塔设备绘制

第6章塔设备绘制▪本章导引▪塔设备设计基本知识▪塔总装配图绘制▪本章重点知识分析本章导引本章目录塔设备是炼油，化工、轻工、制药等行业中用于原料或产品的浓缩及提纯的重要设备。它可使气（汽）液或液液两相之间进行充分接触，达到相际传质及传热的目的。它主要用于精馏，吸收，解吸、萃取等，此外，它在工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等单元操作之中也起着重要的作用。由于塔设备是原料预处理（如蒸馏塔将液体原料变成气体以便于后面的气相催化反应）、产品提纯处理（如精馏塔，将产品的纯度提高，直接影响最后产品的质量及数量），因此，塔设备的性能的好坏，对于整个化工生产过程的产品产量、质量、生产能力和消耗定额、以及三废处理和环境保护等均有很大影响；同时，塔设备的投资和金属用量，在整个生产工艺装置中均占较大比例。因此，对塔设备的研究（包括设计和绘制），始终受到人们极大的重视。塔设备一般由塔设备本体、塔设备上附属构筑物（如操作平台、栏杆、梯子、管线等）、支承塔设备的基础这三部分组成。塔设备应在满足化工工艺要求的前提下，尽量做到以下几点：①生产能力大，即气(汽)、液处理量大；②流体流动阻力小传；③质效率高；④结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易；⑤操作弹性大，即在负荷波动较大时，仍能维持较高的效率；⑥便于操作、控制及检修等。事实上，我们在计任何一台塔设备时，很难全部满足上述各项要求；但我们应该从符合生产的基本要求、满足经济上的合理性、以及在单位时间内，利用最少的能源和空间，生产加工最多的产品等方面出发，予以全面考虑，使所设计的塔在满足基本要求的前提下，整体性能达到最优。本章将通过对塔设备一些基本知识介绍，具体讲解如何绘制塔设备，大到绘制整体方案的确定，小到主要零配件的尺寸及绘制方法。对于前面几章已经详细介绍过的绘制方法，我们将不在讲解，如封头的绘制、接管的绘制，但我们会提供本章中有关这些零配件的具体尺寸。塔设备设计基本知识本章目录•塔设备的分类•塔设备关键尺寸的确定•计算举例塔设备的分类为满足各种生产过程的需要，塔设备经过长期发展，形成了型式繁多的结构．考虑到便于研究和比较，可以从不同的角度。对塔设备进行分类．例如：按单元操作分为精馏塔，吸收塔、解吸塔和萃取塔等；按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按塔内件结构分为板式塔和填料塔两大类，但如果将塔内无任何构件也作为一类，则可以分为三类，见图6-1。下面将三类塔设备再进行进一步的细分。⑴板式塔板式塔以塔板作为汽(气)，液接触的基本构件。气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，塔内气液两相呈逐级逆流操作，在塔板上传质元件作用下，两相进行接触和分离，同时完成传质(和传热)任务。板式塔构造，除塔板外，塔的内构件还包括降液管、受液盘、溢流堰、塔板支承件及紧固件等。塔板选型后，应依次进行塔径、塔板及内构件的设计，然后用负荷性能图进行结构设计的调整(或优化)，直至满足塔内正常操作(或较佳操作)。除此之外，人们又按板式塔的塔盘结构的不同，将板式塔细分为多种塔。常见板式塔的类型有：浮阀塔、泡罩塔、筛板塔、斜孔塔及穿流式塔板等。图6-1三类塔示意图①浮阀塔浮阀塔是现今应用最广的一种板型。浮阀塔板的结构特点时在塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm），每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。操作时由阀孔上升的气流，经过阀片于塔板间的间隙而与板上横流的液体接触。浮阀开度随气体负荷而变。当气量很小时，气体仍能通过静止开度的缝隙而鼓泡。浮阀塔的突出特点是操作弹性大，由于压降及雾沫夹带均小，故板间距可缩小。一般浮阀塔在生产能力、塔板效率及结构简单方面优于泡罩而不及筛板。②筛板塔筛板塔的塔板上开有许多均匀分布的筛孔，孔径一般为3~8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能维持一定厚度的液层。