各类塔体基本结构

1、基本结构

　　鼓泡塔的基本结构。

　　简单鼓泡塔

　　1-塔体;2-夹套;3-气体分布器;4-塔体;5-挡板;6-塔外换热器;7-液体捕集器;8-扩大段

　　主要由塔体和气体分布器组成。塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等;塔内液体层中可放置填料;塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。

　　简单鼓泡塔内液相可近似视为理想混合流型，气相可近似视为理想置换流型。

　　空塔气速应满足两个条件：(1)保证反应过程的选择性;(2)保证反应器体积小。

　　影响传质的因素：

　　当气体空塔气速低于0.05m/s时，气体分布器的结构就决定了气体的分散状况、气泡的大小，进而决定了气含率和液相传质系数的大小。

　　当气体空塔气速大于0.1m/s时，气体分布器的结构无关紧要。此时的气泡是靠气流与液体间的冲击和摩擦而形成，气泡大小及其分布状况主要取决于气体空塔气速。

　　高粘性物系常采用气体升液式鼓泡塔

　　气体升液式鼓泡塔

　　1-筒体;2-气升管;3-气体分布器

　　塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。

　　特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过1m/s，气体升液式鼓泡塔中气升鼓泡管内气体空管速度可高达2m/s，换算塔截面的空塔气速可达1m/s，其液体循环速度可达1～2m/s。

　　吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔;第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔;第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。

　　塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。

　　工业吸收塔应具备以下基本要求：

　　1.塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。

　　2.气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。

　　3.操作范围宽，运行稳定。

　　4.设备阻力小，能耗低。

　　5.具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。

　　6.结构简单、便于制造和检修。

　　几种常用的吸收塔

　　1.填料塔

　　填料塔结构见图1，它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。

　　填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。

　　填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.5～1.2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6～8m3/(m2，h)以保证填料润湿，液气比控制在2～10L/m3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。

　　2.湍球塔

　　湍球塔结构见图2，它是填料塔的一种特殊形式，运行时塔内填料处于运动状态，以强化吸收过程。在塔内栅板间放置一定数量的轻质小球填料(直径29～38mm)，吸收剂自塔顶喷下，湿润小球表面，气体从塔底进入，小球被吹起湍动旋转，由于气、液、固三相充分接触，小球表面液膜不断更新，增加了吸收推动力。提高了吸收效率。

　　该塔制造、安装、维修较方便，可以用大小、质量不同的小球改变操作范围。该塔处理风量较大，空塔气速1.5～6.0m/s，喷淋密度20～110m3/(m2·h)，压力损失1 500～3 800Pa，而且还可处理含尘气体。其缺点是塑料小球不能承受高温，小球易裂(一般0.5～1年)，需经常更换，成本高。

　　3.板式塔

　　板式塔是在塔内装有一层层的塔板，液体从塔顶进入。气体从塔底进入，气液的传质、传热过程是在各个塔板上进行。板式塔种类很多。大致可分为二类：一类是降液管式，如泡罩塔、筛孔板塔、浮阀塔、S形单向流板塔、舌形板塔、浮动喷射塔等;另一类是穿流式板塔，如穿流栅孔板塔(淋降板塔)、波纹穿流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。

　　(1)筛孔板塔

　　筛板结构如图3，筛孔直径一般取5～10mm，筛孔总面积占筛板面积的10%～18%。为使筛板上液层厚度保持均匀，筛板上设有溢流堰，液层厚度一般为40mn左右，筛板空塔风速约为1.0～3.5m/s，筛板小孔气速6～13m/s，每层筛板阻力300～600Pa。筛孔板塔主要优点是构造简单，处理风量大，并能处理含尘气体。不足之处是筛孔堵塞清理较麻烦，塔的安装要求严格，塔板应保持水平;操作弹性较小。

　　(2)斜孔板塔

　　斜孔板塔是筛孔板塔的另一形式，见图4。斜孔宽10～20m，长10～15mm，高6mm。空塔气流速度一般取1～3.5m/s，筛孔气流速度取10～15m/s。气体从斜孔水平喷出，相邻两孔的孔口方向相反，交错排列，液体经溢流堰供***板(堰高30mm)，与气流方向垂直流动，造成气液的高度湍流，使气液表面不断更新，气液充分接触，传质效果较好，净化效率高，同时可以处理含尘气体，不易堵塞，每层筛板阻力约为400～600Pa。该塔结构比筛孔板塔复杂，制造较困难，安装要求严格，容易发生偏流。

　　1、6—溢流堰 2、3、5—斜孔 4—斜孔板

　　(3)文氏管吸收器

　　文氏管吸收器如图5，通常由文氏管、喷雾器和旋风分离器组成，操作时将液体雾化喷射到文氏喉管的气流中，气流速度为60～100m/s，处理100m3/min的废气需液体雾化喷人量为40L/min。文氏管吸收器结构简单、设备小、占空间少、气速高、处理量大、气液接触好、传质较容易，特别适用于捕集气流中的微小颗粒物。但因气液并流，气液接触时间短，不适合难溶或反应速度慢的气液吸收，而且压力损失大(800～9000h)，能耗高。

　　填料塔的吸收设计

　　1.吸收剂用量的确定

　　在设计时需处理的风量(V)及其组成(Y1)、吸收后气体组成(Y2)及吸收剂的组成(X2)是给定的，而出塔的吸收液组成(X1)与吸收剂的用量(1)有关。

　　吸收剂用量一般为L=(1.1～2)Lmin式中 Lmin——吸收剂的***小用量，kmol/h。

　　(1)X1*——与Y1对应平衡时的吸收液浓度(用比摩尔分数表示)。

　　当吸收服从亨利定律时，Y=mX，则式(1)可简化为：

　　(2)式中 m——相平衡常数;

　　小液气比，L/m3。

　　在工程上，若吸收剂用量取Lmin值，则塔为无限高，不现实;若过多增加吸收剂，液气比增大，塔高可降低，但吸收液的解吸、再生、循环使用的能耗加大，不经济。故吸收剂用量应根据工艺过程和经济技术的合理性确定。在选择吸收剂用量时要保证填料有足够的湿润，一般情况下喷淋密度(即每小时每平方米塔截面上喷淋的液体量)大于5m3/(m2·h)。

　　2.填料塔直径的确定

　　(3)式中 D——塔直径，m;

　　V——气体体积流量，m3/s;

　　ω——实际空塔流速，m/s。

　　ω=(0.6～0.8)ωf

　　ωf——液泛点的空塔流速，m/s。

　　3.填料层高度

　　计算方法有等板高度法、传质单元高度法及传质系数法。用等板高度法计算如下：

　　Z=NT(HETP)

　　(4)式中 Z——填料层高度;

　　NT——论塔板数(可用图解法求出);

　　HETP——等板高度(由经验公式求出)。

　　吸收塔高度=填料高度+填料间高度+塔顶空间高+塔底空间高。

　　4.填料层压力降

　　填料层压力降可由填料层压降通用关联图查找、也可用阻力系数法计算。

　　(5)式中 △P——填料层的压降，Pa;

　　ξ——阻力系数;

　　Z——填料层的高度，m;

　　ω——空塔气速，m/s;

　　——气体密度，kg/m3。