【正文】 第 6章 塔設(shè)備繪制 ? 本章導(dǎo)引 ? 塔設(shè)備設(shè)計(jì)基本知識(shí) ? 塔總裝配圖繪制 ? 本章重點(diǎn)知識(shí)分析 本章導(dǎo)引 本章目錄 塔設(shè)備是煉油，化工、輕工、制藥等行業(yè)中用于原料或產(chǎn)品的濃縮及提純的重要設(shè)備。它可使氣（汽）液或液液兩相之間進(jìn)行充分接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。它主要用于精餾，吸收，解吸、萃取等，此外，它在工業(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)和傳熱的增濕和減濕等單元操作之中也起著重要的作用。由于塔設(shè)備是原料預(yù)處理（如蒸餾塔將液體原料變成氣體以便于后面的氣相催化反應(yīng)）、產(chǎn)品提純處理（如精餾塔，將產(chǎn)品的純度提高，直接影響最后產(chǎn)品的質(zhì)量及數(shù)量），因此，塔設(shè)備的性能的好壞，對(duì)于整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的產(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(hù)等均有很大影響；同時(shí)，塔設(shè)備的投資和金屬用量，在整個(gè)生產(chǎn)工藝裝置中均占較大比例。因此，對(duì)塔設(shè)備的研究（包括設(shè)計(jì)和繪制），始終受到人們極大的重視。 塔設(shè)備一般由塔設(shè)備本體、塔設(shè)備上附屬構(gòu)筑物（如操作平臺(tái)、欄桿、梯子、管線等）、支承塔設(shè)備的基礎(chǔ)這三部分組成。塔設(shè)備應(yīng)在滿足化工工藝要求的前提下，盡量做到以下幾點(diǎn)： ①生產(chǎn)能力大，即氣 (汽 )、液處理量大； ②流體流動(dòng)阻力小傳； ③質(zhì)效率高； ④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易； ⑤操作彈性大，即在負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，仍能維持較高的效率； ⑥便于操作、控制及檢修等。 事實(shí)上，我們?cè)僭谟?jì)任何一臺(tái)塔設(shè)備時(shí)，很難全部滿足上述各項(xiàng)要求；但我們應(yīng)該從符合生產(chǎn)的基本要求、滿足經(jīng)濟(jì)上的合理性、以及在單位時(shí)間內(nèi)，利用最少的能源和空間，生產(chǎn)加工最多的產(chǎn)品等方面出發(fā)，予以全面考慮，使所設(shè)計(jì)的塔在滿足基本要求的前提下，整體性能達(dá)到最優(yōu)。 本章將通過(guò)對(duì)塔設(shè)備一些基本知識(shí)介紹，具體講解如何繪制塔設(shè)備，大到繪制整體方案的確定，小到主要零配件的尺寸及繪制方法。對(duì)于前面幾章已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)的繪制方法，我們將不在講解，如封頭的繪制、接管的繪制，但我們會(huì)提供本章中有關(guān)這些零配件的具體尺寸。 塔設(shè)備設(shè)計(jì)基本知識(shí) 本章目錄 ? 塔設(shè)備的分類 ? 塔設(shè)備關(guān)鍵尺寸的確定 ? 計(jì)算舉例 塔設(shè)備的分類 為滿足各種生產(chǎn)過(guò)程的需要，塔設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，形成了型式繁多的結(jié)構(gòu)．考慮到便于研究和比較，可以從不同的角度。對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行分類．例如：按單元操作分為精餾塔，吸收塔、解吸塔和萃取塔等；按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類，但如果將塔內(nèi)無(wú)任何構(gòu)件也作為一類，則可以分為三類，見(jiàn)圖 61。 下面將三類塔設(shè)備再進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。 ⑴板式塔 板式塔以塔板作為汽 (氣 )，液接觸的基本構(gòu)件。氣體自塔底向上以鼓泡噴射的形式穿過(guò)塔盤(pán)上的液層，塔內(nèi)氣液兩相呈逐級(jí)逆流操作，在塔板上傳質(zhì)元件作用下，兩相進(jìn)行接觸和分離，同時(shí)完成傳質(zhì) (和傳熱 )任務(wù)。板式塔構(gòu)造，除塔板外，塔的內(nèi)構(gòu)件還包括降液管、受液盤(pán)、溢流堰、塔板支承件及緊固件等。塔板選型后，應(yīng)依次進(jìn)行塔徑、塔板及內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，然后用負(fù)荷性能圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整 (或優(yōu)化 )，直至滿足塔內(nèi)正常操作 (或較佳操作 )。 