淺談塔設備的分類及性能

曹曉玲

(中石化南京化工廠南京凱特化工工程設計院,南京 210038)

0 引 言

塔設備是化工、石油等工業中廣泛使用的重要生產設備。經過長期發展,形成了型式繁多的結構,以滿足各方面的需要。為了便于研究和比較,人們從不同的角度對塔設備進行分類。按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應塔和干燥塔。用以實現蒸餾和吸收兩種分離操作的塔設備分別稱為蒸餾塔和吸收塔。這類塔設備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會,使質、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行,還要能夠使接觸之后的氣、液兩相及時分開,互不夾帶。也有按形成相際接觸面的方式和按塔釜型式分類的;但是,最常用的分類是按塔的內件結構分為板式塔和填料塔兩大類,人們又按板式塔的塔盤結構和填料塔所用的填料,細分為多種塔型。

板式塔內沿塔高裝有若干層塔板(或稱塔盤),液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底,并在各塊板面上形成流動的液層;氣體則靠壓強差推動,由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內逐級接觸,兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。板式塔結構見圖1。

圖1 板式塔示意圖

填料塔內裝有各種形式的固體填充物,即填料。液相由塔頂噴淋裝置分布于填料層上,靠重力作用沿填料表面流下;氣相則在壓強差推動下穿過填料的間隙,由塔的一端流向另一端。氣液在填料的濕潤表面上進行接觸,其組成沿塔高連續地變化。填料塔結構見圖2。

圖2 填料塔示意圖

1 板式塔

按照塔內氣、液流動方式,可將塔板分為錯流塔板與逆流塔板兩類。

錯流塔板如圖3所示,板間有專供液體流通的降液管(又稱溢流管)。適當安排降液管的位置及堰的高度,可以控制板上液體流徑與液層高度,從而獲得較高的效率。但是降液管大約占去塔板面積的20%,影響了塔板的生產能力;而且,液體橫過塔板時要克服各種阻力,降低分離效率。

逆流塔板如圖4所示,板間不設降液管,氣、液同時由板上孔道逆向穿流而過,故又稱穿流塔板。這種塔板結構簡單,板上無液面落差,氣體分布均勻,板面利用充分,可增大處理量及減小壓強降,但需要較高的氣速才能維持板上液層,操作彈性差且效率較低,目前在蒸餾、吸收等氣-液傳質操作中的應用尚遠不及錯流塔板廣泛。

圖3 錯流塔板

圖4 逆流塔板

常用的板式塔有泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形噴射塔以及新發展起來的一些新型塔和復合型塔(如浮動噴射塔、浮舌塔、壓延金屬網板塔、多降液管篩板塔等)。

1.1 泡罩塔

泡罩塔是很早就為工業蒸餾操作所采用的一種氣液傳質設備。每層塔板上裝有若干短管作為上升氣體通道,稱為升氣管。由于升氣管高出液面,故板上液體不會從中漏下。升氣管上復以泡罩,泡罩下部周邊開有許多齒縫。操作條件下,齒縫浸沒板上液層中,形成液封,如圖5所示。上升氣體通過齒縫被分散成細小的氣泡或流股進入液層。板上的鼓泡液層或充氣的泡沫體為氣-液兩相提供了大量的傳質界面。液體通過降液管流下,并依靠溢流堰以保證塔板上存有一定厚度的液層。泡罩的形式不一,化工中應用最廣泛的是圓形泡罩,如圖6所示。圓形泡罩在塔板上作等邊三角形排列,泡罩中心距等于直徑的倍。

圖5 泡罩塔板操作狀態示意圖

圖6 圓形泡罩示意圖

泡罩塔的優點是不易發生漏液現象,有較好的操作彈性,即當氣、液負荷有較大的波動時,仍能維持幾乎恒定的板效率;塔板不易堵塞,對于各種物料的適應性強。缺點是塔板結構復雜,金屬耗量大,造價高;板上液層厚,氣體流徑曲折,塔板壓降大,兼因霧沫夾帶現象嚴重,限制了氣速的提高,故生產能力不大。而且,板上液流遇到的阻力大,致使液面落差大,氣體分布不均,也影響了板效率的提高。因此,近年來泡罩塔已很少建造。

