第六章 塔设备第一节 塔设备的应用及类型一、塔设备应用在炼油、化工、轻工及医药等工业生产中，气、液或液、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、萃取等，这些过程都是在一定的设备内完成的。由于过程中介质相互间主要发生的是质量的传递，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筒形容器，高径比较大，形状如“塔”，故习惯上称其为塔设备。 塔设备为气、液或液、液两相进行充分接触创造了良好的条件，使两相有足够的接触时间、分离空间和传质传热的面积，从而达到相际间质量和热量传递的目的，实现工艺要求。所以塔设备的性能对整个装置的产品质量、生产能力、消耗定额和环境保护等方面都有着重大的影响。 在化工和石油化工生产装置中，塔设备的投资费用约占全部工艺设备总投资的25%，在炼油和煤化工生产装置中约占35%；其所消耗的钢材重量在各类工艺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约占45%，年产30万吨乙烯装置中约占27%。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、使用对炼油、化工等工艺的发展起着重要的作用。 二、塔设备的一般要求工业生产上对于塔设备具有一定的要求，概括起来有下列几个方面。 （1）生产能力要大，即单位塔截面上单位时间内的物料处理量要大。 （2）分离效率要高，即达到规定分离要求的塔高要低。 （3）操作稳定，弹性要大，即允许气体和（或）液体负荷在一定的范围内变化，塔仍能正常操作并保持较高的分离效率。 （4）对气体的阻力要小，这对于减压蒸馏尤为重要。 （5）结构简单，易于加工制造，维修方便，耐腐蚀等。 任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此必须了解各种塔设备的特点并结合具体的工艺要求，抓住主要矛盾以选择合适的塔型。 三、塔设备的分类从不同的角度认识塔设备有不同的类型。按工艺用途可分为精馏塔、吸收塔、萃取塔、干燥塔、洗涤塔等；按操作压力可分为常压塔、加压塔和减压塔；按内部构件的结构可分为板式塔和填料塔两大类。 1.板式塔 板式塔的结构如图6-1所示，在塔内设置一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射形式穿过塔盘上液层，气液相相互接触并进行传质过程。气相与液相组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔中根据塔盘结构特点，又可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种，目前主要使用的塔型是浮阀塔和筛板塔。 2.填料塔 填料塔的结构如图6-2所示，塔内设置一定高度的填料层，液体从塔顶沿填料表面呈薄膜状向下流动，气体则呈连续相由下向上流动，气液相逆流接触并进行传质过程。气相和液相的组分沿塔高呈连续变化。常用填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍形填料、波纹填料、丝网填料等。 无论是板式塔还是填料塔，大体上都是由塔体、支座入孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及塔的内件等组成。塔体是塔设备的外壳，它包括筒体和封头两个部分，是塔设备的主要受压元件。支座是塔体安放到基础上的连接部分，一般采用裙座。除沫器用于捕集气流中的液滴。入孔、手孔主要是为塔设备的制造、安装检修维护所设置的。接管用于工艺联接，使塔设备与前后的相关设备形成严格系统。设置在塔顶的吊柱，主要用于安装检修时运输塔内件。
