1、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，从而达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，生产出合格的产品。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部有着重大的影响。塔设备的投资费用及钢材耗量仅次于换热设备。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占45.5，年产120万吨催化裂化装
2、置中占48.9，年产30万吨乙烯装置中占2528.3。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。第二节 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。1、按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔。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
3、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3040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。2、按塔的内件构成结构分为板式塔和填料塔。 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
4、塔两大类。具体结构如图所示。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。在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沉向塔底（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
5、自塔底向上流动，与液体进行逆流传，两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。按单元操作（用途）可以分为：1、精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。挥发度较高的物质在气相中的浓度比在液相中的浓度高，因此借助于多次的部分汽化及部分冷凝，而达到轻重组分分离的目的。这样的操作称为蒸馏，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、柴油及润滑油等；铂重整装置中的各种精馏塔，可以分离出苯、甲苯、二甲苯等。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
6、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合物，利用一般的分馏方法难以奏效，这时可在液体混合物中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刑中溶解度的不同，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，这样的塔设备称为洗涤塔。5、反应塔： 反应即混
7、合物在一定的温度、压力等条件下生成新物质的过程。6、再生塔：再生的过程是混合物经蒸汽传质、汽提而使溶液解吸再生的过程。7、干燥塔：固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是对固体加热以使湿分气化的传热过程，然后是气化后的湿分蒸气分压较大而扩散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料内部借扩散等的作用而源源不断地输送到达固体表面，则是一个物料内部的传质过程。因此干燥过程的特点是传质和传热过程同时并存。这里需要说明一点，有些设备就其外形而言属塔式设备，但其工作实质不是分离而是换热或反应。如凉水塔属冷却器，合成氨装置中的合成塔属反应器。塔设备的构件，除了种类繁多的各种内件外，其余构件则是大致相同。主要包括以
8、下几个部分：1、塔体：塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和底盖的椭圆形封头所组成。包括筒体、端盖（主要是椭圆形封头）及连接法兰。2、支座：塔体支座是塔体安防盗基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座，即裙座。3、除沫器：除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重金属、提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。4、接管：塔设备的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关
9、设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。5、人孔和手孔：人孔和手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的，在板式塔和填料塔中，各有不同的设置要求。6、吊耳：塔设备的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在塔设备上焊接吊耳。7、吊柱：在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。第三节 塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率，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
10、截面上单位时间内物料的处理量要大。在较大的气液流速下，仍不知发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。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c在减压塔中若压降过大系统将难以维持必要的真空度。5、结构简单、耗材少，易于制造及安装，这样可减少基建投资，降低成本。6、耐腐蚀不易堵塞，便于操作、调节及检修。 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，
