ТАРЕЛЬЧАТЫЙ АППАРАТ, КОЛОННА С ЭТИМ АППАРАТОМ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
PLATE APPARATUS, COLUMN WITH SUCH APPARATUS AND METHOD OF ITS APPLICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к тарельчатому аппарату для колонны, например для перегонной колонны, который в предпочтительном варианте осуществления содержит сливной стакан и тарелку с выталкивающими клапанами или средством увеличения импульса в сочетании со средством изменения направления потока, таким как один или несколько утопленных переливных порогов или профилированные направляющие лопасти на входе сливного канала, предназначенные для приема текучей среды (например, парожидкостной контактной пены) с увеличенным импульсом, изменения ее направления и выпуска через сливной стакан. Изобретение также относится к колоннам для массопереноса и массообмена и к парожидкостным контактным тарелкам, используемым в таких колоннах. Кроме того, изобретение относится к контактным тарелкам и способам сборки и использования тарельчатых аппаратов и колонн с этими тарельчатыми аппаратами.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Парожидкостные контактные тарелки используются в колоннах для массопереноса или обмена с целью улучшения контакта, например, между текущими вверх потоками пара и текущими вниз потоками жидкости. Эти тарелки расположены в колонне обычно горизонтально для обеспечения горизонтальной поверхности, по которой могут протекать потоки жидкости. Обычно тарелки выполнены из твердого листового материала (например, панелей) и имеют множество отверстий, через которые снизу может проходить пар для взаимодействия с жидкостью, текущей по верхней поверхности тарелки. В тарелках, известных как ситчатые тарелки, отверстия имеют достаточно малый размер, так что при работе колонны давление пара, проходящего вверх через эти отверстия, ограничивает или предотвращает прохождение через них вниз жидкости. В тарелках другого типа над отверстиями могут находиться подвижные клапаны или подвижные элементы, такие как барботажные колпачки, препятствующие прохождению жидкости вниз.
Сливные стаканы используются в сочетании с описанными выше парожидкостными контактными тарелками для обеспечения пути для прохода жидкости вниз с одной тарелки на расположенную ниже другую тарелку. В однопроходных тарельчатых устройствах сливные стаканы расположены на противоположных концах соседних по вертикали тарелок, так что жидкость протекает полностью по одной тарелке от входного конца к выходному концу и поступает в сливной канал для подачи на следующую, нижнюю тарелку. Затем жидкость течет в противоположном направлении по нижней тарелке (или в некоторых случаях используются тарелки, которые создают круговой поток, когда жидкость протекает на тарелках в одном и том же направлении) и входит в соответствующий сливной стакан для прохождения к расположенным ниже тарелкам и по ним таким же образом (назад и вперед). В двухпроходных тарельчатых устройствах происходит разделение на два потока, которые протекают на каждой тарелке в противоположных направлениях. На каждой второй тарелке имеется центральный сливной стакан, а на промежуточных тарелках имеются два концевых сливных стакана на противоположных концах для обеспечения картины потока с двойным прохождением. Кроме двухпроходных тарельчатых устройств существуют альтернативные многопроходные конструкции, включающие трех- или четырехпроходные тарелки. В четырехпроходной конструкции каждая вторая тарелка имеет боковой и центральный сливные стаканы, а на промежуточных тарелках имеются два промежуточных или смещенных от центра сливных стакана. В центральный и промежуточный (или смещенный от центра) сливные стаканы поступает жидкость, текущая с обеих сторон. Эти тарельчатые устройства имеют "хордовую" конструкцию сливных стаканов, так как они отсекают хорду, проходящую через башню. Известны также тарельчатые устройства с несколькими сливными стаканами, которые "висят" в середине диска тарелки и в принципе могут принимать жидкость по всему своему периметру. Эти висящие внутри сливные стаканы могут быть различной формы и размера, например иметь прямоугольное или круглое поперечное сечение.
Обычно на выходном конце парожидкостной контактной тарелки установлен переливной порог для создания механического затвора на расположенном выше по ходу потока сливном стакане, а также для того, чтобы жидкость скапливалась на верхней поверхности тарелки для лучшего взаимодействия с паром, барботирующим снизу через отверстия в диске тарелки, перед поступлением в сливной стакан. Область поверхности парожидкостной контактной тарелки, содержащая отверстия, называется активной областью тарелки, поскольку взаимодействие пара с жидкостью происходит над тарелкой в этой области. Активная область обычно не включает область на входном конце тарелки, расположенную непосредственно под выходным отверстием сливного стакана, связанного с вышележащей тарелкой. Эта область под выходным отверстием сливного стакана называется приемной областью и обычно представляет собой сплошную пластину, которая принимает текущий вертикально из сливного стакана поток и изменяет его направление, образуя горизонтальный поток по тарелке.
Одна из проблем, возникающих при использовании известных тарелок описанного выше типа, состоит в том, что жидкость имеет тенденцию протекать по тарелке неравномерно. Поскольку ширина круглой тарелки увеличивается в направлении потока жидкости от входного конца до центра тарелки и затем уменьшается от центра до выходного конца, жидкость имеет тенденцию протекать преимущественно по центральной части тарелки. Это часто приводит к ухудшению эксплуатационных свойств тарелки, так как жидкость застаивается или образует неодинаковые градиенты вдоль боковых краев или других участков тарелки. Предпринимаемые ранее попытки снизить застой жидкости и неодинаковые градиенты состояли в том, чтобы использовать отверстия, которые изменяют направление пара с вертикального на горизонтальное. Тем самым эти отверстия заставляют жидкость протекать вблизи них в направлении изменившего направление пара. Эти отверстия расположены на тарелке на расстоянии друг от друга и сконцентрированы в тех областях, где нужно изменить направление жидкости, чтобы избежать застоя или градиентов. Тарелка, имеющая втулку с прорезью, предназначенную для того, чтобы избежать вышеупомянутых проблем, связанных с неравномерным распределением потока, описана в патенте США №4101610, который включен в настоящее описание в качестве ссылки.
