塔结构.docx
《塔结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塔结构.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
塔结构
塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。
塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。
因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。
根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。
板式塔内沿塔高装有若干层塔板（或称塔盘），液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。
气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。
填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。
液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。
气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。
目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。
蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。
本章重点介绍板式塔的塔板类型，分析操作特点并讨论浮阀塔的设计，同时还介绍各种类型填料塔的流体流体力学特性和计算。
第1节 板式塔
板式塔为逐级接触式气液传质设备。
在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。
气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。
板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便
3.1.1 塔板类型
按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。
错流塔板：
塔内气液两相成错流流动，即流体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。
错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。
但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力；而且，流体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称之为液面落差。
液面落差大时，能引起板上气体分布不均，降低分离效率。
错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。
逆流塔板亦称穿流板，板间不设降液管，气液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。
栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。
这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。
本教材只介绍错流塔板。
一、泡罩塔
塔板上设有许多供蒸气通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。
泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成液封。
操作时，气体沿升气管上升，经升气管与泡罩间的环隙，通过齿缝被分散成许多细小的气泡，气泡穿过液层使之成为泡沫层，以加大两相间的接触面积。
流体由上层塔板降液管流到下层塔板的一侧，横过板上的泡罩后，开始分离所夹带的气泡，再越过溢流堰进入另一侧降液管，在管中气、液进一步分离，分离出的蒸气返回塔板上方究竟，流体流到下层塔板。
一般小塔采用圆形降液管，大塔采用弓形降液管。
泡罩塔已有一百多年历史，但由于结构复杂、生产能力较低、压强降等特点，已较少采用，然而因它有操作稳定、技术比较成熟、对脏物料不敏感等优点，故目前仍有采用。
