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塔设备设计基础
一、塔设备在化工生产中的作用地位
    塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。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。塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例，所耗用钢材重量在各类工艺设备中也属较多。

二、塔设备的分类及一般构造
    按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔等；
    按形成相际接触面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；
    按操作压力分：常压塔-在大气压下操作；减压塔-在抽真空的条件下操作；加压塔-在加压条件下操作；但长期以来，最常用的是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔：
（1）板式塔是气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层是两相密切接触进行传质；
（2）填料塔是液体沿填料表面成膜状向下流动，作为连续向的气体自下而上流动，与液体进行传质。
三、对塔设备的要求
    塔设备首先要使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率，但是为了满足工业生产，还应考虑下列各项要求：
（1）生产能力大；
（2）操作稳定、弹性大；
（3）流体流动的阻力小；
（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易；
事实上，对于现在的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面有独到之处。

四、塔设备的发展及现状
    泡罩塔早在1813年就被提出了；在发展过程中塔盘主要有：泡罩型、筛板型、浮阀型、喷射型等；通过不断的实践得出一个结论：当负荷达到最高负荷的85%时，所有不同结构的塔盘，其效率是大致相同的。研究结果表明塔盘的效率主要取决于物系的性质，如相对挥发度、粘度、混合物的组分等；
    填料主要有：拉西环填料、弧鞍形填料、鲍尔环填料、矩鞍型填料、阶梯环填料、金属鞍环填料等；目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。

五、塔设备的用材
    绝大多数的塔设备都是采用钢材制造的，因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也比较成熟。

六、常用塔型及其选用
（一）常用板式塔类型
1.泡罩塔
泡罩塔盘的主要结构包括泡罩、升气管、溢流管及降液管。
泡罩塔有以下几个优点：
（1）操作弹性较大，在负荷变动范围较大时仍能保持较高的效率；
（2）无泄漏；
（3）液气比的范围大；
（4）不易堵塞能适应多种介质；
泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修麻烦以及气相压力降较大；
泡罩塔如果塔盘设计欠妥或操作不当，常出现以下不正常现象：
锥流、脉动、偏流和倾流、过量的雾沫夹带、液泛
 
2.筛板塔
筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分；工业塔常用的筛孔孔径为3-8mm，按正三角形排列，孔间距与孔径的比2.5-5。
筛板塔盘特点如下：
（1）结构简单，制造维修方便；
（2）生产能力较大；
（3）塔板压力降较低；
（4）塔板效率较高，但比浮阀塔盘稍低；
（5）合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性；
（6）小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、粘性大的和带有固体颗粒的料液；
 
3.浮阀塔
浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程，浮阀塔之所以应用广泛，是由于它有下列特点：
（1）处理能力大；（2）操作弹性大；（3）塔板效率高；（4）压力降小
 
4.穿流式栅板塔
穿流式栅板塔属于无溢流装置的板式塔，操作时蒸汽通过孔缝上升，进入液层，形成泡沫；与蒸汽接触后的液体，也不断的通过孔缝流下。
穿流式栅板塔的特点如下：
（1）结构简单，
（2）生产能力大，
（3）压力降小，
（4）污垢不易沉积、孔道不易堵塞，
（5）操作弹性较小，
（6）塔板效率较低，比一般板式塔约低30-60%；
 
5.斜孔塔盘
斜孔塔盘特殊阀孔结构设计使气体从阀孔沿与板面平行方向喷出，板上汽体流动矢量与雾沫夹带矢量呈90 ，有利于降低雾沫夹带。
斜孔塔板相邻两排斜孔方向错位相反排布矢量相反，可保证气体对液层的动量作用相互抵消，保持稳定的液层和汽液接触过程。
斜孔塔盘的优点：
（1）处理量大，
（2）塔板效率高，
（3）塔板阻力小，
（4）塔板防垢能力强；
 
