КОЛОННА С КОНТАКТНЫМ УСТРОЙСТВОМ ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА
COLUMN WITH PLATE-TYPE CONTACT DEVICE

Изобретение относится к аппаратам колонного типа для проведения массобмена в системе пар (газ) - жидкость с контактными устройствами тарельчатого типа и предназначено для процессов ректификации, абсорбции и может быть применено в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности, в том числе для разделения смесей с получением высоко- и сверхчистых продуктов в процессе выделения сырья, характеризующегося высокой плотность жидкой фазы, для получения в промышленных масштабах поликристаллического кремния «солнечного» и «электронного» качества.
Известна колонна с контактными устройством тарельчатого типа для проведения массообмена в системе пар (газ) - жидкость, состоящая из корпуса, в котором размещен пакет перекрестноточных тарелок, сообщающихся между собой переливными карманами, ограниченными переливными планками, с полотнами тарелок, в которых выполнены сита с выдавленными отверстиями диаметром 1-5 мм, через которые проходит пар (газ) (Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия, 1978, 277 с.).
К недостаткам таких колонн относятся провал жидкой фазы через отверстия тарелок при снижении паровой нагрузки колонны и переход пузырькового барботажа пара в режим струйного истечения пара при повышении паровой нагрузки, что приводит к уменьшению диапазона устойчивой работы ситчатой тарелки и снижению коэффициента ее полезного действия, а также неравномерность процесса массобмена в отдельных отверстиях по ходу потока жидкости в связи с уклоном ее уровня по длине тарелки. Кроме того, ситчатые тарелки чувствительны к присутствию механических загрязнений, которые забивают отверстия сит.
Известна также колонна с контактными устройством тарельчатого типа для проведения массообмена в системе пар (газ) - жидкость, состоящая из корпуса, в котором размещен пакет перекрестноточных тарелок, сообщающихся между собой переливными карманами, ограниченными переливными планками, с полотнами тарелок, в которых выполнены сита с выдавленными отверстиям с образованием язычков в виде полукруга над отверстиями радиусом 15-25 мм с углом подъема язычка над полотном тарелки 20-40 градусов, через которые проходит пар (газ). (Расчеты основных процессов и аппаратов нефтехимпереработки. Справочник под ред. Е.Н.Судакова. М.: Химия. 1979, 566 с.).
К недостаткам таких колонн относятся: провал жидкой фазы через язычки при снижении паровой нагрузки колонны, увеличение скорости потока пара в 1.5-2 раза с соответствующим увеличением гидравлического сопротивления тарелки по паровому потоку в связи со снижением площади прохождения парового потока в щели между язычком и полотном тарелки в 1,5-2 раза. Кроме того, переход пузырькового барботажа пара в режим струйного истечения пара при повышении паровой нагрузки приводит к уменьшению диапазона устойчивой работы ситчато-язычковой тарелки и снижению коэффициента ее полезного действия, а также наблюдается неравномерность процесса массообмена в отдельных щелях между язычками и полотном тарелки по ходу потока жидкости в связи с уклоном ее уровня по длине тарелки. Недостатком ситчато-язычковых тарелок также является низкое свободное сечение тарелок для прохождения парового потока (около 15%), что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления тарелки по паровому потоку.
Известна также колонна с контактными устройством тарельчатого типа для проведения массообмена в системе пар (газ)-жидкость, состоящая из корпуса, в котором размещен пакет перекрестноточных тарелок, сообщающихся между собой переливными карманами, ограниченными переливными планками, с полотнами тарелок, в которых выполнены сита с выдавленными отверстиями в форме трапеций, ориентированных на полотне тарелки по ходу потока жидкости, имеющих большее основания в месте подхода жидкости к ситу и меньшее основание в месте оттока жидкости от сита, причем выдавленная часть отверстия представляет собой горизонтальную площадку, сообщающуюся с полотном тарелки двумя ножками, отверстия образуют совместно с горизонтальными площадками и двумя ножками контактный элемент тарелки с трапециевидными щелями для прохода пара, а ножка в месте подхода жидкости к ситу шире ножки в месте оттока жидкости от сита (патент США №5468425 от 21 ноября 1995 г., кл. D01F 3/04).