图6-1 板式塔结构 图6-2 填料塔结构 1—吊柱；2—气体出口；3—回流液入口 1—吊柱；2—气体出口；3—喷淋装置；4—人孔 4—精馏段塔盘5—壳体；6—料液进口 5—壳体；6—液体再分配器；7—填料 7—人孔；8—提馏段塔盘9—气体入口 8—卸填料人孔；9—支承装置10—气体入口 10—裙座；11—釜液出口；12—检查孔 11—液体出口；12—裙座；13—检查孔
第二节 板式塔一、板式塔塔盘的形式及特点板式塔是化工生产中广泛采用的一种传质设备，板式塔的塔盘结构是决定塔特性的关键，常用塔盘有泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形及浮动喷射形等。下面讨论常用塔盘结构及特点。 1.泡罩塔盘 泡罩塔盘是工业上应用最早的塔盘之一，如图6-3所示。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空孔。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；气体从下一层塔盘上升进入升气管，通过环行通道再经泡罩的条形孔流散到液体中。泡罩塔盘具有如下特点。 （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，在负荷变动较大时，仍能保持较高的效率。 （3）具有较高的生产能力，适用于大型生产。 （4）不易堵塞，介质适用范围广。 （5）结构复杂、造价高，安装维护麻烦；气相压降较大，但若在常或加压下操作，这并不是主要问题。 图6-3 泡罩塔盘 1—升气管；2—泡罩；3—塔盘板 2.浮阀塔盘 浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔，每一个孔上装一个带三条腿可上下浮动的阀。浮阀是保证气液接触的元件，浮阀的形式主要有F-1型、V-4型、A型和十字架型等，最常用的是F-1型，如图6-4所示。 F-1型浮阀有轻重两种，轻阀厚1.5mm、重25g，阀轻惯性小，振动频率高，关阀时滞后严重，在低气速下有严重漏液，宜用在处理量大并要求压降小（如减压蒸馏）的场合。重阀厚2mm、重33g，关闭迅速，需较高气速才能吹开，故可以减少漏液、增加效率，但压降稍大些，一般采用重阀。 操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平地吹入塔盘上的液层；液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，再横流过塔盘与气相接触传质后，经溢流堰入降液管，流入下一层塔盘。浮阀塔盘上气液接触状况如图6-5所示。 综上所述，盘式浮阀塔盘具有如下特点。 （1）处理量较大，比泡罩塔提高20～40%，这是因为气流水平喷出，减少了雾沫夹带，以及浮阀塔盘可以具有较大的开孔率的缘故。 （2）操作弹性比泡罩塔要大。 （3）分离效率较高，比泡罩塔高15%左右。因为塔盘上没有复杂的障碍物，所以液面落差小，塔盘上的气流比较均匀。 （4）压降较低，因为气体通道比泡罩塔简单得多，因此可用于减压蒸馏。 （5）塔盘的结构较简单，易于制造。 （6）浮阀塔不宜用于易结垢、结焦的介质系统，因垢和焦会妨碍浮阀起落的灵活性。 图6-4 F-1型浮阀 1— 浮阀；2—门件；3—阀孔；4—起始定距片 5—阀腿；6—最小开度；7—最大开度 图6-5浮阀塔盘气液接触状况 3.筛板塔盘 筛板塔盘是在塔盘板上开许多小孔，操作时液体从上层塔盘的降液管流入，横向流过筛板后，越过溢流堰经降液管导入下层塔盘；气体则自下而上穿过筛孔，分散成气泡通过液层，在此过程中进行传质、传热。