КЛАПАННАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к конструкциям массообменных устройств для колонных аппаратов для реализации процессов тепло- и массообмена в системах «газ - жидкость», «пар - жидкость» под вакуумом, при атмосферном или повышенном давлении и может использоваться для осуществления таких процессов, как абсорбция и ректификация в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, коксохимической и других отраслях промышленности, где имеются аналогичные производства.
Известна контактная тарелка [1] для проведения процессов массообмена, включающая полотно - основание с отверстиями, над которыми рядами установлены клапаны, снабженные снизу направляющими ножками с ограничителями подъема, и переливные устройства со сливной перегородкой.
Общими признаками известного и предлагаемого решений является наличие переливных устройств и полотен, в которых размещены подвижные клапаны, имеющие ограничители подъема.
Недостатками известной контактной тарелки [1] является следующее. Приваривание к клапану отдельных элементов - ножек с ограничителями подъема приводит к тому, что с течением времени ножки отрываются от клапана, так как в местах сварки деформируется структура металла, происходит его утонение и наблюдается повышенная коррозия металла. Отрыв ножек приводит к смещению клапана или полному его "уносу" с места расположения, образованию байпасных отверстий в полотне тарелки, в которые стекает жидкость, и в результате снижению эффективности работы (КПД) клапанной тарелки. Известная конструкция приводит к увеличению массы клапана, к повышению металлоемкости и трудоемкости изготовления. Ограничивается возможность уменьшения размера клапана, что не позволяет увеличить количество клапанов на полотне тарелки и соответственно сужает диапазон свободного сечения полотна тарелки для прохода пара/газа. Необходимость выполнения работ по изгибу "ножек" клапана для формирования ограничителя подъема клапана снижает точность задания высоты подъема клапана и создает предпосылки неверной высоты подъема клапана. Актуальность задания точной высоты подъема клапана связана с тем, что по высоте колонны количества пара/газа изменяются и при проектировании клапанных тарелок обычно задаются разной высотой подъема клапана на разных тарелках.
Полезная модель клапанной тарелки для массообменных колонных аппаратов предназначена для достижения следующего технического результата - улучшение эксплуатационных показателей вследствие повышения эффективности массообмена фаз на тарелке, расширения  диапазона применения клапанных тарелок по нагрузке по газу/пару и повышения надежности конструкции клапанной тарелки.
Указанный технический результат достигается тем, что клапанная тарелка для массообменных колонных аппаратов состоит из переливных устройств, включающих дно перелива, входную планку, переливной порог, стенку перелива, и горизонтально расположенного полотна тарелки с противобайпасными пластинами и подвижными клапанами, размещенными в отверстиях круглой формы. Каждый клапан является цельной деталью, полученной штамповкой или рельефной формовкой из цельного листа, имеющей секторные лепестки, ограничители подъема и вертикально ориентированные отверстия U-образной или V-образной формы. В центре клапана может быть сформирован выгиб эллипсоидной формы. Ограничители подъема клапана могут выполняться прямой формы, Т-образной или Г-образной формы. В полотне тарелки могут быть установлены различные виды указанных выше клапанов.
Представленная конструкция клапанной тарелки для массообменных колонных аппаратов обладает следующими преимуществами. Изготовление клапанов методом штамповки или рельефной формовки из цельного листа позволяет улучшить эксплуатационные характеристики клапанных тарелок, снизить трудоемкость и стоимость их изготовления, ускорить изготовление клапанов, повысить надежность конструкции клапанной тарелки за счет цельной конструкции клапана. Описываемый клапан позволяет повысить надежность и сохранить работоспособность клапанной тарелки с течением времени за счет отсутствия приварных деталей. Предлагаемая конструкция клапана позволяет закладывать минимальное количество ограничителей подъема и в результате уменьшить массу клапана, снизить трудоемкость и стоимость изготовления клапана, повысить скорость изготовления тарелок. Цельная конструкция клапана и отсутствие необходимости применения сварки позволяет уменьшить размер клапана и при необходимости увеличить количество клапанов на клапанной тарелке, что обеспечивает более равномерный барботаж жидкости и повышение эффективности массообмена. Большее количество клапанов меньшего размера, размещаемых на полотне тарелки, позволяет также увеличить свободное сечение в полотне тарелки для прохода газа/пара и расширить диапазон применения клапанных тарелок по нагрузке по газу/пару. Преимуществом рельефной формовки клапана из заготовки, подготовленной при помощи лазерной резки, позволяет обеспечить высокую точность изготовления клапанов и их идентичность с заданной точностью, в отличие от изготовления клапанов методом штамповки, поскольку штампы имеют ресурс по количеству изготавливаемых клапанов, а также с течением времени режущие способности штампа ухудшаются, что приводит к изменению геометрических характеристик вертикально ориентированных отверстий в клапане.
Вертикально ориентированные отверстия U-образной или V-образной формы позволяют сформировать под клапаном кольцевой зазор для прохода газа/пара - в форме прямой со стороны полотна и волнообразный или зигзагообразный со стороны клапана, разрываемый пластинами ограничителей подъема клапана. При проходе газа/пара под клапаном в радиально-горизонтальном направлении от центра отверстия в полотне газ/пар вовлекает в барботаж жидкость, находящуюся над клапаном через вертикально ориентированные отверстия в клапане, что повышает эффективность массообмена фаз за счет увеличения объема барботируемой жидкости, интенсификации барботажа и массообмена.
