發(fā)表時(shí)間： 2023-02-11 18:10:00
作者： 化工活動(dòng)家
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關(guān)鍵詞 | 煉化企業(yè) 塔設(shè)備 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
一、塔設(shè)備概況
塔設(shè)備是石油化工、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣（汽）液或液液相之間進(jìn)行充分接觸，達(dá)到相際傳熱及傳質(zhì)的目的。在塔設(shè)備中能進(jìn)行的單元操作有：精餾、吸收、解吸，氣體的增濕及冷卻等。
塔設(shè)備的分類
塔設(shè)備的種類很多，為了便于比較和選型，必須對塔設(shè)備進(jìn)行分類，常見的分類方法有：
① 按操作壓力分有加壓塔、常壓塔及減壓塔；
② 按單元操作分有精餾塔、吸收塔、解吸塔、淬取塔、反應(yīng)塔、干燥塔等；
③ 按內(nèi)件結(jié)構(gòu)分有板式塔、填料塔。
二、塔設(shè)備的主要構(gòu)件及作用
由上圖可見，無論是板式塔還是填料塔，除了各種內(nèi)件之外，均由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平臺(tái)等組成。
a.塔體 塔體即塔設(shè)備的外殼，常見的塔體由等直徑、等厚度的圓筒及上下封頭組成。塔設(shè)備通常安裝在室外，因而塔體除了承受一定的操作壓力（內(nèi)壓或外壓）、溫度外，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷、偏心載荷。此外還要滿足在試壓、運(yùn)輸及吊裝時(shí)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求
b.支座 塔體支座是塔體與基礎(chǔ)的連接結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗O(shè)備較高、重量較大，為保證其足夠的強(qiáng)度及剛度，通常采用裙式支座。
c.人孔及手孔 為安裝、檢修、檢查等需要，往往在塔體上設(shè)置人孔或手孔。不同的塔設(shè)備，人孔或手孔的結(jié)構(gòu)及位置等要求不同。
d.接管 用于連接工藝管線，使塔設(shè)備與其他相關(guān)設(shè)備相連接。按其用途可分為進(jìn)液管、出液管、回流管、進(jìn)氣出氣管、側(cè)線抽出管、取樣管、儀表接管、液位計(jì)接管等。
e.除沫器 用于捕集夾帶在氣流中的液滴。除沫器工作性能的好壞對除沫效率、分離效果都具有較大的影響。
f.吊柱 安裝于塔頂，主要用于安裝、檢修時(shí)吊運(yùn)塔內(nèi)件。
三、塔設(shè)備的一般類型（按內(nèi)件結(jié)構(gòu)分）
板 式 塔
A 、常用板式塔的類型
1、泡罩塔
泡罩塔是工業(yè)應(yīng)用最早的板式塔，而且在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)是板式塔中較為流行的一種塔型。泡罩塔盤的結(jié)構(gòu)主要由泡罩、升氣管、溢流堰、降液管及塔板等部分組成，如下圖所示。
優(yōu)點(diǎn)：操作彈性大，因而在負(fù)荷波動(dòng)范圍較大時(shí)，仍能保持塔的穩(wěn)定操作及較高的分離效率；氣液比的范圍大，不易堵塞等。
缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、氣相壓降大、以及安裝維修麻煩等。
目前，只是在某些情況如生產(chǎn)能力變化大，操作穩(wěn)定性要求高，要求有相當(dāng)穩(wěn)定的分離能力等要求時(shí)，可考慮使用泡罩塔。
2、浮閥塔
浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干個(gè)閥孔，每個(gè)閥孔裝有一個(gè)可上下浮動(dòng)的閥片，閥片本身連有幾個(gè)閥腿，插入閥孔后將閥腿底腳撥轉(zhuǎn)90°，以限制閥片升起的最大高度，并防止閥片被氣體吹走。閥片周邊沖出幾個(gè)略向下彎的定距片，當(dāng)氣速很低時(shí)，由于定距片的作用，閥片與塔板呈點(diǎn)接觸而坐落在閥孔上，在一定程度上可防止閥片與板面的粘結(jié)。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的F1型、V-4型及T型等 。
