2.2　塔设备

在石油、化工、轻工等生产部门，塔设备主要用在气相与液相或液相与液相之间传质或传热过程，如萃取、精馏、解吸、吸收及吸附等过程。要较好地完成上述过程，化工生产对塔设备的一般要求是：塔设备内部必须提供使气-液两相或液-液两相尽可能充分接触的时间、面积及两相分离的空间；在操作过程中要尽可能减小塔内的动力和热量消耗；另外，还应使塔具有较大的操作弹性，较简单的结构，易于制造及安装维修等。要同时满足上述要求是很难的。因此，一般塔设备根据实际的传质及操作条件来具体对待，针对主要问题，采用合理的塔设备结构。

化工生产中工艺条件是千差万别的，因而与之相适应的塔设备的种类也多种多样。塔设备按在生产操作过程中的作用来分，可分为精馏塔、解吸塔、吸收塔和萃取塔等；按塔设备内部的压力来分，可分为“加压塔”（即塔设备内部的压力大于外界的大气压力）、“常压塔”（即塔设备内部的压力等于外界的大气压力）和“减压塔”（即塔设备内部的压力小于外界的大气压力）；按塔设备的内件来分，可分为板式塔和填料塔，这也是塔设备通用的分类方式。无论是哪一种塔设备，都是圆柱形直立设备，比较高大，一般放置在室外。

2.2.1　板式塔

2.2.1.1　板式塔的总体结构

板式塔的总体结构如图2-22所示，由以下几部分组成。

（1）塔顶部分

塔顶是气液分离段。为了使气液分离充分，必须使塔顶部分具有较大的空间，以降低气体上升速度，便于液滴从气体中分离出来。为此，有些塔还常在塔顶安装一些除沫装置，常用的有惯性分离器、离心分离器和丝网除沫器等。塔顶通常装有气体出口接管。

（2）塔体部分

塔体内部装有板式塔的主要结构元件之一——塔盘，气-液或液-液两相在塔盘上充分接触，达到传质和传热的目的。塔盘上设有溢流装置，包括溢流堰、降液管和受液盘。塔体外表面上安装有进出物料管、人孔、视孔和各种仪表接管等。另外，为了便于人上塔操作（包括检修），在塔外侧还设有扶梯和平台；塔内流体温度不是接近常温状态时，往往还需要在塔的外表面安装保温层，设有保温层支持圈等。

（3）裙座部分

塔体的最下部分是裙式支座，它是塔体的支承物件（也称支座，简称裙座）。它的上端与塔体下封头焊接在一起，下端通过地脚螺栓固定在基础上。

2.2.1.2　板式塔传质元件的种类

板式塔按塔盘上传质元件的特性和结构来分又可分为泡罩塔、浮阀塔和筛板塔等。

（1）泡罩塔

泡罩塔是工业生产上最早出现的典型板式塔，它最主要的传质元件是泡罩。图2-23所示为应用最广泛的一种圆筒形泡罩，其直径在100mm左右。它由升气管和带有梯形齿缝的圆筒形泡罩组成，升气管下端固定在塔盘上，而泡罩则由弯曲90度的螺柱和螺母固定在升气管上。气体（或蒸汽）由下一层塔板上升进入升气管，通过泡罩齿缝进入塔板上的液层，在液体中会鼓泡，与液体充分接触，进行传质或传热。

泡罩塔在生产中被广泛地应用于精馏、吸收、解吸等传质过程中，其气液接触比较充分，塔板效率较高；塔的操作弹性大，便于操作，气速很低时也不会严重漏液；具有较高的生产能力，可适用于大型生产。但随着技术的进步，出现了各种新型高效的板式塔，与它们相比较泡罩塔主要缺点是结构复杂，造价较高，安装维修麻烦，气相压力降较大等，因而限制了它的使用范围，逐渐被其他新的塔型取代（老塔还在用，新建装置已不用泡罩塔了）。

（2）浮阀塔

浮阀塔是20世纪50年代发展起来的一种塔盘结构，大型浮阀塔直径可达10m，塔高达83m，塔板可有数百块，目前在化工生产中应用最广泛。浮阀的类型也很多，有盘形浮阀和条形浮阀，其中盘形浮阀应用最广，而F-1型盘形浮阀最常用。

F-1型浮阀（国外通称V-1型）的结构如图2-24所示。它是用钢板冲压而成的圆形阀片，把三条阀腿装入塔板的阀孔之后，用工具将阀腿的脚扭转90°，则浮阀就被限制在阀孔内，只能上下运动而不能脱离塔板。当气速大时，浮阀被吹起，达到最大开度；当气速减小时，气体的动压头小于浮阀的自重，于是浮阀下落；当气速再小时，浮阀周边上三个朝下倾斜的定距片与塔板接触，此时开度最小。定距片的作用是保证最小气速时还有一定的开度，使气体与塔板液体均匀地鼓泡，避免浮阀与塔板粘住。浮阀的开度随塔内气相负荷的大小自动调节，可以增强传质的效果。