Желательно также повысить производительность и в то же время избежать какого-либо ухудшения парожидкостного обмена. Более быстрый поток текучей среды по тарелке в принципе может обеспечить увеличение производительности и более эффективное использование колонны, но может также привести к ухудшению контакта пара с жидкостью, а также к возникновению проблем, связанных с прохождением потока, таких как затопление обменного сливного стакана и появление обратного потока. Например, нельзя допускать, чтобы текущая жидкость имела слишком большой импульс, создаваемый выталкивающими клапанами, так как текучая среда с большим импульсом имеет тенденцию падать в сливной стакан неравномерно, и увеличенный горизонтальный импульс может уменьшить эффективность расположенной выше по ходу потока части сливного стакана. То есть, увеличенный горизонтальный импульс может привести к тому, что поток жидкости забьет или закроет верхнее сечение сливного стакана и таким образом будет препятствовать выходу высвободившегося пара из сливного стакана без поступления движущейся обратно жидкости.
В патенте США №5975504, который включен в настоящее описание в качестве ссылки, описаны ректификационные тарелки, обеспечивающие большой противоток пара и жидкости и имеющие несколько параллельных сливных стаканов, разделенных плоской пластиной тарелки, снабженной двунаправленными щелевыми колпачковыми клапанами, включающими приподнятые трапеции, расположенные в двух группах, каждая из которых обращена к ближайшему сливному стакану, или расположенные по линиям, параллельным боковым стенкам сливного стакана, так что трапеции соседних рядов обращены в противоположных направлениях. В альтернативном варианте эти двунаправленные щелевые колпачковые клапаны расположены только на участках пластины, находящихся рядом со сливными стаканами.
В заявке РСТ/ЕР01/01814 описана газожидкостная контактная тарелка, имеющая барботажную область и несколько сливных стаканов с отверстиями, расположенными в барботажной области так, что при работе жидкость входит в отверстие сливного стакана с противоположных сторон этого отверстия. В отверстии сливного стакана имеются по меньшей мере две направляющие поток пластины, каждая из которых имеет верхний конец, проходящий над тарелкой и имеющий наклон в направлении течения жидкости к отверстию сливного стакана. В заявке РСТ/ЕР01/01806 описана газожидкостная контактная тарелка, содержащая барботажную область и один или несколько сливных стаканов с отверстием на верхнем конце для приема жидкости. Отверстие сливного стакана и сливной стакан снабжены направляющей поток пластиной, верхний конец которой проходит горизонтально в направлении к барботажной области. Заявки РСТ '01814 и '01806 также включены в описание в виде ссылок.
В заявке РСТ/ЕР01/01806 в разделе, относящемся к уровню техники, сказано, что в патенте Германии 764103 описано использование в отверстии сливного стакана плоских и искривленных отражающих поток пластин для ограничения в нем высоты пены, что, как сказано, препятствует подпору в сливном стакане. Далее указано, что эта публикация касается так называемых перепускных тарелок, используемых в так называемых газожидкостных системах с пенообразованием. DE 764103 тоже включен в описание в качестве ссылки.
Однако не существует тарельчатых аппаратов, в которых обеспечивается выгодное сочетание большого импульса потока и возможности изменения направления потока с увеличенным импульсом для достижения быстрого (и в то же время равномерного) потока текучей среды через тарельчатый аппарат.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению предложен тарельчатый аппарат со сливным стаканом, имеющий подвешенное средство изменения направления потока текучей среды с большим импульсом и пластину тарелки, имеющую средство увеличения импульса текучей среды, которое посредством своих устройств для увеличения импульса текучей среды сообщает текущей горизонтально по тарелке жидкости импульс с целью обеспечить лучшие возможности для манипулирования с жидкостью при сохранении высокой эффективности переноса и плавного потока. Подходящая система увеличения импульса текучей среды включает выталкивающие клапаны, установленные на тарелке предпочтительно зонами или с определенной картиной распределения (например, зона с увеличенной концентрацией выталкивающих клапанов в непосредственной близости (например, в пределах 0-60 см вдоль линии направления основного потока) от снабженного перегородками входного отверстия сливного стакана, одна или в сочетании с зоной (зонами) с увеличенной концентрацией выталкивающих клапанов ниже по ходу потока (например, в пределах 0-60 см) за приемной областью тарелки, расположенной под выходным отверстием сливного стакана верхнего тарельчатого аппарата). Такое расположение зон способствует увеличению импульса проходящей по тарелке текучей среды и обеспечивает быстрое освобождение поверхности от жидкости, в то же время обеспечивая эффективное соотношение потока с помощью средств изменения направления потока, расположенных на границе между концом тарелки (или краев в случае не концевого, а внутреннего сливного стакана) и входным отверстием сливного стакана. Таким образом, согласно изобретению в сочетании с вышеупомянутой системой увеличения импульса текучей среды предусмотрено средство изменения направления потока текучей среды, предназначенное для передачи горизонтального импульса текучей среды, выталкиваемой средством увеличения импульса текучей среды, в направленный вниз импульс через сливной стакан, установленный между верхней тарелкой и нижней приемной тарелкой. Средство изменения направления потока текучей среды включает одно или несколько устройств для изменения направления потока, например, один или несколько переливных порогов или профилированных направляющих лопастей на входе сливного стакана, способствующих передаче импульса через сливной стакан (например, начиная с границы между выходным концом пластины тарелки и входным отверстием сливного стакана). Средство изменения направления предпочтительно включает лопасти, которые проходят выше горизонтального уровня тарелки и предпочтительно выше нижнего уровня текучей среды на уровень захвата и изменения направления пены (например, на расстояние 0-75 мм или более, предпочтительно на 10-40 мм над уровнем плоскости соседней тарелки). В предпочтительном варианте имеются входные направляющие лопасти, способствующие переходу горизонтального импульса текучей среды в направленный вниз импульс путем использования, например, искривленной верхней приемной части перегородки. Входные направляющие лопасти предпочтительно проходят также через весь входной конец сливного стакана (примыкают ко всей окружности в случае круглых сливных стаканов или проходят через верхний открытый конец вихревого сливного стакана) и удерживаются, например, сливным стаканом, сосудом или тарельчатым аппаратом отдельно или в любой их комбинации.