11、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。第四节 塔设备的发展和现状泡罩塔是1813年Cellier提出的，它在化工生产中一直占有重要的地位。1832年开始用于酿造工业，使出现较早的并获得广泛应用的一种塔型。1830年出现了筛板塔，它们都是板式塔。工业规模的填料塔始于1881年的蒸馏操作中，1904年才用于炼油工业，当时的填料是碎砖瓦、小石块。20世纪初，随着炼油工业的发展和石油化工工业的兴起，塔设备开始被广泛采用，并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的数据和经验。20世纪中期，为了适应各种化工产品的生产和发展，不仅需要新建大量的塔，还得对原有的塔设备进行技
12、术改造，故而陆续出现了一批能适应各方面要求的新塔型。这一时期的板式塔按塔盘类型可分为如下几种：泡罩型、筛板型、浮阀型、喷射型。这批新型塔盘的出现，不仅为创建综合性能更好的塔型打开了思路，而且位接着发生的设备大型化后选择塔型指出了方向。在此期间，许多学者总结了塔设备长期操作的经验，并对筛板塔作了系统研究，认为设计合理的筛板塔，不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点，而且操作负荷在较大范围内变动时，仍能保持理想的效率。近年来，随着对筛板塔研究工作的不断深入和设计方法的日趋完善，筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型。这一时期填料塔也进入了一个新的发展阶段，在瓷环填料，亦称拉西环填料（Rasch
13、i gring）被广泛采用后，弧鞍形填料（Berl saddle）相继问世，更大大的促进了规整填料的发展。从20世纪60年代起，由于化工界械制造业成功解决了高压离心式压缩机的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等技术关键，使化肥和石油化工的生产，在能量综合利用方面提高到一个新水平，继而带动了整个化学、炼油工业向大型化方向迅速发展。在大型装置中，塔设备的单台规模也随之增大，直径在10m以上的板式塔时有出现，塔板数多达上百块，塔的高度达80余米，设备重量有几百吨；填料塔的最大直径也有15m，塔高达100m。在此期间，为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求，又出
14、现了很多新型塔盘，但按结构特点，仍属于泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进和相互结合。这一时期，新型填料也有了较多的发展。进入20世纪70年代，有关塔设备的基础理论研究工作进度放慢了，人们通过实践接受了观点：当负荷达到最高负荷的85%时，所有不同结构的塔盘，其效率大致是相同的。研究结构表明，塔盘的效率并不取决于塔盘的结构，而主要取决于物系的性质，如相对挥发度、黏度、混合物的组分等。国外塔设备的发展的前提下，保持一定的操作弹性和适当的压力降，并尽量提高塔盘的效率。至于新型填料的研究，则希望找到有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。目前，我国常用的板式塔仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔
15、等；填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。第五节 塔设备的用材塔设备与其他化工设备一样，置于室外、无框架的自支承式塔体，绝大多数采用钢材制造。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也比较丰富。特别是在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的优点。因而被广泛的采用。有些场合为了满足腐蚀性介质或低温等特殊条件，采用有色金属或非金属耐腐蚀材料。可供制造塔设备内件的材料，比之塔体用材，选择余地更大。板式塔的塔盘，以及浮阀、泡罩一类气液接触元件，
16、由于结构较为复杂，加之工艺和使用方面的需求（浮阀应能自由浮动），所以仍是以钢材为主，其他材料（陶瓷、铸铁）为辅。填料的用材，往往只考虑制造成型方面的性能，所以可用多种材料制成同一型式和外形尺寸的填料，以满足不同场合的需要。如拉西环最初用瓷做的，以后又出现了用钢、石墨或硬聚氯乙烯塑料等制造；鲍尔环也有用钢、铝或聚丙烯塑料等制造；至于高效的丝网填料，则除了用各种金属丝网外，还可将尼龙、塑料等编织成网，进而制得。第二章 塔设备的结构第一节 板式塔板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国内外实际使用的情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。板式塔由塔体、支座和内件等组成，塔体上设有物料进出
17、管及各种仪表接管，为了安装、检修及操作的方便，在塔体上还设有人孔、手孔、吊柱、扶梯及平台等。塔体的支承常用裙式支座，板式塔的内件有塔盘、除沫器等。在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自上而下从塔底依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。一、塔板类型:溢流塔板塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。1、溢流塔板 （错流式塔板）：塔板间有专供液体溢流的降液管 （溢流管），横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并
18、流流动。板上液体的流径与液层的高度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、舌形塔板等。1.1泡罩塔这种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。塔板上的主要部件是泡罩。它是一个钟形的罩，支撑在塔板上，其下沿有长条形或椭圆形小孔，或作
19、成齿缝状，与板面保持一定距离。罩内覆盖着一段很短的升气管，升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿缝。塔下方的气体经升气管进入罩内之后，折向下到达站罩与管之间的环形空隙，然后从罩下沿的小孔或齿缝分散成气包而进入板上的液层。泡罩塔具有如下优点： （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。最大的优点是易于操作，操作弹性大。当液体流量变化时，由于塔板上液层厚度主要由溢流堰高度控制，使塔板上液层厚度变化很小。若气体流量变化，泡罩齿缝开启度会随气体流量改变
20、自动调节，故气体通过齿缝的流速变化亦较小。于是，塔板操作平稳，气液接触状况不因气液负荷变化而显著改变，换言之，维持较高传质效率的气液负荷变化范围很大。泡罩塔的缺点是结构复杂，造价高，气体通过每层塔板的压降大等。由于泡罩塔的这些弱点，使之在与当今多种优良塔板型式的比较中处于劣势，所以现在泡罩塔的应用已较少了。1.2筛板塔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。筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。筛板塔约于1832