6.其他类形塔盘
 （1）导向筛板塔盘
导向筛板塔盘的特点：塔板压力降小、液面落差小、处理能力大、传质效果好、结构比较简单；
 （2）多降液管筛板塔盘
多降液管筛板塔盘的特点是塔板上设置了多个降液管，降液管悬挂于塔板下的气相空间，为此要求降液管能自封。为了使液体分布均匀，相邻两塔盘的降液管方位需互相垂直。
多降液管筛板塔盘的主要优点是：
1）单位塔盘面上的溢流周边长，因而适用于很高的液体负荷，
2）液流路程短，几乎无液面落差，故蒸汽分布均匀，
3）省去了降液管下的受液盘，增加了塔盘有效鼓泡区面积，
4）在较宽的气液流量范围内，能有效地控制泡沫高度，因此具有较宽的操作弹性和较小的压力降，
5）泡沫层低，故可采用较小的塔板间距，
6）降液管在结构上增强了塔板的刚性，故可省去其他支撑结构；
 （3）网孔塔盘
网孔塔盘属于喷射型塔盘，塔板上方装有倾斜的挡沫板。
网孔塔板的优点如下：
1）盘上液体流向多次发生90°转向，因此延长了液体的流程，增加相际接触时间；液流转向时，使相际接触表面得到更新；通过对定向切口的适当配置，使塔避附近液流分布情况得到改善，
2）挡沫板不仅用作气液分离，而且能增进相际传质，
3）塔板上具有定向切口，它利用高速气流的动能形成喷射状态，因而具有高负荷、低压力降等特点，
4）造价低廉，仅为泡罩塔的50%，
5）在正常操作时，孔速较高，因此不易堵塞；
网孔塔板是当前最佳塔板之一，特别适用于大生产能力及真空操作。
 （4）Kittel塔盘
Kittel塔盘是最早利用气相动能强化传质的塔盘。操作时，上层塔盘的液体从中心向塔避积聚，通过外缘的切口流入下层塔盘；下层塔盘的液体又从四周聚向中心，最后从切口流入下一单元。
Kittel塔盘的特点如下：
1）相接触面得到迅速更新，有利于传质，
2）由于离心塔盘和向心塔盘的交替排列，液体得到自动的再分配，
3）具有很低的压力降，因为这种塔板的开孔率较大，板上液层很薄，
4）具有高的负荷能力，因为它有效的利用了气相动能和泡沫夹带量小，
5）塔板有自净作用，不易阻塞；
 （5）旋流塔盘
旋流塔盘是一种喷射型塔盘。塔盘的开孔率大，可允许的气体负荷高，并因液层薄，故压力降较低，操作弹性在4以上。这种塔适用于气液直接传热、快速化学反应吸收的过程，用于除雾、除尘，效果也很好，除雾效率可达90-99%。
 （6）角钢塔盘
角钢塔盘的鼓泡区是由相互并列的角钢组成，角钢间有适当的间隔，按液流方向排列。
角钢塔盘的优点如下：
1）结构简单，制造方便，因此成本低廉，
2）刚度好，不必另加支承构件就能用于大塔，
3）压力降小，不到筛板塔的一半，
4）塔板效率较高，在正常操作范围内，塔板效率约在70%左右。
根据比较得出以下结论：
（1）浮阀塔盘在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔盘优越，这是目前浮阀塔广泛应用的原因。
（2）筛板塔盘造价低、压力降小，除操作弹性较差外，其他性能接近于浮阀塔盘，这是筛板塔盘近年来使用广泛的原因。

（二）常用填料类型
1、拉西环（Raschig ring）
优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。
缺点：由于高径比大，堆积时填料间易形成线接触，因此液体在填料层流动时，常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的比表面积较小，传质效率较低。
在拉西环基础上衍生了θ环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。
 
2、 鲍尔环（Pall ring）填料
在拉西环的基础上发展起来的鲍尔环是在其侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。
比之拉西环，鲍尔环不仅操作弹性较大，还有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。 
鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。
 
3、 阶梯环填料
阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。
这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。
阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。
 
4、矩鞍形填料
矩鞍填料为敞开式填料，形状决定了它在填料层中相互重叠掩盖的部分较少，因而填料层的空隙率较大，填料表面的利用率较高。与同尺寸的拉西环相比，传质效率高、压力降小，且不易被悬浮物堵塞。与鲍尔环相比，制造容易，强度较好，因此国内外都在推广使用。它可用陶瓷、塑料制造，但金属矩鞍填料应用较广。
 
5、弧鞍形填料
弧鞍填料也是敞开式填料，它的性能优于拉西环，但因其结构对称，在填料层中易相互重叠，是填料表面不能充分利用，因之性能不如矩鞍填料，工业上已很少使用。
 
6、波纹填料
波纹填料属于规整填料，分为波纹板填料和波纹网填料。
波纹板填料的优点如下：
（1）压力降小、生产能力大，
（2）由于其结构紧凑，具有很大的比表面，且填料的结构能促进气液分布均匀化，使传质效率提高，
（3）操作弹性大；
缺点是不适合用于易结垢、析出固体、发生聚合，以及液体粘度较大的物系；对于大塔则填料重量大、造价高、装卸清理困难。
 
7、几种实体填料的比较
经过比较各填料的通过能力，以鲍尔环为最大，拉西环最小矩鞍填料则接近鲍尔环。通过右图可以明显看出鲍尔环的效率和操作弹性都居首。
将鲍尔环与浮阀塔盘作比较，所得出的结论是：在加压下，浮阀塔盘的效率高于鲍尔环，在真空和常压下，鲍尔环效率高于浮阀塔盘。浮阀塔的操作弹性高，但鲍尔环的理论板压力降远比浮阀塔低。