由生产实践证明，浮阀塔具有以下优点：由于浮阀的开度大小可以自动调节，因此它的操作弹性大，适用于产量波动和变化的情况；浮阀不断上下运动，阀孔不易被脏物或黏性物料堵塞，塔板的清洗也比较容易；与泡罩塔相比，生产能力、塔板效率高，操作周期也长，并且结构简单，安装容易，节省材料，制造和维修费用比泡罩塔低。

（3）筛板塔

筛板塔的结构与浮阀塔相类似，不同之处是塔板上不是开设装置浮阀的阀孔，而只是在塔板上开设许多直径3～5mm的筛孔，因此结构非常简单。当塔内上升气体的气速很低时，因为通过筛孔的气体的动压头很小，所以塔板上回流液全部由筛孔漏下，塔板上无法维持液层，使气相和液相无法进行充分接触；当气速逐渐增大，通过筛孔的气体动压头达到一定的数值时，回流液在塔板上便形成液层；随着气速的增加，液层的高度也不断增加，液体就开始越过溢流堰从降液管流到下一层塔板，此时气相和液相通过鼓泡进行传质和传热。图2-25所示为筛板塔简单的操作和非操作时的示意图。

筛板塔与泡罩塔相比较有下列优点：生产能力比泡罩塔大10%～15%；塔板效率比泡罩塔高15%；金属材料消耗量仅是泡罩塔的60%；结构简单，制造、安装和检修都比较容易。筛板塔的主要缺点是筛孔容易生锈或被脏物堵塞，堵塞后筛孔便失效。

2.2.1.3　塔盘的结构

塔盘应具有一定的刚度，这样在承受一定液体重量时才能保持水平；塔盘与塔壁之间应有一定的密封，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装和维修，并且造价要低。

塔盘的结构主要有两种形式：整块式和分块式。整块式塔盘通常用在直径在800～900mm的小直径塔内，分块式塔盘一般用在直径在1000mm以上的大直径塔内。

（1）整块式塔盘

整块式塔盘的结构如图2-26所示，因为塔径较小，人无法进入安装，所以整个塔由若干个塔节组成，各塔节用法兰和螺栓连接。每个塔节装有几层塔盘，塔盘之间用定距管和拉杆固定。为装配方便，塔盘与塔壁之间留有一定的间隙，每装完一层塔盘要用填料（一般采用直径为10～12mm石棉绳放置2～3层）填满间隙，用螺母拧紧压板，使压圈压紧填料，保证密封。

每个塔节的两端法兰密封面一定要保持平行和对中心轴线的垂直度，这样才能保证整个塔体的垂直度和每层塔板的水平。

（2）分块式塔盘

在直径较大的板式塔中，为了便于安装检修和增大塔板的刚度，将塔盘分为若干块塔板，再由塔板拼装成一整块塔盘，这种塔盘称为分块式塔盘。分块式塔盘中的塔板根据装配的位置不同分为矩形板、弓形板和通道板三种。其中通道板在安装时最后安装，拆卸时最先拆除。为了增大塔板的刚度，每块塔板冲压出折边，一般有两种形式——自身梁式和槽式，分别如图2-27（a）、（b）所示。

分块式塔盘安装时将各块塔板从人孔送入塔内，拼装在焊于塔壁上的支承圈上。支承圈一般用扁钢或角钢按塔内径煨弯而成。为了便于工作人员进入塔内对塔盘进行清洗和维修，每层塔盘上的分块式塔板之间的连接以及塔板与支承圈的连接等多采用可拆连接结构。与分块式塔盘相对应，塔体不再分塔节，而是焊接成设有人孔的整体圆筒。

2.2.1.4　溢流装置

根据液体的回流量和气液比，液体在塔板上的流动常采取三种不同的形式，如图2-28所示。当回流量较小、塔径也较小时，为了延长气相和液相在塔板上的接触时间，常采用U形流动；当回流量较大而塔径较小时，则采用单溢流动；当回流量较大、塔径较大时，为了缩短塔盘上液体的停留时间，常采用双溢流动，甚至采用四溢流动。表2-1给出了在一定的塔径下，常采用的液体的流量和溢流形式。

板式塔内溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等。当回流量较大时，溢流堰的高度应低些，长度应大些，这样可以减小溢流堰以上的回流液层高度，降低气体通过液层时的塔板压力降。回流量较大时也可用增加辅堰的方法减小堰上液层的高度，同时还可减小沿塔盘边缘流动路程，使回流液在塔盘上停留的时间均匀。辅堰的结构如图2-29（a）所示。当回流量较小时，为了使回流液均匀地由塔盘流入降液管，采用齿形堰的结构形式以减小溢流堰的有效长度，如图2-29（b）所示。