操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气液间密切接触而进行传质。在正常的操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。筛板塔的主要优点是结构简单。近年来，筛板塔得到更广泛的应用。其缺点是易漏液，操作弹性较小。③泡罩塔泡罩塔的每层塔板上开有若干个孔，孔上焊有短管作为上升气体的通道，称为升气管。升气管上覆以泡罩，泡罩下部周边开有许多齿缝。齿缝一般有矩形、三角形及梯形三种，常用的是矩形。泡罩在塔板上作等边三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持塔板上有一定厚度的流动液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或股流，在板上形成了鼓泡层和泡沫层，为气液两相提供了大量的传质界面。尽管泡罩塔有操作弹性大，板效率高，处理量大的优点，但由于其结构复杂，造价高以及压降大，使用上受到一定的限制．④舌型塔板、浮舌塔板和斜孔塔板三者均为喷射型塔板。在舌型塔板中，气流经舌孔流出时，促进了液体流动，因而大液量时不会产生大的液面落差，同时由于汽、液并流，大大减少了雾沫夹带。针对以上缺点，发明了浮舌塔板，它既有舌形塔板处理量大、压降低、夹带小的优点，又有浮阀弹性大、效率高的优点。缺点是舌片易损坏。斜孔塔板采用孔口反向交错排列，避免了气、液并流造成的气流不断加速现象，因而液层低而均匀，雾沫夹带小，塔板效率有所提高，但由于开孔固定，操作弹性较小。⑤穿流式栅板塔穿流式栅板塔属无溢流装置的板式塔。属此类塔板的还有穿流式波纹塔、穿流式浮阀塔等。此类塔板操作时，气、液两相同时相向通过栅缝或筛孔。栅缝或筛孔的大小，视物料的污垢程度及要求的效率等情况而定。由于省去了溢流装置，该塔板有生产能力大、结构简单、压降小、不易堵塞的优点，但操作弹性小塔板效率低。⑵填料塔在填料塔中，塔内装有一定高度的填料层。液体自塔顶沿填料表面自上而下呈膜状流动，气体则沿填料层内部通道自下向上流动，气、液两相之间是呈连续逆流接触并进行传质和传热的。显然，两相组分的浓度沿塔高也将呈连续变化。填料塔以填料作为气液接触的元件。填料塔由于其填料的不同，又可分为多种。按性能分为通用填料和高效填料；按形状分为颗粒型填料和规整填料，按填料的结构分为实体填料和网状填料等。填料塔的主要构件为：液体分布器、填料压板或床层限制板、填料、填料支承、液体收集器、液体再分布器等。填料塔的特点：①压力降低，可应用于真空蒸馏、吸收等操作。②结构简单，可用耐腐蚀材料制成，故可用于处理腐蚀性介质。③安装方便，可用于不宜安装塔板的小直径塔。④由于采用新型高效填料，在许多大直径塔中成功地代替了板式塔，最大直径已达15m。⑤投资费用较高。⑥填料多易堵塞，故不宜处理悬浮液或易结块的物料。⑶空心塔在空心塔内没有装塔盘和填料，有的作为储罐储存催化剂等；有的在塔内将加工后的重油进行冷却结成焦炭、沥青等；有的在塔内安装许多管束，在管外或管内装入催化剂，使参加反应的气体通过静止的催化剂进行反应，作反应塔用。塔设备关键尺寸的确定⑴塔高的确定塔的高度（见图6-2）系由主体高度Hz（塔板或填料所在空间的高度）、顶部空间高度Ha（第一层塔板或填料以上部分，包括筒节、封头及上面的引出管）、底部空间高度Hb（最后一层塔盘后或填料下部的筒节，但不包括下封头及引出管高度，因为该高度和裙座高度重合），以及裙座高度Hs等部分所组成，所以塔高H为：H＝Hz＋Ha＋Hb＋Hs（6-1）在具体绘制过程中，需要注意底部筒节和裙座之间两者之间并不是刚好对接，如塔的实际总高和按式（6-1）的计算会有一些差别，有时是多几毫米，有时是少几毫米。填料塔的高度则包括填料层高度，喷林装置、再分器、气液进出口所需的高度，底部及顶部高度以及裙座高度等部分。图6-2塔高示意图①主体高度由于填料塔和板式塔的结构不同，故主体高度的含义也不同。板式塔的主体高度是从塔顶第一层塔盘至塔底最后一层塔盘之间的垂直距离；填料塔的主体高度就是填料的高度。蒸馏操作常用理论塔板数的多少来表述塔的高度，求取塔板数的方法很多，可分为解析法、图解法和逐板计算法等几类。