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在炼油、化工及轻工等工业生产中,气、液两相直接接触进行传质传热的过程是很多的,如精馏、吸收、解吸、萃取等。这些过程都是在一定的压力、温度、流量等工艺条件下,在一定的设备内完成的。由于其过程中两种介质主要发生的是质的交换,所以也将实现这些过程的设备叫传质设备;从外形上看这些设备都是竖直安装的圆筒形容器,且长径比较大,形如“塔”,故习惯上称其为塔设备。
塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药、炼油等生产过程中广泛应用的重要设备之一。塔设备属于气液传质设备,它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触达到相际传质及传热的目的。
化工生产中常见的可在塔设备中完成的单元操作有:精馏、吸收、解吸和萃取等,此外,工业气体的冷却与回收、气体的湿法精制和干燥中也多使用塔设备,另外,在兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等生产中塔设备也有广泛的应用。
在化工厂或炼油厂中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。塔设备是炼油、化工生产中最重要的工艺设备之一,它的设计、研究、使用对化工、炼油等工艺的发展起着重大的作用。
一、塔设备的构件介绍
塔设备的构件,除了种类繁多的各种内件外,其余构件则是大致相同的。分别如下。
1.1 塔体:塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为顶盖与底盖的椭圆形封头所组成的。随着化工装置的大型化,还有采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除满足工艺条件(如温度、压力、塔径和塔高等)下的强度、刚度外,还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题,以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说,塔体的不垂直度和弯曲度将直接影响塔盘的水平度,其指标对板式塔效率的影响是非常明显的,为此在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中,都应严格保证达到有关要求,不允许误差超过设计要求。
1.2 塔体支座:塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作。为此,它应当具有足够的强度和刚度能承受各种操作情况下的全塔重量,以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式底座(简称为“裙座”)。
1.3 除沫器:除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器,对于回收贵重物料、提高分离效率、改善塔后设备的操作状况,以及减少对环境的污染等都是非常必要的。
1.4 接管:塔设备的接管是用以连接工艺管,把塔设备与相关设备连成系统。按接管的用途分为进液管、出液管、进气管、回液管、侧线抽出管和仪表接管等。
1.5人孔和手孔:人孔和手孔一般是为了安装、检修和检查的需要而设置的。在板式塔和填料塔中,各有不同的设置要求。
1.6:吊耳:塔设备的运输和安装,特别是在设备大型化后,往往是化工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便,可在塔设备上焊上吊耳。
1.7吊柱:在塔顶设置吊柱为了在安装和检修时,方便塔内件的运送。
二、塔设备的分类
塔设备形成了形式繁多的结构和类型,以满足各种特定的工艺要求。为了便于研究和比较,人们从不同的角度对塔设备进行分类,例如:按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔;按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔;按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的和流动过程中形成相界面的塔;也有按塔釜形式分类的;还有几种装有机械运动构件的塔。
2.1 按用途分类
精馏塔:利用液体混合物中各组分挥发度的不同来分离其各液体组分的操作称为蒸馏,反复多次蒸馏的过程称为精馏,实现精馏操作的塔设备称为精馏塔。如常减压装置中的常压塔、减压塔,可将原油分离为汽油、煤油、柴油及润滑油等;铂重整装置中的各种精馏塔,可以分离出苯、甲苯、二甲苯等。
吸收塔:解吸塔利用混合气中各组分在溶液中溶解度的不同,通过吸收液体来分离气体的工艺操作称为吸收;将吸收液通过加热等方法使溶解于其中的气体释放出来的过程称为解吸。实现吸收和解吸操作过程的塔设备称为吸收塔、解吸塔。如催化裂化装置中的吸收、解吸塔,从炼厂气中回收汽油、从裂解气中回收乙烯和丙烯,以及气体净化等都需要吸收、解吸塔。
萃取塔:对于各组分间沸点相差很小的液体混合物,利用一般的分馏方法难以奏效,这时可在液体混合物中加入某种沸点较高的溶剂(称为萃取剂);利用混合液中各组分在萃取剂中溶解度的不同,将它们分离,这种方法称为萃取(也称为抽提)。实现萃取操作的塔设备称为萃取塔。如丙烷脱沥青装置中的抽提塔等。萃取塔中以脉冲塔和转盘塔用得较多。
洗涤塔:用水除去气体中无用的成分或固体尘粒的过程称为水洗或除尘,采用的塔设备称为洗涤塔或除尘塔。
有些设备就其外形而言属塔式设备,但其工作实质不是分离而是换热或反应。如凉水塔属冷却器,合成氨装置中的合成塔属反应器。
2.2 按操作压力分类
塔设备根据其完成的工艺操作不同,其压力和湿度也不相同,但当达到相平衡时,压力、温度、气相组成和液相组成之间存在着一定的函数关系。在实际生产中,原料和产品的成分和要求是由工艺确定的,不能随意改变,压力和温度有选择的余地,但二者之间是相互关联的,如一项先确定了,另一项则只能由相平衡关系求出。从操作方便和设备简单的角度来说,选常压操作最好,从冷却剂的来源角度看,一般宜将塔顶冷凝温度控制在30~40℃,以便采用廉价的水或空气作为冷却剂。所以塔设备根据具体工艺要求,设备及操作成本综合考虑,有时可在常压下操作、有时则需要在加压下操作,有时还需要减压操作。相应的塔设备分别称为常压塔、加压塔和减压塔。
2.3 按结构形式分类
塔设备尽管其用途各异,操作条件也各不相同,但就其构造而言都大同小异,主要由塔体、支座、内部构件及附件组成。根据塔内部构件的结构可分为板式塔和填料塔两大类。
在板式塔中,塔内装有一定数量的塔盘,气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触,进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。在填料塔中,塔内装填一定高度的填料层,液体沿填料表面呈膜状向下沉动,而连续相的气体自下而上流动,与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料,可以细分为不同塔型。
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