優(yōu)點(diǎn)：
生產(chǎn)能力大；
操作彈性大；
塔板效率較高，；
塔板結(jié)構(gòu)及安裝較泡罩簡單，重量較輕 。
缺點(diǎn)：
在氣速較低時(shí)，仍有塔板漏液，故低氣速時(shí)塔板效率有所下降；
浮閥閥片有卡死和吹脫的可能，這會(huì)導(dǎo)致操作運(yùn)轉(zhuǎn)及檢修的困難；
塔板壓力降較大，妨礙了它在高氣相負(fù)荷及真空塔中的應(yīng)用。
3、篩板塔
篩板塔也是應(yīng)用歷史較久的塔型之一，與泡罩塔相比，篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，篩板塔結(jié)構(gòu)及氣液接觸狀況如下圖所示。篩板塔塔盤分為篩孔區(qū)、無孔區(qū)、溢流堰及降液管等部分。
優(yōu)點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)簡單，制造和維修方便，相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔；
塔板壓力降較低，適用于真空蒸餾；
塔板效率較高，但稍低于浮閥塔；
具有較高的操作彈性，但稍低于泡罩塔。
缺點(diǎn)：小孔徑篩板易堵塞，不適于處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液。
4、舌形塔及浮動(dòng)舌形塔
（1）舌型塔盤產(chǎn)生的原因
一般情況下，塔盤上氣流垂直向上噴射（如篩板塔），這樣往往造成較大的霧沫夾帶，如果使氣流在塔盤上沿水平方向或傾斜方向噴射，則可以減輕夾帶，同時(shí)通過調(diào)節(jié)傾斜角度還可以改變液流方向，減小液面梯度和液體返混。
（2）舌形塔
舌型塔應(yīng)用較早的一種斜噴型塔。氣體通道為在塔盤上沖出的以一定方式排列的舌片。舌片開啟一定的角度，舌孔方向與液流方向一致，如下圖[a]所示。
舌形塔結(jié)構(gòu)簡單，安裝檢修方便，但這種塔的負(fù)荷彈性較小，塔板效率較低，因而使用受到一定限制。
舌孔有兩種，三面切口［上圖（b）］及拱形切口［上圖（c）］。通常采用三面切口的舌孔。舌片的大小有25mm和50mm兩種，一般采用50mm［如上圖（d）］，舌片的張角常用20°
(3)浮動(dòng)舌形塔
浮動(dòng)舌形塔是20世紀(jì)60年代研制的一種定向噴射型塔板。它的處理能力大，壓降小，舌片可以浮動(dòng)。因此，塔盤的霧沫夾帶及漏液均較小，操作彈性顯著增加，板效率也較高，但其舌片容易損壞。
浮動(dòng)舌片的結(jié)構(gòu)見下圖 ，其一端可以浮動(dòng)，最大張角約20°。舌片厚度一般1.5mm，質(zhì)量約為20g。
5、穿流式柵板塔
穿流式柵板塔（如下圖）屬于無溢流堰裝置的板式塔，在工業(yè)上也得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)塔盤上所開的柵縫或篩孔，分別稱為穿流式柵板塔或穿流式篩板塔。這種塔沒有降液管，氣液兩相同時(shí)相向通過柵縫或篩孔。操作時(shí)蒸氣通過孔縫上升進(jìn)入液層，形成泡沫；與蒸氣接觸后的液體不斷地通過孔縫流下。
優(yōu)點(diǎn) ：
由于沒有降液管，所以結(jié)構(gòu)簡單，加工容易、安裝維修方便，投資少；
因節(jié)省了降液管所占的塔截面（一般約為塔盤截面的15%～30%），允許通過更多的蒸氣量，因此生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%～100%；
因?yàn)樗P上開孔率大，柵縫或篩孔處的壓力降較小，比泡罩塔低40%～80%，可用于真空蒸餾。
其缺點(diǎn)是：
塔板效率比較低，比一般板式塔低30%～60%，但因這種塔盤的開孔率大，氣速低，形成的泡沫層高度較低，霧沫夾帶量小，所以可以降低塔板的間距，在同樣分離條件下，塔總高與泡罩塔基本相同；
操作彈性較小，能保持較好的分離效率時(shí)，塔板負(fù)荷的上下限之比約為2.5～3.0。
6、導(dǎo)向篩板塔
導(dǎo)向篩板塔盤的結(jié)構(gòu)如下圖所示。
它是在普通篩板塔盤上進(jìn)行了兩項(xiàng)改進(jìn)，其一是在篩板上開設(shè)了一定數(shù)量與液流方向一致的導(dǎo)向孔；其二是在液體進(jìn)口區(qū)設(shè)置了鼓泡促進(jìn)裝置。
