第五章塔设备——1填料塔

第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 天下事有难易乎,为之,则难者亦易矣;不为,则易者亦难矣。 ——彭端叔 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 带隔板 封头 管板与换热管连接方法？ 管板 1、？ 3、？ 2、？ 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 教学目标 教学要求 能认知填料塔结构、类型、工作原理，能对填料塔进行维护处理。 了解塔设备功能，了解填料塔结构、部件功能。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第一节 概述 塔设备是石油、化工、医药、轻工等生产中的重要设备之一。在塔设备内可进行气液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产中常用塔设备进行精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第一节 概述 塔设备除了应满足特定的化工工艺条件外 ，一般还需满足以下基本要求： 1、塔的结构必须能保证气液或液液两相充分接触，具有必要的传质、传热面积及两相分离空间，以使塔设备有较高的传质、传热效率； 2、塔的气液处理量大，即生产能力要大； 3、为了便于操作，塔设备应具有较大的操作弹性，即气液负荷有较大波动时，塔设备仍能在较高的传质、传热效率下进行稳定的工作； 4、为了节约能源和节省操作费用，塔设备内部流体流动的阻力要小，并尽量减少热量损失。 5、塔设备的结构要简单，便于制造、安装和 维护，使用周期长。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第一节 概述 在石油、化工生产中常用的塔设备大致分两类：填料塔和板式塔。 （a）1－裙座；2－塔体；3－液体再分布器；4－斜料口；5－液体再分布器；6－液体进口；7－除沫器 8－气体出口；9－人孔；10－填料；11－栅板；12－气体进口；13－液体出口 （b）1－塔盘板；2－受液盘；3－降液板；4－溢流堰；5－裙座；6－气体进口；7－塔体；8－人孔； 9－扶梯平台；10－除沫器；11－吊柱；12－气体出口；13－回流管；14－进料管；15－塔盘； 16－保温圈；17－出料管； 18－液流；19－气流 塔设备总体结构简图 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第二节 传质基础知识 一、传质基本概念 1、传质 物质从一相转到另一相的过程，称为传质过程 2、溶液 物质以分子或离子的状态均匀地分散到另一种物质里，而形成的均一、澄清、稳定的体系称为溶液。被溶解的物质叫溶质，溶解溶质的物质称为溶剂。 3、溶解度 在一定的温度和压力下，物质在一定量溶剂中达到溶解平衡时所溶解的量，称为溶解度。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第二节 传质基础知识 二、吸收 吸收是分离气体混合物的重要单元操作。这种操作是使混合气体与选择的某种液体相接触时，利用混合气体中各组分在该液体中溶解程度的差异，有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液，其他未溶解的组分仍保留在气相中，以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。根据吸收过程中有无化学反应，，可将吸收分为物理吸收和化学吸收。 废气处理设备 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第二节 传质基础知识 三、蒸馏 蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。这种操作是利用液体混合物中各组分挥发性的不同，或沸点的不同使各组分得到分离的。但这种简单的蒸馏方式，不能得到纯度很高的易挥发组分。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第二节 传质基础知识 四、精馏 精馏就是将液体混合物在传质设备（塔）中进行多次部分汽化，同时把产生的蒸 气多次部分冷凝，达到较完全分离混合物，获得所要求高纯度组分的操作。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第二节 传质基础知识 五、萃取 用溶剂从混合物中提取某种物质的过程称为萃取。例如，在含碘的水溶液中加入四氯化碳并搅拌混合。由于碘在四氯化碳中的溶解度远大于它在水中的溶解度，所以大部分碘将从水溶液转入到四氯化碳有机溶剂中，这一过程就是萃取过程。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 填料塔具有结构简单、压力降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫物料以及用于真空操作时，有其独特的优越性。 一、填料塔的组成 填料塔由塔体（圆筒、端盖、联接法兰）、内件（填料、支承装置）、支座（裙座）、附件（人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置及塔外扶梯、平台和保温层）等结构组成。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 二、填料塔的工作原理 操作时，混合气自塔底下部进入塔内，经气体均匀分布装置，自下而上穿过填料的间隙，此时从塔顶进液管来的液体通过分布器自上而下沿填料层表面下流，气、液两相在填料表面进行连续逆流接触，从而达到传质的目的。最后液体从塔底引出，气体从塔上部引出。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （一）、填料 填料是填料塔中气液接触的元件。 具有的如下特性 （1）、单位体积填料的表面积要大； （2）、单位体积填料层所具有的空隙体积要大，以提高气、液通过能力和减小气体阻力； （3）、为了避免沟流和壁流现象，填料表面应有较好的液体均匀分布性能，并对吸收剂有较好的润湿性； （4）、气体通过填料层的阻力要小，且压力降均匀，使气体在填料层中均匀流动无死角； （5）、填料材料能耐介质腐蚀，即具有化学稳定性； （6）、填料材料具有足够强度，且来源广泛，价格低廉，制造容易，质量要轻。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （一）、填料 填料种类 图 例 特 点 缺 点 制 作 材 料 拉 西 环 拉西环是外径和高度相等的空心圆柱体，在能满足机械强度要求的前提下，壁厚可尽量薄一些。 内外表面不相贯通，不利于气液的流动和接触。参加传质的有效表面积不高，传质效率较低。 陶瓷、金属或塑料 θ环 十字环 比表面积较拉西环大，但压力降也较拉西环大 结构复杂，传质效率提高不大，压力降高，应用不多。 