СИТЧАТАЯ ТАРЕЛКА ПРОВАЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ, РАБОТАЮЩИХ В СИСТЕМАХ "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ" И "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ"
SIEVE TRAY OF DIP TYPE FOR MASS-TRANSFER APPARATUS WORKING IN "GAS-LIQUID" AND "GAS-LIQUID-LIQUID" SYSTEMS

Ситчатая тарелка провального типа для массообменных аппаратов, работающих в системах «газ - жидкость» и «газ - жидкость - жидкость», которая может быть использована в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, в частности, для ректификационного и абсорбционного разделения смесей органических и неорганических веществ, например, при фракционировании смеси двух взаимонерастворимых жидкостей.
Известна ситчатая тарелка провального типа для массообменных аппаратов, работающих в системах «газ - жидкость», включающая горизонтальное полотно с равномерно расположенными ситами, через которые снизу вверх проходит газовая фаза и сверху вниз жидкая фаза (Скобло А.И., Трегубова И.А., Егоров Н.Н. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Гостоптехиздат, 1962, 200 с.). Основным недостатком таких тарелок является узкий диапазон нагрузок по газовой и жидкой фазам, поскольку при низкой нагрузке тарелки происходит провал жидкой фазы с вышележащей тарелки на нижележащую практически без контакта фаз, а при высокой нагрузке тарелки происходит ее захлебывание - в обоих случаях коэффициент полезного массообменного действия тарелки резко уменьшается. Кроме того, эффективность массообмена на тарелке в целом определяется эффективностью локального противотока газовой и жидкой фаз через единичное отверстие сита и существенно ниже, чем в случае противоточного контакта газовой и жидкой фаз на ситчатых тарелках со сливными переточными устройствами.
Известна также тарелка провального типа для массообменных аппаратов, работающих в системах «газ - жидкость», включающая горизонтальное полотно с равномерно расположенными ситами, через которые снизу вверх проходит газовая фаза и сверху вниз жидкая фаза, снабженная предохранительным переливным устройством, высота которого над полотном тарелки соответствует предельно допустимому уровню жидкости на полотне (свидетельство на полезную модель RU №29671 U1, B01D 3/18, B01D 3/20, B01D 3/22, 27.05.2003).
Основным недостатком аналога является неравномерность растекания жидкой фазы из переливного устройства по нижележащей провальной ситчатой тарелке, в результате становится необходимым установка дополнительного распределительного устройства с зубчатой переливной планкой, что приводит к увеличению металлоемкости провальной тарелки и увеличению высоты массообменного аппарата более чем в два раза для размещения переливных устройств и распределительных устройств без увеличения массообменной эффективности аппарата в целом.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению и рассматриваемой в качестве прототипа является ситчатая тарелка провального типа для массообменных аппаратов, работающих в системах «газ - жидкость», включающая горизонтальное полотно из параллельно расположенных полос, через которые снизу вверх проходит газовая фаза и сверху вниз жидкая фаза, при этом полосы выполнены выгнутыми по синусоиде и сдвинуты относительно друг друга на длину полуволны, формируя сита (авторское свидетельство на изобретение SU №748939, B01D 3/22, 10.07.1999). Недостатком данного изобретения является конструктивная сложность монтажа тарелок, поскольку незначительное смещение параллельно расположенных по сути дела гофрированных полос друг относительно друга в горизонтальной и особенно в вертикальной плоскости приведет к существенному изменению вертикального поперечного сечения щелей между соседними пластинами и нарушению условия однородности потоков газовой и жидкой фаз, проходящих сквозь эти щели, по расходам, скоростям и степени диспергирования.
При создании изобретения ставилась задача увеличения эффективности контакта газовой и жидкой фаз на провальных контактных устройствах ситчатого типа и повышения пропускной способности тарелки за счет изменения организации контакта в ситах с противоточного на локальный перекрестноточный и расширения границ устойчивой работы тарелки, а также при массообмене между газом и двумя несмешивающимися жидкостями.
Поставленная задача решается за счет того, что в ситчатой тарелке провального типа для массообменных аппаратов, работающих в системах «газ - жидкость» и «газ - жидкость - жидкость», включающей горизонтальное полотно с равномерно расположенными ситами, через которые снизу вверх проходит газовая фаза и сверху вниз жидкая фаза, горизонтальное полотно формируется из двух скрепленных между собой полотен, каждое полотно имеет асимметрично расположенные элементы двух видов сит, один элемент сита имеет форму в виде сита-клапана круглой формы, скрепленного с полотном ножками, выдавленными из полотна совместно с ситом-клапаном, другой элемент сита выполнен в виде сита-отверстия круглой формы с габаритным размером, позволяющим вставлять в сито-отверстие с минимальным зазором сито-клапан другого полотна, на верхнем полотне сита-клапаны обращены вниз симметрично ситам-отверстиям в нижнем полотне, а в нижнем полотне сита-клапаны обращены вверх симметрично ситам-отверстиям в верхнем полотне.
