【正文】 精餾塔設(shè)備在化工生產(chǎn)畢業(yè)論文第一章 概論 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。可在塔設(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報道，塔設(shè)備的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。 塔設(shè)備的分類及一般構(gòu)造 塔設(shè)備經(jīng)過長期發(fā)展，形成了型式繁多的結(jié)構(gòu)，以滿足各方面的特殊需要。為了便于研究和比較，人們從不同的角度對塔設(shè)備進行分類。例如：按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動過程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分類的。但是長期以來，最常用的分類是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類，還有幾種裝有機械運動構(gòu)件的塔。 在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過塔盤上的液層使兩相密切接觸，進行傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。 在填料塔中，塔內(nèi)裝填一定段數(shù)和一定高度的填料層，液體沿填料表面呈膜狀向下流動，作為連續(xù)相的氣體自下而上流動，與液體逆流傳質(zhì)。兩相的組分濃度沿塔高呈連續(xù)變化。人們又按板式塔的塔盤結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料，細分為多種塔型。裝有機械運動構(gòu)件的塔，也就是有補充能量的塔，常被用來進行萃取操作，液有用于吸收、除塵等操作的，其中以脈動塔和轉(zhuǎn)盤塔用得較多。 塔設(shè)備的構(gòu)件，除了種類繁多的各種內(nèi)件外，其余構(gòu)件則是大致相同的。 塔體是塔設(shè)備的外殼。常見的塔體是由等直徑、等壁厚的圓筒和作為頭蓋和低蓋的橢圓形封頭所組成。隨著化工裝置的大型化，漸有采用不等直徑、不等壁厚的塔體。塔體除滿足工藝條件（如溫度、壓力、塔徑和塔高等）下的強度、剛度外，還應(yīng)考慮風(fēng)力、地震、偏心載荷所引起的強度、剛度問題，以及吊裝、運輸、檢驗、開停工等的影響。對于板式塔來說，塔體的不垂直度和彎曲度，將直接影響塔盤的水平度（這指標(biāo)對板式塔效率的影響是非常明顯的），為此，在塔體的設(shè)計、制造、檢驗、運輸和吊裝等各個環(huán)節(jié)中，都應(yīng)嚴(yán)格保證達到有關(guān)要求，不使其超差。 塔體支座是塔體安放到基礎(chǔ)上的連接部分。它必須保證塔體坐落在確定的位置上進行正常的操作。為此，它應(yīng)當(dāng)具有足夠的強度和剛度，能承受各種操作情況下的全塔重量，以及風(fēng)力、地震等引起的載荷。最常用的塔體支座是裙式支座（簡稱為“裙座”）。 除沫器用于捕集夾帶在氣流中的液滴。使用高效的除沫器，對于回收貴重物料、提高分離效率、改善塔后設(shè)備的操作狀況，以及減少對環(huán)境的污染等，都是非常必要的。 塔設(shè)備的接管是用以連接工藝管路，把塔設(shè)備與相關(guān)設(shè)備連成系統(tǒng)。按接管的用途，分為進液管、出液管、進氣管、出氣管、回流管、側(cè)線抽出管和儀表接管等。 人孔和手孔一般都是為了安裝、檢修檢查和裝填填料的需要而設(shè)置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的設(shè)置要求。 塔設(shè)備的運輸和安裝，特別是在設(shè)備大型化后，往往是工廠基建工地上一項舉足輕重的任務(wù)。為起吊方便，可在塔設(shè)備上焊以吊耳。 在塔頂設(shè)置吊柱是為了在安裝和檢修時，方便塔內(nèi)件的運送。 對塔設(shè)備的要求作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項要求。（1） 生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。（2） 操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣（汽）液復(fù)合量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。（3） 流體流動的阻力小，即流體通過塔設(shè)備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以降低經(jīng)常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。