塔设备的机械设计

阶梯环：一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对 称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料 表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降 降低，传质效率提高。
鞍形填料：这种填料重迭部分少，空隙率大，利 用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是 弧鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传 质效率的波纹成４５°，盘与盘之间成９０°排列，结 构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温 度及腐蚀情况采用不同的材料。
一、 喷淋装置
液体喷淋装置设计的不合理，将导致液体 分布不良，减少填料的润湿面积，增加沟流和 壁流现象，直接影响填料塔的处理能力和分离 效率。液体喷淋装置的结构设计要求是：能使 整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单， 制造维修方便。
塔径DN=300～500mm时，塔节高度L=800～ 1000mm；塔径DN=600～700mm时，塔节高度 L=1200～1500mm。 为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-6块。
降液管的结构有弓形和圆形两类
另设溢流堰圆形降液管
圆形降液管伸出塔盘表面兼作流堰的圆形降液管
图6-5弓形降液管结构
图6-6弓形降液管的液封槽
塔盘结构有整块式和分块式两种。当塔径 在800~900 mm以下时，建议采用整块式塔盘。 当塔径在800~900 mm以上时，人可以在塔内 进行装拆，一般采用分块式塔盘。
1. 整块式塔盘
此种塔的塔体由若干塔节组成，塔节与塔 节之间则用法兰连接。每个塔节中安装若干块 层层叠置起来的塔盘。塔盘与塔盘之间用管子 支承，并保持所需要的间距。图为定距管式支 承塔盘结构。
2．分块式塔盘
在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式 塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板 的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很 不方便。因此，当塔径在800 ～900 mm以上 时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整 体圆筒，不分塔节 。
分块式塔盘
做成分块式的原因
1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀； 2）对碳钢，塔板厚3~4mm，不锈钢2~3mm，塔 径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚 度出发，仍要分块； 3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出， 人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。
1—塔盘板 2—降液管 3—拉杆 4—定距管 5—塔盘圈 6—吊耳 7—螺栓 8—螺母 9—压板 10 —压圈 11—石棉绳
定距管式塔盘结构
定距管式塔盘
用定距管和拉杆将同一塔节内的几块塔盘支承并固定 在塔节内的支座上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间 距的作用。
塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧。 高度随塔径增加。
科技前沿
(1)开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流 量的填料。 (2) 与不同填料相匹配的塔内件结构。 (3) 填料层中液体的流动及分布规律。 (4) 蒸馏过程的模拟。
填料塔结构
填料塔在传质形式上与板式塔不同，它是 一种连续式气液传质设备。这种塔由塔体、喷 淋装置、填料、再分布器、栅板以及气、液的 进出口等部件组成，典型结构如图所示。
图 6-13用楔形紧固件盘连接
三、塔盘的支承
对于直径不大的塔（例如2000mm以下）， 塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈。支持 圈一般用扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成， 有时也有用角钢的。若塔盘板的跨度较小，本 身刚度足够，则不需要用支承梁， 可以只用 支承圈支承。
对于直径较大的塔（例如2000mm以上），则 由于塔盘板的跨度过大以致刚度不够，需要用 支撑梁结构。
塔设备完成的单元过程有：精馏、吸收、解 吸、萃取。这些过程是在一定的温度、压力、流 量等工艺条件下完成的。因此，塔的结构必须保 证气－液两项，或者液－液两项的充分接触，和 必要的传质、传热面积、以及两项分离的空间。
塔设备除要满足工艺条件以外，还应满足下列条 件：
1. 气液两相充分接触，相际间传热面积大， 接触时间充分。
降液管及溢流堰、紧固件和支承件等。 3．除沫装置 用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。 4．设备管道 包括用于安装、检修塔盘的人孔，用于气体和物料进出的接管，
以及安装化工仪表的短管等。 ５．塔附件 包括支承保温材料的保温圈、吊装塔盘用的吊柱以及扶梯平台等。
二、 塔盘结构
塔盘实际上是塔中的气、液通道。为了满足正 常操作要求，塔盘结构本身必须具有一定的刚 度，以维持水平；塔盘与塔壁之间应有一定的 密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、 安装、维修，并且成本要低。
图6-25 分布槽
1－主槽
2－分槽
槽式孔流分布器
3、冲击型
反射板式喷淋器
二、 液体再分布器
