ТАРЕЛКА С КРУГЛЫМИ КАПСУЛЬНЫМИ КОЛПАЧКАМИ

Предлагаемое техническое решение относится к контактным устройствам массообменных аппаратов, а именно к конструкции капсульных колпачков для тарельчатых колонн, и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах при очистке нефтесодержащих отходов или шламов и других жидких отходов на молекулярном уровне.
01
02
Известна конструкция капсульного колпачка для барботажа, снабженный встроенным внутрь эжекционным устройством в виде сопла с прорезями (Авт. св. СССР №145510, класс 6b, 25; 12е, 2;12e, 1, 1952 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массообмена между сплошной и дисперсной фазами из-за образования крупных пузырьков газа (пара), их малой поверхности, что приводит к снижению производительности.
Известно устройство для очистки жидкости и газа, состоящее из колонного аппарата с тарелками перекрестного тока, переливными порогами, снабженными съемными капсульными колпачками, причем капсульные колпачки на каждой последующей тарелке расположены со смещением в шахматном порядке по отношению к предыдущей, каждый колпачок имеет сквозные отверстия круглой формы с уменьшающимся диаметром от основания колпачка к вершине с общим свободным сечением от 40% до 45% и на каждом колпачке расположена насадка в виде колец из трикотажного материала, включающего полиакрилонитрильную нить, содержащую ионы металла, с объемным модулем петли, равным 110-120, и поверхностным модулем петли 3-3,5, расположенных по высоте капсульного колпачка с зазором не менее 1-3 толщины кольца друг относительно друга и к стенке капсульного колпачка, и дополнительного кольца, установленного с натяжением по вершине капсульного колпачка (патент на изобретение РФ №2534776, B01D 3/20, 2014 г.).
К причинам, препятствующим достижению, заданного технического результата, относится недостаточное время контакта газовой дисперсной фазы с жидкой сплошной, так как весь контакт фаз осуществляется в основном внутри колпачка на слое насадки из трикотажного материала, а малое время контакта фаз снаружи колпачка снижает производительность.
Известна конструкция капсульного колпачка с отверстием на боковых отверстиях для массообменных колонн,, снабженного регулирующим устройством в виде зажима, расположенного в отверстии колпачка и предназначенного для регулирования глубины, погружение колпачка в жидкость на тарелке (описание изобретения в Авт. св. СССР №298336, B01D 3/20, 1971 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за образования крупных паровых или газовых пузырьков дисперсной фазы, их большой скорости всплывания в слое жидкости, находящейся на тарелке, и соответственно малого времени контакта.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаки к заявленному объекту и принятому за прототип является тарелка с круглыми капсульными колпачками, состоящая из основания и установленных в нем патрубков, на которых крепятся колпачки. В нижней части колпачков выполнены прорези шириной 4 мм и высотой 15-30 мм, через которые газ (пар) входит в жидкость, образуя многочисленные пузырьки, а при больших скоростях струи. Колпачки закрепляют на специальных изогнутых болтах, приваренных к патрубкам. Высоту колпачка над основанием регулируют с помощью шайб и гаек, навинченных на резьбу изогнутого болта (Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. // под общей редакцией А.С. Тимонина - Калуга: издательство «Ноосфера», 2014. С. 550-551).
К. причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за образования крупных пузырьков газа (пара) в прорезях капсульного колпачка, особенно при больших скоростях газа или пара, когда вместо пузырьков образуются струи газа (пара), приводящие к снижению времени их контакта с жидкостью на тарелке и эффективности тепло- и массопередачи.
Техническим результатом предлагаемой конструкции капсульного колпачка массообменной колонны является увеличение производительности за счет образования газовых (паровых) пузырьков малого диаметра, уменьшение скорости их всплывания и увеличения времени контакта газовой дисперсной и жидкой сплошной фазы при колебаниях расхода газа.
Поставленный технический результат достигается тем, что в тарелке с круглыми капсульными колпачками, состоящей из равномерно перфорированного основания, патрубков, жестко закрепленных в отверстиях перфораций, и осесимметрично установленными над патрубками круглыми капсульными колпачками, причем каждый круглый капсульный колпачок закреплен на изогнутом болте с помощью шайб и гаек, позволяющих регулировать высоту его расположения над основанием, при этом нижняя часть колпачка выполнена в виде кольца из упругого материала с вертикально равномерно разрезанной боковой поверхностью на полосы шириной и высотой (20-45) мм, причем полосы повернуты на (20°-30°) относительно боковой поверхности кольца для барботажа через них пузырьков газа.
Выполнение нижней части колпачка в виде кольца из упругого материала (например, тонколистовой стали, резины или полимера) с вертикально разрезанной боковой поверхностью на полосы обеспечивает вибрацию этих полос при барботаже газа (пара), что уменьшает размеры образующих пузырьков, увеличивает время их всплывания в слое жидкости на тарелке, а значит увеличивает тепло- и массоперенос между газом (паром) и жидкостью и в целом производительность.