（4） 結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中的投資費用。（5） 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。事實上，對于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨到之處。人們對于高效率、生產(chǎn)能力大、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動著塔設(shè)備新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。 塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀泡罩塔是1813年Cellier提出的，它在化工生產(chǎn)中一直占有重要的地位。從1832年開始用于釀造工業(yè)，是出現(xiàn)較早并獲得廣泛應(yīng)用的一種塔型。工業(yè)規(guī)模的填料塔始于1881年的蒸餾操作中，1904年才用于煉油工業(yè)，當(dāng)時的填料是碎磚瓦、小石塊和管子縮節(jié)等。20世紀(jì)初，隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油化學(xué)工業(yè)的興起，塔設(shè)備開始被廣泛采用，并逐漸積累了有關(guān)設(shè)計、制造、安裝、操作等方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。當(dāng)時，煉油工業(yè)中多用泡罩塔，無機酸堿工業(yè)則以填料塔為主，則篩板塔因當(dāng)時尚無精確的設(shè)計方法和操作經(jīng)驗，故未能廣泛使用。20世紀(jì)中期，為了適應(yīng)各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和發(fā)展，不僅需要新建大量的塔，還得對原有得塔設(shè)備進行技術(shù)改造，故而陸續(xù)出現(xiàn)了一批能適應(yīng)各方面要求的新塔型。這一時期發(fā)展的塔盤如下。1. 泡罩型（1）條形泡罩塔盤。（2）單流式泡罩塔盤（uniflux tray），亦稱S形塔盤。2. 篩板型（1）有溢流的柵板塔盤。（2）波紋篩板塔盤（ripple tray）。3. 浮閥型（1）條形浮閥塔盤（nutter float valve tray）。（2）重盤式浮閥塔盤（ballast valve tray）。（3）A型和T型的圓盤形浮閥塔盤（flexitray）。4. 噴射型（1）文丘里階梯式塔盤（benturi kaskade tray）。（2）條孔網(wǎng)狀塔盤（kittel tray）。（3）舌形塔盤（jet tray）。（4）導(dǎo)向浮閥塔盤。這批新型塔盤的出現(xiàn)，不僅為創(chuàng)建綜合性能更好的塔型打開了思路，而且為接著發(fā)生的設(shè)備大型化后選擇塔型指出了方向。在此期間，許多學(xué)者總結(jié)了塔設(shè)備長期操作的經(jīng)驗，并對篩板塔作了系統(tǒng)研究，認(rèn)為設(shè)計合理篩板塔，不僅保留了制造方便、用材省、處理能力大等優(yōu)點，而且操作負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變動時，仍能保持理想的效率。近年來，隨著對篩板塔研究工作的不斷深入和設(shè)計方法的日趨完善，篩板塔已成為生產(chǎn)上最為廣泛采用的塔型之一。這一時期填料塔也進入了一個新的發(fā)展階段。在瓷環(huán)填料，亦稱拉西環(huán)填料（Raschigring）被廣泛采用后，弧鞍形填料（Berl saddle）相繼問世，特別是出現(xiàn)了斯特曼（Stedman）填料后，更大大地促進了規(guī)整填料的發(fā)展，其中有：帕納帕克（Panapak）填料、古德洛（Goodloe）填料、斯普雷帕克（Spraypak）填料等。同時，麥克馬洪（Mcmahon）填料、鮑爾環(huán)填料（Pall ring）、 狄克松環(huán)填料（Dixon ring）、坎農(nóng)（Cannon）填料和矩鞍形填料（Intalox saddle）等顆粒型填料也紛紛出現(xiàn)。除了各種填料大量涌現(xiàn)外，還發(fā)展了多管塔、乳化塔等被稱為高效填料塔德新塔型。從20世紀(jì)60年代起，由于化工機械制造業(yè)成功地解決了高壓離心式壓縮機的轉(zhuǎn)動密封和高溫高壓廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計等技術(shù)關(guān)鍵，使化肥和石油化工的生產(chǎn)，在能量綜合利用方面提高到一個新水平，繼而帶動了整個化學(xué)、煉油工業(yè)向大型化方向迅速發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料報道，煉油裝置的年處理能力也達1000萬噸，年產(chǎn)60～90萬噸的乙烯工廠、60萬噸的甲醇工廠、45萬噸的氯乙烯工廠、34萬噸的低密度聚乙烯工廠、也將相繼興建。