由于通过筛孔的气体有动能，故一般情况下液体不会从筛孔大量泄漏。筛板塔盘的结构及气、液接触情况如图6-6所示。 筛板塔盘的小孔直径是一个重要参数，小则气流分布较均匀，操作较稳定，但加工困难，容易堵塞。目前工业筛板塔常用孔径为3～8mm。筛板开孔的面积总和与开孔区面积之比称为开孔率，是另一个重要参数。在同样的空塔速度下，开孔率大则孔速小，易产生漏液，降低效率，但雾沫夹带也减少；开孔率过小，塔盘阻力大，易造成大的雾沫夹带和液泛，限制塔的生产能力。通常开孔率在5～15%。筛孔一般按正三角形排列，孔间距与孔径
图6-6 筛板塔盘示意图
之比通常为2.5～5。 筛板塔具有如下的特点。 （1）结构简单，制造方便，便于检修，成本低。 （2）塔盘压降小。
（3）处理量大，可比泡罩塔提高20~40%。 （4）塔盘效率比泡罩塔提高15%，但比浮阀塔盘稍低。 （5）弹性较小，筛孔容易堵塞。 4.舌形和浮舌塔盘 舌形塔盘是在塔盘板上冲有一系列舌孔，舌片与塔盘板呈一定倾角，如图6-7所示。气流通过舌孔时，利用气体喷射作用，将液相分散成液滴和流束而进行传质，并推动液相通过塔盘。舌孔与塔盘板的倾角一般有18o、20o和25o三种，通常是20o，舌孔常用25×25mm和50×50mm两种，舌孔按三角形排列。 舌形塔盘具有结构简单、安装检修方便 ，处理能力大，压力降小，雾沫夹带少等优点，但由于舌孔的倾角是固定的，在低负荷下操作时易产生漏液现象，故操作弹性较小。
图6-7 舌形塔盘的舌孔 图6-8 浮舌形塔盘的舌片 浮舌塔盘是结合浮阀塔和舌形塔的优点而发展出起来的一种塔盘，其结构如图6-8所示。将舌形塔的固定舌片改成浮动舌片而成，与浮阀塔类似，随气体负荷改变，浮舌可以上下浮动，调节气流通道面积，从而保证适宜的缝隙气速，强化气液传质，减少或消除漏液。当浮舌开启后，又与舌形塔盘相同，气液并流，利用气相的喷射作用将液相分散进行传质。浮舌塔盘具有如下特点。 （１）具有大的操作弹性，操作稳定。在保证较高效率条件下，它的负荷变化范围甚至可超过浮阀塔。 （２）具有较大的气液相的处理能力，压降又小，特别适宜于减压蒸馏。 （３）结构简单，制作方便。但舌片易损坏。 （４）效率较高，介于浮阀与舌形塔板之间，效率随气速变化比浮阀稍大。 除以上常用塔盘外，还有网孔塔盘、穿流塔盘等。 二、板式塔的主要内部构件1.塔盘构造 板式塔的塔盘形式虽多种多样，但就其整体构造而言，基本上都是由塔盘板、传质元件（浮阀、泡罩、舌片等）、溢流装置、连接件等构成。塔盘若只有一块塔盘板，称为整块式塔盘，见图6-9。若是由两块以上塔盘板组成则称为分块式塔盘，见图6－10、图6-11。一般在塔径300－900mm时，采用整块式塔盘，塔径大于等于800mm时，就可在塔内进行装拆作业，这时可选分块式塔盘。降液管有弓形和圆形两种，以弓形降液管较为常用，其结构如图6—12所示。 分块式塔盘各塔盘之间、塔盘板与支持圈（或支持板）之间的连接和紧固方式很多。按连接是否可拆有可拆连接和不可拆连接，其中可拆连接又有上可拆、下可拆和上下均可拆连接；按连接结构形式有罗纹连接、卡板连接和楔形连接等。几种常见的连接紧固形式如图6-13至图6-16所示。
图6-9 定距管式塔盘 1－法兰；2－塔体；3－塔盘圈；4－塔盘板；5－降液管；6－拉杆；7－定距管； 8－压圈；9－填料；10－吊环；11－螺母；12－压扳；13－螺柱； 14－支座（焊在塔体内壁上）；15－螺母
图6-10 单溢流支持圈支承塔盘 图6-11 双溢流具有支持主梁的塔盘 1—通道板；2—矩形板；3—弓形板；4—支持圈； 1—塔盘板；2—支持板；3—筋板；4—压板； 5—筋板；6—受液盘；7—支持板；8—固定降液板； 5—支座；6—主梁；7—两侧降液板； 9—可调堰板；10—可拆降液板；11—连接板 8—可调堰板；9—中心降液板；10—支持圈
