ТЕПЛО-МАССООБМЕННАЯ ТАРЕЛКА

Полезная модель относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системе «газ (пар) - жидкость» и может быть использована в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки газов от вредных примесей.
Известна ректификационная колонная с колпачковыми тарелками, включающая корпус с технологическими штуцерами, тарелки с паровыми патрубками и переливными устройствами, а также колпачки с вертикальными прорезями, при этом горизонтальные кромки прорезей колпачков снабжены лопатками, расположенными с наружной стороны колпачков радиально и в горизонтальной плоскости. (Патент РФ №2500452, B01D 3/16; 2009 г. ).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие капель жидкости между тарелками по всему сечению колонны, что снижает поверхность контакта фаз и уменьшает производительность колонны.
Известна пленочная тарелка, содержащая сливную трубу, в которой контакт фаз осуществляется либо на поверхности пленки, образующейся в межтарельчатом пространстве, либо на поверхности капель, на которые пленка разбивается восходящим потоком газа (Тимонин А.С., Божко Г.В и др. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. - Калуга: Ноосфера, 2017. - 597 с.).
К недостаткам данной конструкции относится недостаточный диапазон устойчивости работы тарелки в связи с фиксированными диаметром сливной трубы, независящим от температурного режима рабочих сред, что снижает производительность тепло-массообменного процесса.
Известна тарелка с диаметрально расположенными приемными и переливными карманами, снабженными сливными и переливными трубами, паровыми патрубками и колпачками, расположенными на плите тарелки (Касаткин А.Г., Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 477 с.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится создание дисперсной фазы только по пузырькам газа и отсутствие дисперсной фазы по каплям жидкости между тарелками, переходящим при повышении температуры в струи с низкой поверхностью контакта фаз, что приводит к снижению интенсивности тепло-массообменных процессов и производительности.
Известна колпачковая тарелка массообменного аппарата, содержащая жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала или упругого материала, и патрубки по торцам герметично соединены кольцами с образованием пустотелой кольцевой камеры между наружной боковой поверхностью внутреннего патрубка и внутренней боковой поверхностью наружного патрубка (Полезная модель РФ №165916 МПК B01D3/20, 2016).
К недостаткам данной конструкции относится создание интенсивного массообменного процесса при выходе газовой фазы из парового патрубка колпачка на расстоянии крышки колпачка от тарелки и отсутствие при небольших расходах газа массообменного процесса вблизи тарелки, что уменьшает производительность тепло-массообменного процесса.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней паровыми патрубками, и колпачками, и переливными трубами, причем переливные трубы равномерно распределены на плите тарелки между паровыми патрубками, при этом длина переливных труб связана с расстоянием между тарелками соотношением
где  - длина переливной трубы, м;
Н - расстояние между тарелками, м. (Полезная модель РФ №182047 МПК B01D 3/20, B01D 3/32, 2018).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточный диапазон устойчивости работы тарелки в связи с фиксированными диаметром сливных трубок, независящим от температурного режима рабочих сред. Это приводит к изменению высоты жидкости на тарелке, что снижает производительность тепло-массообменного процесса.
Техническим результатом предлагаемой конструкции тарелки является увеличение производительности.
Технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней паровыми патрубками, колпачками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки между паровыми патрубками, причем переливные трубы выполнены в виде однополостного гиперболоида из материала, обладающего эффектом памяти с диаметрами сечений, подчиняющихся выражению
где d - диаметр наименьшего сечения трубы, м,
D - диаметр наибольшего сечения трубы, м.
Выполнение переливных труб в виде однополостного гиперболоида из материала, обладающего эффектом памяти (Физические эффекты в машиностроении: справочник под ред. В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.: под общ. ред. В.А. Лукьянца.- М.: Машиностроение.
1993. - С. 149-152) позволяет увеличить устойчивую работу массообменной тарелки в широком диапазоне изменения температур.
При увеличении температуры жидкости и соответственно уменьшения ее вязкости и плотности, переливные трубы формы гиперболоида радиально прогибаются, при этом их проходное сечение уменьшается. Это приводит к возрастанию гидравлического сопротивления на массообменной тарелке и задерживает жидкость на поверхности тарелки, сохраняет ее высоту, объем и время пребывания на массообменной тарелке. Таким образом поддерживается постоянное время контакта жидкости с пузырьками газа (пара), что интенсифицирует скорость массообмена между жидкой и газовой фазами и в целом приводит к росту производительности.