21、年开始用于工业生产。筛板塔与泡罩塔的相同点：都有降液管，塔板上都钻有若干小圆孔 。筛板塔与泡罩塔的不同点：取 消了泡罩与升气管而直接在板上开很多小直径的筛孔。筛板塔操作时液体横过塔板，气体则自板上小孔（筛孔）鼓泡进入板上液层。当气速过低时筛孔会漏液；若气速过高，气体会通过筛孔后排开板上液体径自向上方冲出，造成过量液沫夹带即严重轴向混合。所以，筛板塔长期以来被认为操作困难、操作弹性小而受到冷遇。筛板塔的优点：（1）结构简单、制造维护方便。（2）生产能力大，比泡罩塔盘高2040。（3）压降小，适用于减压操作。（4）比泡罩塔盘效率高，但不及浮阀塔盘。（5）若设计合理其操作弹性也较高，但不如泡罩塔盘。
22、筛孔塔的缺点：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。1.2.1垂直筛板在塔板上开按一定排列的若干大孔（直径100200mm），孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，即气体上升液体落回塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，因此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。1.3浮阀型浮阀塔是1950年开
23、发的一种新塔型。其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，气速低时，阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。有多种浮阀形式，但基本结构特点相似。国内常用的浮阀有三种，即图所示的F1型及V-4型与T型。浮阀有三条带钩的腿。浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转，可防止操作时气速过大将浮阀吹脱。此外，浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低浮阀降至塔板时，靠这三只“脚”使阀片与塔板间保持2.5mm左右的间
24、隙；在浮阀再次升起时，浮阀不会被粘住，可平稳上升。三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。我国已有部颁标准（JB111868）。F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻 90，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形，气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。浮阀的直径比泡罩小，在塔板上可排列得更紧凑，从而
25、可增大塔板的开孔面积，同时液体以水平方向进入液层，使带出的液沫减少而气液接触时间却加长，故可增大气体流速而提高生产能力，板效率亦有所增加，压力降却比泡罩塔小。结构上它比泡罩塔简单，但比筛板塔复杂。这种结构的优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。缺点是因阀片活动，在使用过程中有可能松脱或被卡住，造成该阀孔处的气、液通过状况失常，为避免阀片生锈后与塔板粘连，以致盖住阀孔而不能浮动，浮阀及塔板都用不锈钢制成，此外，胶黏性液体易将阀片粘住，液体中有固体颗粒会使阀片被架起，都不宜采用。浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大20%40%，操作弹性可达79，板效率比泡罩塔约高15%，制造费用
26、为泡罩塔的60%80%，为筛板塔的120%130%。组合导向浮阀塔板是华东理工大学的专利技术，用于汽液传质过程，具有良好的操作性能。C-101C-107板式塔采用组合导向浮阀塔板，其主要特征为：（1）塔板上配有矩形导向浮阀（图1）和梯形导向浮阀（图2），按一定的比例组合而成。浮阀上设有导向孔，导向孔的开口方向与塔板上的液流方向一致。在操作中，从导向孔喷出的少量汽体推动塔板上的液体流动，从而可消除塔板上的液面梯度。（2）矩形导向浮阀和梯形导向浮阀，两端设有阀腿。在操作中，汽体从浮阀的两侧流出，无向后的力，因此，组合导向浮阀塔板上的液体返混是很小的。（3）塔板上的梯形导向浮阀，适当排布在塔板两侧的
27、弓形区内。因为从梯形导向浮阀两侧流出的汽体有向前的推力，可以加速该区域的液体流动，从而可以消除塔板上的液体滞止区。（4）如果液流强度较大或液体流路较长，在液体进口端和中间部位，也可以排布适当数量的梯形导向浮阀，以便消除液面梯度。（5）由于矩形导向浮阀和梯形导向浮阀在操作中不转动，因而浮阀无磨损，不脱落。因此，组合导向浮阀塔板具有合理的结构特征和良好的流体力学性能，为目前国内最佳浮阀型塔板。组合导向浮阀塔板与F1（V1）型浮阀塔板效率相比，塔板效率可提高15-20%；处理能力可提高30%以上，塔板压降减小20-30%。1.4.1舌型塔板一种斜喷射型塔板。结构简单，在塔板上冲出若干按一定排列的舌形
28、孔，舌片向上张角以20左右为宜。舌片塔板是在平板上冲压出许多向上翻的舌形小片而作成。塔板上冲出舌片后，所留下的孔也是舌的形状，从下层板上升的气体在舌与孔之间几乎成水平地喷射出来，速度可达到2030m/s，冲向液层，将液体分散成滴或束。这种喷射作用使两相的接触大为强化，而提高传质效果。由于气体喷出的方同与液流方同大体上一致，前者对后者起推动作用，使液体流量加大而液面落差不增。板上液层薄，也就使塔板的阻力减小，液沫夹带也少一些。优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较
29、高的生产能力。缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。1.4.2浮舌塔板为使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。浮舌板上的主要构件是舌头与浮阀的结合，既可令气体以喷射方式进人液层，又可在负荷改变时，令舌阀的开度随着负荷改变而喷射速度大致维持不变。因此，这种塔板与固定舌片板相比较，操作较为稳定，操作弹性比较大，效率高一些，压力降也小一些。1.4.3斜孔塔板在舌形塔板上发展的斜孔塔板，斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。 1.5网孔塔板 网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制成，具有舌形塔板的特点。这种塔板上装有倾斜的挡沫板，其作用是避免液体被直接吹过塔板，并提供气液分离和气液接触的表面。 网孔塔板具有生产能力大，压降低，加工制造容易的特
