1、第五章第五章 塔式反应器塔式反应器第一节 概述第二节 填料塔第三节 板式塔第四节 设计举例 第一节第一节 概述概述 在炼油、化工生产中，气液两相直接在炼油、化工生产中，气液两相直接接触进行传质传热的过程很多（精馏、吸收、解接触进行传质传热的过程很多（精馏、吸收、解吸、萃取等），这些过程都是在一定压力、温度、吸、萃取等），这些过程都是在一定压力、温度、流量等工艺条件下，在一定的设备内完成的。这流量等工艺条件下，在一定的设备内完成的。这些设备都是竖直安装的圆筒形容器，而且长径比些设备都是竖直安装的圆筒形容器，而且长径比较大，形状如塔，习惯上称为较大，形状如塔，习惯上称为塔设备塔设备。在化工生产中，
2、塔设备的性能对整个装置的在化工生产中，塔设备的性能对整个装置的产品产量、质量、三废处理等各方面都有重大影产品产量、质量、三废处理等各方面都有重大影响。响。表表5-1 化工生产装置中各类工艺设备所占投资比例化工生产装置中各类工艺设备所占投资比例类别类别搅拌设备搅拌设备反应设备反应设备换热设备换热设备塔设备塔设备石油化工石油化工6.1522.9145.5525.39石油炼制石油炼制2.6313.0249.5034.85人造纤维人造纤维12.192.3040.6144.90药物和制药物和制药药33.6130.6025.929.87油脂工业油脂工业19.588.9950.9420.49油漆和涂油漆和涂
3、料料53.6622.0312.9111.40橡胶橡胶15.3812.0457.4715.11投投资费用及用及钢材材耗量耗量仅次于次于换热设备。塔设备可以用作反应器应用于气液相反应，例如，塔设备可以用作反应器应用于气液相反应，例如，加氢、硫化、卤化、氧化等化学反应过程。加氢、硫化、卤化、氧化等化学反应过程。（1 1）塔设备分类：按结构分类）塔设备分类：按结构分类塔塔设设备备分分类类：几种常见的塔设备几种常见的塔设备塔设备分类：按用途分类塔设备分类：按用途分类塔塔设设备备分分类类：精馏塔精馏塔利用液体组分中分组分的挥发性的差异来分离利用液体组分中分组分的挥发性的差异来分离各液体组分叫蒸馏，多次蒸馏
4、的过程叫精馏。各液体组分叫蒸馏，多次蒸馏的过程叫精馏。常减压塔常减压塔。萃取塔萃取塔对于各组分沸点相差很小的液体混合物，利用对于各组分沸点相差很小的液体混合物，利用精馏分离困难，可以考虑在混合物中加入某种沸点较高精馏分离困难，可以考虑在混合物中加入某种沸点较高的溶剂，利用溶解度的差异分离。的溶剂，利用溶解度的差异分离。-丙烷脱沥青中的抽丙烷脱沥青中的抽提塔。提塔。洗涤塔洗涤塔 用水去除气体中无用组分。用水去除气体中无用组分。吸收吸收-解吸塔解吸塔利用混合气体在溶液中的溶解度不同，利用混合气体在溶液中的溶解度不同，通过吸收液来分离气体的工艺过程为吸收，逆过程为通过吸收液来分离气体的工艺过程为吸收
5、逆过程为解吸。炼厂气中回收乙烯和丙烯（变压吸附）。解吸。炼厂气中回收乙烯和丙烯（变压吸附）。（2）塔式反应器的特点）塔式反应器的特点填料塔填料塔 优优点点：结结构构 简简单单，耐耐腐腐蚀蚀，轴轴向向返返混混可可忽忽略略，能能获获得得较较大大的液相转化率，气相流动压降小，降低了操作费用。的液相转化率，气相流动压降小，降低了操作费用。缺缺点点：液液体体在在填填料料床床层层中中停停留留时时间间短短，不不能能满满足足慢慢反反应应的的要要求求，且且存存在在壁壁流流和和液液体体分分布布不不均均等等问问题题，其其生生产产能能力力低低于板式塔。于板式塔。应应用用：适适用用于于快快速速和和瞬瞬间间反反应应过过
6、程程，特特别别适适宜宜于于低低压压和和介介质具腐蚀性的操作。质具腐蚀性的操作。填填料料塔塔要要求求填填料料比比表表面面大大、空空隙隙率率高高、耐耐蚀蚀性性强强及及强强度度和和润湿等性能优良。润湿等性能优良。优优点点：逐逐板板操操作作 ；轴轴向向返返混混降降到到最最低低，并并可可采采用用最最小小的的液液流流速速率率进进行行操操作作，从从而而获获得得极极高高的的液液相相转转化化率率 ；气气液液剧剧烈烈接接触触，气气液液相相界界面面传传质质和和传传热热系系数数大大 ；板板间间可可设设置置传传热热构构件件，以以移移出出和和移移入入热热量量 。缺缺点点：反反应应器器结结构构复复杂杂，气气相相流流动动压压
7、降降大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作 。应应用用：适适用用于于快快速速和和中中速速的的传传质质过过程程控控制制的的化化学学反反应应过过程程，大大多多用用于于加加压压操操作作过程过程 。板式塔板式塔 喷喷雾雾塔塔是是气气膜膜控控制制的的反反应应系系统统，适适于于瞬瞬间间反反应应过过程程。塔塔内内中中空空，特特别别适适用用于于有有污污泥泥、沉沉淀淀和和生生成成固固体体产产物物的的体体系系。但但储储液液量量低低，液液相相传传质质系系数数小小，且且雾雾滴滴在在气气流流中中的的浮浮动动和和气气流流沟沟流流存存在在，气气液液两两相相返返混混严重。严重。喷雾塔喷雾塔鼓泡塔鼓泡塔
8、储储液液量量大大，适适于于速速度度慢慢和和热热效效应应大大的的反反应应。液液相相轴轴向向返返混混严严重重，连连续续操操作作型型反反应应速速率率明明显显下下降降。在在单单一一反反应应器器中中，很很难难达达到到高高的的液液相相转转化化率率，因因此此常常用用多多级级彭彭泡泡塔塔串串联联或或采采用间歇操作方式用间歇操作方式 （3）塔式反应器选型）塔式反应器选型塔式反应器选型一般考虑以下因素：塔式反应器选型一般考虑以下因素：具备较高的生产能力具备较高的生产能力有利于反应温度的控制有利于反应温度的控制有利于反应选择性提高有利于反应选择性提高有利于降低能耗有利于降低能耗能在较少液体流率下操作能在较少液体流率