利用導(dǎo)向孔噴出的氣流推動(dòng)液體，既可減少液面落差，又可通過適當(dāng)安排的導(dǎo)向孔來改善液流分布的狀況，減少液體返混，從而提高塔板效率，并且導(dǎo)向孔氣流與篩孔氣流合成了拋物線型的氣流，可減少霧沫夾帶。
鼓泡促進(jìn)裝置使塔盤進(jìn)口區(qū)的液層變薄，可避免漏液，因而易于鼓泡，從而使整個(gè)鼓泡區(qū)內(nèi)氣體分布均勻，故可增大處理能力和減少塔板壓力降。
總結(jié)：
板式塔的比較：各種板式塔的比較是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。但就生產(chǎn)能力、塔板效率、操作彈性、壓力降及造價(jià)等方面來看，浮閥塔在蒸氣負(fù)荷、操作彈性、塔板效率方面與泡罩塔相比都具有明顯優(yōu)勢，因而目前獲得了廣泛應(yīng)用。篩板塔的壓降小、造價(jià)低、生產(chǎn)能力大，除操作彈性較小外，其余均接近浮閥塔，故應(yīng)用也較廣。柵板塔操作范圍較窄，塔板效率隨負(fù)荷變化較大，應(yīng)用受到一定限制。
B 、塔盤結(jié)構(gòu)
板式塔的塔盤分為溢流式和穿流式兩類，二者之間的區(qū)別就在于溢流式塔盤有降液管，而流式塔盤上的氣液兩相同時(shí)通過塔盤上的孔道流動(dòng)， 考慮到溢流式塔盤是煉油廠主要使用形式，今天主要介紹溢流式塔盤結(jié)構(gòu)。
溢流式塔盤由氣液接觸元件、塔板、降液管及受液盤、溢流堰等構(gòu)成。
1、塔盤的分類
塔盤按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為整塊式塔盤和分塊式塔盤。當(dāng)塔徑DN≤700mm時(shí)，采用整塊式塔盤；塔徑DN≥800mm時(shí)宜采用分塊式塔盤。
（1）整塊式塔盤
整塊式塔盤根據(jù)組裝方式不同可分為定距管式及重疊式兩類。采用整塊式塔盤時(shí)，塔體由若干個(gè)塔節(jié)組成，每個(gè)塔節(jié)中裝有一定數(shù)量的塔盤，塔節(jié)之間采用法蘭連接。
（2）分塊式塔盤
直徑較大的板式塔，為便于制造、安裝、檢修，可將塔盤板分成數(shù)塊，通過人孔送入塔內(nèi)，裝在焊于塔體內(nèi)壁的塔盤支承件上。分塊式塔盤的塔體，通常為焊制整體圓筒，不分塔節(jié)。
2、降液管
作用：使夾帶氣泡的液流進(jìn)入降液管后具有足夠的分離空間，能將氣泡分離出來，從而僅有清液流往下層塔盤。
降液管的結(jié)構(gòu)型式可分為圓形降液管和弓形降液管兩類 。圓形降液管通常用于液體負(fù)荷低或塔徑較小的場合，弓型降液管適用于大液量及大直徑的塔 。
3、受液盤
為了保證降液管出口處的液封，在塔盤上設(shè)置受液盤，受液盤有平型和凹型兩種（見下圖)。受液盤的型式和性能直接影響到塔的側(cè)線取出、降液管的液封和流體流入塔盤的均勻性等。平型受液盤適用于物料容易聚合的場合 ；當(dāng)液體通過降液管與受液盤的壓力降大于25mm水柱，或使用傾斜式降液管時(shí)，應(yīng)采用凹型受液盤。
4、溢流堰及進(jìn)口堰
溢流堰有保持塔盤板上一定液層高度和促使液流均勻分布的作用。采用平型受液盤時(shí)，為使上層塔板流入的液體能在塔盤上均勻分布，并為了減小入口液流的沖力，常在液體進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)口堰。
填 料 塔
A、 填料
填料是填料塔的核心內(nèi)件,它為氣－液兩相充分接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)提供了表面積。可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。
1、散裝填料
a 環(huán)形填料：拉西環(huán)填料、 鮑爾環(huán)填料 、階梯環(huán)填料
b 鞍形填料：弧鞍填料 、矩鞍填料 、改進(jìn)矩鞍填料
c 金屬鞍環(huán)填料
2、規(guī)整填料
根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為絲網(wǎng)波紋填料及板波紋填料
B 、填料的支撐裝置
填料的支承裝置安裝在填料層的底部。其作用是防止填料穿過支承裝置而落下；支承操作時(shí)填料層的重量；保證足夠的開孔率，使氣液兩相能自由通過。
1、柵板型支承
