КЛАПАННАЯ ТАРЕЛКА

Предлагаемая конструкция относится к контактным устройствам колонных массообменных аппаратов и может быть использована в химической, газовой, нефтяной, нефтехимической, пищевой, и других отраслях промышленности.
Известны контактные элементы клапанных тарелок различной формы: круглые, прямоугольные, трапециевидные, с одинаковой или разной высотой подъема по периметру клапана (Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования; изд. 2-е. - М.: Химия, 1971. - с. 106.; Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. - Киев: Техника, 1970. - с. 75.).
Известна конструкция контактного элемента клапанной тарелки, выполненный в виде диска, связанного с перфорированным цилиндром, при этом перфорация выполнена с уменьшением площади сечения к диску (патент РФ №2104732, МПК B01D 3/30, B01D 3/22, 20.02.1998 г.).
Известна клапанная тарелка для процессов массообмена, клапаны которой снабжены ножками, выполняющими роль опорного элемента, ограничивающими подъем клапана, а ножки клапана или сам клапан имеют уступы, обеспечивающие посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки (авторское свидетельство СССР №186967, МПК B01D 3/18, B01D 3/20, B01D 53/18, 11.10.1966 г.).
Существенным недостатком обеих этих конструкций является ограниченно развитая поверхность массопередачи из-за малой поверхности образующихся в них крупных пузырьков газа (пара), что приводит к уменьшению интенсивности массопередачи. При этом, чем больший размер будут иметь пузырьки газа (пара), тем меньшее их количество будет образовываться в клапанах рассматриваемых тарелок, что приведет к еще большему снижению интенсивности массопередачи.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является клапанная тарелка для процессов массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, при этом опорный элемент выполнен в виде цилиндра из пористого материала (патент РФ №133430, МПК B01D 3/22, 20.10.2013 г.).
Недостатком данной клапанной тарелки является значительное гидравлическое сопротивление клапана при прохождении через него газа (пара), что сужает диапазон допустимых нагрузок по жидкости и газу (пару), что, в свою очередь, приводит к уменьшению интенсивности массоопедачи.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз.
Технический результат достигается тем, что клапанная тарелка для процессов массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом, выполненным в виде цилиндра с уступами, ограничивающими подъем клапана и обеспечивающими его посадку с зазором по отношению к плоскости тарелки, при этом цилиндр опорного элемента выполнен перфорированным из тонколистового материала, а соосно с ним на клапане установлен полый цилиндр, в нижней части которого закреплена цилиндрическая вставка из пористого упругого полимерного материала с сообщающимися порами, при этом наружный диаметр полого цилиндра определяется соотношением
где d - наружный диаметр полого цилиндра, мм,
D - диаметр цилиндра опорного элемента, мм.
Использование в предлагаемой конструкции клапанной тарелки для процессов массообмена вставок из пористого упругого полимерного материала с сообщающимися порами, например, поропласта или губчатой резины, позволяет разбивать поток жидкости (при его прохождении через вставки из этого материала) на значительное количество струй и мелкодисперсных капель, которые стекают вниз на нижележащую тарелку. При этом стекающие вниз струи жидкости в процессе своего падения на нижележащую тарелку также дробятся на мелкодисперсные капли, увеличивая тем самым в разы поверхность контакта фаз, что приводит к увеличению интенсивности процесса массопередачи.
Закрепление цилиндрических вставок из пористого упругого полимерного материала в нижней части полого цилиндра каждого клапана позволяет создать гидравлический затвор (гидрозатвор), препятствующий прохождению через вставки из пористого упругого полимерного материала снизу вверх газа (пара) и способствующий прохождению сверху вниз жидкости. Таким образом, жидкость с вышележащей тарелки на нижележащую может свободно проходить через вставки из пористого упругого полимерного материала клапанов. Это обстоятельство позволяет отказаться от использования в конструкции предлагаемой клапанной тарелки сливных и приемных устройств для жидкости, которые сокращают полезную площадь тарелки на 20÷25%, что приводит к уменьшению общего числа тарелок в массообменных аппаратах, а также к уменьшению их гидравлического сопротивления, что, в свою очередь, ведет к увеличению интенсивности массопередачи и снижению себестоимости выпускаемой продукции.