1.2 篩板塔

篩板塔是在塔板上開有許多均勻分布的篩孔,上升氣流通過篩孔分散成細小的流股,在板上液層中鼓泡而出,與液體密切接觸。篩孔在塔板上作正三角形排列,其直徑宜為3～8mm,孔心距與孔徑之比在2.5～4.0范圍內。塔板上設置溢流堰以使板上維持一定厚度的液層。在正常操作范圍內,通過篩孔上升的氣流,應能阻止液體經篩孔向下泄漏。液體通過降液管逐板流下。

篩板塔的突出優點是結構簡單,金屬耗量小,造價低廉;氣體壓降小,板上液面落差也較小,其生產能力及板效率較泡罩塔高。主要缺點是操作彈性范圍較窄,小孔篩板容易堵塞。近年來對大孔(直徑10mm以上)篩板的研究和應用有所進展。大孔徑篩板塔采用氣、液錯流方式,可以提高氣速以及生產能力,而且不易堵塞。

1.3 浮閥塔

浮閥塔于20世紀50年代開始在工業上廣泛使用,目前是國內許多工廠進行蒸餾操作時最樂于采用的一種塔型。在吸收、脫吸等操作中也有應用,效果較好。浮閥塔板的結構特點,是在帶有降液管的塔板上開有若干大孔(標準孔為39mm),每孔裝一個可以上下浮動的閥片。由孔上升的氣流,經過閥片與塔板的間隙而與板上橫流的液體接觸。國內最常采用的閥片形式有F1型,另外還有V-4型及 T型浮閥。F1型浮閥國外稱為V-1型。

F1型浮閥的結構簡單,制造方便,節省材料,廣泛用于化工及練油生產中。F1型浮閥又分輕閥與重閥兩種。一般場合都采用重閥,只在處理量大并且要求壓強降很低的系統(如減壓塔)中,才用輕閥。V-4型浮閥的特點是閥孔被沖成向下彎曲的文丘里形,用以減小氣體通過塔板時的壓強降。閥片除腿部相應加長外,其余結構尺寸與F1型輕閥無異。V-4型浮閥適應于減壓系統。T型浮閥的結構比較復雜,是借助固定于塔板上的支座以限制拱形閥片的運動范圍,多用于易腐蝕、含顆粒或易聚合的介質。

浮閥塔具有下列優點:

(1)生產能力大。由于浮閥安排比較緊湊,塔板的開孔面積大于泡罩塔板,故其生產能力約比圓形泡罩塔板的大20%～40%,而與篩板塔相近。

(2)操作彈性大。由于閥片可以自由升降以適應氣量的變化,故其維持正常操作所容許的負荷波動范圍比泡罩塔板及篩板塔都寬。

(3)塔體板效率高。由于上升氣體以水平方向吹入液層,故氣液接觸時間較長而霧沫夾帶量較小,板效率較高。

(4)氣體壓強降及液面落差較小。因為氣、液流過浮閥塔板時所遇到的阻力較小,故氣體的壓強降及板上的液面落差都比泡罩塔板的小。

(5)塔的造價低。浮閥塔的造價約為具有同等生產能力的泡罩塔的60%～80%,而為篩板塔的120%～130%。浮閥對材料的抗腐蝕性要求較高,一般都采用不銹鋼制造。

1.4 噴射型塔

(1)舌形塔板。舌形塔板是20世紀60年代初期提出的一種噴射型塔板,塔板上沖出許多舌形孔,舌葉與板面成一定角度,向塔板的溢流出口側張開。上升氣流穿過舌孔后,沿舌葉的張角向斜上方以較高的速度(20～30m/s)噴出。從上層塔板降液管流出的液體,流過每排舌孔時,即為噴出的氣流強烈擾動而形成泡沫體,并有部分液滴被斜向噴射到液層上方。最后在塔板的出口側,被噴射的液流高速沖至降液管上方的塔壁,流入降液管。舌形塔板開孔率較大,故可采用較大氣速,生產能力比泡罩、篩板等塔型的都大,且操作靈敏、壓強降小。當塔內氣體流量較小時,不能阻止液體經舌孔泄漏。所以舌型塔板也有對負荷波動的適應能力較差的缺點。此外,板上液流被氣體噴射后,仍帶有大量的泡沫,易將氣泡帶到下層塔板,尤其在液體流量很大時,這種氣相夾帶的現象更嚴重,將使板效率明顯下降。這是噴射型塔板一個值得注意的問題。