支承柵板是結(jié)構(gòu)最簡單、最常用的填料支承裝置（如下圖）。
它由相互垂直的柵條組成，放置于焊接在塔壁的支撐圈上。這種支承裝置廣泛用于規(guī)整填料塔。用于散裝填料時(shí)，柵板上先放置一盤板波紋填料，然后再裝填散裝填料。避免散裝填料直接亂堆在柵板上， 將空隙堵塞從而減少其開孔率。
2、氣液分流型支承
氣液分流型支承屬于高通量低壓降的支承裝置。其特點(diǎn)是為氣體及液體提供了不同的通道，避免了柵板式支承中氣液從同一孔槽中逆流通過。這樣既避免了液體在板上的積聚，又有利于液體的均勻再分配。有駝峰式支承裝置 （上圖）孔管式填料支承裝置 （下圖）
C 、填料塔的液體分布器
液體分布器安裝于填料上部，它將液相加料及回流液均勻地分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。在填料塔的操作中，因?yàn)橐后w的初始分布對填料塔的影響最大，所以液體分布器是填料塔最重要的塔內(nèi)件之一。
液體分布器根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，可分為管式、槽式、噴灑式及盤式。
D、 液體收集再分布器
1、填料層分段
當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有流向器壁形成“壁流”的傾向，結(jié)果使液體分布不均，降低傳質(zhì)效率，嚴(yán)重時(shí)使塔中心的填料不能被潤濕而形成“干錐”。
為了提高塔的傳質(zhì)效率，填料必須分段，在各段填料之間，安裝液體收集再分布裝置。
其作用有二：
一是收集上一填料層的液體，并使其在下一填料層均勻分布；
二是當(dāng)塔內(nèi)氣、液相出現(xiàn)徑向濃度差時(shí)，液體收集再分布器將上層填料流下的液體完全收集、混合，然后分布到下層填料，并將上升的氣體均勻分布到上層填料以消除各自的徑向濃度差。
2、典型結(jié)構(gòu)
（1）分配錐
用于小塔，僅能裝在填料層的分段之間，作為壁流收集器使用。改進(jìn)分配錐可裝在填料層里，收集壁流并進(jìn)行液體再分布用于直徑大于600mm塔。
（2）多孔盤式再分布器
多孔盤式再分布器（圖3－49）也可作為液體分布器使用。為了與氣體噴射式支承板相配合，故采用長方形升氣管分布盤上的孔數(shù)按噴淋點(diǎn)數(shù)確定，孔徑為φ3～10mm。升氣管的尺寸應(yīng)盡可能大，其底部常鋪設(shè)金屬網(wǎng)，以防填料吹進(jìn)升氣管中。
這種裝置用作再分布器時(shí)，為了防止上一層填料層來的液體直接流入升氣管，應(yīng)在升氣管上設(shè)帽蓋，帽蓋離升氣管上緣40mm以上。
（3）斜板復(fù)合再分布器
斜板復(fù)合式再分布器是把支承板、收集器、再分布器結(jié)合在一起（下圖），可以減小塔的高度。其導(dǎo)流－集液板同時(shí)當(dāng)作支承板使用，而分布槽既是收集器又是再分布器。匯集于環(huán)形槽中的壁流液體，從圓筒上的開孔流入分布糟，與由斜板導(dǎo)入分布槽的液體一起，通過槽底的分布孔重新均布。
當(dāng)液體負(fù)荷較大時(shí)，分布槽內(nèi)的溢流管也參加工作，從而可以適應(yīng)較大的液體流量變化，同時(shí)又增加了液體的噴淋點(diǎn)數(shù)，因而能取得良好的分布效果。
E、 填料的壓緊和限位裝置
1、填料壓緊器
填料壓緊器又稱填料壓板。將其自由放置于填料層上部，靠其自身的重量壓緊填料。當(dāng)填料層移動(dòng)并下沉?xí)r，填料壓板即隨之一起下落，故散裝填料的壓板必須有一定的重量。
常用的填料壓緊板有柵條式和網(wǎng)板式填料壓板，均可制成整體式或分塊結(jié)構(gòu)，視塔徑大小及塔體結(jié)構(gòu)而定。
2、填料限位器
填料限位器又稱床層定位器，用于金屬、塑料制成的散裝填料及所有規(guī)整填料。
它的作用是防止高氣速、高壓降或塔的操作出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，填料向上移動(dòng)而造成填料層出現(xiàn)空隙，從而影響塔的傳質(zhì)效率。
對于金屬及塑料制成的散裝填料，可采用如下圖所示的網(wǎng)板結(jié)構(gòu)作為填料限位器。因?yàn)檫@種填料具有較好的彈性，且不會(huì)破碎，故一般不會(huì)出現(xiàn)下沉，所以填料限位器需要固定在塔壁上。對于小塔，可用螺釘將網(wǎng)板限位器的外圈頂于塔壁，對于大塔，則用支耳固定。