Предлагаемая ситчатая провальная тарелка за счет специфической конструкции - наличия сит-клапанов - в горизонтальном сечении имеет по сущности практически удвоенное расширение рабочей высоты полотна тарелки в сборке. Это позволит существенно расширить границы устойчивой работы тарелки. При большой удельной нагрузке тарелки по жидкой фазе излишки жидкости будут дополнительно заполнять нижние сита-клапаны, через которые как через дополнительные распределительные устройства жидкая фаза будет перетекать на нижележащую тарелку, предохраняя от захлебывания вышележащую тарелку. При низкой удельной нагрузке тарелки по жидкой фазе жидкость будет преимущественно заполнять нижние сита-клапаны, контактируя в них противотоком с газовой фазой, не позволяя проваливаться жидкой фазе на нижележащую тарелку. При нормальной удельной нагрузке тарелки по потокам газовой и жидкой фаз интенсифицируется массообмен на тарелке за счет повышения качества барботажа газа вблизи сита-клапана благодаря увеличению скорости прохождения газовой фазы сквозь щель между полотном тарелки и клапаном по сравнению со скоростью прохождения газовой фазы сквозь сито-отверстие. Например, для сухой тарелки при прохождении газовой фазы через щель сита-клапана шириной 2 мм при диаметре сита-клапана 20 мм по сравнению с прохождением газовой фазы через сито-отверстие диаметром 20 мм скорость газовой фазы увеличивается в 2,5 раза. Возможность перетекания жидкой фазы из зоны сита-клапана, обращенного вверх, в зону рядом расположенного сита-клапана, обращенного вниз, приводит к формированию двукратного контакта одной порции жидкой фазы с соседними потоками газовой фазы, что должно привести к формированию локального перекрестноточного режима гидродинамики ситчатой тарелки, интенсифицирующего массопередачу. В тех случаях, когда на ситчатой тарелке происходит разделение системы «газ - жидкость - жидкость», например фракционирование частично растворимых жидкостей, то на ситчатой тарелке жидкость большей плотности будет взаимодействовать с газом в ситах-клапанах, обращенных вниз, а жидкость меньшей плотности - в ситах-клапанах, обращенных вверх.
На фигуре 1 показано горизонтальное полотно ситчатой провальной тарелки из двух скрепленных между собой полотен с ситами-клапанами в сборе.
На фигуре 2 показано горизонтальное полотно ситчатой провальной тарелки из двух скрепленных между собой полотен с ситами-клапанами в разобранном виде: отдельно верхнее и нижнее полотна.
На фигуре 3 показан фрагмент горизонтального полотна ситчатой провальной тарелки из двух скрепленных между собой полотен с ситами-клапанами в сборе в вертикальном разрезе и горизонтальный разрез сита-клапана по A-A ситчатой провальной тарелки с круглыми клапанами, где 1 - верхнее полотно, 2 - нижнее полотно, 3 - сито-клапан, 4 - головка клапана, 5 - ножка клапана, 6 - сито-отверстие.
Проведены сравнительные стендовые испытания ситчатой провальной тарелки с круглыми клапанами диаметром 20 мм с высотой ножки 4 мм по заявляемому изобретению с классической провальной тарелкой, сита которой выполнены в виде отверстий круглой формы диаметром 4 мм и прямоугольной формы 4×20 мм, имеющих одинаковое живое сечение на уровне 20% от площади полотна тарелки.
Результаты стендовых испытаний ситчатой провальной тарелки с круглыми клапанами по заявляемому изобретению показали, что ситчатая провальная тарелка с круглыми клапанами обеспечивает:
- увеличение пропускной способности по газу на 10%, повышение эффективности массопередачи в системе «газ - жидкость» на 10% (оценка эффективности проведена визуально по изменению порозности и увеличению высоты пены);
- расширение нижней границы диапазона устойчивой работы тарелки (начало подпора жидкости восходящим потоком газа) на 10%, а верхней границы диапазона устойчивой работы со 100% (расчетный номинал) до 115% (прекращение стока и начала заброса жидкости на следующую тарелку). Таким образом, диапазон устойчивой работы тарелки увеличился на 25%.
Анализ гидродинамических особенностей и результаты экспериментальных стендовых испытаний разработанной провальной ситчатой тарелки подтверждают, что заявляемое изобретение решает задачу увеличения эффективности контакта газовой и жидкой фаз на провальных контактных устройствах ситчатого типа и повышения пропускной способности тарелки за счет изменения организации контакта в ситах с противоточного на локальный перекрестноточный и расширения границ устойчивой работы тарелки, а также при массообмене между газом и двумя несмешивающимися жидкостями.