陶瓷、金属或塑料 鲍尔环 提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使气体流动阻力大为降低，液体分布有改善。适用于真空的蒸馏操作。 鲍尔环对液体再分布的性能较差，必须有良好的液体初始喷淋装置。 金属 弧鞍形 对称的开放式弧状结构，比表面积大，具有良好的液体再分布性能。 装填时易重叠，降低比表面积。开放式结构强度差，弧鞍填料应用不多。 陶瓷 矩鞍形 保留了弧形结构，改变了扇形面形状，具有良好的液体再分布性能，填料之间基本上是点接触，装填时不易重叠，填料比表面积大且利用率高， 开放式结构，其强度也较差 陶瓷或塑料 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （一）、填料 填料种类 图 例 特 点 缺 点 制 作 材 料 阶梯环 一端为圆筒形鲍尔环，另一端则为喇叭口形，喇叭口改善了填料在塔内的堆砌情况，塔内填料基本上是点接触，使填料表面得到充分利用，增大了空隙率，降低了压力降，提高了传质效率。 加工制作较复杂。 金属、塑料 金属弧鞍 保留了鞍形填料的弧形结构，也保留了鲍尔环的环形结构和具有内弯叶片的小窗，刚度高，鞍环填料的全部表面能有效利用，并增加流体的湍动程度，具有良好的液体再分布性能。因此，它具有通过能力大、压力降低及填料层结构均匀的优点，适用于真空蒸馏操作。 耐腐蚀差 金属 波纹填料 由若干平行直立放置的波纹片组成的盘状装于塔内，结构紧凑，比表面积大，压力降较乱堆填料低，传质效率较高，可用于大型填料塔。 当操作系统有固体析出，容易结垢，流体粘度大或不易清洗时，不宜选用波纹板填料 铅、不锈钢、黄铜、蒙乃尔合金、塑料、碳钢等 波纹网、θ网环 比波纹填料的空隙率和比表面积大，其气通量更大，传质效率高，压力降低，操作弹性大；波纹网填料为难分离物体、热敏系物质及高纯度产品的精馏提供了有效的手段，特别适用于精密精馏和高真空精馏操作 同波纹填料 同波纹填料 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 为了使填料在操作时达到预期传质效果，保证任一截面上液体的均匀分布，布置喷淋装置。 喷林装置还要求不易被堵塞，流体阻力尽可能小；结构简单、制造和检修方便等。 常见的结构型式有：喷洒型、溢流型和冲击型。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 1、喷洒型喷淋装置 喷洒型喷淋装置是利用孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，使液体注入塔内。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 1、喷洒型喷淋装置 喷洒型喷淋装置是利用孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，使液体注入塔内。 （1）、排管式分布器 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 1、喷洒型喷淋装置 喷洒型喷淋装置是利用孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，使液体注入塔内。 （2）、莲蓬头式分布器 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 1、喷洒型喷淋装置 喷洒型喷淋装置是利用孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，使液体注入塔内。 （3）、环管式分布器 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 2、溢流型喷淋装置 常用的溢流型喷淋装置有中央进料式和槽式两种。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （二）、喷淋装置 3、冲击型喷淋装置 冲击型喷淋装置常用的有反射板式分布器和宝塔式分布器。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （三）、液体再分布器 液体再分布器是用来改善液体在填料层内的壁流效应的，所谓壁流效应，即液体沿填料层下流时逐渐向塔壁方向汇流的现象。所以，每隔一定高度的填料层就设置一个再分布器，将沿塔壁流下的液体导向填料层内。 1、分布锥 是常用的液体再分布器结构。其作用是将沿壁流下的液体用分配锥再导至中央，这种结构适用于塔径 <1000mm的小塔，圆锥直径一般为（0.7~0.8） 。其缺点是使设备在分配锥处的截面缩小，锥内气体流动受到扰动，压力降较大。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （三）、液体再分布器 2、升气管式分配器 结构如图5－19所示，气体沿升气管上升，液体沿降液管下降。该结构适用于直径800mm以上的塔，且上升气体量较大时的场合。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （三）、液体再分布器 3、斜板复合式再分布器 结构如图5－20所示，把支承板、收集器、再分布器结合在一起，可以减小塔的高度。这种结构液体的均布性能好，导流——集液板的上下板均能作液体导流，并确保汇集全部液体，操作弹性大，适应性好。因此，该装置特别适宜在液体负荷变化较大场合下使用。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （四）、支承板 填料的支承结构不仅要承受湿填料的全部载荷，而且要使上升的气体能够顺利地通过，因此，不但要求支承板有足够的强度和刚度，而且要有足够的自由截面积，使支承处不致首先发生液泛，常用的支承结构有栅板、气体喷射式支承板等。 1、栅板 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （四）、支承板 2、气体喷射式支承板 对于空隙率较大的填料，相应地必须增大栅板的自由横截面积。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （五）、接管 1、气体进出口管 气体的进口管结构要求既能防止液体淹没气体通道，又能防止固体颗粒的沉积堵塞。 29 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 第三节 填料塔 三、填料塔的主要部件及结构 （五）、接管 2、液体进出口管 液体进口管多是直接通往液体分布器，其结构按液体分布器的要求而定。 第五章塔设备——填料塔 2024/11/25 目标与要求 概述 传质基础知识 思考与练习 填料塔 思 考 题 5－1 简述吸收、精馏、萃取的基本原理。 5－2 塔设备主要由哪几部分组成？ 5－3 填料有哪几种？各有什么特点？ 5－4 为什么要对填料层分段？ 5－7 支承板的作用是什么？液体再分布装置的作用是什么？ $$