降液管的形式和大小也与回流量有关，同时还取决于液体在降液管内的停留时间。为了更好地分离气泡，一般取液体在降液管内的停留时间为2～5s，由此决定降液管的尺寸。常采用的降液管为弓形，如图2-30所示。

受液盘有平板形和凹形两种结构形式，一般采用凹形，因为凹形受液盘不仅可以缓冲降液管流下的液体冲击，减小因冲击而造成的液体飞溅，而且当回流量较小时也具有较好的“液封”（即用一定高度的液层封住气体，使气体不能通过）作用，同时可以使回流液均匀地流入鼓泡区。受液盘的结构如图2-31所示，在凹形受液盘上常开有2～3个泪孔，其作用是在检修前停止操作后，可以在半小时内使凹形受液盘里的液体流净。

2.2.2　填料塔

板式塔气相和液相主要是在塔盘上进行传质的，而填料塔气相和液相的传质过程主要是在填料内、外表面上进行的。填料塔的主要结构如图2-32所示，它主要由塔体、喷淋装置、填料、再分布器、栅板等组成。气体由塔底进入塔内，经填料上升，液体由喷淋装置喷出后，洒在填料上并沿填料表面往下流，气、液两相在填料上充分接触，从而达到传质的目的。因此要求填料的表面积要尽量大，操作时要使液体充分湿润填料的表面，形成液膜。

2.2.2.1　填料的种类

填料塔所用的填料可分为实体填料和网体填料两大类。实体填料包括拉西环及其衍生型如鲍尔环、鞍形填料等，网体填料则包括由丝网体制成的各种填料如鞍形网等。

（1）拉西环

拉西环是所有填料当中使用最早的一种，其形状如图2-33（a）所示。它通常是外径与高相等的圆筒体，其壁厚在满足强度要求的前提下，可尽量薄。

拉西环常用的材质是陶瓷，也可采用金属或塑料制造。拉西环在塔内的填充方式有两种：乱堆和整砌。为了提高抗压能力，一般在填料的底层采用外径较大的填料整砌，而在填料的上层则采用外径较小的填料乱堆。

（2）鲍尔环

鲍尔环的材料有金属、塑料、陶瓷几种。它是在拉西环的壁上开一排或两排长方形小窗（一般直径小于25mm的环开一排窗）。鲍尔环的结构如图2-33（b）所示，小窗的叶片向环中心弯入，在中心处相搭，上下两排小窗的位置相错。由于开了窗，增加了气液两相接触的机会，使气液分布更均匀，提高了塔的传质效率和生产能力，降低了塔内的压力降。因此它的应用比拉西环更广泛。

（3）鞍形填料

鞍形填料有两种形式——矩鞍形及弧鞍形，分别如图2-33（c）、（d）所示。这两种填料都是敞开式的，表面利用率较高，压力降小，传质效率高。矩鞍形填料是对称式的，容易重合，会使下面的填料得不到充分利用；弧鞍形填料则避免了上述缺点，因而后者更具有发展潜力。

（4）阶梯环

阶梯环的形状如图2-33（e）所示，是对鲍尔环进一步改进的结果。它的一端为圆筒形鲍尔环，另一端为喇叭圆筒形。这种填料由于两端形状不对称，装入塔内可以减小填料之间相互重叠，使表面得以充分利用，同时增大了它们之间的空隙，使压力降降低，传质效率提高。

以上介绍了几种较典型的散装填料。应指出，随着化工技术的发展，不断有新型填料开发出来。这些填料构型独特，均有各自的特点，如图2-33（f）所示的共轭环填料和图2-33（g）所示的海尔环填料等。

另外，除了散装填料以外，现在已开发出多种整块式填料，类似于板式塔中整块式塔盘的塔板整块整块地装入塔内，或像分块式塔盘中的塔板一样，一块块由人孔送入塔内拼装成整块，并一层一层叠加。

2.2.2.2　液体喷淋装置

塔顶的液体喷淋装置也称液体分布装置，作用是将液体均匀地喷洒在塔顶填料上，使填料表面能够全部被淋湿。喷淋装置的类型很多，常用的有喷洒型、溢流型和冲击型等。

（1）喷洒型

对于直径较小的填料塔使用管式喷洒器，如图2-34所示。由塔顶进料管的出口或缺口（可以是直管、弯管或缺口管等）直接喷洒在填料上。该结构虽简单，但喷淋面积小而且不均匀。对于直径较大的塔体，可采用多支管（或排管）喷洒器，环管多孔喷洒器（图2-35），甚至多圈环管，以及莲蓬头喷洒器（图2-36）。这几种喷洒器结构比较简单，都在管子上开有喷洒孔，喷洒比较均匀，但要求喷淋液不能含固体颗粒，否则容易填塞喷洒器小孔；另外，操作时液体压力必须维持在恒定值，否则喷淋半径会改变，造成喷洒不均匀。