图6—12 塔盘的弓形降液管 图6—13 上可拆螺栓连接 1—螺母；2—塔盘板Ⅰ；3—塔盘板Ⅱ；4—T形螺栓 图6-15 楔形连接 图6-16 螺纹卡板连接 1—龙门铁；2—楔子；3—垫板； 1—卡板；2—螺母；3—螺柱；4—椭圆垫圈； 4、5—塔盘板 5—塔盘板；6—支持圈 2.除沫器 除沫器安装在塔内顶部，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。目前使用的除沫器有折板形、丝网形和旋流式，其中以丝网除沫器应用最为广泛，其结构如图6-17所示。将许多层丝网用栅板夹住，并用螺栓固定在支持圈上，对大直径的塔，丝网也可做成分块式。丝网用圆丝或扁丝编织而成，材料多用不锈钢、磷青铜、镀锌铁丝、聚四氟乙烯、尼龙等。 丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、空隙大以及使用方便、除沫效率高、压降小等优点。适用于清洁的气体，不宜用在液滴中含有固体物质或易析出固体物质的场合，如碱液、碳酸氢氨溶液等，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，应经常对其进行冲洗。丝网除沫器在安装时，在其上下方都应留有适当的分离空间。 3.防涡器和滤焦器 塔底液体流出时，若带有漩涡则会将油气卷带入与塔底出口等相连的泵内，使泵容易发生抽空现象，为此塔底大多装有防涡器，其结构如图6-18所示。图中（b）所示排液管口与塔底平齐，用于干净的物料；（a）所示排液管伸入塔底内一定高度，一般为50mm以上，适用于稍有沉淀的物料，以防沉淀被吸入泵内。当排液管直径小于150mm时就用一块钢板插焊在管口，排液管直径大于150mm时，可用十字形板插焊于管口，如图（c）、（d）所示。 对减压塔、催化裂化分馏塔等，为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。常用滤焦器的结构如图6-19所示，就是一个带圆锥帽的圆筒，筒壁上开有直径10mm的滤孔，孔间距25mm。
1－塔体；2－紧固螺栓；3－垫片；4－丝网； 5－栅板（上下各一件做成分块）；6－支持圈；7－螺母 4.塔设备的进出口接管 几种常见的物料进出口接管结构如图6-20至图6-23所示。 对液体进料当塔径大于等于800mm，且物料较清洁时可用图6－20（a）的结构；当塔径小于800mm时，或物料较脏、需经常清洗时宜采用图6－20（b）的结构。对气体分布要求不高，直径较小的塔，可采用图6－21（a）的简单进气管；为了避免进塔气体冲溅、夹带塔底的储液，进气管应安装在塔内最高液面之上一定距离；当塔径较大、要求进气分布均匀时，宜采用图6－21（b）的横管结构，管上有三排出气小孔，孔径由工艺决定。若为气、液混合进料，为使物料经气、液分离，除将加料塔盘间距适当加大外，还应采用图6－22所示的切向进料管。对液体出料接管可直接从塔底引出裙座外。对气体出料管为减少雾沫夹带在未设置除沫器的塔中可采用图6－23所示的气体出口结构。
图6-18 塔底防涡器 1－塔底；2－出料管；3－立板；4－顶板
图6-19 塔底滤焦器 1－支承；2－圆锥形顶；3－圆筒壁
1－进料口；2－进口堰
图6—21 气体进料管
1－上挡板；2－下挡板；3－导向挡板
图6-23 气体出口管