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения содержит также концевой хордовый сливной стакан, предпочтительно имеющий ограничивающую радиально снаружи стенку, определяемую самой колонной или стенкой оболочки сливного стакана, и, например, парожидкостную контактную тарелку с входной группой однонаправленных или многонаправленных выталкивающих клапанов, подающих поток на промежуточную группу барботажных отверстий, обеспечивающих меньший направленный вперед импульс, например невыталкивающих барботажных отверстий или невыталкивающих клапанов (например, нейтральные подъемные клапаны для направления потока или клапаны с боковыми выходными отверстиями, которые обеспечивают выход только в поперечном относительно потока жидкости направлении, или круговые клапаны, имеющие отверстия по всему своему периметру), или по существу невыталкивающих клапанов (например, обеспечивающие на выходе менее 20% суммы векторов импульса в горизонтальном направлении (совпадающем с направлением потока текучей среды над клапаном)). В предпочтительном варианте имеется первая группа средств увеличения импульса на первых 20% протяженности тарелки вдоль ее центральной радиальной (например, в направлении основного потока) линии, за которой предпочтительно следует промежуточная область с невыталкивающими отверстиями или барботажными клапанами (или с относительно малой концентрацией выталкивающих клапанов) и далее вторая группа выталкивающих клапанов, расположенных в пределах последней трети или меньшей части протяженности тарелки вдоль центральной радиальной (в направлении основного потока) линии, ведущая к входному отверстию сливного стакана и к его области, где расположены перегородки, передающие импульс. Помимо того, что имеются выталкивающие клапаны в дополнение к направляющим перегородкам сливного стакана, могут быть также предусмотрены выталкивающие клапаны, предназначенные, например, для исключения описанных выше проблем, связанных с застоем и градиентом. Например, в дополнение к выталкивающим клапанам на входной стороне, обычно обращенным к центральной линии, могут быть предусмотрены выталкивающие клапаны в промежуточной области вдоль боковых частей диска тарелки, обычно обращенные в направлении, параллельном потоку жидкости, а также дополнительные выталкивающие клапаны в выходной части тарелки, предназначенные для решения проблем с застоем и градиентом, например клапаны, расположенные под углом назад к центральной линии. Такое расположение описано в патенте США №4101610, который включен в данное описание в качестве ссылки. Таким образом, изобретение охватывает вариант, в котором используются выталкивающие клапаны, предназначенные для исключения проблем застоя и градиента, и дополнительные выталкивающие клапаны, ориентированные (выходом) и установленные относительно перегородок сливного стакана так, чтобы улучшить способность тарелки "очищаться" от жидкости при обеспечении в то же время равномерного потока к входному отверстию сливного стакана и относящимся к нему перегородкам или средству изменения направления потока.
Подающая или начальная приемная часть изменяющей направление перегородки предпочтительно расположена относительно горизонтальной плоскости и вертикальной плоскости (например, выше уровня тарелки) так, чтобы воздействовать на более плотную часть слоя текучей среды, толкаемой выталкивающими клапанами (предпочтительно без переливного порога). В одном из вариантов на входном конце тарелки (в пределах 1/3 входной стороны активной области тарелки ниже, по ходу потока, неактивной зоны или приемной области под выходным отверстием находящегося выше сливного стакана) имеются противоположные боковые зоны с высокой концентрацией выталкивающих клапанов (например, с соотношением выталкивающих и невыталкивающих или по существу невыталкивающих клапанов 30% или более, предпочтительно 45% или более чем 50%). Боковая зона предпочтительно находится в пределах наружных боковых участков, соответствующих одной трети хорды, проходящей через внутренний конец неактивной приемной зоны тарелки, и расположена в пределах 33% или менее вдоль входного конца по оси основного потока. Альтернативно или в дополнение к этому имеется дополнительная расположенная ниже по ходу потока зона с высокой концентрацией выталкивающих клапанов у входного отверстия сливного стакана, принимающая текучую среду с активной области тарелки (например, с концентрацией выталкивающих клапанов по меньшей мере 25%, предпочтительно 40% или выше и проходящая по меньшей мере по большей части длины хорды входного отверстия сливного стакана, более предпочтительно по всей длине хорды входного отверстия сливного стакана). Для круглых в поперечном сечении сливных стаканов это может составлять окружное расстояние, соответствующее по меньшей мере 180°, более предпочтительно 360° относительно круглого в сечении промежуточного сливного стакана. Выталкивающие клапаны могут также быть расположены рядом друг с другом вокруг сливного стакана в одной или нескольких группах, или ступенями, или в последовательности (с равномерным распределением); например, каждый второй клапан является выталкивающим, а остальные невыталкивающими.
Таким образом, изобретение направлено на решение проблем, возникающих при использовании клапанов выталкивающего типа, которые могут вводить слишком большой импульс в слой жидкости, перемещающийся к входному отверстию сливного стакана. Так как сливной стакан предназначен для поворота вниз жидкости или пены, протекающей по поверхности тарелки, слишком большой импульс будет препятствовать эффективному использованию входной части сливного стакана, поскольку жидкость будет отбрасываться к его задней стороне. К тому же так как сливные стаканы используют для разделения пара и жидкости, если жидкость стекает через все входное отверстие сливного стакана, то пар не будет иметь пространства для выхода через верхнюю часть сливного стакана, не мешая входу жидкости (т.е. получается жидкостная завеса над паром, пытающимся выйти вверх).