Выполнение опорных элементов клапана в виде перфорированного цилиндра, а также установка на клапане соосно с опорным элементом полого цилиндра, наружный диаметр которого определяется соотношением (1), позволяет газу (пару) свободно проходить через кольцевой зазор между двумя цилиндрами и далее через отверстия перфорации для барботажа через слой жидкости на тарелки, что обеспечивает возможность саморегулирования поднятия клапана на определенную высоту, которая зависит от расхода газа (пара). А выполнение цилиндра опорного элемента из тонколистового материала позволяет уменьшить общую массу клапана, расширяя тем самым диапазон его саморегулирования (т.е. диапазон высоты, на которую он может приподняться под действием потока газа (пара)), что приводит к сохранению пенного режима работы тарелки при повышенном расходе газа (пара) и обеспечивает высокую интенсивность массопередачи.
Уменьшение наружного диаметра полого цилиндра ниже заявленного предела, равного 0,85 диаметра цилиндра опорного элемента, приводит к снижению саморегулирующей способности клапана из-за увеличения площади поперечного сечения кольцевого зазора между двумя цилиндрами для прохождения газа (пара). Это обстоятельство снижает допустимый диапазон нагрузок по газу (пару) клапанной тарелки, что приводит к уменьшению интенсивности массопередачи.
Увеличение наружного диаметра полого цилиндра выше заявленного предела, равного 0,95 диаметра цилиндра опорного элемента, приводит к увеличению гидравлического сопротивления кольцевого зазора между двумя цилиндрами для прохождения газа (пара) из-за уменьшения площади поперечного сечения этого зазора. Это обстоятельство также снижает допустимый диапазон нагрузок по газу (пару) клапанной тарелки, что приводит к уменьшению интенсивности массопередачи.
На фигуре показан общий вид в разрезе клапанной тарелки.
Клапанная тарелка 1 для процессов массообмена состоит из клапанов 2, снабженных опорным элементом 3, выполненном в виде перфорированного цилиндра из тонколистового материала, с уступами 4, ограничивающими подъем клапана 2 и обеспечивающими его посадку с зазором по отношению к плоскости тарелки 1, установленного соосно с опорным элементом 3 полого цилиндра 5, наружный диаметр которого определяется соотношением (1), в нижней части которого закреплена цилиндрическая вставка 6 из пористого упругого полимерного материала с сообщающимися порами, например, поропласта или губчатой резины.
Клапанная тарелка работает следующим образом. Газ (пар) подается снизу вверх и проходит в кольцевой зазор, образованный опорным элементом 3, выполненном в виде перфорированного цилиндра из тонколистового материала, и полым цилиндром 5. Затем выходит из кольцевого зазора между двумя цилиндрами через отверстия перфорации опорного элемента 3 и барботирует через слой жидкости на тарелке 1 в виде газовых (паровых) пузырьков, что приводит к интенсивному массообмену между газом (паром) и жидкостью. При увеличении расхода газа (пара) клапан 2 вместе с опорным элементом 3 приподнимаются над тарелкой 1 на высоту, ограниченную уступами 4, увеличивая тем самым поверхность контакта фаз за счет большего количества газовых (паровых) пузырьков, выходящих из большего количества отверстий перфорации. При нестабильных значениях расхода газа (пара) уступы 4 способствуют поддержанию устойчивого процесса массопередачи, не позволяя клапану 2 полностью закрыться при малом расходе газа (пара) и не выпасть из тела тарелки 1 при большом расходе газа (пара). Жидкость на тарелку 1 подается сверху вниз, попадает внутрь клапана 2 и, проходя через сообщающиеся поры упругого полимерного материала цилиндрической вставки 6, расположенной в нижней части полого цилиндра 5, дробится на значительное количество струй и мелкодисперсных капель, стекающих вниз на нижележащую тарелку. Значительная часть струй в процессе своего падения на нижележащую тарелку также дробится на мелкодисперсные капли жидкости, значительно увеличивая тем самым поверхность контакта фаз. При этом расположение вставки 6 из пористого упругого полимерного материала с сообщающимися порами в нижней части полого цилиндра 5 позволяет создать гидрозатвор, который надежно препятствует прохождению через вставки 6 снизу вверх газа (пара) и способствует прохождению сверху вниз жидкости. В связи с этим, суммарная поверхность контакта фаз в предлагаемой конструкции клапанной тарелки для процессов массообмена обеспечивается, во-первых, с помощью барботажа газа (пара) через слой жидкости на тарелке, а во-вторых, за счет дробления потока жидкости, проходящего через вставку 6 из пористого упругого полимерного материала с сообщающимися порами, на струи и мелкодисперсные капли, что позволяет значительно повысить интенсивность массопередачи.
Таким образом, предлагаемая конструкция клапанной тарелки для процессов массообмена позволяет увеличить интенсивность процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз.