ТАРЕЛЬЧАТАЯ КОЛОННА

Полезная модель относится к контактным устройствам массообменных колонн и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки газовых сбросов и жидких отходов.
Известны тарельчатые колонны с переливными тарелками, состоящими из рабочей зоны, на площади которых расположены колпачки, отверстия или клапаны, приемного кармана, куда поступает жидкость с вышележащей тарелки, сливного кармана, в который сливается жидкость с тарелки и который снабжен переливной планкой, обеспечивающей определенный слой жидкости на тарелке. Площади сливного и приемного кармана составляет 14÷20% от площади поперечного сечения колонны. [Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств/Под общей редакцией А.С. Тимошина/Москва, Вологда: Инфра-инженерия 2022, с.577].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за сравнительно большой площади сечения колонны - до 20%, не участвующей в тепломассообменных процессах, которые заняты приемным и сливным карманами.
Известны конструкции провальных решетчатых и дырчатых тарелок, состоящих из полотна в виде металлического диска с отверстиями круглой, овальной, прямоугольной или другой формы. Жидкая фаза стекает в виде капель с вышележащей тарелки на нижележащую, а паровая (газовая) фаза через тоже отверстие поднимается снизу вверх. В провальных ситчатых тарелках существуют приемный и сливной карманы, то есть вся поверхность провальных ситчатых тарелок участвует в тепло- и массообменных процессах между каплями жидкости и пузырьками газа или пара. [Шапошников Ю.Н., Маин В.С. Машины и аппараты общехимического познания. Учебное пособие. Воронеж: издательство Воронежского университета 1981, с.144, 145, таблица 5.2, стр. 138].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся невысокая скорость тепло- и массопередачи, неустойчивость работы в широком диапазоне изменения расходов жидкой и газовой (паровой) фаз, большие затраты времени на пуск и вывод на устойчивый режим работы, что в целом снижает производительность.
Известна конструкция волнистой решетчатой тарелки, в которой отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает через отверстие в решетке навстречу пару там, где волна тарелки направлена вниз (высота столба жидкой среды наибольшая), а пузырьки газа или пара поднимаются через отверстия вверх там, где волна тарелки направлена вверх (высота столба жидкой фазы наименьшая). Кроме того, волны придают тарелке повышенную жесткость, что дает возможность применять их при большом диаметре колонны без опорных дополнительных устройств [Макаров Ю.И., Генкин А.Э. Технологическое оборудование химических и нефтеперерабатывающих заводов. – М.: Машиностроение, 1969, 168 с.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неустойчивость работы волнистой решетчатой тарелки при колебаниях расхода жидкой или газовой (паровой) фаз, сложность и длительность вывода их на устойчивый режим работы в пусковой период и невысокая скорость тепло- и массопередачи.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и выбранному за прототип является колпачковая тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней паровыми патрубками с колпачками, переливными трубами, причем переливные трубы равномерно распределены на плите тарелки между паровыми патрубками и снабжены в нижней части распылителями жидкости [Полезная модель РФ №182047, МПК B01D 3/20, B01D 3/32, 2018].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции и необходимость контроля и регулирования оптимального расхода газовой и жидкой фазы для устойчивой работы тарелки.
Техническим результатом предлагаемой конструкции тарельчатой колонны является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что тарельчатая колонна, состоит из корпуса, патрубков, тарелок с равномерно распределенными контактными элементами, причем тарелки выполнены из двух частей, беспровальной части оснащенной контактными элементами и провальной ситчатой частью с отверстиями, установленной ниже нижнего уровня беспровальной части с формированием переливного порога и образованием гидрозатвора, а каждая последующая тарелка внутри корпуса установлена с поворотом на 180° относительно предыдущей.
Совмещение на поверхности одной тарелки беспровальной части с контактными элементами (колпачками или клапанами) и провальной ситчатой части с отверстиями решетчатого или дырчатого типа позволяет сохранять достоинства каждой из вышеназванных конструкций и нивелировать их недостатки. Контактный элемент беспровальной части тарелки позволяет вести процессы тепломассопередачи с большой скоростью, а значит, с высокой производительностью. Выполнение на тарелке провальной ситчатой части с отверстиями решетчатого или дырчатого типа позволяет заменить приемный и переливной карманы, увеличивая при этом площадь контакта фаз тарелки на 15÷20%, что позволяет проводить на этой дополнительной площади каждой тарелки тепло- и массообменные процессы, что, в свою очередь, повышает производительность всей колонны в целом.
Ступенчатая установка провальной ситчатой части ниже нижнего уровня беспровальной части создает гидрозатвор, не позволяющий газовой или паровой фазе пробулькивать сквозь отверстия провальной тарелки, и направляет весь поток газовой или паровой фазы в площадь тарелки, занимаемую контактными элементами, увеличивая таким образом скоростью тепло- и массопередачи, что приводит к повышению производительности всей колонны в целом.
На фиг. 1 представлен фрагмент предлагаемой конструкции тарельчатой колонны, а на фиг. 2 - фронтальный разрез А-А, с видом на тарелку сверху.
Тарельчатая колонна состоит из цилиндрического корпуса 1 с патрубками подвода и отвода газовой (паровой) и жидкой фаз. Внутри корпуса 1 равномерно по высоте размещены тарелки, каждая из которых состоит из беспровальной части 2 оснащенной контактными элементами 3 (например, клапанами или паровыми патрубками с колпачками), и провальной ситчатой части 4 с отверстиями решетчатого или дырчатого типа.
Провальная ситчатая часть 4 установлена ниже нижнего уровня беспровальной части 2 с формированием переливной порог 5, при этом образуется гидрозатвор высотой H, не позволяющий пузырькам газа или пара пробулькивать сквозь отверстия провальной ситчатой части 4 тарелки, и направляет весь поток газа или пара в зону беспровальной части тарелки 2. Провальная ситчатая часть 4 занимает 15÷20% всей площади сечения тарелки. Каждая последующая тарелка внутри корпуса 1 установлена с поворотом на 180° относительно предыдущей.
Тарельчатая колонна предлагаемой конструкции работает следующим образом.
Сверху по патрубку подвода жидкой фазы на каждую тарелку подается жидкость, а снизу газовая или паровая фаза по патрубку подвода газовой фазы. На частях тарелки 2 и 4 устанавливается общий уровень высоты жидкой фазы. Газовая (паровая) фаза в зоне беспровальной части 2, где высота жидкости равна h<H, проходит через контактные элементы 3, например, через паровые патрубки и колпачки с высокой скоростью тепло- и массопередачи. Жидкость в зоне установки провальной ситчатой части 4 тарелки, имея высоту H>h, образует гидрозатвор, не позволяющий пробулькивать пузырькам газа или пара в этой части колонны. Капли жидкости, проходя через решетчатые или дырчатые отверстия провальной части 4 тарелки, взаимодействуют с окружающей сплошной газовой или паровой фазой и участвуют в тепло- и массообменном процессе. Такое конструктивное исполнение тарелок колонны увеличивает поверхность тепло- и массопередачи каждой тарелки, увеличивая общую производительность тепло- и массопереноса калонны.
Таким образом, использование тарельчатой колонны, состоящей из корпуса, патрубков, тарелок, выполненных из двух частей, беспровальной части, оснащенной контактными элементами, и провальной ситчатой части с отверстиями, установленной ниже нижнего уровня беспровальной части с формированием переливного порога и образованием гидрозатвора, при этом каждая последующая тарелка внутри корпуса установлена с поворотом на 180° относительно предыдущей, позволяет увеличить ее производительность.