При использовании выталкивающих клапанов в сочетании с профилированными направляющими лопастями сливного стакана согласно изобретению горизонтальный импульс от выталкивающих клапанов преобразуется этими направляющими в управляемый направленный вниз импульс. Использование этой энергии на то, чтобы заставить жидкость и/или пену поступать в сливной стакан, позволяет получить от выталкивающих клапанов больший импульс и достичь большей пропускной способности и лучших эксплуатационных характеристик, чем в случае, когда эти устройства используются по отдельности.
Изобретение может также использоваться с системами с высокой плотностью, особенно с системами, где плотности жидкости и пара примерно одинаковы.
Направляющая лопасть (направляющие лопасти) или перегородка (перегородки) сливного стакана предпочтительно профилированы так, что имеют искривленнную верхнюю часть (вогнутую или в виде скругленной буквы V часть, обращенную к стенке, откуда входит смесь пара и текучей среды) и прямую (например, вертикальную, наклонную или ступенчатую) нижнюю часть, расположенную в средней области прохождения потока в сливном стакане, причем нижняя часть выполнена сплошной или с отверстиями (например, наклонная наружу стенка или направляющая, которая направляет поток, например, в радиально наружную часть сквозного канала сливного стакана). Такие искривленные перегородки описаны в DE 764103, опубликованном 22 сентября 1952 года и включенном полностью в настоящее описание в виде ссылки.
В одном из вариантов осуществления изобретения конец прямой части перегородок направляет захваченную текучую среду, которой передан момент, например, в область подачи на установленной ниже тарелке, которая может иметь приподнятую часть, с которой поток поступает на расположенные на более низком уровне части (общая плоскость тарелки). Такое решение описано в патенте США №5454989, который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Направляющая лопасть или лопасти предпочтительно расположены, относительно горизонтального сечения сквозного канала сливного стакана, в промежуточной области (например, 10-80% или более, предпочтительно 20-70% от полной радиальной ширины входного отверстия сливного стакана, если за 0% принять точку на его входном крае) и удерживаются, например, башней по боковым краям или самим сливным стаканом. Кроме того, в предпочтительном варианте пластины всех перегородок расположены радиально внутри от точки 25% на центральной радиальной линии, если за 0% принять точку на наружной линии (например, стенка колонны или искривленная наружная стенка сливного стакана) поперечного сечения сливного стакана на его входе.
Могут использоваться разнообразные средства увеличения импульса текучей среды, например группы однонаправленных выталкивающих клапанов, описанных, например, в патенте США №5975504, имеющих верхнюю наклонную стенку (поднимающуюся в направлении потока текучей среды) к открытому расположенному выше по потоку концу, который определяется боковыми стенками, расходящимися от прилегающих боковых краев поверхности верхней наклонной стенки. В альтернативном варианте в качестве выталкивающих клапанов служат лепестки (например, выдавленные лепестки с U-образными краями, в которых согнутый край представляет собой место первого контакта с текучей средой), где отверстия расположены так, чтобы поток газа мог увеличить импульс потока текучей среды в требуемом направлении и способствовать тем самым увеличению импульса текучей среды по мере ее прохождения от точки начального контакта с тарелкой (например, от расположенного выше ступенчатого сливного стакана, как описано в заявке PCT/US02/17485 от 6 апреля 2002 г. или в патенте США №6250611 от 26 июня 2001 г., принадлежащих Sulzer Chemical USA Inc., которые включены в описание в виде ссылок) далее по тарелке (например, к следующему в ряду сливному стакану).
Указанные лепестковые клапаны имеют верхние наклонные поверхности, ведущие к расположенному ниже по потоку отверстию, которые либо увеличивают направленный по прямой линии импульс, либо имеют расположенную ниже по потоку концевую часть с меньшим наклоном, чтобы фокусировать газ, выходящий из выталкивающего клапана с боковыми стенками или без них.
Количество и форма направляющих лопастей в сливном стакане, принимающем парожидкостную смесь, могут быть различны. В предпочтительном варианте имеется по меньшей мере одна лопасть с вышеупомянутой искривленной или вогнутой поверхностью, которая принимает нижнюю часть (обычно более плотную, менее вспененную часть) потока текучей среды, а верхний край искривленной перегородки принимает находящиеся над ней на более высоком уровне менее плотную смесь пара и пену. Таким образом, верхний край первой в ряду искривленной лопасти находится выше уровня тарелки (например, для захвата более плотной части потока текучей среды на требуемом уровне менее 15 см). Для дальнейшего разделения потока, направление которого нужно изменить, по плотности могут быть предусмотрены одна или несколько дополнительных перегородок с искривленным верхним концом.
В альтернативном варианте или в дополнение к описанному имеются неискривленные (например, прямые вертикальные или прямые наклонные) направляющие лопасти, установленные ближе в радиальном направлении к наружной стенке сосуда, чем одна или несколько искривленных входных направляющих.
Искривленная направляющая лопасть предпочтительно установлена ближе к концу тарелки, чем к стенке сосуда, а последующие направляющие лопасти, если они есть, установлены на радиальном расстоянии от более внутренней направляющей лопасти, но ближе к краю тарелки, чем к части стенки сосуда (дальше в радиальном направлении относительно потока текучей среды).
Одна или несколько дополнительных перегородок, установленных в радиальном направлении снаружи от начальной искривленной направляющей лопасти, предпочтительно проходят на всю длину хорды сливного стакана и могут быть выполнены в виде сплошной стенки, и/или в виде сетки, и/или с отверстиями, и/или наклонными (с наклоном вниз, если смотреть в радиальном направлении наружу) и определять в сливном стакане каналы для потока или направляющие проходы.