При снижении температуры вязкость жидкости возрастает, переливные трубы формы гиперболоида принимают свое исходное положение, их проходное сечение увеличивается. Это приводит к саморегулированию уровня жидкости на тарелке, нивелирует превышения уровня, которое в свою очередь может привести к захлебыванию паровых патрубков клапанов и нарушению устойчивого режима работы тарелки.
Изменение диаметра проходного сечения переливных труб в различных температурных режимах позволяет создавать капли жидкости между тарелками, которые падают вниз навстречу сплошной паровой фазе, что приводит к дополнительной массопередачи между фазами и способствует росту производительности.
Как правило, температура у периферии массообменной тарелки меньше, чем в ее центральной части за счет влияния окружающей среды. Следовательно, радиальная деформация переливных трубок у периферии тарелки будет незначительна, что нивелирует скопление жидкости у стенок аппарата и позволит создать устойчивый массообменных режим между тарелками.
Изменение проходного сечения переливных труб под действием температуры исключает возможность их зарастания в процессе эксплуатации, когда на внутренней стороне трубок образуется осадок, который приводит снижению устойчивости и эффективности процесса массопереноса.
Увеличение диаметра наименьшего сечения переливной трубки по сравнению с заявляемой относительной величиной d/D=0,8 в выражении (1) приводит к уносу образующихся капель в паровые трубы вместе с газом (паром), что может привести к снижению массопереноса между сплошной и дисперсной фазами и снизить производительность.
Уменьшение диаметра наименьшего сечения переливной трубки по сравнению с заявленной относительной величиной d/D=0,6 в выражении (1) приводит к снижению расхода капель газа через переливные трубы, что уменьшает массоперенос между каплями жидкости и газовой (паровой) сплошной фазой и снижает производительность. При этом при возрастании температуры жидкости проходное сечение переливных труб еще больше уменьшиться. Это может привести к ее застою на поверхности тарелки.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой конструкции тепло-массообменной тарелки в разрезе. На фиг. 2 - вид сверху тарелки.
Тепло-массообменная тарелка состоит из плиты 1 с расположенными на ней паровыми патрубками 2 и колпачками 3 над этими патрубками, переливными трубами 4, которые равномерно распределены на плите 1 тарелки между паровыми патрубками 2 и снабжены в нижней части распылителями жидкости 5, причем переливные трубы имеют форму однополостного гиперболоида и выполнены из материала, обладающего эффектом памяти с диаметрами сечений, подчиняющихся выражению (1).
Тепло-массообменная тарелка работает следующим образом. С вышележащей тарелки по переливным трубам 4 формы однополостного гиперболоида стекает жидкость в виде капель, образующихся на выходе из распылителя жидкости 5, попадает на нижележащую плиту 1 тарелки, образуя на ней слой жидкости, который в широком диапазоне изменения температур сохраняет свой уровень благодаря изменяющемуся проходному сечению переливных труб.
Газ (пар), поднимаясь снизу вверх, проходит по паровым патрубкам 2 с образованием в колпачках 3 пузырьков, которые, барботируя через слой жидкости на плите 1, поднимаются вверх к вышележащей тарелке.
Капли жидкости, образующиеся на выходе из переливных труб 4, падают сверху вниз навстречу сплошной газовой (паровой) фазе, при этом идет интенсивный массообмен и повышается производительность.
Таким образом, выполнение переливных труб 4 на плите 1 в виде однополостного гиперболоида из материала, обладающего эффектом памяти с диаметрами сечений, подчиняющихся выражению (1), позволяет проводить процессы массообменна между газовыми (паровыми) пузырьками и сплошной фазой жидкости, находящейся на плите 1 тарелки в широком диапазоне изменения температур, проводить эти процессы между каплями жидкости, образующимися на выходе переливных труб 4 и сплошной газовой (паровой) фазой между тарелками, исключает возможность зарастания отверстий переливных труб, обеспечивает устойчивую работу массообменного аппарата, что повышает производительность.