При ширине и высоте полос менее 20 мм образующиеся пузырьки газа (пара) начинают коалесцировать (сливаться друг с другом) с образованием крупных пузырей, что увеличивает скорость их всплывания, уменьшает тепло- и массоперенос и производительность тарелки.
При ширине и высоте полос более 45 мм суммарная площадь сечения барботажных щелей между полосами уменьшается, что может привести при больших расходах газа (пара) к струйному (а не пузырьковому) прорыву газа без образования пузырьков. Это снижает поверхность контакта газа и жидкости, уменьшает время этого контакта и приводит к уменьшению скорости тепло- и массопереноса и производительности.
Поворот каждой полосы на (20°-30°) обеспечивает между полосами зазоры, переменной величины в которых образуются выходящие через них пузырьки газа (пара), при снижении или наоборот увеличении расхода газа (пара) по сравнению с номинальным расходом, то есть эти углы поворота увеличивают при колебаниях расхода газа (пара) устойчивость работы тарелки с сохранением высокой скорости тепло- и массопереноса и производительности.
Уменьшение угла поворота полос менее 20° относительно боковой поверхности кольца снижает площадь щелей между полосами, что может привести к струйному течению газа (пара) без образования пузырьков газа при высоких его расходах. Это уменьшает поверхность тепломассопереноса между газом (паром) и жидкостью, время их контакта, скорость массопереноса и следовательно и производительность.
Увеличение угла поворота более 30° относительно боковой поверхности кольца, увеличивает площадь щелей между полосами через которые движется газ (пар); что приводит к образованию крупных пузырьков газа, большой скорости их всплывания в жидкости, снижению времени контакта пузырьков газа с жидкостью, а значит и уменьшению скорости массопереноса и производительности.
Таким образом, выполнение нижней части каждого круглого капсульного колпачка в виде кольца из упругого материала с вертикально равномерно разрезанной боковой поверхностью на полосы шириной и высотой (20-45) мм и поворот этих полос на (20°-30°) относительно боковой поверхности кольца с образованием зазоров для барботажа через них пузырьков газа (пара) за счет вибраций полос, выполненных из упругого материала, позволяет обеспечить устойчивость работы тарелки при переменном расходе газа (пара), увеличить время контакта пузырьков газа (пара) с жидкостью на тарелке, скорость массопереноса и в целом производительность.
На фиг. 1 представлен общий вид тарелки с круглым капсульным колпачком в разрезе, на фиг. 2 - вид по сечению А-А снизу на предлагаемую конструкцию кольца из упругого материала, из которой выполнена нижняя часть круглого капсульного колпачка.
Тарелка состоит из равномерно перфорированного основания 1, патрубков 2, закрепленных в отверстиях перфорированного основания 1 и осесимметрично закрепленных над ними круглыми капсульными колпачками 3. Каждый круглый капсульный колпачок 3 закреплен на изогнутом болте 4 с помощью шайб 5 и гаек 6, позволяющих регулировать высоту его расположения над основанием 1. Нижняя часть колпачка 3 выполнена в виде кольца 7 из упругого материала (тонколистовой стали, резины или полимера) с вертикально равномерно разрезанной боковой поверхностью на полосы 8 шириной b и высотой h, равных (20-45) мм. Каждая полоса 8 повернута относительно боковой поверхности кольца 7 на угол α=20°-30° с образованием зазоров для барботажа через них пузырьков газа или пара.
Тарелка с круглыми капсульными колпачками 3 работает следующим образом.
Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой (на фигурах не показана), при этом полосы 7 погружены в жидкость на всю высоту H>h. Газ (пар) проходит через патрубки 2 под колпачки 3, затем через зазоры, образованные повернутыми относительно боковой поверхности кольца 7 полосами 8 на угол а, входит в виде барботирующих пузырьков в жидкость, движущейся вдоль основания 1 к сливной перегородке. Так как кольцо 7 выполнена из упругого материала (тонколистовой стали, резины или полимера) то под действием отрывающихся пузырьков газа или пара с кромок полос 8, последние постоянно вибрируют, заставляя за счет сил инерции дробиться и отрываться более мелкие пузырьки, имеющие малую скорость всплывания в жидкости, что увеличивает время пребывания, поверхность тепло- и массопереноса и приводит к росту скорости тепло- и массообмена и производительности.
Таким образом, выполнение нижней части круглого капсульного колпачка 3 в виде кольца 7 из упругого материала (тонколистовой стали, резины или полимера) с вертикально равномерно разрезанной боковой поверхностью на полосы 8 шириной и высотой (20-45) мм и поворот этих полос 8 на (20-30°) относительно боковой поверхности кольца 7 обеспечивает при барботаже газовых (паровых) пузырьков вибрацию этих полос 8, что под действием инерции этих колебаний вызывает дробление газовых (паровых) пузырьков, увеличение их суммарной поверхности, снижение скорости их всплывания, а значит увеличение времени контакта пузырьков газа с жидкостью. Все вместе это приводит к интенсификации тепло- и массообмена и увеличению производительности.