马后炮培训微课堂75塔设备基础知识.ppt

塔 第一节 概述一 塔设备在炼油厂中的作用在炼油 化工及轻工业生产中 气 液两相直接接触进行传质传热的过程是很多的 如精馏 吸收 解吸 萃取等 这些过程都是在一定的压力 温度 流量等工艺条件下 在一定的设备内完成的 由于其过程中两种介质主要发生的是质的交换 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桶形容器 形如 塔 故习惯上称其为塔设备 塔设备能够为气 液或液 液两相进行充分接触提供适宜的条件 即充分的接触时间 分离空间和传质传热的面积 从而起到相际间质量和热量交换的目的 实现工艺 所要求的生产过程 生产出合格产品 所以塔设备的性能对整个装置的产品产量 质量 生产能力和消耗定额 以及三废处理和环境保护等方面都有重大的影响 塔设备的投资费用及钢材消耗仅次于换热设备 据统计 在化工和石油化工生产装置中 塔设备的投资费用占全部工艺设备总投资的25 39 在炼油和煤化生产装置中占34 85 其所消耗的钢材重量在各类设备中所占比例也是比较高的 如年产250万吨常减压蒸馏装置中 塔设备耗用钢材重量占45 5 年产120万吨催化裂化装置中占48 9 年产30万吨乙烯装置中占25 28 3 可见塔设备是炼油 化工生产中最重要的工艺设备之一 它的设计 研究 使用对化工 炼油等工艺的发展起着重大的作用 二 塔设备的分类及一般构造 随着炼油 化工生产工艺的不断改进和发展 与之相适应的塔设备也形成了形式繁多的结构和类型 以满足各种特定的工艺要求 为了便于研究和比较 人们从不同的角度对塔设备进行分类 如按工艺用途分类 按操作压力分类 也可按其内部结构进行分类 一 按用途分类1 精馏塔利用液体混和物中各组分挥发度的不同来分离其各液体组分的操作称为蒸馏 反复多次蒸馏的过程称为精馏 实现精馏操作的塔设备称为精馏塔 如常减压装置中的常压塔 减压塔 可将原油分离为汽油 煤油 柴油以及润滑油等 2 吸收塔 解吸塔利用混合气中各组分在溶液中溶解度的不同 通过吸收液体来分离气体的工艺操作称为吸收 将吸收液通过加热等方法使溶解于其中的气体释放出 来的过程称为解吸 实现吸收和解吸操作过程的塔设备称为吸收塔 解吸塔 如催化裂化装置中的吸收 解吸塔 从炼厂气中回收汽油 从裂解气中回收乙烯和丙烯 以及气体净化等都需要吸收 解吸塔 3 萃取塔对于各组分间沸点相差很小的液体混和物 利用一般的分离方法难以奏效 这时可在液体混和物加入某种沸点较高的溶剂 称为萃取剂 利用混合液中各组分在萃取剂中溶解度的不同 将它们分离 这种方法称为萃取 也称为抽提 实现萃取操作的塔设备称为萃取塔 如丙烷脱沥青装置中的抽提塔等 4 洗涤塔用水除去气体中无用的成分或固体尘粒的过程称为水洗 所用的塔设备称为洗涤塔 二 按操作压力分类塔设备根据其完成的工艺操作不同 其压力和温度也 不相同 但当达到相平衡时 压力 温度 气相组成和液相组成之间存在着一定的函数关系 在实际生产中 原料和产品的成分和要求是工艺确定的 不能随意改变 压力和温度有选择的余地 但二者之间是相互关联的 如一项先确定了 另一项则只能由相平衡关系求出 从操作方便和设备简单的角度来说 选常压操作最好 从冷却剂的来源角度看 一般宜将塔顶冷凝温度控制在30 40 以便采用廉价的水或空气作为冷却剂 所以塔设备根据具体工艺要求 设备及操作成本综合考虑 有时可以在常压下操作 有时需要在加压下操作 有时还需要减压操作 相应的塔设备分别称为常压塔 加压塔和减压塔 三 按结构形式分类塔设备尽管其用途各异 操作条件也各不相同 但就其构造而言都大同小异 主要由塔体 支座 内部构件及附件组成 根据塔内部构件的结构可以将其分为板式塔和 填料塔两大类 具体结构如图5 1 5 2所示 塔体是塔设备的外壳 由圆筒和两封头组成 