Клапанная тарелка массобменной колонны
MASS EXCHANGE COLUMN VALVE TRAY

Настоящее изобретение относится к контактным устройствам для тепломассообмена паровой (газовой) и жидкой фаз в ректификационных или абсорбционных колоннах и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Процесс фракционирования - один из основных промышленных тепломассообменных процессов - обеспечивает разделение сырьевой смеси на отдельные компоненты и/или фракции и реализуется в ректификационных или абсорбционных колоннах, в частности, с тарельчатыми контактными устройствами барботажного типа (колпачковые, клапанные, желобчатые, ситчатые и др). Большинство тарельчатых барботажных контактных устройств (колпачковые, желобчатые, чешуйчатые и др.) характеризуется жестко закрепленными на полотне тарелки конструктивными элементами для контакта жидкой и паровой (газовой) фаз с постоянным сечением для прохода паровой (газовой) фазы, что ограничивает диапазон устойчивой работы таких устройств и, соответственно, варьирование производительности массообменной колонны в целом. В условиях, когда необходима гарантия эффективной работы массообменных колонн в широком интервале производительности по разделяемому сырью, в качестве конструктивных барботажных элементов тарелок используют подвижные клапанные устройства с переменным сечением для прохода паровой (газовой) фазы, соответствующим изменению расхода фазы за счет уравновешивания сил, действующих на клапанное устройство (сила тяжести клапанного устройства, сила трения фаз о поверхность клапанного устройства, архимедова сила, действующая на тело, погруженное в жидкость), благодаря чему клапанное устройство во время работы массообменной колонны находится в режиме витания (невесомости). При снижении расхода паровой (газовой) фазы уменьшается подъемная сила, действующая на клапан, который опускается, уменьшая проходное сечение. При увеличении расхода подъемная сила, наоборот, возрастает, и клапан поднимается, увеличивая проходное сечение.
Известна контактная тарелка с клапанами для массообменной колонны, содержащая: по существу плоское полотно тарелки колонны и множество клапанов, распределенных по полотну тарелки колонны, причем каждый из клапанов содержит проем, проходящий через полотно тарелки колонны, чтобы текучая среда могла проходить через полотно тарелки колонны, порог, проходящий вверх от полотна тарелки колонны по окружности проема, и клапанную крышку, поддерживаемую опорными ножками над проемом и порогом, при этом клапанная крышка полностью проходит наружу за окружность проема и имеет проходящую вниз периметральную область, причем опорные ножки расположены на противоположных торцах клапанной крышки (патент на изобретение RU 2709164 С2, МПК В01D 3/16, заявлен 01.07.2016 г., опубликован 17.12.2019 г. ). Недостатками изобретения являются:
- сложная конструкция клапана П-образной формы с трапециевидной верхней частью, отбортовкой и разновеликими вертикальными частями (опорными ножками) с прорезями для формирования жалюзийного отверстия и стопоров;
- сложная конструкция полотна тарелки с круглым отверстием для прохождения паровой (газовой) фазы с отбортовкой для каждого клапана и двумя щелевидными прорезями для опорных ножек;
- металло- и трудоемкость изготовления контактной тарелки;
- сложность проведения ремонтных работ из-за возможности извлечения клапана с верхней поверхности полотна тарелки лишь после отжима стопоров на опорных ножках на нижней поверхности полотна.
Известна также контактная тарелка для массообменной колонны, содержащая: плиту тарелки для приема потока жидкости, имеющую множество отверстий для прохождения сквозь них восходящего пара, и множество клапанных крышек, каждая из которых установлена в соответствующем одном из отверстий и имеет центральный участок, расположенный на расстоянии от плиты тарелки и над соответствующим отверстием, и пару наклонных участков, отходящих от противоположных концов центрального участка и проходящих сквозь соответствующее отверстие (патент на изобретение RU 2481875 С2, МПК B01D 3/20, заявлен 25.11.2008 г., опубликован 20.05.2013 г.). Недостатками изобретения являются:
- сложная конфигурация отверстий в плите контактной тарелки для прохождения сквозь них восходящего пара, насчитывающая не менее восьми прямых углов для каждого отверстия;
- меньшая ширина клапанных крышек по сравнению с шириной отверстий, в которых они установлены, способствующая формированию режима каналообразования, когда в потоке жидкой фазы над клапанной крышкой происходит проскок потока паровой (газовой) фазы, что снижает поверхность раздела фаз и интенсивность массопереноса между ними, уменьшая коэффициент полезного действия контактной тарелки.