二、筛板塔
筛板是在带有降液管的塔板上钻有3~8mm直径的均布圆孔，液体流程与泡罩塔相同，蒸气通过筛孔将板上液体吹成泡沫。
筛板上没有突起的气液接触元件，因此板上液面落差很小，一般可以忽略不计，只有在塔径较大或液体流量较高时才考虑液面落差的影响。
三、浮阀塔
浮阀塔是50年代开发的一种较好的塔。
在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为39mm）的均布圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的浮阀。
浮阀形式很多，常用的有F1型，V－4型，T型浮阀。
操作时，液相流程和前面介绍的泡罩塔一样，气相经阀孔上升顶开阀片、穿过环形缝隙、再以水平方向吹入液层形成泡沫，随着气速的增减，浮阀能在相当宽的范围内稳定操作。
因此目前获得较广泛的应用。
四、喷射型塔板
筛板上气体通过筛孔及液层后，夹带着液滴垂直向上流动，并将部分液滴带至上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。
雾沫夹带的产生固然可增大气液两相的传质面积，但过量的雾沫夹带造成液相在塔板间返混，进而导致塔板效率严重下降。
在浮阀塔板上，虽然气相从阀片下方以水平方向喷出，但阀与阀间的气流相互撞击，汇成较大的向上气流速度，也造成严重的雾沫夹带现象。
此外，前述各类塔板上存在或低或高的液面落差，引起气体分布不均，不利于提高分离效率。
基于这些缺点，开发出若干种喷射型塔板，在这类塔板上，气体喷出的方向与液体流动的方向一致或相反。
充分利用气体的动能来促进两相间的接触，提高传质效果。
气体不必再通过较深的液层，因而压强降显著减小，且因雾沫夹带量较小，故可采用较大的气速。
3.1.3筛板塔的工艺设计
一个完整的设备设计应包括工艺设计及机械强度设计，此外还要提出供加工制造的图纸，本教材只介绍工艺设计部分。
板式塔的类型很多，但工艺设计的原则和步骤大致相同，下面以筛板塔为例进行介绍。
筛板塔的工艺计算包括塔高、塔径以及塔板上主要部件工艺尺寸的计算，塔板的流体力学验算，最后画出操作负荷性能图。
流体力学验算包括对流体阻力、淹塔、雾沫夹带、液面落差、负荷上、下限等方面的验算。
一、塔的有效高度
根据给定的分离任务，按照前面所介绍的方法求出塔内所需的理论板层数之后，便可按下式计算塔的有效段（接触段）高度，即：
式中 z－塔的有效高度，m；
－理论塔板数；
－板式塔的总效率；
－塔板间的距离，简称板距，m。
塔板间距HT的大小对塔的生产能力、操作弹性及塔板效率都有影响。
采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，而不致产生严重的雾沫夹带现象，因而对于一定的生产任务，塔径可以小些，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，但塔高可减低一些。
可见板间距与塔径互相关联，有时需要结合经济权衡，反复调整，才能确定。
板间距的数值应按照规定选取整数，如300、350、450、500、600、800mm等。
在决定板间距时应考虑安装、检修的需要。
例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，上、下两层塔板之间的距离不应小于600mm。
二、塔径
根据圆管内流量公式，可写出塔径与气体流量及空塔气速的关系，即：
（5-2）
式中
塔径，m；
塔内气体流量，m3/s；
空塔气速，即按空塔计算的气体线速度，m/s。
由上式可见，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u。
当上升气体脱离塔板上的鼓泡液层时，气泡破裂而将部分液体喷溅成许多细小的液滴及雾沫。
上升气体的空塔速度不应超过一定限度，否则这些液滴和雾沫会被气体大量携至上层塔板，造成严重的雾沫夹带现象，甚至破坏塔的操作。
因此，可以根据悬浮液滴的沉降原理导出计算最大允许气速umax的关系式。
设液滴的直径为d，则液滴在气体中的净重（即重力与浮力之差）为：
净重力
而悬浮液滴所受上升气流的摩擦阻力为：
摩擦阻力
式中
液相密度，kg/m3；
气相密度，kg/m3；
气速，m/s；
阻力系数，无因次。
当气速增大至液滴所受阻力恰等于其净重时，液滴便在上升气流中处于稳定的悬浮状态。
若气速再稍增大，液滴便会被上升气流带走。
此种极限条件下力的平衡关系为：
或
（5-3）
式中
umax
塔径，m；
Ｃ
负荷系数。