封头可以是半球形 椭圆形 碟形等 支座是将塔体安装在基础上的连接部分 一般采用裙式支座 有圆筒形和圆锥形两种 常采用圆筒形 裙座与塔体采用对接銲接或搭接焊接连接 裙座的高度由工艺要求的附属设备 如再沸器 泵 及管线的布置情况而定 由图中可知 板式塔中装有一定数量的塔盘 液体借自身的重量自上而下流向塔底 在塔盘板上沿塔径横向流动 气体靠压差自下而上以鼓泡的形式穿过塔盘上的液层升向塔顶 在每层塔盘上气 液两相密切接触 进行传质 使两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化 填料塔中则装填一定高度的填料 液体自塔顶沿填料表面向下流动 作为连续相的气体自塔底向上流动 与液体进行逆流传质 两相组分浓度沿塔高呈连续变化 图5 11 裙座 2 蒸汽入口管 3 壳体 4 人孔 5 扶梯平台 6 出沫器 7 吊柱 8 蒸汽出口 9 回流管 10 进料管 11 塔盘 12 保温圈 13 出料管 14 液流 15 蒸汽 16 塔盘板 17 受液盘 18 降液管 19 溢流堰 图5 21 裙座 2 筒体 3 液体再分布装置 4 卸料口 5 喷淋装置 6 液体进口 7 除沫器 8 气体出口 9 人孔 10 填料 11 填料支撑 12 气体进口 13 液体出口 三 对塔设备的基本要求塔设备除了应满足工艺条件 如压力 温度及耐腐蚀性等外 还应满足如下基本要求 1 生产能力要大 即单位塔截面上单位时间内物料的处理量要大 2 分离效率高 即气 液相能充分接触且分离效果好 3 操作弹性大 即有较强的适应性和宽的操作范围 能适应不同性质的物料且在负荷波动时能维持操作稳定 仍有较高的分离效率 4 压降小 即流体通过时阻力小 这样可大大节约生产的动力消耗 降低成本 5 结构简单 耗材少 易于制造和安装 这样可以减少基建投资 降低成本 6 耐腐蚀不易堵塞 便于操作 调节和检修 注 一个塔设备要同时满足以上各项要求是困难的 而且实际生产中各项指标的重要性因具体情况而异 不可一概而论 所以应从生产需要及经济合理性考虑 正确处理以上各项要求 第二节 板式塔一 塔盘的形式及特点板式塔的塔盘常用的有泡罩形 浮阀形 筛板形 舌形及浮动舌形等 各种塔盘都有其自身的特点和适用场合 现分述如下 一 泡罩塔盘泡罩塔盘是工业上应用最早的一种塔盘 它是在塔盘板上开许多圆孔 每个孔上焊接一个短管 称为升气管 管上再罩一个 帽子 称为泡罩 泡罩周围开有许多条形孔 其结构如图5 3所示 工作时 液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘 然后横向流过塔盘板 流入再下一层塔盘 气体从下层塔盘上升进入升气管 通过环形通道再经泡罩的条形孔流散到泡罩间的液层中 气 液接触状况如图5 4所示 泡罩塔盘具有如下优点 1 气 液两相接触充分 传质面积大 因此塔盘效率高 2 操作弹性大 在负荷变动范围较大时 仍能保持较高的效率 3 具有较高的生产能力 适合大型生产 4 不易堵塞 介质适应范围广 操作稳定可靠 泡罩塔盘的不足之处是结构复杂 造价高 安装维护麻烦 气相压降较大 但在常压或加压下操作时并不是主要问题 二 筛板塔盘筛板塔盘是在塔盘板上钻许多小孔 工作时液体从上层塔盘经降液管流下 横向流过塔盘进入本层塔盘降液管流入下一层塔盘 气体则自下而上穿过筛孔 分散成气泡 穿过筛板上的液层 在此过程中进行相际间传质 传热 筛板塔盘的结构及气 液接触情况如图5 5所示 筛板塔盘具有如下优点 结构简单 制造维护方便 生产能力大 比泡罩塔盘高20 40 压降小 适用于减压操作 比泡罩塔盘效率高 但不及浮阀塔盘 若设计合理其操作弹性也较高 但不如泡罩塔盘 筛孔塔盘的缺点时小孔径筛孔易堵塞 故不宜处理脏 粘性大及带固体颗粒的料液 三 