对于板式塔，应先利用塔效率将理论板层数折算成实际板层数，然后再由实际板层数和板间距来计算主体塔高，即：Hz＝NT×HT/ET（6-2）式中Hz——塔高，m；NT——塔内所需的理论板层数；ET——总板效率；HT——塔板间距，m。从板间距对塔板效率的影响分析，在一定的气液负荷和塔径的条件下，增加板间距可使物沫夹带量减小，特别对易起泡的物系，板间距应取大些，以保证塔板的分离效果。此外，当生产负荷波动大时，也需要增大板间距，以提高操作弹性。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够高的工作空间，其值不应小于600mm。塔板间距HT除直接影响塔高外，板间距还与塔的生产能力、操作弹性即塔板效率有关。在一定的生产任务下，采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，因而塔径可小些，但塔高要增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可以降低。对于板数较多的精馏塔，往往采用较小的板间距，适当地加大塔径以降低塔高。板间距与塔径之间的关系，应根据实际情况，结合经济权衡，反复调整，以作出最佳选择。表6-1所列的经验数据可供初选板间距时参考。板间距的数值应按照规定选取整数，如300mm、350mm、450mm、500mm等。对于填料塔，其高度主要取决于填料层的高度。计算填料层高度常采用以下两种方法：A.传质单元法填料层高度Z＝传质单元高度×传质单元数B.等板高度法等板高度（HETP）是与一层理论塔板的传质作用相当的填料层高度。也称理论板当量高度。显然，等板高度愈小，说明填料层的传质效率高，则完成一定分离任务所需的填料层的总高度可降低。等板高度不仅取决于填料的类型与尺寸，而且受系统物性、操作条件及设备尺寸的影响。等板高度的计算，至今尚无满意的方法，一般通过实验测定，或取生产设备的经验数据。当无实际数据可取时，只能参考有关资料中的经验公式，此时要注意所用公式的适用范围。下面介绍默奇（Murch）的经验公式，即：式中HETP——等板高度，m；G——气相的空塔质量速度，kg/(m2.h)D——塔径，m；Z——填料层高度，m；——相对挥发度；——液相粘度，mPa.s；——液相密度，kg/m3;c1、c2、c3——常数，取决于填料类型及尺寸。其部分数据见表6-2。LL3/1132ZDGcHETPcc(6-3)LL等板高度的数据或关联结果，一般来自小型实验，故往往不符合工业生产装置的实际情况。估算工业装置所需的填料层高度时，可参考工业设备的等板高度经验数据。譬如，直径为25mm的填料，等板高度接近0.5m；直径为50mm的填料，等板高度接近1m；直径在0.6m以下的填料塔，等板高度约与塔径相等；而当塔处于负压操作时，等板高度约等于塔径加上0.1m。填料层用于吸收操作时的等板高度要大得多，一般可按1.5～1.8m估计。此外，不同填料类型的等板高度值不同。普通实体填料的等板高度大都在400mm以上。如25mm的拉西环HETP为0.5m，25mm的鲍尔环HETP为0.4～0.45m。网体填料具有很大的比表面积和空隙率，为高效填料，其等板高度在100mm以下，如CY型波纹丝网，Θ网环填料等。②塔的顶部、底部空间及裙座高度的确定A.塔的顶部空间高度（不包括接管高度）塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.2～1.5m。有时为了提高产品质量，必须更多地除去气体中夹带的雾沫夹带，则可在塔顶设置除沫器。如用金属除沫网，则网底到塔盘的距离一般不小于塔板间距。B.塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔顶最末一层塔盘到塔底下封头切线处的距离。当进料系统有15min的缓冲容量时，釜液的停留时间可取3～5min，否则须取15min。但对釜液流量大的塔，停留时间一般也取3~5min；对于易结焦的物料，在塔底的停留时间应缩短，一般取1～1.5min。据此，就可从釜液流量求处底部空间，再由已知的塔径求出底部空间的高度。C.加料板的空间高度加料板的空间