由式（5-3）可见，负荷系数C的值应取决于阻力系数及液滴直径，而气泡破裂所形成的液滴直径很难确知，阻力系数的影响因素也很复杂。
研究表明，C值与气、液流量及密度、板上液滴沉降空间的高度以及液体的表面张力有关。
三、溢流装置
一套溢流装置包括降液管和溢流堰。
降液管有圆形和弓形两种。
圆形降液管的流通截面小，没有足够的空间分离液体中的气泡，气相夹带（气泡被液体带到下层塔板的现象）较严重，降低塔板效率。
所以，除小塔外，一般不采用圆形降液管。
弓形降液管具有较大的容积，又能充分利用塔板面积，应用较为普遍。
降液管的布置规定了板上液体流动的途径。
一般有几种型式，即U形流、单溢流、双溢流及阶梯流。
总之，液体在塔板上的流径愈长，气液接触时间就愈长，有利于提高分离效果；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使分离效果降低。
由此可见流径的长短与液面落差的大小对效率的影响是相互矛盾的。
选择溢流型式时，应根据塔径大小及液体流量等条件，作全面的考虑。
目前，凡直径在2.2m以下的浮阀塔，一般都采用单溢流。
在大塔中，由于液面落差大会造成浮阀开启不均，使气体分布不均及出现泄漏现象，应考虑采用双溢流以及阶梯流。
四、塔板布置
塔板有整块式与分块式两种。
一般塔径为300～800mm时，采用整块式塔板。
当塔径≥900mm时，能在塔内进行装拆，可用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。
塔径为800～900时，可根据制造与安装的具体情况，任意选用这两种形式的塔板中任一种。
塔板面积可分为四个区域：
（1）鼓泡区 即为塔板上气液接触的有效区域。
（2）溢流区 即降液管及受液盘所占的区域。
（3）破沫区 即前两区域之间的面积。
此区域内不装浮阀，主要为在液体进入降液管之前，有一段不鼓泡的安定地带。
以免液体大量夹带泡沫进入降液管。
破沫区也叫安定区，其宽度WS可按下述范围选取，即：
当D＜1.5m时，WS=60～75mm当D＞1.5m时，WS=80～110mm直径小于1m的塔，WS可适当减小。
（4）无效区即靠近塔壁的部分，需要留出一圈边缘区域，供支持塔板的边梁之用。
这个无效区也叫边缘区，其宽度视塔板支承的需要而定，小塔在30～50mm，大塔可达50～75mm。
为防止液体经无效区流过而产生“短路”现象，可在塔板上沿塔壁设置挡板。
五、筛孔及其排列
（1）筛孔直径
工业筛板塔的筛孔直径为3～8mm，一般推荐用4～5mm。
太小的孔径加工制造困难，且易堵塞。
近年来有采用大孔径（φ10～25mm）的趋势，因为大孔径筛板具有加工制造简单，造价低、不易堵塞等优点。
只要设计与操作合理，大孔径的筛板也可以获得满意的分离效果。
此外，筛孔直径的确定，还应根据塔板材料的厚度
考虑加工的可能性，当用冲压法加工时，若板材为炭钢，其厚度
可选为3～4mm，
≥1；若板材为合金钢，其厚度
可选为2～2.5mm，
≥1.5～2。
（2）孔中心距
一般取孔中心距t为（2.5～5）
。
过小，易使气流相互干扰；过大则鼓泡不均匀，都会影响传质效率。
推荐
的适宜范围为3～4。
（3）筛孔的排列
板鼓泡区内的排列有正三角形与等腰三角形两种方式，按照筛孔中心联线与液流方向的关系，又有顺排与叉排之分。
叉排时气液接触效果较好，故一般情况下都采用叉排方式。
对于整块式塔板，多采用正三角形叉排，孔心距t为75～125mm；对于分块式塔板，宜采用等腰三角形叉排，此时常把同一横排的筛孔中心距t定为75mm，而相邻两排间的距离t′可取为65、80、100mm等几种尺寸。
3.1.4筛板塔的流体力学验算
板的流体力学验算，目的在于核验上述各项工艺尺寸已经确定的塔板，在设计任务规定的气、液负荷下能否正常操作，其内容包括对塔板压强降、液泛、雾沫夹带、泄漏、液面落差等项的验算。
筛板塔板上的液面落差一般很小，可以忽略。
一、塔板压强降
气体通过塔板时的压强降大小是影响板式塔操作特性的重要因素，也往往是设计任务规定的指标之一。
在保证较高效率的前提下，应力求减小塔板压降，以降低能耗及改善塔的操作性能。
经筛板塔板上升的气流需要克服以下几种阻力：
塔板本身的干板阻力，即板上各部件造成的阻力，对筛板塔则为通过干筛孔的阻力；板上充气液层的静压力及液体的表面张力。
因此，按照目前广泛采用的加合计算方法，气体通过一层浮阀塔板时的压强降应为：
Δpp=Δpc+Δpl+Δpσ
式中Δpp气体通过一层浮阀塔板时的压强降，N/m2；
Δpc气流克服干板阻力所产生的压强降，N/m2；
Δpl气流克服板上充气液层的静压力所产生的压强降，N/m2；
Δpσ气流克服液体表面张力所产生的压强降，N/m2。