Преимуществом выполнения ограничителя подъема клапана Г-образной или Т-образной формы является конструктивно заданный размер максимальной высоты подъема клапана, предусматривающий при сборке полотен тарелки простую операцию отгиба фиксаторов подъема и не требующей контроля максимальной высоты подъема клапана. При этом исключается трудоемкий этап работ по формированию прямых фиксаторов подъема, требующий существенных механических усилий, приводящих к изменению конструктивных характеристик клапана и требующий контроль за размером максимальной высоты подъема клапана практически для каждого клапана, что повышает трудоемкость и время изготовления клапанных тарелок. Результатом предлагаемой конструкции является повышение технологичности, скорости сборки полотен и изготовления тарелок.
Формирование в центре клапана выгиба эллипсоидной формы позволяет предотвратить скапливания на клапане загрязнений и остатков жидкости после остановки колонны перед ремонтом.
Использование на полотне тарелок клапанов разных конструкций и характеристик актуально для колонн большого диаметра с целью выравнивания газовых/паровых нагрузок на тарелке, так как по ходу движения жидкости уровень жидкости над клапанами изменяется и формируется "клин жидкости".
На фиг. 1 представлен разрез массообменного колонного аппарата с однопоточными клапанными тарелками.
В массообменном колонном аппарате 1 размещаются клапанные тарелки 2, состоящие из горизонтально расположенного полотна тарелки 3 с клапанами 4 и размещенными на полотне тарелки противобайпасными пластинами 5, переливными устройствами, состоящими из дна перелива 6, входной планки 7, переливного порога 8, стенки перелива 9.
На фиг. 2, 3 показаны схемы движения потоков жидкости и газа/пара для однопоточных тарелок (фиг. 2, а), двухпоточных тарелок (фиг. 2, б), трехпоточных тарелок (фиг. 3, а), четырехпоточных тарелок (фиг. 3, б).
На фиг. 4 показаны общие виды сверху клапанов тарелок разных исполнений. На фиг. 4, а) показан клапан с четырьмя ограничителями подъема и четырьмя секторными лепестками с расположением по три отверстия между ограничителями подъема. На фиг. 4, б) показан клапан с тремя ограничителями подъема и тремя секторными лепестками с расположением по четыре отверстия между ограничителями подъема. На фиг. 4, в) показан клапан меньшего размера с четырьмя ограничителями подъема и четырьмя секторными лепестками с расположением по два отверстия между ограничителями подъема. На фиг. 4, г) показан клапан меньшего размера с тремя ограничителями подъема и тремя секторными лепестками с расположением по три отверстия между ограничителями подъема.
На фиг. 5 показан эжекционный клапан в разрезе, сечение А-А. На фиг. 5, а) показан клапан в сечении А-А со сформированным в центре клапана выгибом эллипсоидной формы вверх, на фиг. 5, б) - без выгиба, с плоским дном клапана, а на фиг. 5, в) - с выгибом эллипсоидной формы вниз. На фиг. 5, г), д), е) показаны клапаны с секторными лепестками, ориентированными приблизительно параллельно полотну клапанной тарелки.
На фиг. 6 а), б) показаны виды Б клапана на вертикально ориентированные отверстия U-образной и V-образной формы, соответственно.
На фиг.7 показан общий вид заготовки для изготовления клапана с четырьмя ограничителями подъема и четырьмя секторными лепестками с разными исполнениями ограничителей подъема. На фиг. 7, а) - ограничитель подъема прямой формы, на фиг. 7, б) - ограничитель подъема Г-образной формы, на фиг. 7, в) - ограничитель подъема Т-образной формы.
Клапанная тарелка работает следующим образом. Жидкость, входящая в колонну снаружи, или стекающая с расположенной выше тарелки, или выходящая из другого внутреннего устройства колонны, переливается через входную планку 7 и растекается по полотну 3 с клапанами и движется по полотну 3 тарелки в горизонтальном направлении. Газ (пары), двигаясь в колонне снизу вверх, поступает под полотна 3 с клапанами, поднимает клапаны 4, преодолевая их вес и вес жидкости на тарелке, барботирует через слой жидкости, протекающей по полотну тарелки. Газ (пар) проходит через кольцевой зазор между клапанами 4 и полотнами 3 и вовлекает в барботаж жидкость, находящуюся над клапаном через вертикально ориентированные отверстия в клапане 4, что повышает эффективность массообмена фаз за счет увеличения объема барботируемой жидкости и интенсификации барботажа. Форма отверстия под клапаном для прохода газа/пара - кольцевой зазор прямой со стороны полотна и волнообразный или зигзагообразный со стороны клапана, разрываемый пластинами ограничителей подъема клапана. В результате барботажа на тарелке образуется пена - смесь жидкости и газа, в которой происходит тепломассообмен между газом (паром) и жидкостью. Основная часть газа выделяется из пены в межтарельчатом пространстве и движется дальше под расположенную выше тарелку. Жидкость с захваченными пузырями газа переливается через переливной порог в перелив, образованный стенкой перелива и стенкой колонны. В переливе происходит окончательное выделение газа. Дегазированная жидкость поступает на вход расположенной ниже тарелки, на ней происходит такой же процесс взаимодействия жидкости и газа (пара). Дно перелива, нижняя часть стенки перелива и входная планка образуют гидрозатвор - емкость, в которой накапливается дегазированная жидкость и предотвращает прорыв газа через перелив. Около стенки колонны имеются достаточно широкие зоны, в которых невозможно расположить клапаны из-за наличия опорных и крепежных конструкций. Эти зоны являются байпасными, проходящая через них жидкость не барботируется газом (паром) и в результате отсутствует тепломассообмен с частью жидкости. В байпасных зонах устанавливаются противобайпасные пластины 5 для перенаправления жидкости в сторону клапанов и осуществления тепломассообмена.
Литература
1. Авторское свидетельство на изобретение SU 1360755 А1, B01D 3/30, опубл. 23.12.1987.