Известна также прямоточная клапанно-ситчатая тарелка для массообменных аппаратов, содержащая основание с отверстиями, расположенные в них клапаны с односторонним открытием в виде пластин, выполненных с отверстиями, под которыми размещены козырьки, имеющие переменную высоту, увеличивающуюся в сторону открытия пластин, и направленные в противоположную открытию пластин сторону, при этом сумма угла максимального открытия пластины клапана и угла отгибки козырьков составляет 90° (патент на изобретение RU 2276617 C1, МПК В01D 3/30, В01D 3/16, заявлен 01.12.2004 г., опубликован 20.05.2006 г.). Недостатками изобретения являются:
- размещенные под пластинами клапанов козырьки, создающие дополнительное гидравлическое сопротивление потоку паровой (газовой) фазы, который выходит в направлении перемещения жидкой фазы по основанию тарелки, что снижает динамическое воздействие потока паровой (газовой) фазы на жидкую фазу для выравнивания ее уровня по площади основания тарелки;
- формирование козырьками, размещенными под пластинами клапанов около отверстий в этих пластинах, по мере увеличения угла шарнирного открытия пластины с односторонним открытием от нуля до максимального значения при увеличении расхода паровой (газовой) фазы части потока паровой (газовой) фазы, движущейся сквозь отверстия в пластинах в направлении, противоположном движению жидкой фазы по площади основания тарелки, и подпора движущейся жидкой фазе, из-за чего уровень жидкой фазы дополнительно увеличивается, приводя к возрастанию гидравлического сопротивления тарелки и неоднородности локальных коэффициентов полезного действия при одновременном уменьшении его интегрального значения.
Широкое распространение получили колонны с клапанными прямоточными тарелками, на которых равномерно по концентрическим окружностям выполнены отверстия, куда вмонтированы прямоточные клапаны с двумя короткими ножками и одной длинной упорной ножкой, определяющей направление потока газа (пара) и жидкости при максимальной производительности колонны по газу (пару) (патент на изобретение RU 2094072 C1, МПК В01D 3/20, В01D 3/30, заявлен 10.08.1994 г., опубликован 27.10.1997 г.). Недостатками изобретения являются:
- перекос клапана при его подъеме вверх для расхода паровой (газовой) фазы выше среднего относительно горизонтальной оси и плоскости полотна тарелки из-за разной длины лапок, от чего в позиции клапана с меньшим гидравлическим сопротивлением происходит канальный проскок паровой (газовой) фазы практически вне контакта основной массы паровой (газовой) фазы с окружающей жидкой фазой, ухудшая массообмен и снижая локальный коэффициент полезного действия, а с противоположной стороны клапана за счет большего гидравлического сопротивления - уменьшение массы паровой (газовой) фазы, барботирующей в этой зоне клапана, также ухудшая массообмен и снижая локальный коэффициент полезного действия;
- смещение центра тяжести прямоточного клапана относительно оси симметрии, приводящее к его вращению в восходящем потоке паровой (газовой) фазы при низких расходах;
- несовпадение ожидаемого преимущественного направления движения потока паровой (газовой) фазы с направлением движения жидкой фазы при среднем расходе восходящего потока паровой (газовой) фазы, когда прямоточные клапаны фиксируются короткими ножками на нижней поверхности прямоточной тарелки хаотично из-за своего вращения.
Наиболее близок к заявляемому изобретению контактный элемент клапанной тарелки, включающий клапан с вертикально направленными ножками, которые снабжены ограничителями подъема, при этом клапан имеет две ножки, а ограничители подъема выполнены в виде симметричных лапок, в зоне соединения лапок с ножками, в углах сгиба, поперечное соединение лапок и ножек уменьшено на 1/4 их ширины, а длина лапок L в развернутом виде составляет (0,7÷0,8)⋅D, где D - диаметр или ширина отверстия на полотне тарелки, причем лапки ножек изогнуты в горизонтальной плоскости на угол 110-120° между лапками, на одной из ножек лапки изогнуты к центру клапана, а на другой - от центра (патент на изобретение RU 2453353 C1, МПК В01D 3/22, В01D 3/30, В01D 53/18, заявлен 11.01.2011 г., опубликован 20.06.2012 г.). Недостатками изобретения являются:
- отклонение центра тяжести клапана от оси симметрии из-за нестационарности собственно барботажного процесса, приводящее к смещению вертикально направленных ножек от вертикальной оси и самого клапана от горизонтальной плоскости, что переводит всю систему клапанов на тарелке в хаотичное состояние с позиций влияния направления движения локальных струй и пузырьков паровой (газовой) фазы на движение жидкой фазы по тарелке;
- ручной изгиб лапок ножек в горизонтальной плоскости на угол 110-120° между лапками, приводящий к неточности изготовления клапана;
- сложность и неудобство монтажа и ремонта, требующих ввода клапанов в отверстия на полотне тарелок сверху, а отгиба лапок - снизу.
Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции клапанов для клапанной тарелки массообменной колонны, учитывающей как физико-химические свойства паровой (газовой) и жидкой фаз, так и гидродинамические особенности барботажа потока паровой (газовой) фазы сквозь протекающую по тарелке жидкую фазу при изменении расхода потока паровой (газовой) фазы, и обеспечивающей за счет повышения эффективности барботажа интенсификацию массообменого процесса, увеличение коэффициента полезного действия тарелки и широкий диапазон ее устойчивой работы.
Поставленная задача решается за счет того, что клапанная тарелка массообменной колонны включает горизонтальное полотно с отверстиями, закрепленное на корпусе массообменной колонны, и с множеством подвижных клапанов, установленных в отверстиях горизонтального полотна, при этом подвижные клапаны состоят из отражающей профилированной крышки дискообразной формы, выполненной с учетом физико-химических свойств фаз и сопряженной с тремя равновеликими стойками, введенными в отверстия горизонтального полотна и обеспечивающими свободное перемещение отражающей профилированной крышки в вертикальном направлении, с ограничителями высоты подъема.
Такой подвижный клапан обладает следующими преимуществами:
1) три равновеликие стойки обеспечивают перемещение подвижного клапана в вертикальном направлении при изменении расхода потока паровой (газовой) фазы - вверх при увеличении расхода и вниз при уменьшении его расхода - без перекоса в горизонтальной плоскости, что способствует равномерному распределению потока паровой (газовой) фазы, выходящего из-под отражающей профилированной крышки, в объеме жидкой фазы, окружающей клапан, обеспечивая отсутствие канального прорыва части потока паровой (газовой) фазы и равномерный массообмен между фазами по всему периметру отражающей профилированной крышки;
2) при максимальном расходе потока паровой (газовой) фазы ограничители высоты подъема удерживают отражающую профилированную крышку подвижного клапана в горизонтальной плоскости;
3) исполнение отражающей профилированной крышки дискообразной формы позволяет учитывать физико-химические свойства фаз (плотность, коэффициент поверхностного натяжения, вязкость, работу адгезии и когезии) с позиций интенсификации барботажа и массопереноса.
Целесообразно ограничители высоты подъема развернуть под углом 90° в плоскости стоек для упрощения монтажа и ремонта клапанной тарелки, так как для ввода подвижного клапана в отверстие горизонтального полотна достаточно приложить незначительное усилие к одной из стоек, пружинно отжимающейся внутрь, для прохода всех трех стоек в отверстие. После снятия усилия подпружиненная стойка занимает исходное положение, фиксируя подвижный клапан в отверстии горизонтального полотна.
Целесообразно при низком давлении и/или плотности паровой (газовой) фазы отражающую профилированную крышку выполнять в поперечном сечении в форме двух сопряженных выпуклых дуг с радиусом верхней дуги меньше радиуса нижней дуги для направления потока паровой (газовой) фазы к горизонтальному полотну, что увеличивает длину пути парового (газового) пузырька в жидкой фазе и время контакта фаз за счет высокой в этом случае скорости всплывания пузырька в жидкости.
При отсутствии физико-химических ограничений полезно отражающую профилированную крышку выполнять плоской для упрощения изготовления.
Целесообразно при высоком давлении и/или плотности паровой (газовой) фазы отражающую профилированную крышку выполнять конической с вершиной конуса, обращенной к отверстию горизонтального полотна, или в поперечном сечении в форме вогнутых дуг, что позволит направлять поток паровой (газовой) фазы непосредственно в слой жидкой фазы за счет низкой в этом случае скорости всплывания пузырька в жидкости.
