КОЛЛЕКТОР СБОРА ЖИДКОСТИ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ И СЕПАРАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
FLUID COLLECTOR FOR MASS EXCHANGERS AND SEPARATORS

Изобретение относится к коллекторам сбора жидкости для массообменных и сепарационных аппаратов, в частности для сбора жидкости, ее отвода или перераспределения по поперечному сечению аппарата, для распределения и сепарации газовых потоков от капель жидкости. Оно может быть применено при осуществлении массообменных процессов для систем газ - жидкость, например, в насадочных абсорберах осушки углеводородных газов, или в сепараторах, для исключения повторного дробления стекающей отделенной жидкости поднимающимся газовым потоком.
Известна тарелка для распределения жидкости в тепломассообменных аппаратах коллекторного типа, содержащая приемный и распределительные карманы, т.е. сборники жидкости, трубчатые распределительные элементы (Авторское свидетельство №1301427, МПК: B01D 3/20, B01D 3/32, B01D 53/18, БИ №13, 1987). Эта тарелка обеспечивает хорошее распределение жидкости по сечению аппарата с одновременным ее охлаждением или нагревом газовым потоком.
Недостатком этой тарелки является плохое распределение газового потока и отсутствии функции его сепарации от капельной жидкости, невозможность ее использования в качестве опорной решетки и высокая металлоемкость из-за применения трубчатых распределительных элементов.
Известна массообменная полуглухая тарелка (патент РФ №1327899, МПК: B01D 3/32), содержащая основание для сбора жидкости, размещенное на опорных кронштейнах, прикрепленных к корпусу аппарата, и соединенное с ним коническое кольцо (каплесъемник), установленное над основанием. Коническое кольцо установлено с зазором к основанию, выполненному в виде чаши диаметром, превышающим или равным диаметру конического кольца.
Такое техническое решение позволяет увеличить надежность крепления сборника жидкости к корпусу аппарата и увеличить сечение прохода газа (пара) через устройство по сравнению с традиционными полуглухими тарелками, привариваемыми к стенке корпуса аппарата и снабженными паровыми патрубками.
Недостатком этого устройства является неравномерность распределения газового потока, ограниченность сечения прохода газа и значительные высотные габариты из-за уменьшения диаметра основания (сборника жидкости), что увеличивает высоту корпуса аппарата и его материалоемкость, а также низкая эффективность сепарации капельной жидкости.
Известны конструкции стальных опорных решеток под насадку (А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский «Основы конструирования и расчета химической аппаратуры», справочник, издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», ЛЕНИНГРАД, 1970, стр.752 - рис.24.19, стр.630). Эти решетки включают обечайку с закрепленными на ней поперечными пластинами и предназначены для удержания веса насадок при максимальном живом сечении и других функций не выполняют.
Известны конструкции ограничительных решеток для насыпных насадок и для регулярных насадок (А.И.Скобло, Ю.К.Молоканов, А.И.Владимиров, В.А.Щелкунов, «Процессы и аппараты нефтегазопереработки», Москва, НЕДРА, 2000, стр.678 - стр.269 - Рис.VII-30а) и б) соответственно). Эти решетки аналогичны опорным решеткам и выполняют функции ограничения высоты секций насадок сверху и снизу в корпусе аппарата и выполняют также прочностные функции для поддержания веса насадок снизу, а сверху предотвращают перемещение насадок от динамических сил газового потока.
Однако для распределения газового потока, сепарации капель жидкости из газового потока, сбора жидкости, стекающей с насадки, и отвода ее дополнительно под опорными решетками устанавливают:
- устройства для сепарации жидкости с распределяющими решетками, например, из просечно-вытяжного листа и с расположенными на них сетчатыми отбойниками (Авторское свидетельство №432912);
- полуглухие тарелки сбора и накопления жидкости (Патент РФ 1327899);
- перераспределительные конструкции стальных насадочных тарелок типа TCH-II и TCH-III, которые выполнены чашеобразными с размещением в их полотнах переливных патрубков, (А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский, «Основы конструирования и расчета химической аппаратуры», справочник, Издательство: «МАШИНОСТРОЕНИЕ», ЛЕНИНГРАД, 1970, стр.752 - рис.24.19, стр.630).