浮阀塔盘浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔 对常用的F型浮阀孔径为39mm 每一孔上都装有一带三条腿的可上下浮动的阀 浮阀的结构形式很多 有F型 V型 十字架型及A型等 最常用的是F 1型 其结构如图5 6所示 工作时 气 液流程与泡罩塔盘类似 气体通过阀孔将浮阀向上顶起 穿过环形间隙以水平方向吹入液层 气 液两相呈泡沫状进行传质传热 浮阀可随气速的增减在较宽的气速范围内自由调节升降 以保持稳定操作 浮阀塔盘上气 液两相接触状况如图5 7所示 浮阀塔盘具有如下优点 1 生产能力大 因浮阀在塔盘板上排列比泡罩更紧凑 故生产能力比泡罩提高20 40 与筛板塔盘差不多 2 操作弹性大 因浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化 所以能在较宽的气流范围内保持高的效率 浮阀塔盘操作弹性比泡罩和筛板都要大得多 3 效率高 由于气液接触充分 且蒸汽以水平方向吹入液层 故雾沫夹带较少 因此分离效果好 一般效率比泡罩塔盘高15 左右 4 压降小 气流通过浮阀时只有一次收缩 扩大及转弯 故压降比泡罩塔盘低 5 与泡罩塔盘相比 结构简单 制造安装液较方便 制造安装也较方便 制造费用仅为泡罩的60 80 浮阀塔盘由于其性能优良 又无特别明显的不足 因而在炼油 化工生产的塔设备中得到了广泛的应用 四 舌形及浮动舌形塔盘舌形塔盘是在塔盘板上冲制许多舌形孔 如图5 8所示 工作时 液体在塔盘上的流动方向与舌孔的倾斜方向一致 气体从舌孔中喷射而出 由于气 液两相并流流动 故雾沫夹带较少 当舌孔气速达到一定数值时 将塔盘上的液体喷射成滴状 从而加大了气 液接触面积 舌形塔盘与泡罩塔盘相比具有塔盘上液层薄 持液量少 压力降小 约为泡罩的33 50 生产能力大 结构简单 可节约金属用量12 45 制造 安装 维修方便等优点 但因舌孔开度是固定的 在低负荷下操作易产生漏液现象 故其操作弹性较小 浮动舌形塔盘是综合了舌形和浮阀得优点而研制出的一种塔盘 其结构如图5 9所示 浮动舌形塔盘既有舌形塔盘生产能力大 压降小 雾沫夹带少的优点 又有浮阀塔盘的操作弹性大 塔盘效率高 稳定性能好等优点 其缺点是舌片易损坏 二 板式塔的适宜工作区各种结构形式的塔盘都有一个最适宜的工作区域 可用操作负荷性能图来表示 浮阀塔的操作负荷性能图见图5 10 图中各曲线所包围的区域即为最适宜工作区 若塔盘上气 液负荷配合得恰当 落在图上几条曲线包围得范围内 塔就可以正常良好的操作 否则就属于不正常操作 塔的效率下降 甚至完全不能工作 操作负荷图中各曲线的形状和相对位置与塔盘形式 具体构造及操作条件等有关 一 雾沫夹带气 液两相在塔盘上以鼓泡形式接触后 气体穿出液层时总不免带有许多细微的液滴 有的来不及分离出来就被带到了上一层的塔盘液体中 这种现象称为雾沫夹带 被带上去的少量液滴所含的重组分比上一层塔盘上液体所含的重组分要多 降低了塔盘的分馏效率 极少量的雾沫夹带是避免不了的 也是允许的 但当气相负荷增加 塔内气速增加 雾沫夹带量就增加 一般认为当气体中夹带液体的质量超过上升气体的10 时为严重雾沫夹带 此时的气相负荷定位塔的气相负荷上限 在操作负荷性能图上对应的曲线称为雾沫夹带线 产生严重雾沫夹带 破坏了塔的正常操作 塔盘效率大大降低 这是不允许的 减少雾沫夹带的主要措施是控制气相负荷 使其在允许范围内 另外 增大塔盘间距 一般须在300mm以上 改进塔盘结构也可起到一定的效果 二 气泡夹带液体横向流过塔盘 与气体接触后由降液管流到下层塔盘 液体流入降液管时常有大量的气泡 在降液管中停留足够的时间 使泡沫分离成气体和清液 气体上升回到上层塔盘 如果液相负荷增加 液体在降液管中流速增加 停留时间很短 液体中夹带的气泡来不及分离就被带入下一层塔盘 这种现象称为气泡夹带 