МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Техническое решение относится к конструкциям массообменных аппаратов и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов, проходящих при высоких температурах..
Известна колонна с ситчатыми тарелками, состоящая из вертикального цилиндрического корпуса с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий диаметром 1÷5 мм, а для регулирования уровня жидкости на тарелке установлены переливные трубки (А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии»; изд. 14-е, стер. - М.: Альянс, 2008. - с. 451).
К недостаткам этой конструкции относится ограничение допустимых нагрузок по жидкости и газу (пару), так как при слишком малой скорости газа (пара) жидкость просачивается через отверстия тарелки, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия тарелки и, соответственно, к уменьшению интенсивности массоопедачи и снижение производительности.
Известна ситчатая тарелка ректификационной колонны, включающая корпус, в котором установлен плоский перфорированный лист с отверстиями одинакового диаметра, переливное устройство для жидкости и гидрозатвор, при этом тарелка снабжена фасками, выполненными в виде конуса на каждом отверстии плоского листа сверху и снизу (Полезная модель №47762 «Ситчатая тарелка ректификационной колонны», BO1D 3/22, CO1G 23/02, 2005 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится образование крупных пузырьков газа, что уменьшает поверхность контакта фаз и приводит к снижению производительности массообменной тарелки.
Известна массообменная тарелка, включающая перфорированную плиту, устанавливаемую поярусно одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне, и слой насадки, расположенный на плите, при этом слой насадки выполнен в виде коврика из пористого упругого полимерного материала и над ним установлена с помощью крепежных элементов перфорированная крышка с возможностью вертикального перемещения (Полезная модель РФ №135522 "Массообменная тарелка", BO1D 3/00, 2013 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования полимерного материала при высоких температурах, приводящие к его термической диструкции, выкрашиванию и износу, что резко снижает время эксплуатации и производительность колонны.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные диски, имеющие возможность перемещения и выполненные в виде тарелок с переливными патрубками, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, и кольца, закрепленные по краям тарелок по окружности, причем на нижнем торце каждого кольца равномерно по окружности установлены элементы с положительной плавучестью в виде поплавков, а на каждом желобе в зоне переливного патрубка установлены ограничительные пластины (Полезная модель РФ №97931 "Массообменный аппарат", BO1D 3/20, 2010 г.)..
К недостаткам этой конструкции относится неустойчивый режим работы тарелки при образовании крупных пузырьков газа в отверстиях перфорированных дисков, что уменьшает поверхность массопередачи и приводит к снижению производительности.
Техническим результатом является повышение производительности массообменного аппарата.
Технический результат достигается тем, что массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные диски, имеющие возможность перемещения и выполненные в виде тарелок с переливными патрубками, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, и кольца, закрепленные по краям тарелок по окружности, на нижнем торце каждого кольца равномерно по окружности установлены элементы с положительной плавучестью в виде поплавков, на каждом желобе в зоне переливного патрубка установлены ограничительные пластины, при этом перфорированные диски тарелок выполнены из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц.
Выполнение перфорированной плиты из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц (С.В. Белов «Пористые металлы в машиностроении»; - М.: Машиностроение, 1981 - с. 247) позволяет получить газовые пузырьки малого диаметра, что значительно увеличивает поверхность контакта фаз и, соответственно, повышает производительность массообменной тарелки и всего массообменного аппарата. При этом вся поверхность тарелки участвует в массообмене за счет мелкодисперсной структуры пористого материала. Применение массообменного аппарата с тарелками, выполненными из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц, позволяет задействовать в массообмене практически всю зону над поверхностью тарелки за счет создания пенного режима с большим количеством пузырьков малого размера, а значит большой поверхностью массообмена, что увеличивает интенсивность процесса массопереноса и приводит к повышению производительности.
Особенностью работы тарелки массообменного аппарата с переливными патрубками является то, что скорость газа (пара) в свободном сечении тарелки должна быть достаточной, чтобы удерживать жидкость на тарелке. Чем толще слой жидкости, тем больше должна быть скорость газа (пара). Однако чрезмерная скорость газа (пара) приводит к механическому уносу жидкости с одной тарелки на другую. Выполнение массообменной тарелки из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц предотвращает просачивание жидкости через отверстия тарелки и приводит к устойчивому режиму работы массообменного аппарата, что в целом также повышает производительность.
На фигуре 1 показана схема установки двух тарелок в массообменном аппарате предлагаемой конструкции в разрезе, а на фигуре 2 - горизонтальное сечение А-А в зоне установки тарелки, желоба, элементов с положительной плавучестью в виде поплавков и ограничительных пластин.
Массообменный аппарат содержит корпус 1, перфорированные диски тарелок 2, выполненные из пористого металла из спекшихся сферических частиц с переливными патрубками 3, кольцевые желоба 4, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса 1 в местах установки тарелок 2, и кольца 5, закрепленные по краям тарелок 2 равномерно по окружности с диаметром равным среднему диаметру желоба 4. На нижнем торце каждого кольца 5 равномерно по окружности установлены элементы 6 с положительной плавучестью в виде поплавков, а на каждом желобе 4 в зоне переливного патрубка 3 установлены ограничительные пластины 7.
Массообменный аппарат работает следующим образом. При подаче жидкости в корпус 1 массообменного аппарата она заполняет кольцевые желоба 4. Находящиеся в кольцевых желобах 4 элементы 6 с положительной плавучестью в виде поплавков всплывают вместе с тарелками 2, переливными патрубками 3 и кольцами 5, принимая горизонтальное положение. Газ подается в нижнюю часть массообменного аппарата, проходит через поры пористого материала из спекшихся сферических частиц тарелок 2 и барботирует через слой жидкости, находящейся на тарелках 2. Слой жидкости двигается по тарелкам 2 к переливным патрубкам 3 и, вытекая из них, ударяется о слой жидкости на ниже лежащей тарелке, вызывая ее вертикальные, горизонтальные и круговые колебания в пределах угла ϕ.
При колебаниях тарелки жидкость может скапливаться у ее периферии, образуя застойные зоны, что снижает интенсивность процесса массопередачи. Выполнение перфорированных дисков тарелок 2 из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц позволяет интенсивно барботировать мелким пузырькам газа через тарелку по всей ее площади, включая периферийные зоны тарелки.
Таким образом, предполагаемая конструкция массообменного аппарата, позволяющая использовать энергию потока жидкости, вытекающей из каждого переливного патрубка, и выполненная с перфорированными дисками тарелок 2 из пористого металла в виде спекшихся сферических частиц, нивелирует застойные зоны на поверхности тарелок во время их колебаний, позволяет увеличить интенсивность процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз мелких пузырька газа и создания устойчивого режима работы тарелок, что повышает производительность массообменного аппарата.