К недостаткам таких колонн можно отнести реализацию барботажа преимущественно по бокам контактного элемента, при этом интенсивность барботажа уменьшается по мере перемещения от широкой ножки к узкой, хотя и сохраняется ускорение потока жидкости вблизи узкой ножки за счет воздействия парового потока на жидкость и выравнивания, таким образом, уровня жидкой фазы на тарелке по ходу потока жидкости. Основным недостатком таких колонн следует считать образование локального байпасного потока жидкой фазы, «проскакивающего» над контактным элементом тарелки по траектории широкая ножка - горизонтальная площадка - узкая ножка без массообмена с паром, что снижает коэффициент полезного действия тарелки.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является колонна с контактными устройством тарельчатого типа для проведения массообмена в системе пар (газ)-жидкость, состоящая из корпуса, в котором размещен пакет перекрестноточных тарелок, сообщающихся между собой переливными карманами, ограниченными переливными планками, с полотнами тарелок, в которых выполнены сита с выдавленными отверстиями в форме кругов, ориентированных на полотне тарелки по ходу потока жидкости, причем выдавленная часть отверстия представляет собой горизонтальный диск, сообщающийся с полотном тарелки двумя ножками, отверстия образуют совместно с горизонтальным диском и двумя ножками контактный элемент тарелки вида «барботирующая шляпка» с дугообразно-трапециевидными щелями для прохода пара, а ножка в месте подхода жидкости к ситу шире ножки в месте оттока жидкости от сита (патент США №5147584 от 15 сентября 1992 г., кл. D01F 3/04). Основным недостатком таких колонн следует считать образование локального байпасного потока жидкой фазы, «проскакивающего» над контактным элементом тарелки по траектории широкая ножка - горизонтальная площадка - узкая ножка без массообмена с паром, что снижает коэффициент полезного действия тарелки.
Цель настоящего изобретения - улучшение массообменных и гидродинамических характеристик колонны при работе с большими нагрузками по пару и жидкости за счет интенсификации массообмена и снижения гидравлического сопротивления тарелки и регулирования удельного живого сечения тарелки в ее центральной части и вблизи корпуса колонны.
Поставленная цель достигается тем, что в колонне с контактными устройством тарельчатого типа для проведения массообмена в системе пар (газ)-жидкость, состоящей из корпуса, в котором размещен пакет перекрестноточных тарелок, сообщающихся между собой переливными карманами, ограниченными переливными планками, с полотнами тарелок, в которых выполнены сита, через которые проходит пар (газ), образованные выдавливанием из полотна фигурных барботирующих шляпок, удерживаемых двумя выдавленными ножками, разделяющими шляпку на две части:
1. Ножки у барботирующей шляпки расположены нормально или под углом к направлению движения жидкости на тарелке и смещены относительно друг друга в диапазоне углов от 180 до 90 градусов, что позволяет изменять площадь поперечного сечения парового потока, выходящего из контактного элемента, варьировать степень воздействия пара на поток жидкости на тарелке в соответствии с конкретными особенностями гидродинамики тарелки.
2. Части барботирующих шляпок по обе стороны от ножек имеют равновеликий или разновеликий размер, что позволяет изменять площадь поперечного сечения парового потока, выходящего из контактного элемента, варьировать степень воздействия пара на поток жидкости на тарелке в соответствии с конкретными особенностями гидродинамики тарелки.
3. Кромки частей барботирующих шляпок по обе стороны от ножек приподняты вверх или опущены вниз или имеют совместную комбинацию, что позволяет изменять площадь поперечного сечения парового потока, выходящего из контактного элемента, варьировать степень воздействия пара на поток жидкости на тарелке в соответствии с конкретными особенностями гидродинамики тарелки и, соответственно, ускорять или тормозить поток жидкости для интенсификации локального массообмена.
4. Фигура барботирующей шляпки имеет вид круга, овала или прямоугольника, что позволяет оптимизировать зоны барботажа, поскольку для конкретных случаев решения задачи необходимо сочетание фигуры шляпки, формы ее частей и расположения ножек, приводя к расширению ассортимента контактных устройств и формированию оптимальной технологии изготовления тарелок.
