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塔设备简介及其应用

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塔设备简介及其应用
塔设备是一类塔形的化工设备。 具有一定形状（截面大多是圆形）、一定容积、内外装置一定附件的容器。 用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。经过长期发展, 形成了型式繁多的结构, 以满足各方面的需要。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。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。用以实现蒸馏和吸收两种分离操作的塔设备分别称为蒸馏塔和吸收塔。这类塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会, 使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行, 还要能够使接触之后的气、液两相及时分开, 互不夹带。也有按形成相际接触面的方式和按塔釜型式分类的; 但是, 最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类, 人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料, 细分为多种塔型。

一、板式塔
板式塔内沿塔高装有若干层塔板( 或称塔盘) , 液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底, 并在各块板面上形成流动的液层; 气体则靠压强差推动, 由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内逐级接触, 两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔结构见图1。其液体是连续相而气体是分散相，借助于气体通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速和中速反应过程，具有逐板操作的特点。由于采用多板，可将轴向返混降到最低，并可采用最小的液体流速进行操作，从而获得极高的液相转化率。气液剧烈接触，气液相界面传质和传热系数大，是强化传质过程的塔型。因此适用于传质过程控制的化学反应过程。板间可设置传热构件，以移出和移入热量。 缺点是：反应器结构复杂，气相流动压降大，且塔板需要用耐腐蚀材料制作。
按照塔内气、液流动方式, 可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。错流塔板如图2所示, 板间有专供液体流通的降液管( 又称溢流管) 。适当安排降液管的位置及堰的高度, 可以控制板上液体流径与液层高度, 从而获得较高的效率。但是降液管大约占去塔板面积的20% , 影响了塔板的生产能力; 而且, 液体横过塔板时要克服各种阻力, 降低分离效率。逆流塔板如图3 所示, 板间不设降液管, 气、液同时由板上孔道逆向穿流而过, 故又称穿流塔板。这种塔板结构简单, 板上无液面落差, 气体分布均匀, 板面利用充分, 可增大处理量及减小压强降, 但需要较高的气速才能维持板上液层, 操作弹性差且效率较低, 常用的板式塔有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形喷射塔以及新发展起来的一些新型塔和复合型塔( 如浮动喷射塔、浮舌塔、压延金属网板塔、多降液管筛板塔等) 。
泡罩塔是很早就为工业蒸馏操作所采用的一种气液传质设备。每层塔板上装有若干短管作为上升气体通道, 称为升气管。由于升气管高出液面, 故板上液体不会从中漏下。升气管上复以泡罩, 泡罩下部周边开有许多齿缝。操作条件下, 齿缝浸没板上液层中, 形成液封, 如图4 所示。上升气体通过齿缝被分散成细小的气泡或流股进入液层。板上的鼓泡液层或充气的泡沫体为气- 液两相提供了大量的传质界面。液体通过降液管流下, 并依靠溢流堰以保证塔板上存有一定厚度的液层。泡罩的形式不一, 化工中应用最广泛的是圆形泡罩, 如图5 所示。圆形泡罩在塔板上作等边三角形排列, 泡罩中心距等于直径的4/3. 泡罩塔的优点是不易发生漏液现象, 有较好的操作弹性, 即当气、液负荷有较大的波动时, 仍能维持几乎恒定的板效率; 塔板不易堵塞, 对于各种物料的适应性强。缺点是塔板结构复杂, 金属耗量大, 造价高; 板上液层厚, 气体流径曲折, 塔板压降大, 兼因雾沫夹带现象严重, 限制了气速的提高, 故生产能力不大。而且, 板上液流遇到的阻力大, 致使液面落差大,气体分布不均, 也影响了板效率的提高。因此, 近年来泡罩塔已很少建造。
