КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к аппаратам для проведения тепломассообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, снабженным комбинированными контактными устройствами, и может быть использована в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известно контактное устройство, относящееся к массообменным тарелкам провального типа, включающее несколько перфорированных горизонтальных полотен с уложенной на них сеткой, при этом часть перфораций на полотнах выполнена с отогнутой вниз отбортовкой (патент на полезную модель №31515, B01D 3/18, опубл. 20.08.2003).
Общим признаком предлагаемого решения и решения по патенту №31515 является наличие в контактном устройстве горизонтальных перфорированных тарелок.
Недостатком известной конструкции является отсутствие развитой массообменной поверхности в пространстве между полотнами. Создаваемая в результате барботажа поверхность контакта фаз нестабильна и при изменении режима работы колонны может значительно снизиться. В результате этого данная тарелка имеет сравнительно низкую эффективность тепломассообмена, узкий диапазон устойчивой и эффективной работы, а также значительный унос жидкости при сравнительно малых скоростях газа (пара) в колонне.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является колонна с насадкой (патент №2135252, B01D 3/18, опубл. 27.08.1999). Колонна содержит вытянутый вверх корпус, имеющий верхний участок для получения жидкости, промежуточный участок для формирования траектории потока проходящей вниз через него активной жидкости и проходящего вверх через него газа и нижний участок для сбора жидкости, патрубок вывода газа, выходящий из корпуса над верхним участком, средство для распределения жидкости поперек верхнего участка, патрубок вывода жидкости из нижнего участка, патрубок ввода газа в нижний участок, ряд расположенных с промежутком перфорированных тарелок, разделяющих поперек на разных уровнях всю траекторию потока в промежуточном участке, множество дискретных газ-жидкость контактных набивных элементов, опирающихся на каждую тарелку, отличающаяся тем, что набивные элементы образуют уплотненные слои, каждый из которых заполняет всю разделенную часть промежуточного участка над тарелкой, на которую опирается уплотненный слой, а тарелки являются вспенивающими и распределяющими жидкость, причем каждая тарелка имеет множество параллельных расположенных с промежутком отдельных желобов с переливами, причем переливы выполнены высотой, обеспечивающей создание и поддержание необходимого для вспенивания восходящим потоком пара уровня жидкости.
Общими признаками предлагаемого устройства и устройства по патенту №2135252 являются размещение в контактном устройстве горизонтальных перфорированных тарелок и регулярной насадки, размещенной между тарелками.
Недостатком известного устройства является высокая металлоемкость и стоимость, плохая работа на загрязненных средах, повышенное гидравлическое сопротивление. Эти недостатки связаны с тем, что насадка установлена непосредственно на тарелку. Поток газа, выходящий из отверстий тарелки, ударяется о контактные элементы насадки, за счет чего резко возрастает гидравлическое сопротивление. В случае переработки загрязненных жидкостей частицы грязи задерживаются на тарелке, так как часть отверстий тарелки перекрывается контактными элементами насадки, а через образующиеся при этом зазоры проходит газ с большой скоростью, что препятствует свободному перетоку частиц грязи на нижележащую тарелку. В связи с этим необходима периодическая чистка насадки, связанная с остановкой производства и большими материальными затратами. Кроме того, поток газа не успевает равномерно распределиться на выходе из отверстий тарелки, а жидкость на тарелке плохо перемешивается из-за наличия контактных элементов насадки, препятствующих перетоку жидкости из одного участка полотна тарелки к другому, за счет чего снижается эффективность тепломассообмена. Барботажный слой на тарелке обычно занимает не менее 0,1 расстояния между тарелками и при установке насадки непосредственно на тарелку барботажный слой гасится нижним слоем насадки, что снижает эффективность тепломассообмена при переработке невспенивающихся жидкостей и неполной загруженности колонны.
Известно, что применение в качестве опорной конструкции под насадку различных сеток и перфорированных плит с мелкими отверстиями должно быть исключено, так как подобные устройства приводят к преждевременному захлебыванию колонны (А.И.Скобло, «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии», М.: Недра, 2000 г., с.266). Однако это условие не относится к конструкциям контактных устройств, работающим в диапазоне нагрузок по газу и жидкости, характерных для провальных тарельчатых колонн.