9、下操作第二节第二节 填料塔填料塔填料塔结构包填料塔结构包括：塔体、液括：塔体、液体分布器、支体分布器、支撑板、液体收撑板、液体收集器、填料等集器、填料等。塔体塔体 塔体是塔设备的主要部件，塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头多。塔体筒体，顶盖以椭圆形封头多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度和除满足工艺条件对它提出的强度和刚度要求外，还应该考虑风力、地刚度要求外，还应该考虑风力、地震、偏心载荷等等。震、偏心载荷等等。塔体材质常采用的有：非塔体材质常采用的有：非金属材料、碳钢、不锈耐酸钢等。金属材料、碳钢、不锈耐酸钢等。塔体支座
10、塔体支座塔设备常采用塔设备常采用裙式支座裙式支座，它，它应当具备足够应当具备足够的强度和刚度，的强度和刚度，来承受塔体操来承受塔体操作重量、风力作重量、风力等引起的载荷。等引起的载荷。人孔和手孔人孔和手孔 人孔是安装和检修人孔是安装和检修人员进出塔器的唯一通道。人员进出塔器的唯一通道。人孔的设置应便于人员进入人孔的设置应便于人员进入任何一层塔板。任何一层塔板。手孔是手和手提灯能伸手孔是手和手提灯能伸入的设备孔口，用于不便进入的设备孔口，用于不便进入或不必进入设备即能清理、入或不必进入设备即能清理、检查或修理的场合。检查或修理的场合。塔内件塔内件 填料塔内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液
11、体填料塔内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置和液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保分布装置和液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作和优良的传质性能十分重要。证填料塔的正常操作和优良的传质性能十分重要。（1）除沫器）除沫器 除沫装置减少液体的夹带损失，确保气除沫装置减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。体的纯度，保证后续设备的正常操作。（2）填料）填料拉西环拉西环鲍尔环鲍尔环鞍环鞍环球形填料球形填料聚丙烯球聚丙烯球共轭环共轭环陶瓷波纹填料陶瓷波纹填料 常常用用的的填填料料有有拉拉西西环环、鲍鲍尔尔环环、矩矩鞍鞍环环
12、等等，材材质质有有陶陶瓷、不锈钢、石墨和塑料。瓷、不锈钢、石墨和塑料。（3）填料支撑装置）填料支撑装置 作用是支撑塔内填料层，对其要求是：作用是支撑塔内填料层，对其要求是：有足够的强度和刚度，能支撑填料重量、填料的有足够的强度和刚度，能支撑填料重量、填料的持液量及操作中的附加压力等；具有大于填料层持液量及操作中的附加压力等；具有大于填料层空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；结构合理，有利于气液相的均匀分布，阻力小，结构合理，有利于气液相的均匀分布，阻力小，便于拆装。便于拆装。（4）填料压紧装置）填料压紧装置 为保持操作中填料层为一高度恒定的固定为
13、保持操作中填料层为一高度恒定的固定床，而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳床，而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，定，在填料层填装后于其上安装填料压紧装置。可以防在填料层填装后于其上安装填料压紧装置。可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。松动和跳动。（5）液体分布装置）液体分布装置第三节第三节 板式塔板式塔总体结构总体结构外观立式筒体结构；外观立式筒体结构；内部设置塔板；内部设置塔板；塔板上设置了降液管、塔板上设置了降液管、工作区、溢流堰、受工作区、溢流堰、受液盘等部件。液盘等部件。气液流向气液流向 液体自上而下，
14、液体自上而下，气体自下而上；气体自下而上；塔体总体上气液两塔体总体上气液两相相逆流逆流流动；流动；塔板上气液两相塔板上气液两相错错流流流动。流动。（1）塔板结构）塔板结构气体通道气体通道：溢流堰溢流堰：降液管：降液管：（2）塔板类型）塔板类型泡罩塔板泡罩塔板优点：弹性大、操作稳定可靠。优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。现状：近二、三十年来已趋于淘汰。现状：近二、三十年来已趋于淘汰。筛塔板筛塔板优点：优点：构造简单、制作方便、成本低、压降小、处理构造简单、制作方便、成本低、压降小、处理量大、清洗维修也。量大、清洗维修也。缺点：操作弹性小、筛孔容易堵塞、安装要求缺点：操作弹性小、筛孔容易堵塞、安装要求高。高。浮阀塔板浮阀塔板舌型塔板舌型塔板 浮舌塔板浮舌塔板斜孔塔板斜孔塔板
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