Несплошная (например, с отверстиями) вторая направляющая лопасть предназначена для ввода более текучего компонента, который должен быть направлен в менее текучий компонент, который может действовать так, чтобы способствовать поддержанию или снижению уровня вспенивания в радиальных наружных направляющих проходах сливного стакана.
Вторая в ряду перегородка может быть установлена на другой высоте, чем первая, например искривленная, перегородка, расположенная выше плоскости тарелки, и следующая в ряду (например, неискривленная) перегородка, расположенная ниже (например, тоже выше плоскости тарелки, в плоскости тарелки или ниже плоскости тарелки).
Изобретение может использоваться не только с тарелками однопроходного типа, где жидкость течет по тарелке в виде единого потока, но и с тарелками других типов, например с многопроходными тарелками, где два или несколько потоков текут в один или несколько сливных стаканов. Например, в двухпроходной тарелке сливной стакан установлен в центре одной тарелки и два сливных стакана установлены на противоположных концах расположенной ниже тарелки. Поток жидкости, выходящий из центрального сливного стакана, разделяется на два потока, которые текут в противоположных направлениях к сливным стаканам, установленным на концах расположенной ниже тарелки. Затем эти два потока проходят вниз на следующую, расположенную ниже тарелку и текут к центральному сливному стакану. В альтернативном варианте сливные стаканы могут быть "висящими" и текучая среда может течь к входному отверстию сливного стакана с разных направлений, в частности, прием потока текучей среды может производиться с множества направлений по существу по всей периферии отверстия сливного стакана.
Согласно изобретению могут также использоваться сливные стаканы разнообразных типов, такие как упомянутые выше вертикальные, наклонные, ступенчатые, в оболочке и без оболочки стаканы, имеющие прямоугольное или ромбическое внутреннее сечение (с каплеуловителями, со ступенчатым, щелевым или открытым дном, отводящие сливные стаканы и др.), а также стаканы, имеющие круглое внутреннее сечение (см., например, РСТ/ЕР01/01814 на предмет прямоугольного сливного стакана с каплеуловителем и круглого сливного стакана). Данное изобретение применимо также к усеченным сливным стаканам. Дополнительный вариант согласно изобретению имеет вихревой сливной стакан типа сливного стакана "VORTEX" от Sulzer Chemtech US (Оклахома, США). В вихревом сливном стакане направляющие лопасти расположены на центральной оси висящего, имеющего небольшую конусность главного корпуса сливного стакана над переливным порогом. Эти направляющие лопасти предназначены для закручивания жидкости с целью создания ее вихревого движения по периметру верхнего края сливного стакана, ограничивающего круглое отверстие. Эти направляющие лопасти также предназначены для обеспечения эффекта вытяжки для поднимающегося пара/газа и таким образом они преимущественно (например, на >75% от их общей длины) выступают над переливным порогом или верхним входным краем сливного стакана (в отличие от вышеупомянутых перегородок, которые проходят преимущественно ниже входного края сливного стакана в его сквозной канал). Согласно изобретению нижнюю часть можно удлинить, чтобы она проходила в канал даже глубже, с закручиванием по спирали или без него (например, до 30% по глубине) (однако предпочтительно не слишком глубоко, чтобы не мешать желательному вращению жидкости).
Выталкивающие клапаны, создающие импульс текучей среды, предпочтительно расположены относительно входного отверстия сливного стакана, например, в зонах вблизи этого отверстия (например, в пределах 5-20% от максимальной ширины или диаметра сосуда) и, альтернативно или в дополнение к этому, вблизи области тарелки (например, в пределах 5-20% от максимальной ширины или диаметра сосуда на уровне тарелки), предназначенной для входа или приема текучей среды, поступающей из сливного стакана вниз на этот тарельчатый аппарат.
Согласно изобретению могут использоваться выталкивающие клапаны разнообразных типов, включая выталкивающие клапаны, обеспечивающие направленный вперед большой импульс (импульс большой величины) (например, 60% или более, предпочтительно 70% или более от суммы векторов горизонтального направленного вперед импульса в направлении потока текучей среды в сливной стакан).
Также могут использоваться выталкивающие клапаны, обеспечивающие направленный вперед средний импульс (импульс средней величины) (например, от 30% до примерно 60% от суммарного горизонтального направленного вперед импульса текучей среды, текущей из клапана в направлении потока к сливному стакану). Могут использоваться и выталкивающие клапаны, создающие направленный вперед малый импульс (импульс малой величины) (например, от 20 до примерно 30% от суммы векторов направленного вперед импульса). Возможно также различное расположение зон и/или наличие смешанных зон, например наличие невыталкивающих клапанов в зонах с высокой концентрацией выталкивающих клапанов, создающих большой, средний или малый импульс. Можно использовать только один из указанных типов выталкивающих клапанов (т.е. клапаны, обеспечивающие большой, средний или малый импульс) в конкретной зоне, например вблизи входного края сливного стакана, или можно использовать различные сочетания этих выталкивающих клапанов. То есть соответствующие выталкивающие клапаны с большим, средним и малым импульсом можно использовать для получения требуемого большого импульса потока текучей среды, обеспечивая в то же время плавный поток через сливной стакан без затора в потоке. Например, вместе с выталкивающими клапанами могут использоваться мини-V-образные решетчатые клапаны, описанные, например, в US RE 27908, которые по существу не являются клапанами, создающими направленный вперед импульс (например, обеспечивают менее 20% от суммы векторов горизонтального направленного вперед импульса). На фиг.7 показан по существу не создающий направленный вперед импульс или невыталкивающий клапан, направляющий поток на противоположной стороне поперек относительно текущего выше потока жидкости. Этот клапан не вносит заметного вклада в направленный вперед импульс потока жидкости. Примером невыталкивающих клапанных барботажных устройств являются также, например неклапанные отверстия, по существу невыталкивающие клапаны (относительно направления основного потока текучей среды) или клапаны, создающие менее 20% (или менее 10%) от суммарного направленного вперед импульса, когда суммируются все периферийные векторы, например неклапанные, нейтральные круглые отверстия в тарелке или в круговом подъемном клапане с по существу полным выходом газа по периферии. Упомянутые невыталкивающие клапаны или неклапанные барботажные отверстия предпочтительно расположены либо в отдельных зонах, либо смешаны с выталкивающими клапанами в зонах с более высокой концентрацией выталкивающих клапанов. Невыталкивающие клапаны описаны, например, в US RE 27908, US 5120474, WO-A-9828056, WO-A-9737741, US 5911922, US 3463464 и 5454989.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Другие особенности и преимущества изобретения станут более очевидны из приведенного ниже описания и сопровождающих чертежей, где