Применение для предлагаемой полезной модели опорных тарелок с относительно большими перфорациями также исключается вследствие свободного протекания жидкости через тарелку, т.е. такие тарелки не обеспечивают задержку жидкости на тарелке, что приводит к низкой эффективности тепломассообмена в колонне.
Задачей данной полезной модели является создание контактного устройства, обеспечивающего надежную работу на загрязненных средах, снижение гидравлического сопротивления, металлоемкости и стоимости при сохранении высокой эффективности тепломассообмена.
Поставленная задача достигается тем, что в контактном устройстве тепломассообменного аппарата, состоящем из горизонтальных перфорированных тарелок и размещенной между тарелками регулярной насадки, новым является то, что насадка одним основанием присоединена к полотну тарелки, а между другим основанием насадки и полотном следующей тарелки выполнена свободная зона, кроме того, отношение величины свободного объема регулярной насадки к величине свободного сечения перфорированного полотна тарелки составляет 2,0-5,5.
Кроме этого, высота свободной зоны между основанием насадки и полотном тарелки составляет 0,2-0,7 расстояния между тарелками.
Такая конструкция позволяет добиться распределения потоков пара и жидкости по сечению насадки за счет тарелок, которые одновременно выполняют функции опорно-распределительных решеток. Образуются две зоны контакта фаз - в барботажном слое на тарелке и в тонком пленочном слое на поверхности насадки. При этом пакет насадки сепарирует газ с уносимой с нижележащей тарелки капельной жидкостью, за счет чего значительно снижается капельный унос. Все это позволяет увеличить эффективность тепломассообмена. Наличие свободной зоны между тарелкой и насадкой позволяет проводить периодический внутренний осмотр тепломассообменного аппарата, а также определять степень загрязненности пакетов насадки, при этом исключается необходимость разборки насадки, что позволяет упростить обслуживание тепломассообменного аппарата.
На рисунке представлен общий вид контактного устройства тепломассообменного аппарата.
Контактное устройство тепломассообменного аппарата содержит горизонтальные перфорированные тарелки 1 и 2 и блочную регулярную насадку 3. Насадка 3 одним основанием 4 прикреплена к вышележащей тарелке 1, а между другим основанием 5 насадки 3 и полотном нижележащей тарелки 2 выполнена свободная зона 6. Отношение величины свободного объема насадки 3 к величине свободного сечения перфорированного полотна тарелки 1 (или 2) составляет 2,0-5,5. Высота свободной зоны 6 между основанием 5 насадки 3 и полотном тарелки 2 составляет 0,2-0,7 расстояния между тарелками 1 и 2.
Контактное устройство работает следующим образом. Распределенный поток жидкости поступает с вышележащей тарелки 1, а распределенный поток газа поступает снизу с нижележащей тарелки 2 на насадку 3. В результате образуется барботажный слой на тарелке 2 и одновременно происходит тепломассообмен на поверхности и в объеме насадки 3. Далее поток газа уходит на вышележащую тарелку 1, а жидкость через отверстия в полотне тарелки 1 поступает на нижележащую тарелку 2. При этом за счет указанного соотношения величины свободного объема регулярной насадки 3 к величине свободного сечения перфорированного полотна 1 (или 2), составляющего 2,0-5,5, пакет насадки 3 сепарирует газ с уносимой тарелки 2 капельной жидкостью, за счет чего значительно снижается капельный унос, а следовательно, возрастает эффективность тепломассообмена. Нижний предел отношения величины свободного объема регулярной насадки 3 к величине свободного сечения перфорированного полотна 1 (или 2), составляющий 2,0, соответствует максимальной эффективности тепломассообмена на поверхности насадки при сохранении ее сепарирующей способности, а верхний предел - 5,5 соответствует высокой сепарирующей способности насадки при сохранении приемлемой эффективности тепломассообмена на поверхности насадки. Высота свободной зоны 6, составляющая от 0,2 до 0,7 расстояния между тарелками 1 и 2, позволяет эффективно реализовать полезную модель и сократить общие затраты на изготовление необходимого объема регулярной насадки при сохранении высокой эффективности тепломассообмена за счет вышеописанных преимуществ от наличия свободной зоны 6 над тарелкой 2.