5. Кромки барботирующих шляпок имеют форму «зубчика», «ласточкиного хвоста», «барашка» или «бабочки», что за счет увеличения площади истечения газа способствует турбулизации жидкости потоком пара (газа), снижению вероятности каналообразования парового потока и разрушению струи пара на отдельные пузырьки.
На фиг. 1-8 представлены разнообразные формы контактных элементов в соответствии с заявляемым изобретением: 1 - полотно тарелки, 2 - ножка, 3 - ножка, 4 - левая часть барботирующей шляпки, 5 - правая часть барботирующей шляпки, 6 - отверстие в полотне тарелки.
Фиг.1 - овальный контактный элемент с равновеликим эквивалентным размером частей барботирующей шляпки 4 и 5 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, кромки частей барботирующей шляпки 4 и 5 приподняты вверх, что обеспечивает равномерный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента.
Фиг.2 - дисковый контактный элемент с разновеликим эквивалентным размером частей барботирующей шляпки 4 и 5 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, кромки частей барботирующей шляпки 4 и 5 приподняты вверх, что обеспечивает качественный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента и дополнительное воздействие на поток жидкости, выравнивая уровень ее на тарелке по ходу жидкости.
Фиг.3 - дисковый контактный элемент с разновеликим эквивалентным размером частей барботирующей шляпки 4 и 5 и смещением ножек 2 и 3 на 90 градусов, кромка частей барботирующей шляпки 4 приподнята вверх, что обеспечивает качественный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента и дополнительное воздействие на поток жидкости, выравнивая уровень ее на тарелке по ходу жидкости.
Фиг.4 - прямоугольный контактный элемент с равновеликим эквивалентным размером частей барботирующей шляпки 4 и 5 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, кромки частей барботирующей шляпки 4 и 5 приподняты вверх, что обеспечивает интенсивный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента.
Фиг.5 - контактный элемент с равновеликим эквивалентным размером частей барботирующей шляпки 4 и 5 в виде «бабочки» и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, кромки частей барботирующей шляпки 4 и 5 приподняты вверх, что обеспечивает равномерный интенсивный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента.
Фиг.6 - прямоугольный контактный элемент с барботирующей шляпкой в виде «барашка» 7 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, что обеспечивает интенсивный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента при высокой скорости парового потока за счет разделения его на локальные струи.
Фиг.7 - прямоугольный контактный элемент с барботирующей шляпкой в виде «зубчиков» 8 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, что обеспечивает интенсивный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента при высокой скорости парового потока за счет разделения его на локальные струи.
Фиг.8 - прямоугольный контактный элемент с барботирующей шляпкой 7 в виде «ласточкиного хвоста» 9 и смещением ножек 2 и 3 на 180 градусов, что обеспечивает интенсивный барботаж в системе жидкость-пар в окрестности контактного элемента при высокой скорости парового потока за счет разделения его на локальные струи.
На фиг.9 представлена схема компоновки контактных элементов на полотне тарелки с учетом локального распределения струй жидкости: 1 - полотно тарелки, 10 - контактные элементы. Контактные элементы 10 размещаются на полотне тарелки 1 с ножками, ориентированными параллельно направлению потока жидкости по полотну тарелки 1. Кроме того, ориентация контактных элементов 10 вблизи корпуса колонны препятствует формированию пристенного эффекта, когда часть потока жидкости, не участвуя в массообмене, формирует дополнительный байпасный поток в массообменной системе пар-жидкость.
На фиг.10 представлена схема компоновки тарелок в колонне: 11 - корпус колонны, 1 - полотно тарелки, 12 - переливные карманы, 13 - переливные планки. Сырье в виде парожидкостной смеси вводится в среднюю часть колонны 11, сверху колонны 11 отводится дистиллят, а снизу остаток. Жидкая фаза перемещается по полотну тарелки 1 и через переливные планки 13 поступает в переливные карманы 12, откуда перетекает на нижележащую тарелку. Паровая фаза проходит через контактные элементы полотна тарелки (не показаны) и контактирует с жидкой фазой на тарелке, обеспечивая за счет интенсивного барботажа в системе пар-жидкость высокую степень массообмена.