Фиг.1 схематично изображает два тарельчатых аппарата согласно изобретению, установленных в колонне на расстоянии друг от друга по вертикали, в процессе работы;
Фиг.2 изображает вид в плане верхней тарелки на фиг.1;
Фиг.3 изображает первый вариант выполнения устройства для изменения плоского потока текучей среды, расположенного в промежуточной области входного отверстия концевого сливного стакана;
Фиг.4 изображает второй вариант выполнения средства изменения направления потока текучей среды согласно изобретению, содержащий несколько расположенных на расстоянии друг от друга пластин с искривленным верхним концом;
Фиг.5 изображает третий вариант выполнения средства изменения направления потока текучей среды согласно изобретению, содержащий перегородку в виде пластины с искривленным верхним концом и пористыми вертикальными средней частью (граничащей с искривленной частью) и нижней частью;
Фиг.6 изображает четвертый вариант выполнения средства изменения направления, аналогичный показанному на фиг.5, но в котором отверстия, придающие пластине пористость, имеют нависающие козырьки и выполнены в части перегородки, расположенной ниже границы с искривленным концом;
Фиг.7 изображает часть активной области диска тарелки с клапанами для направления потока на противоположной стороне;
Фиг.8 изображает сбоку первый вариант выполнения выталкивающего клапана или средства увеличения импульса текучей среды;
Фиг.9 изображает поперечное сечение по линии 8-8 на фиг.8;
Фиг.10 изображает вариант выполнения тарельчатого аппарата с различными зонами и типами клапанов, содержащего средство увеличения импульса потока текучей среды для сообщения импульса текущей горизонтально по тарелке жидкости;
Фиг.11 схематично изображает сечение, аналогичное фиг.1, на котором показано предпочтительное размещение выталкивающих клапанов относительно сливного стакана со средством изменения направления или перегородками в виде пластин;
Фиг.12 и 13 изображают два дополнительных варианта выполнения группы перегородок в виде пластин различной высоты и формы;
Фиг.14 и 15 изображают перегородки различного типа с отверстиями;
Фиг.16 изображает сечение перегонной колонны с тремя установленными на расстоянии друг от друга по вертикали тарельчатыми аппаратами со сливными стаканами с наклонной стенкой;
Фиг.17 изображает вид сверху тарельчатого аппарата, аналогичного показанному на фиг.16;
Фиг.18 изображает альтернативный вариант тарельчатого аппарата с "висящим" сливным стаканом, содержащий выталкивающие клапаны, расположенные рядом с входным отверстием внутреннего сливного стакана, выступающего над первой тарелкой, для подачи текучей среды на тарельчатый аппарат, расположенный ниже;
Фиг.19 изображает вид сбоку на фиг.18;
Фиг.20 изображает вид сверху альтернативного варианта осуществления изобретения с другим расположением выталкивающих клапанов относительно "висящего" конического внутреннего сливного стакана;
Фиг.21 схематично изображает поперечное сечение тарельчатого аппарата, показанного на фиг.20;
Фиг.22 изображает сверху смоделированный трехмерный поток через мини-V-образный решетчатый клапан (поток с обратной стороны);
Фиг.22А изображает крупным планом клапан, показанный на фиг.22;
Фиг.23 изображает сверху смоделированный трехмерный поток через выталкивающий клапан с U-образным лепестком;
Фиг.23А изображает крупным планом клапан, показанный на фиг.23;
Фиг.24 изображает сверху смоделированный трехмерный поток через выталкивающий клапан, обеспечивающий большой направленный вперед импульс;
Фиг.24А изображает крупным планом выталкивающий клапан, показанный на фиг.24;
Фиг.25 изображает часть перегонной колонны с различными тарельчатыми аппаратами;
Фиг.26 изображает фрагмент гофрированного листа, который может использоваться для нижней части изменяющей направление пластины или как отдельный лист, используемый с изменяющей направление пластиной;
Фиг.27 изображает известный гофрированный лист;
Фиг.28 изображает вихревой сливной стакан и выталкивающие клапаны, расположенные так, что они работают вместе с направляющими лопастями вихревого сливного стакана;
Фиг.29 схематично изображает положение лопастей относительно направления потока;
Фиг.30 изображает альтернативный вариант выполнения вихревого сливного стакана с профилированными направляющими лопастями и связанную с ним зону с выталкивающими клапанами, обеспечивающими большой импульс текучей среды;
Фиг.31А и 31В схематично изображают сечение и вид сверху обычной колонны с концевым положением сливного стакана;
Фиг.32А и 32В схематично изображают вихревые стаканы, висящие на тарелке, и зоны с выталкивающими клапанами, связанными с направляющими лопастями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 схематично изображает установленные один над другим два тарельчатых аппарата (10, 10') в перегонной колонне, которые для упрощения чертежа показаны без отверстий в активной области или барботажной части тарелок. Тарельчатый аппарат 10 согласно изобретению содержит установленный на конце сливной стакан 12 (установка сливного стакана на конце является предпочтительной и возможны другие варианты, как описано ниже). Установленный на конце тарелки сливной стакан 12 имеет наклонную стенку 22, которая вместе с расположенной радиально снаружи стенкой 24 сосуда ограничивает смесь пара и текучей среды, поступающую в сливной стакан 12 с расположенной выше тарелки (не показана). Этот поток выходит из сливного стакана 12 и подается во входную область тарелки 26, которая может иметь переливной порог 30 или не иметь его. Текучая среда перемещается в направлении стрелки 20 к следующему сливному стакану 12' (в иллюстрируемом варианте этот сливной стакан расположен на диаметрально противоположном конце).