筛板塔是在塔板上开有许多均匀分布的筛孔, 上升气流通过筛孔分散成细小的流股,在板上液层中鼓泡而出, 与液体密切接触。筛孔在塔板上作正三角形排列, 其直径宜为3~ 8m孔心距与孔径之比在2􀀁5~ 4􀀁0 范围内。塔板上设置溢流堰以使板上维持一定厚度的液层。在正常操作范围内, 通过筛孔上升的气流, 应能阻止液体经筛孔向下泄漏。液体通过降液管逐板流下。筛板塔的突出优点是结构简单, 金属耗量小, 造价低廉; 气体压降小, 板上液面落差也较小, 其生产能力及板效率较泡罩塔高。主要缺点是操作弹性范围较窄, 小孔筛板容易堵塞。近年来对大孔( 直径10mm 以上) 筛板的研究和应用有所进展。大孔径筛板塔采用气、液错流方式, 可以提高气速以及生产能力, 而且不易堵塞。
二、填料塔
填料塔也是一种重要的气液传质设备（填料塔结构见图6）。它的结构很简单, 在塔体内充填一定高度的填料, 其下方有支承板, 上方为填料压板及液体分布装置。液体自填料层顶部分散后沿填料表面流下而润湿填料表面; 气体在压强差的推动下, 通过填料间的空隙由塔的一端流向另一端。气液两相间的传质通常是在填料表面的液体与气相间的界面上进行的。塔壳可由陶瓷、金属玻璃、塑料制成, 必要时可在金属筒体内衬以防腐材料。为保证液体在整个截面上的均匀分布, 塔体应具有良好的垂直度。
填料塔反应器具有结构简单、压降小、能适应各种腐蚀介质和不易造成溶液气泡的优点。特别是在常压和低压下，当压降成为主要矛盾和反应溶剂易与起泡时采用填料塔反应器是合适的。另外, 对于某些液气比较大的蒸馏或吸收操作, 若采用板式塔, 则降液管将占用过多的塔截面积, 此时也宜采用填料塔。缺点是：其一，液体在填料床层停留时间短，不能满足慢反应的要求，同时存在壁流和液体分布不均等问题；其二，它较难从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须增加液体喷淋量带出热量。
近年来, 国内外对填料的研究与开发进展颇快。由于性能优良的新型填料不断涌现以及填料塔在节能方面的突出优势, 大型的填料塔目前在工业上已非罕见。填料是填料塔的核心, 填料塔操作性能的好坏,与所选用的填料有直接关系。填料的种类很多, 大致可分为实体填料和网体填料两大类。实体填料包括环形填料( 如拉西环、鲍尔环和阶梯环) 和鞍形填料( 如弧鞍、矩鞍) 以及栅板填料、波纹填料等由陶瓷、金属、塑料等材质制成填料。网体填料主要是由金属网制成的各种填料, 如鞍形网、网、波纹网等。
三、鼓泡塔
鼓泡塔是一种常用的气液接触反应设备，各种有机化合物的氧化反应及石蜡和芳烃的氯化反应都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中，一般不要求对液相作剧烈搅拌，蒸汽以气泡状吹过液体而造成的混合已足够。
在实际使用中它具有以下优点：（1）气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反应层，保证了气液充分混合，反应良好。（2）反应器结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。（3）反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率高。适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。 （4）在塔的内外都可以安装换热装置。（5）和填料塔比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。 鼓泡塔也有一些难以克服的缺点：（1）为了保证气体沿截面均匀分布，鼓泡塔的直径不宜过大，一般在2-3米以内。（2）鼓泡塔内液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下，可认为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率。（3）鼓泡塔反应器在鼓泡时所耗压降较大。
按结构特征，鼓泡塔可分为空心式、多段式、气提式三种（如图7）。其中空心式鼓泡塔最适用于反应在液相主体中进行的缓慢化学反应系统，或伴有大量热效应的反应系统。当热效应较大时，可在塔内或塔外装置热交换单元，使之变为具有热交换单元的鼓泡塔。为避免塔中的液相返混，当高径比较大时，常采用多段式塔借以保证反应效果。为适应气液通量大的要求或减小气泡凝聚以适用于高粘性液体，使气体提升式鼓泡反应器得到应用，它具有均匀的径向气液流动速度，轴向分散系数较低、传热系数较大、液体循环速度可调节等优点。
四、喷雾塔
喷雾塔结构较为简单，液体以细小液滴的方式分散于气体之中，气体为连续相，液体为分散相。喷雾塔是气膜控制的反应系统，适于瞬间、界面和快速反应过程。也适用于生成固体产物的体系。具有相接触面积大和气相压降小等优点。但储液量低，液相传质系数小，且雾滴在气流中浮动和有气流沟流存在，气液二相返混严重。

[ 1] 刘鸿文主编. 材料力学( 上册) . 北京: 高等教育出版社, 2004.
[ 2]聂清德. 化工设备设计. 北京: 化学工业出版社, 2002.
[ 3] 魏兆灿, 李宽宏主编. 塔设备设计. 上海: 上海科学技术出版社, 1988

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