除此之外，人們又按板式塔的塔盤(pán)結(jié)構(gòu)的不同，將板式塔細(xì)分為多種塔。常見(jiàn)板式塔的類型有：浮閥塔、泡罩塔、篩板塔、斜孔塔及穿流式塔板等。 圖 61 三類塔示意圖 ① 浮閥塔 浮閥塔是現(xiàn)今應(yīng)用最廣的一種板型。浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)在塔板上開(kāi)有若干大孔（標(biāo)準(zhǔn)孔徑為 39mm），每個(gè)孔上裝有一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥片。操作時(shí)由閥孔上升的氣流，經(jīng)過(guò)閥片于塔板間的間隙而與板上橫流的液體接觸。浮閥開(kāi)度隨氣體負(fù)荷而變。當(dāng)氣量很小時(shí)，氣體仍能通過(guò)靜止開(kāi)度的縫隙而鼓泡。 浮閥塔的突出特點(diǎn)是操作彈性大，由于壓降及霧沫夾帶均小，故板間距可縮小。一般浮閥塔在生產(chǎn)能力、塔板效率及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方面優(yōu)于泡罩而不及篩板。 ② 篩板塔 篩板塔的塔板上開(kāi)有許多均勻分布的篩孔，孔徑一般為3~8mm，篩孔在塔板上作正三角形排列。塔板上設(shè)置溢流堰，使板上能維持一定厚度的液層。操作時(shí)，上升氣流通過(guò)篩孔分散成細(xì)小的流股，在板上液層中鼓泡而出，氣液間密切接觸而進(jìn)行傳質(zhì)。在正常的操作氣速下，通過(guò)篩孔上升的起來(lái)，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。 篩板塔的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。近年來(lái)，篩板塔得到更廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是易漏液，操作彈性較小。 ③ 泡罩塔 泡罩塔的每層塔板上開(kāi)有若干個(gè)孔，孔上焊有短管作為上升其他的通道，稱為升氣管。升氣管上覆以泡罩，泡罩下部周邊開(kāi)有許多齒縫。齒縫一般有矩形、三角形及梯形三種，常用的是矩形。泡罩在塔板上作等邊三角形排列。 操作時(shí)，液體橫向流過(guò)塔板，靠溢流堰保持塔板上有一定厚度的流動(dòng)液層，齒縫浸沒(méi)于液層之中而形成液封。上升氣體通過(guò)齒縫進(jìn)入液層時(shí)，被分散成許多細(xì)小的氣泡或股流，在板上形成了鼓泡層和泡沫層，為氣液兩相提供了大量的傳質(zhì)界面。 盡管泡罩塔有操作彈性大，板效率高，處理量大的優(yōu)點(diǎn)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高以及壓降大，使用上受到一定的限制． ④舌型塔板、浮舌塔板和斜孔塔板 三者均為噴射型塔板。在舌型塔板中，氣流經(jīng)舌孔流出時(shí)，促進(jìn)了液體流動(dòng)，因而大液量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大的液面落差，同時(shí)由于汽、液并流，大大減少了霧沫夾帶。針對(duì)以上缺點(diǎn)，發(fā)明了浮舌塔板，它既有舌形塔板處理量大、壓降低、夾帶小的優(yōu)點(diǎn)，又有浮閥彈性大、效率高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是舌片易損壞。斜孔塔板采用孔口反向交錯(cuò)排列，避免了氣、液并流造成的氣流不斷加速現(xiàn)象，因而液層低而均勻，霧沫夾帶小，塔板效率有所提高，但由于開(kāi)孔固定，操作彈性較小。 ⑤穿流式柵板塔 穿流式柵板塔屬無(wú)溢流裝置的板式塔。屬此類塔板的還有穿流式波紋塔、穿流式浮閥塔等。此類塔板操作時(shí)，氣、液兩相同時(shí)相向通過(guò)柵縫或篩孔。柵縫或篩孔的大小，視物料的污垢程度及要求的效率等情況而定。 由于省去了溢流裝置，該塔板有生產(chǎn)能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降小、不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)，但操作彈性小塔板效率低。 ⑵填料塔 在填料塔中，塔內(nèi)裝有一定高度的填料層。液體自塔頂沿填料表面自上而下呈膜狀流動(dòng)，氣體則沿填料層內(nèi)部通道自下向上流動(dòng)，氣、液兩相之間是呈連續(xù)逆流接觸并進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的。顯然，兩相組分的濃度沿塔高也將呈連續(xù)變化。填料塔以填料作為氣液接觸的元件。填料塔由于其填料的不同，又可分為多種。按性能分為通用填料和高效填料；按形狀分為顆粒型填料和規(guī)整填料，按填料的結(jié)構(gòu)分為實(shí)體填料和網(wǎng)狀填料等。填料塔的主要構(gòu)件為：液體分布器、填料壓板或床層限制板、填料、填料支承、液體收集器、液體再分布器等。 填料塔的特點(diǎn)： ①壓力降低，可應(yīng)用于真空蒸餾、吸收等操作。 ②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用耐腐蝕材料制成，故可用于處理腐蝕性介質(zhì)。 ③安裝方便，可用于不宜安裝塔板的小直徑塔。 ④由于采用新型高效填料，在許多大直徑塔中成功地代替了板式塔，最大直徑已達(dá) 15m。 ⑤投資費(fèi)用較高。 ⑥填料多易堵塞，故不宜處理懸浮液或易結(jié)塊的物料。 ⑶ 空心塔 在空心塔內(nèi)沒(méi)有裝塔盤(pán)和填料，有的作為儲(chǔ)罐儲(chǔ)存催化劑等；有的在塔內(nèi)將加工后的重油進(jìn)行冷卻結(jié)成焦炭、瀝青等；有的在塔內(nèi)安裝許多管束，在管外或管內(nèi)裝入催化劑，使參加反應(yīng)的氣體通過(guò)靜止的催化劑進(jìn)行反應(yīng)，作反應(yīng)塔用。 塔設(shè)備關(guān)鍵尺寸的確定 ⑴塔高的確定 塔的高度（見(jiàn)圖 62）系由主體高度 Hz（塔板或填料所在空間的高度）、頂部空間高度 Ha（第一層塔板或填料以上部分，包括筒節(jié)、封頭及上面的引出管）、底部空間高度 Hb（ 最后一層塔盤(pán)后或填料下部的筒節(jié)，但不包括下封頭及引出管高度，因?yàn)樵摳叨群腿棺叨戎睾希?，以及裙座高?Hs等部分所組成，所以塔高 H為： H＝ Hz＋ Ha＋ Hb＋ Hs （ 61） 在具體繪制過(guò)程中，需要注意底部筒節(jié)和裙座之間兩者之間并不是剛好對(duì)接，如塔的實(shí)際總高和按式（ 61）的計(jì)算會(huì)有一些差別，有時(shí)是多幾毫米，有時(shí)是少幾毫米。填料塔的高度則包括填料層高度，噴林裝置、再分器、氣液進(jìn)出口所需的高度，底部及頂部高度以及裙座高度等部分。 圖 62 塔高示意圖 ①主體高度 由于填料塔和板式塔的結(jié)構(gòu)不同，故主體高度的含義也不同。板式塔的主體高度是從塔頂?shù)谝粚铀P(pán)至塔底最后一層塔盤(pán)之間的垂直距離；填料塔的主體高度就是填料的高度。蒸餾操作常用理論塔板數(shù)的多少來(lái)表述塔的高度，求取塔板數(shù)的方法很多，可分為解析法、圖解法和逐板計(jì)算法等幾類。 對(duì)于板式塔，應(yīng)先利用塔效率將理論板層數(shù)折算成實(shí)際板層數(shù)，然后再由實(shí)際板層數(shù)和板間距來(lái)計(jì)算主體塔高，即： Hz＝ NT HT / ET （ 62） 式中 Hz—— 塔高， m； NT—— 塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)； ET—— 總板效率； HT—— 塔板間距， m。 從板間距對(duì)塔板效率的影響分析，在一定的氣液負(fù)荷和塔徑的條件下，增加板間距可使物沫夾帶量減小，特別對(duì)易起泡的物系，板間距應(yīng)取大些，以保證塔板的分離效果。此外，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)大時(shí)，也需要增大板間距，以提高操作彈性。 在決定板間距時(shí)還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處，應(yīng)留有足夠高的工作空間，其值不應(yīng)小于 600mm。 塔板間距 HT除直接影響塔高外，板間距還與塔的生產(chǎn)能力、操作彈性即塔板效率有關(guān)。在一定的生產(chǎn)任務(wù)下，采用較大的板間距，能允許較高的空塔氣速，因而塔徑可小些，但塔高要增加。反之，采用較小的板間距，只能允許較小的空塔氣速，塔徑就要增大，但塔高可以降低。對(duì)于板數(shù)較多的精餾塔，往往采用較小的板間距，適當(dāng)?shù)丶哟笏揭越档退?。板間距與塔徑之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，反復(fù)調(diào)整，以作出最佳選擇。表 61所列的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供初選板間距時(shí)參考。板間距的數(shù)值應(yīng)按照規(guī)定選取整數(shù)，如 300mm、 350mm、 450mm、 500mm等。 對(duì)于填料塔，其高度主要取決于填料層的高度。計(jì)算填料層高度常采用以下兩種方法： 填料層高度 Z＝傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù) 等板高度（ HETP）是與一層理論塔板的傳質(zhì)作用相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨取Ｒ卜Q理論板當(dāng)量高度。顯然，等板高度愈小，說(shuō)明填料層的傳質(zhì)效率高，則完成一定分離任務(wù)所需的填料層的總高度可降低。等板高度不僅取決于填料的類型與尺寸，而且受系統(tǒng)物性、操作條件及設(shè)備尺寸的影響。等板高度的計(jì)算，至今尚無(wú)滿意的方法，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，或取生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)