В тех случаях, когда коэффициент поверхностного натяжения жидкой фазы на границе раздела фаз «жидкость-материал отражающей профилированной крышки» мал, целесообразно отражающую профилированную крышку выполнять плоской с перфорацией в виде круглых отверстий, что позволит дополнительно проходить пузырькам паровой (газовой) фазы, формируя зону барботажа не только по периметру крышки, но и над ее поверхностью.
При существенном расходе потока жидкой фазы или ее значительной вязкости, приводящих к изменению уровня жидкой фазы по длине горизонтального полотна и, опосредованно, к неравномерности барботажа, целесообразно отражающую профилированную крышку выполнять плоской с перфорацией в виде лепестков, отогнутых вверх, что позволит за счет гидродинамического воздействия направленных локальных струй паровой (газовой) фазы на жидкую фазу в значительной мере выровнять уровень жидкой фазы по длине горизонтального полотна.
0
0
0
Целесообразно также для увеличения периметра барботажа и интенсификации дробления пузырьков паровой (газовой) фазы при высокой величине работы когезии выполнять отражающую профилированную крышку с конфигурацией по периметру в форме сопряженных дуг, в форме сопряженных углов или в форме сопряженных П-образных элементов. Тогда в зонах сопряжения дуг, углов и П-образных элементов будут формироваться мелкие пузырьки паровой (газовой) фазы, что увеличит поверхность массообмена, интенсивность массопередачи и дополнительно периметр выхода основного потока паровой (газовой) фазы из-под отражающей профилированной крышки в объем жидкой фазы, также интенсифицируя барботаж. Так, например, периметр отражающих профилированных крышек диаметром D с конфигурацией по периметру в форме сопряженных дуг, представляющих собой полуокружности радиусом R, имеет больший периметр барботажа по сравнению с периметром плоских дисковых отражающих профилированных крышек диаметром D для всех R меньше 0,285⋅D.
Принципиальная конструкция заявляемой клапанной тарелки массообменной колонны и различные варианты исполнения подвижных клапанов приведены на фиг.  1 и на фиг.  2-13, соответственно, с использованием следующих обозначений:
1 - корпус массообменной колонны;
2 - горизонтальное полотно;
3 - подвижный клапан;
4 - переливная планка;
5 - сливная планка;
6 - стенка сливного кармана;
7 - отверстие горизонтального полотна;
8 - отражающая профилированная крышка;
9 - стойка;
10 - ограничитель высоты подъема;
11 - перфорация в виде круглых отверстий;
12 - перфорация в виде отогнутых вверх лепестков;
13 - внешняя кромка.
Клапанная тарелка массообменной колонны представляет собой закрепленное на корпусе массообменной колонны 1 горизонтальное полотно 2 с отверстиями горизонтального полотна 7, в которых устанавливаются подвижные клапаны 3. На входной части горизонтального полотна 2 установлена переливная планка 4, формирующая гидравлический затвор для жидкой фазы, стекающей с вышележащей клапанной тарелки. На выходной части горизонтального полотна 2 установлена сливная планка 5, обеспечивающая уровень жидкой фазы на горизонтальном полотне 2. Сливная планка 5 сопряжена со стенкой сливного кармана 6, разделяющей между собой поток стекающей жидкой фазы и поток поднимающейся паровой (газовой) фазы.
Узлом А обозначен подвижный клапан 3, который установлен в отверстии горизонтального полотна 7 и состоит из отражающей профилированной крышки 8, сопряженной с тремя равновеликими стойками 9 с ограничителями высоты подъема 10. Различные варианты исполнения подвижных клапанов приведены на фиг.  2-8:
- фиг. 2 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена в поперечном сечении в форме двух сопряженных выпуклых дуг, причем верхняя дуга имеет радиус меньше радиуса нижней дуги (вид сверху);
- фиг. 3 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена в поперечном сечении в форме двух сопряженных выпуклых дуг, причем верхняя дуга имеет радиус меньше радиуса нижней дуги (разрез по Б-Б);
- фиг. 4 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена плоской (разрез);
- фиг. 5 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена конической (разрез);
- фиг. 6 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена вогнутой (разрез);
- фиг. 7 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена плоской с перфорацией в виде круглых отверстий 11 (разрез);
- фиг. 8 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена плоской с перфорацией в виде круглых отверстий 11 (вид сверху);
- фиг. 9 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена плоской с перфорацией в виде отогнутых вверх лепестков 12 (разрез);
- фиг. 10 - отражающая профилированная крышка 8 выполнена плоской с перфорацией в виде отогнутых вверх лепестков 12 (вид сверху);
- фиг. 11 - отражающая профилированная крышка 8 имеет конфигурацию по периметру в форме сопряженных дуг (вид сверху с внешней кромкой 13);
- фиг. 12 - отражающая профилированная крышка 8 имеет конфигурацию по периметру в форме сопряженных углов (вид сверху с внешней кромкой 13);
- фиг. 13 - отражающая профилированная крышка 8 имеет конфигурацию по периметру в форме сопряженных П-образных элементов (вид сверху с внешней кромкой 13).