對于規(guī)整填料，因具有比較固定的結(jié)構(gòu)，因此限位器也比較簡單，使用柵條間距為100～500mm的柵板即可。
四、塔設(shè)備的載荷種類及對強(qiáng)度的影響
塔設(shè)備載荷分析
1、壓力載荷
2、質(zhì)量載荷
3、風(fēng)載荷
4、地震載荷
5、偏心載荷
載荷對塔設(shè)備強(qiáng)度影響分析
1、壓力載荷：內(nèi)壓塔操作時(shí)或水壓試驗(yàn)時(shí)，塔體橫截面均產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力；減壓塔操作時(shí)塔體橫截面均產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力。
2、質(zhì)量載荷：對塔體及裙座的橫截面均產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨橫截面位置下移而增大。
3、風(fēng)載荷：水平風(fēng)力使塔產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致塔的橫截面迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，被風(fēng)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力。風(fēng)載荷隨著標(biāo)高的增高而升高，而截面的彎矩和應(yīng)力隨截面位置下移而增大。
4、地震載荷：水平地震力對塔破壞最嚴(yán)重，對塔體產(chǎn)生彎矩，使塔體橫截面的一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，另一側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力。
5、偏心載荷：對塔體產(chǎn)生彎矩，使塔體的橫截面一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，另一側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力。
五、塔設(shè)備運(yùn)行中常見故障及處理方法
劇烈振動(dòng)
在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動(dòng)會(huì)使塔設(shè)備產(chǎn)生共振，輕者使塔產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲、傾斜，塔板效率下降，影響塔設(shè)備的正常操作，重者使塔設(shè)備導(dǎo)致嚴(yán)重破壞，造成事故。
處理措施：
（1）采用擾流裝置
合理地布置塔體上的管道、平臺(tái)、扶梯和其他的連接件可以消除或破壞卡曼旋渦的形成。在沿塔體周圍焊接一些螺旋型板可以消除旋渦的形成或改變旋渦脫落的方式，進(jìn)而達(dá)到消除過大振動(dòng)的目的。此方法在某些裝置上已成功應(yīng)用。螺旋板焊接在塔頂部1／3塔高的范圍內(nèi)，它的螺距可取為塔徑的5倍，板高可取塔徑的1/10。
（2）增大塔的阻尼
增加塔的阻尼對控制塔的振動(dòng)起著很大的作用。當(dāng)阻尼增加時(shí)塔的振幅會(huì)明顯下降，當(dāng)阻尼增加到一定數(shù)值后，振動(dòng)會(huì)完全消失。塔盤上的液體或塔內(nèi)的填料都是有效的阻尼物。研究表明，塔盤上的液體可以將振幅減小10％左右。
底腳螺栓松動(dòng)
由于底腳螺栓隨著風(fēng)向的變化承受著交變應(yīng)力，容易發(fā)生螺帽松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生脫落，危及設(shè)備本體安全。
處理措施：加強(qiáng)日常檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。
裙座焊縫開裂
裙座焊縫位置較低，承受較大的風(fēng)彎矩，在交變應(yīng)力作用下，極易發(fā)生焊縫開裂，甚至裙座與塔體分離，造成惡性事故。
處理措施：保證制造質(zhì)量，消除焊接缺陷，加強(qiáng)日常檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。