第三节 填料塔一、填料及支承结构1.对填料的基本要求 填料是填料塔的主要构件，其性能的优劣直接影响填料塔的操作性能及传质效率。工业生产对填料的基本要求如下。 （1）传质分离效率高。填料的比表面积大，填料表面安排合理，填料表面润湿性好。 （2）压力降小，汽液相通量大。 （3）不易引起偏流和沟流。 （4）具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和一定的耐热性。 （5）不被固体杂物堵塞，其表面不会结垢。一般来说，填料塔不适用于含固体杂物和易结垢的场合，但是有宽畅流道、孔隙率大的格栅填料可用于这类操作。 （6）重量轻、价格低。 2.填料的种类 工业上所用的填料总体上可分为散装填料、规整填料和格栅填料三类。散装填料由于其结构上的特点，不能按一定规律安放而只能随机（自由）堆砌。常见的散装填料有拉西环、鲍尔环、θ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，故塔的分离效果不够理想。因此产生了规整填料，这种填料分离效果好、压力降小，适用于在较高的气速或较小的回流比下操纵，目前使用较多的是波纹网和波纹板填料。填料塔常用填料如图6-24所示。 图6-24 填料种类 3.填料支承结构 填料的支承结构安装在填料层的底部，其作用是支撑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填料层，并使气流的流通面积无明显减少。因此不仅要求支承结构具备足够的强度及刚度，而且要求结构简单，便于安装，所用材料耐介质腐蚀。常用的填料支承结构有栅板和波形板。图6-25、图6-26是最常用的栅板结构，为了限定填料在塔中的相对位置，不至于在气、液体冲击下发生移动、跳跃或撞击，应安装填料压板或床层限制板。 图6-25 整块式栅板 图6-26 分块式栅板 1—栅板；2—支持圈 1—连接板；2—支持圈；3—栅板Ⅰ； 4—栅板Ⅱ；5—支持板 二、液体分布装置 1.液体初始分布装置 液体初始分布装置是分布塔顶回流液的部件。工业上应用的分布装置类型很多，较常用的有喷洒型、溢流型、冲击型等。喷洒型中又有管式和喷头式两种。一般在塔径1200mm以下时都可采用如图6-27所示的环管多孔式喷洒器，但直径600mm以下时多采用图6-28所示的喷头式喷洒器、其中塔径300mm以下时往往用图6-29所示的直管式或弯管式喷洒器。较大直径的塔则可采用图6-30所示的多支管喷洒器。 溢流型喷淋装置用在大型填料塔中，结构如图6-31所示，其优点是适应性强，不易堵塞、操作可靠。冲击型喷洒器结构如图6-32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，反射板中心钻有小孔以使液体流下淋洒到填料层中心部分。
图6-27 环管多孔喷洒器
图6-29管式喷洒器
图6-30 多支管喷洒器
图6-31有升气管的盘式喷洒器 图6-32冲击式喷洒器 1—升气管；2—降液管；3—定距管； 4—支持圈；5—螺栓、螺母 2.液体再分布装置 液体沿填料向下流动时，由于向上的气流速度不均匀，中心气流速度较大、靠近塔壁处流速较小，使得液体流向塔壁形成“壁流”，减少了气、液的有效接触，降低了塔的传质效率，严重时会使塔中心的填料不能被湿润而形成“干锥”现象。为此，每隔一定高度的填料层则设置一液体再分布装置，以便使液体再一次重新均匀分布。最常见的液体再分布装置是锥形分布器，如图6-32所示。
三、板式塔与填料塔的比较 板式塔和填料塔都是常用的精馏塔型，对于具体的分离任务，充分理解和掌握各塔型的特点，正确选择合适的塔型是首要的。现将板式塔和填料塔的主要特点列表进行比较，见表6-1。 表6-1 板式塔与填料塔的比较