Как видно на фиг.1, текучая среда, выходящая из расположенного выше по ходу потока сливного стакана и проходящая через предпочтительно неактивную область 26 тарелки, поступает в активную область тарелки (b), и возникают различные уровни вспенивания (F) более плотной части (D) потока текущей среды (например, обычно в пределах 10 см вверх от поверхности тарелки для многих предпочтительных применений), проходящей ближе к уровню тарелки. На фиг.1 отверстия для прохождения газа, предназначенные для барботирования и создания активной зоны, а также средство повышения импульса потока текучей среды не показаны, чтобы было лучше видно отклонение импульса или изменение направления текучей среды, перемещающейся к сливному стакану и через него. Показанное на фиг.1 средство изменения направления согласно изобретению содержит искривленную или крюкообразную перегородку или направляющую лопасть (а) в средней области сливного стакана (например, промежуточной зоне, соответствующей 20-60% горизонтальной центральной линии, проходящей на входе сливного стакана, при этом за 0% принимается граница между тарелкой и сливным стаканом, а за 100% - стенка сосуда или наружной оболочки) для ограничения внутреннего потока в сливном стакане через зону "с" для обрабатываемой текучей среды (с более высоким содержанием жидкости), текущей через переливной порог 28 (который может отсутствовать, особенно если первая в ряду перегородка расположена сравнительно близко к выходному концу тарелки (например, в диапазоне 15-35%)). Также показан наружный поток через зону "d" сливного стакана, в которую поступает и через которую проходит часть перемещающейся по тарелке парожидкостной смеси, содержащая меньше жидкости и больше пены.
Фиг.2 изображает вид сверху тарелки 26 (отверстия в активной зоне не показаны) с входной областью сливного стакана, ведущей к следующей, расположенной ниже тарелке, а также (по выбору) с переливными порогами 28 (выходной конец тарелки/входная сторона сливного стакана) и 30 (входная сторона начальной тарелки или приемная область тарелки относительно расположенного выше сливного стакана).
На фиг.1 показана также приемная область или входная часть 27 тарелки, которая предпочтительно является неактивной (не имеет отверстий) и расположена за входным переливным порогом 30 (наличие которого не обязательно, но предпочтительно). Согласно фиг.1, входная часть 27 тарелки находится на том же уровне, что и остальная часть диска тарелки, хотя возможен альтернативный вариант, в котором входная часть 27 тарелки несколько приподнята относительно ее области, находящейся ниже по ходу потока за переливным порогом, как более подробно описано ниже при рассмотрении фиг.25.
Фиг.3 изображает альтернативный вариант расположения перегородок с вертикальной изменяющей направление потока перегородкой, однако этот вариант является менее предпочтительным, поскольку, предотвращая в некоторой степени эффект горизонтально текущей завесы, препятствующий освобождению пара, он не уменьшает всплеск потока с большим импульсом в обратном направлении, по сравнению с направляющей лопастью, имеющую искривленную или изменяющую направление потока верхнюю часть. Как показано на фиг.3, пластина (а) перегородки расположена в промежуточной области (расстояние F от центральной точки относительно максимального размера FS сливного стакана на фиг.3) входного отверстия сливного стакана (например, область 40-60%, если входной край сливного стакана на уровне тарелки считать за точку 0%, а за 100% - точку, максимально удаленную в радиальном направлении (точка 100% вдоль линии (FS) полной ширины)).
1
2
3
Фиг.4 изображает альтернативный вариант расположения перегородок, где имеется несколько расположенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении искривленных на входе направляющих лопастей a, a и а, высота которых увеличивается с увеличением их радиального расстояния от тарелки (например, точки 20%±5, 40%±5 и 60%±5). Возможен вариант с многократно искривленными лопастями, высота которых изменяется в противоположной последовательности, т.е. внутренняя лопасть выше, а более удаленная или удаленные ниже (либо с монотонным уменьшением высоты, либо с изменением высоты в порядке "высокая-низкая-высокая"). Кроме того, хотя на фиг.4 показаны три направляющие перегородки с одинаковой кривизной, они могут иметь разную кривизну, например, отверстия для приема и изменения направления потока, определяемые второй или третьей в ряду перегородкой, могут быть открыты в большей степени, чем отверстие, определяемое предыдущей перегородкой, например начальное приемное отверстие для более плотной текучей среды. В варианте, показанном на фиг.4, кривизна характеризуется касательной Т, образующей с горизонталью угол (А) предпочтительно в диапазоне 20-60°. На фиг.4 этот угол равен примерно 40°. Горизонтальная или расположенная под углом 0° перегородка описана в заявке РСТ/ЕР01/01814, которая включена в описание в качестве ссылки.