(2)浮動噴射塔板。浮動噴射塔體是綜合舌形塔板的并流噴射與浮閥塔板的氣道截面積可變兩方面的優點而提出的一種噴射型塔板。這種塔板的主體由一系列平行的浮動板組成,浮動板支承在支架的三角槽內,可在一定角度內轉動。由上層塔板降液管流下來的液體,在百葉窗式的浮動板上流過,上升氣流則沿浮動板間的縫隙噴出,噴出方向與液流方向一致。由于浮動板的張開程度能隨上升氣體的流量而變化,使氣流的噴出速度保持較高的適宜值,因而擴大了操作的彈性范圍。

浮動噴射塔的優點是生產能力大,操作彈性大,壓強降小,持液量小。缺點是操作波動較大時液體入口處泄漏較多;液量小時,板上易“干吹”;液量大時,板上液體出現水浪式的脈動,因而影響接觸效果,板效率降低。塔板結構復雜,浮板也易磨損及脫落。如何變更結構以改善操作性能并保持長期運轉的可靠性,尚有待進一步研究。

(3)浮舌塔板。浮舌塔板是綜合浮閥和固定舌形塔板的長處而提出的又一種噴射型塔板。據研究,這種塔板的壓強降要比浮閥塔板和固定舌形塔板都低,而操作彈性范圍較兩者都大,在板效率及泄漏方面也優于固定舌形塔板。

2 填料塔

填料塔也是一種重要的氣液傳質設備。它的結構很簡單,在塔體內充填一定高度的填料,其下方有支承板,上方為填料壓板及液體分布裝置。液體自填料層頂部分散后沿填料表面流下而潤濕填料表面;氣體在壓強差的推動下,通過填料間的空隙由塔的一端流向另一端。氣液兩相間的傳質通常是在填料表面的液體與氣相間的界面上進行的。塔殼可由陶瓷、金屬、玻璃、塑料制成,必要時可在金屬筒體內襯以防腐材料。為保證液體在整個截面上的均勻分布,塔體應具有良好的垂直度。

填料塔不僅結構簡單,而且有阻力小和便于用耐腐材料制造等優點,尤其對于直徑較小的塔、處理有腐蝕性的物料或要求壓強降較小的真空蒸餾系統,都表現出明顯的優越性。另外,對于某些液氣比較大的蒸餾或吸收操作,若采用板式塔,則降液管將占用過多的塔截面積,此時也宜采用填料塔。

近年來,國內外對填料的研究與開發進展頗快。由于性能優良的新型填料不斷涌現以及填料塔在節能方面的突出優勢,大型的填料塔目前在工業上已非罕見。

填料是填料塔的核心,填料塔操作性能的好壞,與所選用的填料有直接關系。填料的種類很多,大致可分為實體填料和網體填料兩大類。實體填料包括環形填料(如拉西環、鮑爾環和階梯環)和鞍形填料(如弧鞍、矩鞍)以及柵板填料、波紋填料等由陶瓷、金屬、塑料等材質制成填料。網體填料主要是由金屬網制成的各種填料,如鞍形網、網、波紋網等。

為使填料塔發揮良好的效能,填料應符合以下幾項主要要求:

1)要有較大的比表面積。單位體積填料層所具有的表面積稱為填料的比表面積,以表示,其單位為m2/m3。填料表面只有被流動的液相所潤濕,才能構成有效的傳質面積。因此,若希望有較高的傳質速率,除須有大的表面積外,還要求填料有良好的潤濕性能以及有利于液體均勻分布的形狀。

2)要有較高空隙率。單位體積填料層所具有空隙體積稱為填料的空隙率。以表示,其單位為m3/ m3。一般說來,填料的空隙率多在0.45～0.95范圍以內。當填料的空隙率較高時,氣、液通過能力大且氣流阻力小,操作彈性范圍較寬。

3)從經濟、實用及可靠的角度出發,還要求單位體積填料的重量輕、造價低,堅固耐用,不易堵塞,有足夠的機械強度,對于氣、液兩相介質都有良好的化學穩定性等。

上述各項條件,未必為每種填料所兼備,在實際應用時,可根據具體情況加以適當選擇。

綜上所述,塔型的合理選擇是做好塔設備設計的首要環節。選擇時應考慮的因素有:物料性質、操作條件、塔設備的性能,以及塔設備的制造、安裝、運轉和維修等。

[1] 劉鴻文主編.材料力學(上冊).北京:高等教育出版社,2004.

[2] 聶清德.化工設備設計.北京:化學工業出版社,2002.

[3] 魏兆燦,李寬宏主編.塔設備設計.上海:上海科學技術出版社,1988.