Известен коллектор сбора жидкости фирмы «Norton», прототип (А.И.Скобло, Ю.К.Молоканов, и др. «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии», М., НЕДРА, 2000, стр.269). Техническое решение включает сборник жидкости, закрепленный на внутренней стенке аппарата, открытые коллекторы-желоба, соединенные со сборником жидкости, наклонные лопасти, соединенные с желобами и снабженные в верхней части каплесъемниками, расположенными над смежными желобами.
Устройство обеспечивает равномерное распределение газового потока, имеет увеличенное сечение для прохода газа, в нем улучшена сепарационная способность капельной жидкости. Однако оно не может выполнять функции опорной решетки, перераспределителя жидкости, требует повышенных габаритов корпуса аппарата, т.к. при установке в аппарат кроме значительной высоты самого устройства требуется объем (высота) перед массообменной или сепарационной секцией (расстояние до опорной решетки насадочных элементов и высота самой опорной решетки). Следовательно, недостатки аналогов по ограничению функций устройства, значительным габаритным размерам и материалоемкости устройства сохраняются.
Технический результат предложенного технического решения заключается в снижении габаритов корпусов аппаратов с коллекторами сбора жидкости, снижении материалоемкости внутренних устройств и корпусов аппаратов, совмещении функций устройств, таких как опорная решетка, сборник жидкости, первичный сепаратор, перераспределитель потоков, повышении эффективности сепарации, упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что в коллекторе сбора жидкости для массообменных и сепарационных аппаратов, содержащем сборник жидкости с размещенными на нем открытыми к верху желобами и наклонные пластины с каплесъемниками в верхней части, введены вертикальные пластины, закрепленные в нижней части открытых желобов, а наклонные пластины выполнены прямоугольными, закрепленными одними сторонами с верхней частью вертикальных пластин, а противоположными сторонами - с нижними частями смежных вертикальных пластин и с зазором к стенкам открытых к верху желобов, причем вдоль смежных вертикальных пластин вплотную друг к другу установлено несколько наклонных пластин последовательно одна за другой, развернутых относительно друг друга в разные стороны.
Вертикальные и наклонные пластины с открытыми к верху желобами, закрепленные между собой, образуют опорную решетку или ее сегментную часть.
Вертикальные пластины в нижней части снабжены зубьями, которые закреплены в открытых желобах.
Вертикальные и наклонные пластины в местах соединения в верхней части образуют каплесъемники.
Вертикальные пластины выполнены из пористого материала на обеих поверхностях, а наклонные пластины выполнены из пористого материала или с пористым покрытием нижних поверхностей.
Сборник жидкости снабжен каналами, расположенными у стенки корпуса аппарата или трубками отвода жидкости.
Наклонные пластины по сторонам, края которых не соединены с вертикальными пластинами, снабжены бортами направленными вверх и (или) вниз.
Открытые к верху желоба расположены на сборнике жидкости ниже его верхней кромки, при этом желоба в нижней части снабжены дренажными отверстиями и (или) в верхней части гребенками.
Введение вертикальных пластин, закрепленных в нижней части открытых желобов, выполнение наклонных пластин прямоугольными, закрепленными одними сторонами с верхней частью вертикальных пластин, а противоположными сторонами - с нижними частями смежных вертикальных пластин и с зазором к стенкам открытых к верху желобов, а также установление вдоль смежных вертикальных пластин вплотную друг к другу несколько наклонных пластин последовательно одна за другой, развернутых относительно друг друга в разные стороны, которые образуют опорную решетку или ее сегментную часть, позволило совместить функции коллектора сбора жидкости с функцией опорной решетки с целью уменьшения высоты и материалоемкости, упростить конструкцию за счет исключения верхней загнутой кромки наклонной лопасти, использовать жесткость тарелки (рамная конструкция) в качестве опорной решетки с целью размещения на ней, например, регулярной или другой насадки.
Выполнение вертикальных пластин в нижней части с зубьями, которые закреплены в открытых желобах, позволило обеспечить сток жидкости с обеих сторон вертикальных пластин крупными каплями непосредственно на внутреннюю поверхность открытых желобов, исключая дробление жидкости поднимающимся газовым потоком.
Соединение в верхней части вертикальных и наклонных пластин позволило, кроме создания жесткости устройству, образовать в верхней части каплесъемники для безотрывного отбора жидкости с нижней поверхности наклонных пластин на вертикальные пластины и стоком жидкости с них непосредственно в открытые желоба.