此时的液体负荷定为液相上限 在操作负荷性能图上对应的曲线称为气泡夹带线 严重气泡夹带同样会降低塔盘的分离效率 所以也是不允许的 防止气泡夹带的主要措施是控制回流量 三 漏液液体在塔盘上横向流动并经降液管流入下一层塔盘 如果气相负荷过小 塔内气速很低 大量的液体由于重力的作用 从阀孔 或舌形塔盘的舌孔直接漏到下一层塔盘 这种现象称为漏液 产生漏液时的气体负荷定为气相下限 在操作负荷性能图上对应的曲线称为漏液线 由于漏液使气 液两相没有充分接触 降低了塔盘的效率 所以处理量应控制在允许范围内 不可随意减小 四 液泛在实际操作中 若气 液负荷都过大 降液管面积不够用 而气速又大使液体也不能从阀孔或舌孔中漏下 致使液体流动发生堵塞 使几层塔盘上的液体练成一体 这种现象称为液泛 发生液泛时气 液相流速的关系线称为液泛线 液泛严重时 流体可从塔顶冒出 可通过加大降液管的截面积 但这使塔盘上排列的阀孔或舌孔 泡罩的数量减少 减小了气体的通过能力 控制回流量 改进塔盘结构等方法来防止液泛的发生 三 塔设备的检修 一 运行中检查为确保塔设备安全稳定运行 必须做好日常检查 并记录检查结果 以作为定期停车检查 检修的历史资料 日常检查项目如下 原料 成品及回流液的流量 温度 纯度 公用工程流体 如水蒸气 冷却水 压缩空气等的流量 温度及压力 塔底 塔顶的压力以及塔的压力降 塔底的温度 若低于正常温度 及时排水 并彻底排净 安全装置 压力表 温度计 液面计等仪表是否正常 动作是否灵敏可靠 保温 保冷材料是否完整 并根据具体情况及时进行修复 二 停车检查塔设备在一般情况下 每年定期停车检修1 2次 将设备打开 对其内部构件及壳体上大的损坏进行检查 检修 停车检查的主要项目如下 检查塔盘水平度 支持件 连接件的腐蚀 松动等情况 必要时取出塔外进行清洗或更换 检查塔体腐蚀 变形及各部位焊缝的情况 对塔壁 封头 进料口处筒体 出入口接管等处进行超声波测原 判断设备的使用寿命 全面检查安全阀 压力表 液面计有无发生堵塞现象 是否在规定的压力下等作 必要时重新进行调整和校验 如在运行中发现异常振动现象 停车检查时一定要查明原因 并妥善处理 三 塔设备常见故障及排除方法 第三节 填料塔填料塔也是炼油化工生产中较常用的一种气 液传质设备 与板式塔相比 填料塔具有结构简单 压降小 填料易用耐腐蚀性材料制造等优点 填料塔常用于吸收 真空蒸馏等操作 特别是当处理量小 采用小塔径对板式塔在结构上有困难时 或处理的是在板式塔中难以操作的高粘度或易发泡物料时 常采用填料塔 但填料塔清洗 检修都较麻烦 对含固体杂志 易结焦 易聚合的物料适应能力较差 填料塔是一种连续式传质设备 工作时 液体自塔上部进入 通过液体分布装置均匀淋洒在填料层上 继而沿填料表面缓慢下流 气体自塔下部进入 穿过栅板沿填料间隙上升 这样气 液两相沿着塔高在填料表面及填料自由空间连续逆流接触 进行传质传热 一 填料及支承结构 一 对填料的基本要求填料是一种固体填充物 其作用是为气 液两相提供充分的接触面 并为强化其湍流程度创造条件 以利于传质 所以填料塔效率的高低与其所使用的填料关系很大 一般对填料有如下几方面的要求 空隙率 也称自由体积 要大 即单位体积填料层中的空隙体积要大 比表面要大 即单位体积填料层的表面积要大 填料表面润湿性能要好 并在结构上有利于两相密切接触 促进湍动 对所处理的物料具有良好的耐腐蚀性 填料本身的密度要小 具有足够的机械强度取材容易 制造方便 价格便宜 二 填料的总类填料的总类很多 按其堆砌方式大体可分为颗粒填料和规整填料两大类 颗粒填料由于其结构上的特点 不能按某种规律安放只能自由堆砌 因此也称为 乱堆 填料 常见的颗粒填料有拉西环 鲍尔环 环 十字环 弧形鞍 矩形鞍等 这种填料气 液两相分布不够均匀 故塔的分离效率不够理想 为此产生了规整填料 