在大型裝置中，塔設(shè)備的單臺規(guī)模也隨之增大。直徑在10m以上的板式塔時有出現(xiàn)（，并在醞釀設(shè)計18m直徑的塔），塔板數(shù)多達上百塊，塔的高度達80余米，設(shè)備重量有幾百噸（操作時的最大塔重可達1500噸）；填料塔的最大直徑也有15m，塔高達100m。近年來，由于出現(xiàn)了世界性的能源危機，暴露出設(shè)備大型化帶來的不容忽視的問題：大型設(shè)備必須保證在全負(fù)荷下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，否則經(jīng)濟損失將是非常巨大的。在此期間，為了滿足設(shè)備大型化以及化工工藝方面提出的高壓、減壓、高操作彈性等特殊要求，又出現(xiàn)了很多新型塔盤，但按其結(jié)構(gòu)特點，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進或相互結(jié)合。舉例如下。1. 屬泡罩型的（1） 旋轉(zhuǎn)泡罩塔盤。（2） 帶有導(dǎo)流葉片的泡罩塔盤。（3） 扁平泡罩塔盤。（4） 蜂窩形泡罩塔盤。2. 屬篩板型的（1） 導(dǎo)向篩板塔盤（linde sieve tray），即林德篩板塔盤。（2） 多降液管篩板塔盤（multiple downer sieve tray），即MD篩板塔盤。（3） 篩網(wǎng)塔盤（hyflux tray）。 （4） VST塔盤（vertical sieve tray）。此外，篩板本身也可斜置，還發(fā)展了斜孔、針孔和大孔徑、雙孔徑等多種篩孔。3. 屬浮閥型的（1） 旋轉(zhuǎn)浮閥型塔盤。（2） 錐心浮閥塔盤（Hycontact valve tray）。（3） 管式浮閥塔盤。（4） 長條形浮閥塔盤。（5） 鏈網(wǎng)式浮閥塔盤（grid valve tray）。（6） 帶螺旋葉片的浮閥塔盤（spiral valve tray）。（7） 方形浮閥塔盤（speichim）。（8） 錯流式長方形浮閥塔盤。4. 屬噴射型的（1） 浮動舌形塔盤。（2） 活動舌形塔盤。（3） 帶垂直擋板的舌形塔盤。（4） 片狀噴射塔盤。（5） 浮動噴射塔盤。（6） 帶傾斜擋沫板的斜孔塔盤.（7） 網(wǎng)孔塔盤（perform tray）。（8） 旋流塔盤。（9） thormann噴射塔盤。（10） 導(dǎo)向浮閥塔盤。5. 屬復(fù)合類型的（1） 泡罩與篩板的復(fù)合。（2） 篩板與浮閥的復(fù)合。（3） 篩板與舌形的復(fù)合。此外，無溢流裝置的穿流式塔盤，也有較多的發(fā)展，其型式有：（1） 穿流式柵板塔盤。（2） 穿流式篩板塔盤。（3） 穿流式雙孔徑篩板塔盤。（4） 穿流式可調(diào)開孔率篩板塔盤。（5） 穿流式條形或圓形浮閥塔盤。（6） 穿流式旋葉塔盤。這一時期，新型填料也有了較多的發(fā)展。屬于顆粒型填料的有：海佐涅爾（Hydronyl）填料、階梯環(huán)（Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金屬鞍環(huán)填料（Intalox metal pakcing）、比阿雷茨基環(huán)（Bialecki ring）、萊瓦填料（Levapak）以及它們的改進型式。屬于規(guī)整填料的有：蘇采爾填料（Sulzer packing）、重疊式絲網(wǎng)波紋板填料、重疊式金屬波形板填料、格利希柵格填料（Glitsch grid）、格子填料、拉伸金屬板網(wǎng)填料、塑料蜂窩填料、Z形格子填料、Perform噴射式填料和脈沖填料（Impulse packing）等。同時，還創(chuàng)建了使小球浮動萊強化傳質(zhì)的湍球塔。為了加強工業(yè)技術(shù)的競爭能力，長時期以來，各國都相繼建立了技術(shù)專利的管理機構(gòu)。在這眾多的專利中，新型塔盤及高效填料的開發(fā)工作，也占有一定的數(shù)量。從這里可以看出各國塔設(shè)備發(fā)展趨向，作為我們工作的參考。但是，進入20世紀(jì)70年代后，有關(guān)塔設(shè)備傳質(zhì)理論和塔盤結(jié)構(gòu)方面的論文，已不如以前那么多了。這反映了基礎(chǔ)理論研究工作的進度放慢了，同時也表明了人們通過實踐接受前輩們的觀點：當(dāng)負(fù)荷達到最高負(fù)荷的85％時，所有不同結(jié)構(gòu)的塔盤，其效率大致是相同的。研究結(jié)果表明，塔盤的效率并不取決于塔盤的結(jié)構(gòu)，而主要取決于物系的性質(zhì)，如相對揮發(fā)度、黏度、混合物的組分等。國外塔設(shè)