Выполнение вертикальных пластины из пористого материала с двух сторон, а наклонных пластин - из пористого материала или с пористым покрытием нижних поверхностей позволило увеличить скорость газового потока (производительность) без отрыва жидкости с поверхности пластин.
Выполнение сборника жидкости с каналами, расположенными у стенки корпуса аппарата или трубками отвода жидкости, позволило исключить дробление отделенной жидкости поднимающимся газовым потоком.
Выполнение наклонных пластин по сторонам, края которых не соединены с вертикальными пластинами, отбортованными к верху, позволило отделять и собирать жидкость не только поступающую с газовым потоком, но и стекающую с насадки при ее орошении.
Выполнение открытых к верху желобов расположенными на сборнике жидкости ниже его верхней кромки и снабжение их в нижней части дренажными отверстиями и (или) в верхней части гребенками позволило расширить область применения коллектора сбора жидкости, применить его в качестве распределительной или перераспределительной тарелки с минимальными конструктивными изменениями.
Заявителю не известно из существующего уровня техники выполнение коллектора сбора жидкости для массообменных и сепарационных аппаратов предложенным образом.
На фиг.1 изображен общий вид коллектора сбора жидкости с каналом отвода ее на стенки корпуса аппарата.
На фиг.2 изображен общий вид коллектора сбора жидкости с трубками отвода ее, например, в кубовую часть аппарата.
На фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.
На фиг.4 - продольный разрез перераспределительного коллектора сбора жидкости,
На фиг.5 - продольный разрез распределительного коллектора.
На фиг.6 - вариант открытого к верху желоба для коллектора сбора жидкости, выполняющего роль перераспределителя жидкости или распределителя жидкостного потока.
Коллектор сбора жидкости для массообменных и сепарационных аппаратов состоит из корпуса 1, в котором расположен сборник жидкости 2, над сборником жидкости 2 размещены открытые к верху желоба 3, в открытых желобах 3 установлены вертикальные пластины 4, закрепленные в их нижней части, а наклонные пластины 5 выполнены прямоугольными, закрепленными одними сторонами с верхней частью вертикальных пластин 4, а противоположными сторонами - с нижними частями смежных вертикальных пластин 4 и с зазором 6 к стенкам открытых к верху желобов 3 (фиг.1, 2), вдоль смежных вертикальных пластин вплотную друг к другу установлено несколько наклонных пластин 5 последовательно одна за другой, развернутых относительно друг друга в разные стороны (фиг.2, 3). Вертикальные пластины 4 и наклонные пластины 5 образуют каплесъемники 7 в верхней части.
Вертикальные 4 и наклонные 5 пластины с открытыми к верху желобами 3 закреплены между собой и образуют опорную решетку 8 (фиг.2) или ее сегментную часть.
Вертикальные пластины 4 в нижней части снабжены зубьями 9 (фиг.3-5), которые закреплены в открытых желобах 3.
Вертикальные пластины 4 выполнены из пористого материала на обеих поверхностях, а наклонные пластины 5 выполнены из пористого материала или с пористым покрытием нижних поверхностей для улучшения смачиваемости жидкостью и исключения срыва ее газовым потоком.
Сборник жидкости 2 снабжен каналами 10 (фиг.1), расположенными у стенки корпуса аппарата 1, или трубками отвода жидкости 11 (фиг.2).
Наклонные пластины 5 по сторонам, края которых не соединены с вертикальными пластинами, снабжены бортами 12 (фиг.3).
Для перераспределительных решеток (фиг.4) и для распределительных решеток (фиг.5) с подачей жидкости в сборник жидкости через штуцер 13 открытые к верху желоба 3 расположены на сборнике жидкости 2 ниже его верхней кромки 14 (фиг.5), при этом желоба в нижней части перераспределительных и распределительных решеток снабжены дренажными отверстиями 15 (фиг.4, 5, 6) и (или) в верхней части гребенками 16 (фиг.6).
Опорная решетка 8 может быть выполнена из сегментов шириной, обеспечивающей возможность их монтажа и демонтажа через люк-лаз.
Наклонные в разные стороны пластины 5 примыкают вплотную друг к другу и образуют в проекции поперечного сечения аппарата сплошной круг, исключающий провал жидкости через него, но обеспечивая проход газа через треугольные каналы 17 и 18 между наклонными пластинами (фиг.2).
Для мелких насыпных насадок или адсорбентов на коллекторе сбора жидкости 1 могут быть расположены плоские или гофрированные сетки 19 (фиг.1).