第四节 塔设备的载荷分析一、塔设备的使用工况1.正常操作工况 在正常操作工况下，塔设备在一定的操作压力和操作温度下工作，此时塔内有工作介质，它的内部构件如塔盘、除沫器及其他附件如保温层、扶梯、接管、阀门等安装齐全。塔设备在此工况下的时间最长。 2.压力试验工况 塔设备在安装或大检修后再安装状态下进行压力试验时，塔内充满试验液体（一般为水），此时塔体受试验压力及业液柱静压力的作用，它的总体质量也最大，裙座、基础环和地基所受的压应力也最大。 3.非操作工况 所谓非操作工况时指除正常工作工矿和压力试验工况以外的情况，包括吊装完毕安装阶段及停工检修阶段。此时塔设备处于环境温度，塔内没有物料，内部构建及附件没有装或没有安装齐全。此工况下塔设备的总体质量最小，在风力、地震等载荷作用下最易倾倒，此时地脚螺栓受力可能最大。 二、塔设备的主要危险截面塔设备一般在室外立式安装，由于其受载的复杂性，在强度及稳定性计算时，先按一般压力容器初步确定塔体壁厚。对裙座则参照塔体厚度先假定一厚度，然后再按不同工况对可能的危险截面进行校核计算，最后确定塔体和裙座的厚度。危险截面是指组合应力最大的截面，所以在确定危险截面时，既要考虑承载的大小，又要考虑截面的承载能力。一般而言，塔设备以下几个截面都可能是危险截面，都应进行校核计算。 1.裙座最低截面 裙座最低截面是指裙座与基础环连接处的截面，使裙座上承受各种载荷最大的截面，必须进行校核计算。 2.裙座上检查孔及较大管线引出口截面 该截面虽然没有裙座最低截面承受的载荷大，但应开口削弱了该截面，其承载能力下降，故也应进行校核计算。 3.塔体最低截面 该截面位于塔体与裙座连接处烧伤一点的位置。当裙座与塔体对接时，此截面去塔体下风头切线处；当裙座与塔体塔接时，此截面在下封头直变短或设备筒体下部（塔体与裙座的连接形式减低三章介绍）。该截面是塔体上承受载荷最大的截面，因此应进行校核计算。 4.裙座与塔体连接处的焊缝截面 此处虽不是塔体或裙座上的危险截面，但其焊接接头处可能存在焊接缺陷，同时承受着较大的重量、风力、地震等载荷的作用，应对此进行校核计算。 除以上所列的几个截面外，壳体直径变化的截面、壁厚变化较大的截面等也有可能是危险截面，应视具体情况而定。 三、不同截面上的载荷分析（一）各种载荷对塔设备的影响 1.操作压力及试验压力 对加压（内压）塔操作压力使塔体上各截面产生拉应力，对减压（外压或真空）塔操作压力是塔体上各截面产生应压力。无论是加压塔还是减压塔，压力试验均以内压进行，所以试验压力及试验液体的静压力对塔体上各截面均产生拉应力。 2.重量载荷 塔设备的重量包括塔体和裙座本身的重量，内件重量、保温层重量、焊在塔体上的平台扶梯重量、操作时塔内物料及液压试验时液体重量。不同截面上重量载荷不同，重量载荷使塔设备产生压应力。 3.风载荷 风作用在塔壁上一方面使塔产生弯曲变形，在迎风侧受拉、背风侧受压，不同截面上风力所产生的弯矩不同；另一方面气流在塔的背风侧产生周期性的旋涡，导致塔在垂直方向产生周期性的振动，但这种情况只有在塔的高径比较大、风速也较大时影响才比较明显。风载荷的大小与风速、空气的密度、设备的结构等因素有关。 4.地震载荷 地震使塔设备产生水平和垂直方向的振动，有时还伴有。使塔产生弯曲、拉（压）、扭转等变形。按JB4710?钢制塔式容器》的规定，地震设防烈度在8度以上才考虑垂直地震力的影响，设防烈度在7度以下（包括7度）只考虑水平地震力的影响。 5.偏心载荷 当塔设备外部安装有附属设备时，如塔顶一侧挂有冷凝器、塔底悬挂重沸器等。这些与塔的主体轴线不同心的重量，除了引起轴向压应力外、还会引起轴向弯矩即偏心弯矩，产生弯曲应力。 风载荷、地震载荷、偏心载荷对塔的作用效果是类似的，其弯曲应力方向一致的时刻也是存在的，因此也可以将它们组成一个总的弯矩，即最大弯矩。但由于风弯矩和地震弯矩都是按根据设备安装地区历史统计的最大风力和最大地震烈度确定的，而实际上风弯矩和地震弯矩同时达到最大值的概率极小，所以在确定最大弯矩时也不能简单的将其相加。具体方法见JB4710。
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