习惯上，常把这些压强降全部折合成塔内液体的液柱高度来表示。
二、液泛
为使液体能由上一层塔板稳定地流入下一层塔板，降液管内必须维持有一定高度的液柱。
若操作中降液管内全部泡沫及液体（其总体密度小于清液密度）所形成的静压相当于高度为Hd的清液柱，则取下一层塔板为基准面在降液管内、外两液面之间列柏努利方程，可得：
Hd=hp+hL+hd
式中 hp上升气体通过一层塔板的压强降所相当的液柱高度，m；
hL 板上液层高度，m。
此处忽略了板上液面落差并认为降液管出口液体中不含气泡；
hd 液体流过降液管的压头损失，m。
三、漏液
当上升气体流速减小，致使气体通过筛孔的动压不足以阻止板上液体经筛孔流下时，便会出现泄漏现象，开始泄漏时的瞬间称为漏液点。
液体经筛孔向下泄漏，影响气液在塔板上的充分接触，特别是在靠近进口堰处的泄漏会使塔板效率严重降低故漏液点的气速u0,min为操作时的下限气速。
正常操作时，泄漏量应不大于液体流量的10%。
四、雾沫夹带
雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。
过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。
为了保证板式塔能维持正常的操作，应使每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量eV＜0.1kg（液）/kg（气）。
影响雾沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。
对于浮阀塔板上雾沫夹带量的计算，迄今尚无适用于一般工业塔的确切公式。
通常是间接地用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量大小的指标。
此比值称为泛点百分数，或称泛点率。
在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即eV＜1kg（液）/kg（气）：
大塔
泛点率＜80%
直径0.9m以下的塔
泛点率＜70%
减压塔
泛点率＜75%
五、浮阀塔板的负荷性能图
前面首先确定了塔板的工艺尺寸，又对各项进行了流体力学验算（包括对工艺尺寸的必要调整）之后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气、液负荷下正常操作。
此时，还有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。
这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。
影响板式塔操作状态和分离效果的主要因素包括物料性质、气液负荷及塔板结构尺寸等。
在系统物性、塔板结构尺寸已经确定的条件下，要维持塔的正常操作，必须把气、液负荷限制在一定范围之内。
在以Vs、Ls分别为纵、横轴的直角坐标系中，标绘各种界限条件下的Vs-Ls关系曲线，从而得到允许的负荷波动范围图形。
这个图形即称为塔板的负荷性能图。
负荷性能图对于检验塔板设计是否合理及了解塔的操作稳定性、增产的潜力及减负荷运转的可能性，都有一定的指导意义。
（1）雾沫夹带上限线
雾沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV=0.1kg（液）/kg（气）时的Vs-Ls关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的雾沫夹带而使板效率严重下降。
（2）液泛线
液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的Vs-Ls关系，塔板的适宜操作区也应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。
（3）液相负荷上限线
液相负荷上限线又称为降液管超负荷线。
此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。
对于尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在降液管内停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。
（4）泄漏线
泄漏线又称为气相负荷下限线。
此线表明不发生严重泄漏现象的最低气体负荷，是一条平行于横轴的直线。
塔板的适宜操作区应在此线的上方。
（5）液相负荷下限线