（2）溢流型

溢流型喷洒器有两种形式：一种是中央进料式的盘式分布器（图2-37），液体由进料管加到喷淋盘内，然后从均布在分布板上的降液管矩形或齿形缺口处均匀往下喷淋，分布板上钻有泪孔，以便在停工检修时排净板上的液体；另一种是分布槽（图2-38），液体由顶槽进入各分槽，然后沿分槽的开口溢流，喷洒在填料上。

近年来出现了一种新的槽盘式分布器，将上述盘式分布器和分布槽的优点结合在了一起。

（3）冲击型

图2-39所示为常用的反射板式喷淋器，具有一定速度的液体从管内流出，冲击在反射板（有平圆形、凸球面或圆锥形）上使液体向四周飞溅，达到均匀喷淋的目的。反射板中央钻有一些小孔，以便部分液体由小孔流出，喷淋中央部分的填料。

2.2.2.3　液体再分布器

气体沿塔体上升时，速度按塔的横截面积分布是不均匀的，中央的速度大，靠近塔壁的速度小，这样对向下流的液体作用力也就不一样；液体向下流动时，沿着壳体内壁流动比在填料中流动更容易，阻力更小。这两种因素都使得液体流经填料层时有向塔壁倾斜流动的现象，称为壁流。这样在填料层下部的一定高度内，中心部分的填料便不能被充分淋湿，使得气、液两相不能充分接触，降低了传质效果，甚至出现“干锥”现象。因此，要采用液体再分布器使液体流经一定高度填料后再重新分布。

在常见的液体再分布器中，分配锥（图2-40）是最简单的。将分配锥直接焊接在塔壁上，沿壁流下的液体被分配锥导向塔体的中央部分。此种结构适用于小直径的塔设备，对于大直径的塔设备可采用槽形再分布器，如图2-41所示。

2.2.2.4　填料的支承结构

填料的支承结构不仅要支承全部湿填料的重量，还必须使上升的气体能够顺利通过。因此，不但要求它具有足够的强度和刚度，还必须具有足够的自由截面积，使在支承处不致发生液泛。

化工生产中常见的栅板支承结构如图2-42所示。栅板的板条间距为填料外径的60%～80%，才能保证填料堆放。对于孔隙率比较大的填料，相应地增大栅板的自由横截面积，这时可采用开孔波形板支承结构，如图2-43所示。因为波形板的波纹侧面和底面均开孔，自由截面积较栅板支承结构大，有利于气体通过。

2.2.2.5　裙式支座和吊柱

无论是填料塔还是板式塔，塔体都是由裙式支座支承并安装固定在混凝土基础上的，常采用的裙座有圆筒形裙座和圆锥形裙座两种。圆筒形裙座通常用在承受风载荷和地震载荷不大的塔上；圆锥形裙座的稳定性要比圆筒形裙座要好，因而它通常用于承受风载荷和地震载荷较大的高塔。

对于室外无框架的塔，为了方便在安装、检修时起吊塔板、填料及其他零部件，一般会在塔顶设置可转动的吊柱，如图2-44所示。吊柱的位置应能使吊钩的垂直中心线可以转到塔壁人孔附近，以便于零件从人孔进出时起吊。

2.2.2.6　其他部分

为了防止气量较大时将塔内液体（液沫）带出填料塔，一般在塔顶内部设置除沫器；为了防止气量较大时将塔内填料吹翻，可以在填料上面设置填料压紧装置。

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一项分离新技术——超重力工程技术

目前，以板式塔为主要分离手段的蒸馏技术仍是工业上使用最广泛的一种分离混合物的方法，但并不是对于所有混合物的分离，蒸馏技术都是适用的或最好的方法，即使是对于最适合的场合，也还有一个提高分离效率和节能降耗的问题。所以，人们在继续开发新型塔板的同时，又着眼于开发新的化学工程，以寻求新的特殊的蒸馏方法，而超重力工程技术就是其中之一。这一技术诞生的标志是20世纪70年代末至80年代初英国帝国化学工业公司（ICI）设计的“旋转填料床——Higee蒸馏装置”以及后续提出的有关多项专利。Higee蒸馏装置是为了强化热质分离，即用于流体混合物的分离而开发的。它首次将离心力场作为一项特定手段用于传质过程的强化，引起了工业界的重视。它的工作机理是，通过对蒸馏环境施加一个离心力，气体流速会大大增加，所增加的能量会大大提高处理能力。同时，高度的湍流和大量增加的每个离心元件的比表面积将极大地改进质和量的传递，从而可使设备尺寸设计得很小。由于它适用性广，设备精小安全，产品质量高，因此被公认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为“化学工业的晶体管”和“跨世纪技术”。