼓泡区内气体分布均匀，故可增大处理能力和减少塔板压力降。

 

总结：

板式塔的比较：各种板式塔的比较是一个十分复杂的问题。但就生产能力、塔板效率、操作弹性、压力降及造价等方面来看，浮阀塔在蒸气负荷、操作弹性、塔板效率方面与泡罩塔相比都具有明显优势，因而目前获得了广泛应用。筛板塔的压降小、造价低、生产能力大，除操作弹性较小外，其余均接近浮阀塔，故应用也较广。栅板塔操作范围较窄，塔板效率随负荷变化较大，应用受到一定限制。

 

B 、塔盘结构

 

板式塔的塔盘分为溢流式和穿流式两类，二者之间的区别就在于溢流式塔盘有降液管，而流式塔盘上的气液两相同时通过塔盘上的孔道流动， 考虑到溢流式塔盘是炼油厂主要使用形式，今天主要介绍溢流式塔盘结构。

 

溢流式塔盘由气液接触元件、塔板、降液管及受液盘、溢流堰等构成。

 

1、塔盘的分类

 

塔盘按结构特点可分为整块式塔盘和分块式塔盘。当塔径DN≤700mm时，采用整块式塔盘；塔径DN≥800mm时宜采用分块式塔盘。

 

（1）整块式塔盘

 

整块式塔盘根据组装方式不同可分为定距管式及重叠式两类。采用整块式塔盘时，塔体由若干个塔节组成，每个塔节中装有一定数量的塔盘，塔节之间采用法兰连接。

 

（2）分块式塔盘

 

直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。分块式塔盘的塔体，通常为焊制整体圆筒，不分塔节。

 

2、降液管

 

作用：使夹带气泡的液流进入降液管后具有足够的分离空间，能将气泡分离出来，从而仅有清液流往下层塔盘。

 

降液管的结构型式可分为圆形降液管和弓形降液管两类 。圆形降液管通常用于液体负荷低或塔径较小的场合，弓型降液管适用于大液量及大直径的塔 。

 

3、受液盘

 

为了保证降液管出口处的液封，在塔盘上设置受液盘，受液盘有平型和凹型两种（见下图)。受液盘的型式和性能直接影响到塔的侧线取出、降液管的液封和流体流入塔盘的均匀性等。平型受液盘适用于物料容易聚合的场合 ；当液体通过降液管与受液盘的压力降大于25mm水柱，或使用倾斜式降液管时，应采用凹型受液盘。

 

 

4、溢流堰及进口堰

 

溢流堰有保持塔盘板上一定液层高度和促使液流均匀分布的作用。采用平型受液盘时，为使上层塔板流入的液体能在塔盘上均匀分布，并为了减小入口液流的冲力，常在液体进口处设置进口堰。

 

 

 

填 料 塔

A、 填料

 

填料是填料塔的核心内件,它为气－液两相充分接触进行传热传质提供了表面积。可分为散装填料和规整填料两大类。

 

 

1、散装填料

 

a 环形填料：拉西环填料、 鲍尔环填料 、阶梯环填料

 

b 鞍形填料：弧鞍填料 、矩鞍填料 、改进矩鞍填料

 

c 金属鞍环填料

 

2、规整填料

 

根据其结构可分为丝网波纹填料及板波纹填料

 

B 、填料的支撑装置

 

填料的支承装置安装在填料层的底部。其作用是防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。

 

1、栅板型支承

 

支承栅板是结构最简单、最常用的填料支承装置（如下图）。

 

 

它由相互垂直的栅条组成，放置于焊接在塔壁的支撑圈上。这种支承装置广泛用于规整填料塔。用于散装填料时，栅板上先放置一盘板波纹填料，然后再装填散装填料。避免散装填料直接乱堆在栅板上， 将空隙堵塞从而减少其开孔率。

 

2、气液分流型支承

 

气液分流型支承属于高通量低压降的支承装置。其特点是为气体及液体提供了不同的通道，避免了栅板式支承中气液从同一孔槽中逆流通过。这样既避免了液体在板上的积聚，又有利于液体的均匀再分配。有驼峰式支承装置 （上图）孔管式填料支承装置 （下图）

 

 

 

C 、填料塔的液体分布器

 

液体分布器安装于填料上部，它将液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。在填料塔的操作中，因为液体的初始分布对填料塔的影响最大，所以液体分布器是填料塔最重要的塔内件之一。

 

液体分布器根据其结构形式，可分为管式、槽式、喷洒式及盘式。

 

D、 液体收集再分布器

 

 

1、填料层分段

 

当液体沿填料层向下流动时，有流向器壁形成“壁流”的倾向，结果使液体分布不均，降低传质效率，严重时使塔中心的填料不能被润湿而形成“干锥”。

 

为了提高塔的传质效率，填料必须分段，在各段填料之间，安装液体收集再分布装置。

 

其作用有二：

 

一是收集上一填料层的液体，并使其在下一填料层均匀分布；

 

二是当塔内气、液相出现径向浓度差时，液体收集再分布器将上层填料流下的液体完全收集、混合，然后分布到下层填料，并将上升的气体均匀分布到上层填料以消除各自的径向浓度差。