对于平堰，一般取堰上液层高度hOW＝0.006m作为液相负荷下限条件，低于此限时，便不能保证板上液流的均匀分布，降低气液接触效果。
塔板的适宜操作区应在此线的右侧。
在负荷性能图上，由上述
（1）、
（2）、（3）、（4）及（5）所包围的区域，应是所设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区。
在此区域内，塔板上的流体力学状况是正常的，但该区域内各点处的板效率并不完全相同。
代表塔的预定气、液负荷的设计点P如能落在该区域内的适中位置，则可望获得稳定良好的操作效果。
如果操作点紧靠某一条边界线，则当负荷稍有波动时便会使效率急剧下降，甚至完全破坏塔的操作。
物系一定时，负荷性能图中各条线的相对位置随塔板结构尺寸而改变。
譬如，当降液管截面积减小而板间距加大时，液相负荷上限线将向左移而液泛线将向上移，甚至可能使液泛线落到其余四条线所包围的区域之外。
这是因为降液管狭小，使液体负荷成为主要限制因素，而气相负荷增大时所引起的淹塔问题便退居不显著的地位了。
通常把气相负荷上、下限之比称为塔板的操作弹性。
此外还应指出，对于内有多层塔板而直径均一的塔来说，由于从底到顶各层塔板上的操作条件（温度、压强等）及物料组成和性质（密度等）有所不同，因而各层塔板上的气、液负荷都是不同的。
设计计算中应考虑到这一问题，对处于最不利情况下的塔板进行验算，看其操作点是否在适宜操作区之内，并按此薄弱环节上的条件确定该塔所允许的操作负荷范围。
3.1.5塔板效率
理论塔板是衡量实际塔板分离效果的标准，而实际塔板分离效果接近这个标准的程度，便通过塔板效率来表达。
一、塔板效率的表示方法
1．总板效率
ET总板效率又称全塔效率，是指达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值，即：
式中
NT
塔内所需理论板层数;
NP
塔内实际板层数。
板式塔内各层塔板的接触效率并不相同，总板效率简单地反映了整个塔内所有塔板的平均效率。
设计中为便于求算实际板层数，都采用总板效率。
2．单板效率
EM单板效率又称为默弗里（Murphree）板效率，是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论塔板前后的组成变化的比值。
参见图5-19，图中第n层塔板的效率有如下两种表达方式：
按气相组成变化表示的单板效率为：
按液相组成变化表示的单板效率为：
式中
与xn成平衡的气相组成；
与yn成平衡的液相组成。
一般说来，同一层塔板的EMV与EML数值并不相同。
在一定的简化条件下通过对第n层塔板作物料衡算可以得到EMV与EML的关系，即：
式中
m
第n层塔板所涉及浓度范围内的平衡线斜率；
LV
气、液两相摩尔流量之比，即操作线斜率。
可见，只有当操作线与平衡线平行时，EMV与EML才会相等。
3．点效率
E0点效率是指塔板上各点处的局部效率。
以气相点效率E0V为例，设流经塔板某点上方的液相浓度为x，与x成平衡的气相浓度为y*。
由下部进入该位置的气相浓度为yn+1，经与液相接触后由该处液面离去的气相浓度为y，则该局部位置上的气相点效率定义为：
当板上液体处于完全混合的条件下时，点效率E0V与板效率EMV具有相同的数值。
直径很小的以及逆流式的塔板上的情况与此接近。
二、塔板效率的影响因素
塔板效率反映实际板上传质过程进行的程度。
根据由双膜理论导出的传质速率方程式可知，传质系数、传质推动力、传质面积和两相接触时间应是决定塔板上各点处气、液接触效率的几个重要因素。
板效率是板上各点处接触效果的综合体现，因而，决定板效率高低的另一重要因素是板上液体的返混程度，此外雾沫夹带及漏液现象，造成液相在塔板之间的返混，也使达到一定分离指标所需的板的层数增多，总板效率下降。
进一步分析上述各因素，可归纳出以下几个方面：
1．物系性质
物系性质主要指粘度、密度、表面张力、扩散系数、相对挥发度等。
液体的粘度、密度直接影响板上液流的湍动程度，进而影响传质系数和气液接触面积。
表面张力影响泡沫生成的数量、大小及其稳定性，因而也影响接触面积的大小。
物系的分子扩散系数对传质系数有直接影响，而相对挥发度等相平衡常数的影响则体现在传质推动力和过程速率的控制因素之中。
2．塔板型式与结构
塔板结构因素主要包括板间距、堰高、塔径以及液体在板上的流径长度等。
各种结构因素对操作状况及塔板效率的影响前已有所讨论。
3．操作条件
操作条件是指温度、压强、气体上升速度、溢流强度、气液流量比等因素，其中气速的影响尤为重要。
在避免大量雾沫夹带和避免发生淹塔现象的前提下，增大气速对于提高塔板效率一般是有利的
升级会员 