Клапанная тарелка массообменной колонны работает следующим образом. Жидкая фаза с вышележащей тарелки поступает по стенке сливного кармана 6 через переливную планку 4 на горизонтальное полотно 2, где в отверстиях горизонтального полотна 7 установлены подвижные клапаны 3, и далее через сливную планку 5 стекает на нижележащую тарелку. Паровая (газовая) фаза с нижележащей тарелки через отверстия горизонтального полотна 7 поступает под отражающую профилированную крышку 8 подвижного клапана 3, выполненную с учетом физико-химических свойств фаз по одному из вариантов конфигурации (фиг. 2-13), далее барботирует в форме пузырей в жидкую фазу на горизонтальном полотне 2, формируя неоднородную систему, и следует на вышележащую тарелку. Варианты конфигурации отражающих профилированных крышек 8 позволяют для разделяемой в корпусе массообменной колонны 1 сырьевой смеси подобрать оптимальное исполнение подвижного клапана 3, формирующего наиболее приемлемые размеры образующихся пузырей паровой (газовой) фазы и равномерное их распределение в жидкой фазе, что интенсифицирует массообмен паровой (газовой) и жидкой фаз, внося дополнительный вклад в коэффициент полезного действия клапанной тарелки.
При уменьшении расхода паровой (газовой) фазы уменьшается подъемная сила, действующая на отражающую профилированную крышку 8, и подвижный клапан 3 опускается в отверстие горизонтального полотна 7. При этом три стойки 9 обеспечивают вертикальное направление равнодействующих сил, благодаря чему отражающая профилированная крышка 8 при перемещении подвижного клапана 3 остается в горизонтальном положении, что обеспечивает равномерность барботажа по всему периметру крышки для любого ее варианта и повышает за счет этого эффективность массообмена между контактирующими фазами. При увеличении расхода паровой (газовой) фазы повышается подъемная сила, действующая на отражающую профилированную крышку 8, и подвижный клапан 3 поднимается в отверстии горизонтального полотна 7. При этом три стойки 9 обеспечивают вертикальное направление равнодействующих сил, благодаря чему отражающая профилированная крышка 8 при перемещении подвижного клапана 3 остается в горизонтальном положении, что обеспечивает равномерность барботажа по всему периметру крышки для любого варианта ее конфигурации и повышает за счет этого эффективность массообмена между контактирующими фазами. При дальнейшем увеличении расхода паровой (газовой) фазы подъем подвижного клапана 3 до допустимого верхнего положения фиксируется с помощью ограничителей высоты подъема 10 на стойках 9, отражающая профилированная крышка 8 также остается в горизонтальном положении. Обеспечение позиции отражающей профилированной крышки 8 в горизонтальном положении при всех режимах работы подвижного клапана 3 обеспечивает расширение диапазона устойчивой работы клапанной тарелки благодаря равномерности барботажа по всему периметру крышки и отсутствия условий каналообразования паровой (газовой) фазы.
Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу разработки конструкции клапанов для клапанной тарелки массообменной колонны, учитывающей как физико-химические свойства паровой (газовой) и жидкой фаз, так и гидродинамические особенности барботажа потока паровой (газовой) фазы сквозь протекающую по тарелке жидкую фаз при изменении расхода потока паровой (газовой) фазы, и обеспечивающей за счет повышения эффективности барботажа интенсификацию массообменого процесса, увеличение коэффициента полезного действия тарелки и широкий диапазон ее устойчивой работы.