Коллектор сбора жидкости работает следующим образом. Газ с каплями жидкости (в сепараторах, абсорберах) подают под коллектор сбора жидкости 1, выполняющего роль:
- опорной решетки - 8, на которой располагается регулярная или насыпная насадка;
- инерционного сепаратора капель жидкости из газожидкостного потока;
- распределителя газового потока на множество струй, выходящих из коллектора сбора жидкости и поступающих на сепарационную или массообменную насадку (не показаны);
- беспровальной тарелки.
Сепарация происходит за счет сил инерции, капли жидкости сталкиваются с нижней поверхностью наклонных пластин 5, смачивают ее, укрупняются и переносятся при больших скоростях газовым потоком в каплесъемники 7, откуда стекают по вертикальным пластинам 4 в открытые сверху желоба 3. При малых скоростях (когда силы от газового напора меньше сил от веса капли и поверхностного натяжения жидкости) капли жидкости с нижней поверхности наклонных пластин 5 стекают в открытые желоба 3 через зазор 6. Из отрытых желобов жидкость поступает в сборник жидкости 2, откуда ее отбирают по трубам 11 или каналам 10 на стенку корпуса 1, а распределенный газ через множество треугольных каналов 17 и 18 (рис.2) между вертикальными пластинами 5, с закрепленными с ними наклонными пластинами 5, установленными вплотную друг к другу, направляется на расположенную на опорной решетке 8 насадку (не показана).
При использовании коллектора сбора жидкости в качестве распределителя или перераспределителя жидкости ее подают через штуцер 13 (фиг.5) или отбирают со стенки корпуса 1 (фиг.4) в сборник жидкости 2, откуда отбирают в открытые к верху желоба 3, которые расположены на сборнике жидкости 2 ниже его верхней кромки 14 (фиг.4, 5). Из отрытых желобов 3 жидкость распределяется по отверстиям 15 и (или) через гребенки 16 на нижерасположенную секцию насадки.
Предложенный коллектор сбора жидкости многофункциональный по назначению, т.к. является опорной решеткой для размещения сепарационных и массообменных насадок, жесткость и прочность которой обеспечивается соединением элементов вертикальных пластин, наклонных пластин и открытых желобов. Это позволяет выполнить конструкцию из материалов меньшей толщины, чем обычные опорные решетки, т.к. конструкция рамная.
Конструкция является сборником жидкости, обеспечивает беспровальный режим ее течения, является распределителем и инерционным сепаратором газового потока за счет соединения вертикальных пластин опорной решетки с наклонными лопастями с образованием карманов-каплесъемников.
Совмещение функций коллектора сбора жидкости и опорной решетки позволило сократить высоту корпуса аппарата, суммарную высоту и металлоемкость предложенной конструкции.
Увеличение количества вертикальных пластин по сравнению с традиционными опорными решетками и чередование их с наклонными пластинами увеличивает жесткость конструкции и позволяет выполнить ее из металла меньшей толщины, что облегчает трудоемкость изготовления коллектора сбора жидкости.
Выполнение вертикальных пластин с зубьями позволяет увеличить диаметр капель и отбираемых струй, а следовательно, повысить эффективность сепарации или увеличить производительность устройства по газу.
Выполнение наклонных пластин по сторонам, края которых не соединены с вертикальными пластинами, с бортами, направленными вверх и (или) вниз, позволяет:
- обеспечить беспровальный режим течения жидкости, стекающей с насадки на коллектор, за счет бортов, направленных вверх;
- исключить унос жидкости с газовым потоком за счет бортов, направленных вниз.
Расположение открытых к верху желобов на сборнике жидкости ниже его верхней кромки позволяет в вариантах работы коллектора в качестве распределительной и перераспределительной тарелки перетекать жидкости из сборника жидкости в открытые к верху желоба в дренажные отверстия и (или) через гребенки.
Выполнение наклонных пластин в виде прямоугольников упрощает конструкцию коллектора, исключает применение штампов при изготовлении.
Таким образом, обеспечивается технический результат предложенного технического решения, заключающийся в снижении габаритов корпусов аппаратов с коллекторами сбора жидкости, снижении материалоемкости внутренних устройств и корпусов аппаратов, совмещении функций устройств, таких как опорная решетка, сборник жидкости, первичный сепаратор, перераспределитель потоков, повышении эффективности сепарации, упрощении конструкции.