КОЛПАЧКОВАЯ ТАРЕЛКА МАССООБМЕННОГО АППАРАТА

Предлагаемая конструкция колпачковой тарелки массообменного аппарата относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может быть использована в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в процессах очистки газов от вредных примесей.
Известна колпачковая тарелка, состоящая из основания в виде стального отбортованного диска с отверстиями для установки паровых патрубков и сегментной сливной трубы. Над газовыми патрубками установлены стандартные колпачки, которые прикреплены к патрубкам специальными шайбами и гайками (Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Издательство Воронежского университета, 1982, с. 141).
К недостаткам данной конструкции относится малый диапазон устойчивости работы тарелки в связи с фиксированными диаметрами отверстий, не зависящих от температурного режима рабочих сред.
Известна колпачковая контактная тарелка для тепломассообменных аппаратов, содержащая паровой патрубок и крышку, имеющую перфорацию в нижней части на боковой поверхности, причем боковая поверхность крышки в зоне перфорации снабжена кольцевым выступом, а сечение парового патрубка в верхней части имеет каплевидную форму (Патент РФ №94037361, B01D 3/20, 1996).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность конструкции колпачковой тарелки, а также фиксированные размеры отверстий в основании тарелки, не меняющие свое проходное сечение при изменении температур рабочих сред, что снижает диапазон устойчивой работы тарелки.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является колпачковая тарелка, содержащая жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности. Колпачок тарелки выполнен составным из скругленного донышка, к которому сварным швом прикреплены зубчатая кромка (Патент РФ №2452557, B01D 53/14, B01D 3/20, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточный диапазон устойчивости работы колонны при изменении температур газов (паров) и жидкости в связи с фиксированными диаметрами патрубков.
Техническим результатом предлагаемой конструкции колпачковой тарелки массообменного аппарата является увеличение устойчивости ее работы при изменении температуры газов (паров) и жидкости, проходящих через отверстия внутри патрубков.
Поставленный технический результат достигается тем, что в колпачковой тарелке массообменного аппарата, содержащей жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности, причем каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром, подчиняющемуся выражению
где d - наружный диаметр внутреннего патрубка,
D - внутренний диаметр наружного патрубка,
и патрубки по торцам герметично соединены кольцевыми крышками с образованием пустотелой кольцевой камеры между наружным и внутренним патрубком.
Установка внутри патрубка дополнительного патрубка из эластичного материала позволяет создавать герметичную кольцевую камеру, давление в которой изменяется с изменением температуры газов (паров) и жидкости, находящихся с внешней стороны этой камеры. Под действием этого давления возникает радиальная сила, изменяющая проходное сечение патрубка колпачковой тарелки, что обеспечивает устойчивую работу этой тарелки в широком диапазоне изменения температур.
Установка кольцевых крышек над патрубками и их герметичное соединение с этими патрубками осуществляется при соотношении наружного диаметра внутреннего патрубка к внутреннему диаметру наружного патрубка, определяемому по условию (1).
Увеличение верхнего предела, равного 0,8 в соотношнии (1), уменьшает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка будет недостаточной для регулирования проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, что приведет к потери устойчивости работы тарелки массообменного аппарата.
Уменьшение нижнего предела против указанного в условии (1) значения 0,6 увеличивает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка приведет к резкому снижению проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, и потери устойчивости работы тарелки.
На фиг. 1 представлен общий вид фрагмента колпачковой тарелки массообменного аппарата. На фиг. 2 изображена аксонометрия верхней крышки колпачковой тарелки в разрезе. На фиг. 3 - аксонометрия нижней крышки колпачковой тарелки в разрезе.
Тарелка состоит из опорного перфорированного диска 1 (полотна тарелки) с отверстиями для установки патрубков 2. Над патрубками установлены колпачки 3, при этом, по меньшей мере, три зубца колпачка 3 отогнуты в сторону патрубка 2 и жестко присоединены к его наружной поверхности сварным швом. Каждый патрубок 2 дополнительно снабжен осесимметрично установленным в нем внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала, например резины или полимера, с наружным диаметром d, подчиняющемуся условию (1). Патрубки 2 и 4 по торцам герметично соединены кольцевыми крышками 5 и 6, образуя пустотелую кольцевую камеру 7 между наружным и внутреннего патрубками 2 и 4.
Колпачковая тарелка массообменного аппарата работает следующим образом. Жидкость поступает на полотно тарелки - опорный перфорированный диск 1 с вышележащей ступени контакта фаз и взаимодействует с восходящим через дополнительный внутренний патрубок 4 потоком пара (газа). При повышении температуры в процессе массопереноса в пустотелой кольцевой камере 7 происходит расширение газа и дополнительный внутренний патрубок 4 деформируется под действием радиальной силы, что изменяет проходное сечение внутреннего патрубка 4 и обеспечивает саморегулирование локального расхода и скорости жидкости или газа (пара).
Обычно на массообменной тарелке температуры газовой и жидкой фазы распределяются неравномерно по ее сечению: в середине она выше, чем на периферии. В этом случае для выравнивания расхода газовой (паровой) фазы по сечению колпачковой тарелки необходимо уменьшать проходное сечение патрубков тарелки в центральной части. Это обеспечивает предлагаемая конструкция колпачковой тарелки, так как с ростом температуры растет давление внутри кольцевой камеры 7, которое, деформируя эластичную поверхность внутреннего патрубка 4, уменьшает его проходное сечение, тем самым уменьшая расход газа (пара). В периферийных колпачках, где температура паров и жидкости ниже, чем в центральной части, давление воздуха внутри пустотелой кольцевой камеры 7 увеличивается незначительно. В связи с этим проходное сечение колпачков в периферийной области изменяется в меньшей степени, обеспечивая тем самым повышенный расход газовой (паровой) фазы.
Кроме того подвижность боковых стенок дополнительного внутреннего патрубка 4 и их колебания способствуют снижению отложений примесей в отверстии колпачковой тарелки и, как следствие, равномерному распределению газожидкостной смеси на поверхности тарелки.
Таким образом, дополнительное снабжение каждого патрубка 2 внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром d, подчиняющемуся выражению (1), и герметично соединенными по торцам кольцевыми крышками 5 и 6 с образованием пустотелой кольцевой камеры 7 между наружным 2 и внутренним 4 патрубками, обеспечивает выравнивание расхода газовой фазы по сечению колпачковой тарелки при широком диапазоне изменения температур газовой (паровой) и жидкой фаз в этом сечении, тем самым повышает устойчивость ее работы.