 

2、典型结构

 

（1）分配锥

 

用于小塔，仅能装在填料层的分段之间，作为壁流收集器使用。改进分配锥可装在填料层里，收集壁流并进行液体再分布用于直径大于600mm塔。

 

（2）多孔盘式再分布器

 

多孔盘式再分布器（图3－49）也可作为液体分布器使用。为了与气体喷射式支承板相配合，故采用长方形升气管分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为φ3～10mm。升气管的尺寸应尽可能大，其底部常铺设金属网，以防填料吹进升气管中。

 

这种装置用作再分布器时，为了防止上一层填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖，帽盖离升气管上缘40mm以上。

 

（3）斜板复合再分布器

 

斜板复合式再分布器是把支承板、收集器、再分布器结合在一起（下图），可以减小塔的高度。其导流－集液板同时当作支承板使用，而分布槽既是收集器又是再分布器。汇集于环形槽中的壁流液体，从圆筒上的开孔流入分布糟，与由斜板导入分布槽的液体一起，通过槽底的分布孔重新均布。

 

当液体负荷较大时，分布槽内的溢流管也参加工作，从而可以适应较大的液体流量变化，同时又增加了液体的喷淋点数，因而能取得良好的分布效果。

 

E、 填料的压紧和限位装置

 

 

1、填料压紧器

 

填料压紧器又称填料压板。将其自由放置于填料层上部，靠其自身的重量压紧填料。当填料层移动并下沉时，填料压板即随之一起下落，故散装填料的压板必须有一定的重量。

 

常用的填料压紧板有栅条式和网板式填料压板，均可制成整体式或分块结构，视塔径大小及塔体结构而定。

 

2、填料限位器

 

填料限位器又称床层定位器，用于金属、塑料制成的散装填料及所有规整填料。

 

它的作用是防止高气速、高压降或塔的操作出现较大波动时，填料向上移动而造成填料层出现空隙，从而影响塔的传质效率。

 

对于金属及塑料制成的散装填料，可采用如下图所示的网板结构作为填料限位器。因为这种填料具有较好的弹性，且不会破碎，故一般不会出现下沉，所以填料限位器需要固定在塔壁上。对于小塔，可用螺钉将网板限位器的外圈顶于塔壁，对于大塔，则用支耳固定。

 

对于规整填料，因具有比较固定的结构，因此限位器也比较简单，使用栅条间距为100～500mm的栅板即可。

 

四、塔设备的载荷种类及对强度的影响

 

塔设备载荷分析

 

1、压力载荷

2、质量载荷

3、风载荷

4、地震载荷

5、偏心载荷

 

载荷对塔设备强度影响分析

 

1、压力载荷：内压塔操作时或水压试验时，塔体横截面均产生轴向拉应力；减压塔操作时塔体横截面均产生轴向压应力。

 

2、质量载荷：对塔体及裙座的横截面均产生压应力，随横截面位置下移而增大。

 

3、风载荷：水平风力使塔产生弯矩，导致塔的横截面迎风侧产生拉应力，被风侧产生压应力。风载荷随着标高的增高而升高，而截面的弯矩和应力随截面位置下移而增大。

 

4、地震载荷：水平地震力对塔破坏最严重，对塔体产生弯矩，使塔体横截面的一侧产生拉应力，另一侧产生压应力。

 

5、偏心载荷：对塔体产生弯矩，使塔体的横截面一侧产生拉应力，另一侧产生压应力。

 

五、塔设备运行中常见故障及处理方法

 

剧烈振动

 

在风力作用下产生的诱导振动会使塔设备产生共振，轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影响塔设备的正常操作，重者使塔设备导致严重破坏，造成事故。

 

处理措施：

（1）采用扰流装置

合理地布置塔体上的管道、平台、扶梯和其他的连接件可以消除或破坏卡曼旋涡的形成。在沿塔体周围焊接一些螺旋型板可以消除旋涡的形成或改变旋涡脱落的方式，进而达到消除过大振动的目的。此方法在某些装置上已成功应用。螺旋板焊接在塔顶部1／3塔高的范围内，它的螺距可取为塔径的5倍，板高可取塔径的1/10。

 

（2）增大塔的阻尼

增加塔的阻尼对控制塔的振动起着很大的作用。当阻尼增加时塔的振幅会明显下降，当阻尼增加到一定数值后，振动会完全消失。塔盘上的液体或塔内的填料都是有效的阻尼物。研究表明，塔盘上的液体可以将振幅减小10％左右。

 

底脚螺栓松动

 

由于底脚螺栓随着风向的变化承受着交变应力，容易发生螺帽松动，严重时会发生脱落，危及设备本体安全。

 

处理措施：加强日常检查，发现异常及时处理。

 

裙座焊缝开裂

 

裙座焊缝位置较低，承受较大的风弯矩，在交变应力作用下，极易发生焊缝开裂，甚至裙座与塔体分离，造成恶性事故。

 

处理措施：保证制造质量，消除焊接缺陷，加强日常检查，发现异常及时处理。

 

 

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