这种填料分离效果好 压降低 适用于在较高的气速或较小的回流比下操作 目前使用的主要是波纹网填料和波纹板填料 填料塔常用填料如图5 28所示 三 填料支承结构填料支承结构对填料塔的操作性能影响很大 要求其有足够大的自由截面 应大于填料的空隙截面 有足够强度和刚度 以支承填料的重量 要利于液体再分布且便于制造 安装和拆卸 常用的填料支承结构是栅板 如图5 29 图5 30所示 为了限定填料在塔中的相对位置 不致于在气 液冲击下发生移动 跳跃或撞击 填料塔还应安装填料压板或床层限制板 一般是对陶瓷填料安装填料压板 对金属或塑料填料安装床层限制板 二 液体分布装置为了使液体能均匀的分布在填料上 以利于气 液两相的均匀接触 所以在最上层填料的上部设置液体分布装置 由于气体填料层上升速度在塔截面上分布是不均匀的 中央气速大 靠近塔壁气速小 这样对下流的液体的作用也就不一样 使得液体流经填料层时有向塔壁倾斜流动的现象 这种现象称为 壁流 这样在一定高度的填料层内 中心部分填料便不能被润湿 形成了所谓的 干锥 使气 液两相不能充分的接触 降低了塔的效率 为了减少和消除壁流 避免干锥现象发生 所以在经一定高度填料层时 还应设置液体分布装置 使液体再一次被均匀分布在整个塔截面的填料上 以上不同部位设置的液体分布装置作用相同 结构不同 为区别将最上层填料上部的液体分布装置称为喷淋装置 而将填料层之间设置的分布装置称为液体再分布装置 一 喷淋装置喷淋装置的类型很多 常用的有喷洒型 溢流型 冲击型等 喷洒型中又有管式和喷头式两种 原则上讲在塔径1200mm以下时都可采用如图5 31所示的环管多孔式喷洒器 但当塔径在600mm以下时多采用图5 32所示的喷头式喷洒器 其中塔径在300mm以下时往往用图5 33所示的结构更为简单的直管式或弯管式喷洒器 对于较大直径的塔则采用图5 34所示的多支管喷洒器 溢流型喷淋装置用在大型填料塔中 其结构如图5 35所示 这种喷淋装置的优点是适应性强 不易堵塞 操作可靠 冲击型喷洒器的结构如图5 36所示 它是由中心管和反射板组成 反射板可是平板 凸形板或锥形板 操作时液体沿中心管流下 靠液体冲击反射板的反射飞溅作用而分布液体 反射板中央钻有小孔以使液体流下淋洒到填料层中心部分 二 液体再分布装置液体再分布装置的设置与所用填料类型和塔径有关 一般来说 金属填料每段高度不超过6 7 5m 塑料填料不超过3 4 5m 拉西环有助长液体分布不良分布的倾向 所以取H D 2 5 3 对比较大的塔一般取为H D 2 3 但不宜小于1 5 2 H为每段填料的高度 D为塔的内径 否则会影响气体沿截面的均匀分布 液体再分布装置应有足够自由截面 一定的强度和耐久性 能承受气 液流体的冲击 且结构简单可靠 便于装拆 常见的液体再分布装置有分配锥 槽形再分布器和盘式分布器等 最常用的几种液体再分布器如图5 37所示 分配锥结构简单 适用于直径小于1000mm的塔 锥壳下端直径为0 7 0 8倍的塔径 槽形分布器是在塔壁上焊接环形槽 槽上带有3 4根管子 沿塔壁流下的液体通过管子流到塔的中央 带通气 孔的分配锥是在锥壳上设置4个气体通道管 这样增加了气体的通过能力 避免了中心气体流速过大的现象 三 板式塔与填料塔的比较板式塔和填料塔各有其自身的特点 其主要性能对比见表5 3 在实际应用中选哪一种很难有一个绝对的标准 选用时需要考虑的因素也很多 如物流的性质 操作条件 塔的制造 安装 运转和维修等经济 技术方面的因素 往往是两种塔都能满足生产要求 但不可能同时满足所有的要求 所以应在了解生产任务和要求的基础上 抓主要矛盾 依具体条件综合考虑 合理选用 一般来说 对处理量不大且易起泡的物系 粘性较大的物系 含有悬浮物的物料 腐蚀性较大的物料 气相负荷较大及塔径较小 800mm以下 时宜选填料塔 否则选板式塔