当液体流经填料层时，液体有流向器壁造 成“壁流”的倾向，使液体分布不均，降低了 填料塔的效率，严重时可使塔中心的填料不能 润湿而成“干锥”。因此在结构上宜采取措施， 使液体流经一段距离后再行分布，以便在整个 高度内的填料都得到均匀喷淋。
与整块式的区别
分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构 整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构
塔盘板结构
主要有自身梁式和槽式。
图6-9 塔盘板结构
通道板——
接近中央处设置，塔内清洗和维修。 在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。 也可用一块塔盘板代替，见下图
分块式塔盘之间的连接
m02一塔设备内件质量，kg；
m03—塔设备保温材料质量，kg；
m04一平台、扶梯质量，kg；
m05—操作时塔内物料质量，kg；
ma—人孔、法兰、接管等附属件质量，kg；
mw—液压试验时，塔器内充液质量，kg；
me—偏心质量，kg；
（2）地震载荷的计算
当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在
图6-20 管式喷洒器
环管多孔喷洒器
DN≤1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构 简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不 够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。 （环管下面开小孔，一般为3~5排）。
图6-21 环管多孔喷洒器
莲蓬头喷洒器
主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制 造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊 液体，一般可用于塔径小于600mm的塔中。
喷淋装置的类型很多，常用的有喷洒型、溢流 型、冲击型等。
1. 喷洒型
对于小直径的填料塔（例如300mm以下） 可以采用管式喷洒器，通过在填料上面的进液 管（可以是直管、弯管或口管）喷洒，如图所 示。该结构的优点是简单，缺点是喷淋面积小 而且不均匀。
管式喷洒器
DN≤300mm，可选用管式喷洒器，通 过填料上的进液管（直、弯或缺口） 进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较 小且不均匀。
填料
填料大致可分为实体填料和网体填料两种。
拉西环:（瓷环）填充方式有乱堆和整砌两种。 拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）
发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的 气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小， 工业上已较少应用。
鲍尔环：在金属拉西环的壁上开了一排或两排 长方形的小窗，小窗叶片向环中心弯入，在中 心处相搭，上下两排小窗的位置相错，增加了 接触面积，效率得到了提高。
图6-22 莲蓬头喷洒器
2．溢流型
盘式分布器是常用的一种溢流式喷淋装
置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷
淋盘内的降液管溢流，淋洒到填料上。中央进
料的盘式分布器如图所示。喷淋盘一般紧固在
焊于塔壁的支持圈上，与塔盘板的紧固相类似。
分布板上钻有直径约3mm的小泪孔，以便停
车时将液体排净。
槽式分布器 主要用于DN＞1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性 好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图8－52），液体先 加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上 有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于 同一水平面上，再由此溢流到填料上。
2. 阻力小，压降小，塔内热量损失少 。 3. 生产能力大，即气液处理量大。 4. 操作稳定，操作弹性大。 5. 尽力减少雾沫夹带和泄露量，及液泛的可
能。 6. 结构简单，制造、安装、维修方便，设备
的投资及操作费用低。 7. 耐腐蚀，不易堵塞，检修方便。
下列情况优先选用填料塔:
1）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有高的 传质效率，故可采用新型填料以为降低高度； 2）对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小， 压降小，故可有限选择真空操作下的填料塔； 3）具有腐蚀性的物料，可选择填料塔； 4）容易发泡的物料，宜选用填料塔；
m0 m01 m02 m03 m04 mw ma me (kg) (6-3)
设备吊装时的质量，这时设备质量最小，简称 设备最小质量：
m0 m01 0.2m02 m03 m04 ma me (kg) (6-4)
式中m01—— 塔设备壳体（包括裙座）质量，按求出 的壁厚Sn，Sns，及SnH计算，(Sn，Sns，及SnH分 别为塔体、裙座和封头的名义壁厚，mm。)；
在液体再分配器中，分配锥是最简单的，如 图所示，沿壁流下的液体用分配锥再将它导至 中央。
三、 支承结构
填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而 且须有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液 泛。
在填料塔中，最常用的填料支承是栅板，如图所示。 在设计栅板的支承结构时，需要注意下述各点。
(1)栅板必须有足够的强度和耐腐蚀性； (2)栅板必须有足够的自由截面，一般应和填料的自由
2．塔体承受的各种载荷的计算
自支承式塔设备的塔体除承受工作介质压力 之外，还承受自重载荷、风载荷、地震载荷及 偏心载荷的作用。
（1）塔设备自重载荷的计算
塔设备的操作质量：
m0 m01 m02 m03 m04 m05 ma me (kg) (6-2)
塔设备水压试验时的质量，这时设备质量最大， 简称设备最大质量