Фиг.5 иллюстрирует вариант, содержащий одну направляющую лопасть, часть которой, находящаяся в канале сливного стакана, имеет отверстия. Фиг.6 аналогична фиг.5, но перегородка выполнена с выдавленными отверстиями "СО", имеющими нависающие козырьки (например, с щелями на всей длине или на части длины хорды, или с отверстиями круглой, овальной или другой формы, предпочтительно с дефлектором или нависающим элементом, образованным при выдавливании материала). На фиг.5 отверстия являются пассивными в том смысле, что они не влияют на наклонную вниз траекторию потока. На фиг.6 показан альтернативный вариант с направляющими проходами (в виде щелевых или расположенных на расстоянии друг от друга в боковом направлении отдельных профилированных отверстий), которые направляют первую принятую текучую среду в следующую, наружную в радиальном направлении область (области) сливного стакана, например из канала "с" в канал "d" сливного стакана. Альтернативный вариант, в котором навесы расположены с внутренней стороны, является менее предпочтительным, поскольку в большинстве применений выгодно использовать более жидкую часть потока в качестве средства для разрушения до некоторой степени пены, проходящей в канале, определяемом более удаленной в радиальном направлении наружу перегородкой. Хотя показаны структуры с одной перегородкой, можно также сформировать многокомпонентные структуры, такие как сложенные одна на другую решетки или собранные (невыталкивающие) устройства типа жалюзи (например, две или три отдельные полоски) с наклонными наружу стенками, прикрепленными на концах к стенке сосуда. Кроме того, хотя на фиг.5 и 6 показана только одна направляющая лопасть, согласно изобретению могут быть предусмотрены несколько перфорированных лопастей или комбинация из перфорированных и неперфорированных лопастных перегородок.
Фиг.7 изображает мини-V-образный решетчатый клапан, аналогичный описанному в патентах США №5360583 и 5468425, которые включены в данное описание в виде ссылки. Этот клапан создает на своем выходе проходящий по существу по противоположной стороне перпендикулярный парогазовый поток для улучшения контакта с жидкостью, протекающей над ним, и, следовательно, не может сообщить какой-либо значительный направленный вперед импульс. Как показано на фиг.7, тарельчатый аппарат 10 согласно изобретению имеет множество отверстий 16 с расположенными над ними дефлекторами 18. На фиг.7 отверстия тарелки расположены в трех соседних продольных рядах, причем отверстия в одном ряду смещены в шахматном порядке относительно отверстий в соседних рядах, т.е. отверстие 16 в одном ряду находится посередине между двумя соседними отверстиями 16 в соседнем ряду. Центры отверстий расположены на расстоянии SL (например, 7,62 см (3 дюйма)) друг от друга в направлении потока. Поперек направления потока расстояние между осевыми линиями 20 соседних рядов составляет ST (например, около 5,08 см (2 дюйма)).
Каждый дефлектор 18 имеет расположенную выше по ходу потока часть 18u, среднюю часть 18m и расположенную ниже по ходу потока часть 18d. Средняя часть 18m является по существу горизонтальной, а расположенные выше и ниже по ходу потока части 18u, 18d наклонены соответственно вверх и вниз относительно направления потока жидкости.
В плане каждый дефлектор и соответствующее ему отверстие геометрически идентичны. Средняя часть 18m предпочтительно находится на высоте 0,889 см (0,35 дюйма) или менее.
На фиг.8 показан в увеличенном масштабе вид сбоку по существу однонаправленного направляющего пар клапана 11. Клапан такого типа образован предпочтительно обработкой металла давлением и представляет собой клапан, обеспечивающий большой импульс потока. При такой обработке в металле вырезается только одна щель в месте, где должно быть барботажное отверстие. При этом образуется одиночное отверстие для выхода пара снизу вверх и слегка наклонная плоскость под углом "α" к горизонтальной поверхности 15 тарелки. В результате образуется клинообразная или подобная трамплину щель для направления пара, из которой пар выходит только в одном направлении. Выходящий пар будет иметь значительную направленную горизонтально составляющую, которая будет сообщать жидкости и пене на тарелке большую энергию в горизонтальном направлении. Фиг.9 изображает поперечное сечение направляющей поток щели 11, показанной на фиг.8, в направлении от отверстия по линии 8-8 на фиг.8.
Фиг.10 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления изобретения и изображает средство 30 передачи импульса, установленное в концевом сливном стакане, и средство 32 увеличения импульса потока, расположенное в активной области диска, например, во входных частях начальной тарелки и на последних 20 процентах или около того поверхности тарелки (по всему входному краю сливного стакана или в некоторых областях, таких как области тарелки, расположенные на противоположных концах хорды), ведущих к следующему в ряду сливному стакану (изображенному на чертеже на противоположном конце). На фиг.10 кроме того показано следующее:
40 - входное отверстие сливного стакана (куда входит жидкость после выхода с активной тарелки);
42 - вторая направляющая перегородка;
44 - первая направляющая перегородка;
46 - конец диска тарелки/начало области перегородки во входном отверстии сливного стакана;
48 - направление потока жидкости;
Z1 - первая зона с высокой концентрацией выталкивающих клапанов (расположена на конце хорды, определяющей входное отверстие сливного стакана и конец тарелки, но может быть расположена также (или вместо этого) в промежуточной области хорды, например непрерывно или в нескольких зонах, проходящих поперек, или только в средней области);
Z2 - вторая зона с высокой концентрацией выталкивающих клапанов для зоны в целом, включающая группы зон на противоположном конце хорды на входном конце тарелки, и предпочтительно симметричная с Z1;
Z3 - группа третьих зон, расположенная во входной области тарелки относительно вышерасположенного сливного стакана (тень от этого сливного стакана обозначена буквой "S" и имеет форму, описанную в указанной выше заявке PCT/US02/17485, на которую была сделана ссылка для сливного стакана ступенчатого типа);
Z4 - перфорированная активная область тарелки, имеющая высокую концентрацию клапанов невыталкивающего типа (например, стандартных мини-V-образных решетчатых клапанов, отверстий для непосредственного барботажа, подъемных клапанов и т.д.) и неклапанных барботажных отверстий по сравнению с концентрациями локальных/соседних выталкивающих клапанов (обеспечивающих большой, средний или малый импульс). Неклапанные отверстия или клапаны невыталкивающего типа предпочтительно расположены в промежуточной области тарелки (например, или только клапаны невыталкивающего типа, или сочетание выталкивающих и невыталкивающих клапанов, как показано на фиг.10, где буквой Р обозначены выталкивающие клапаны, а буквами NP - невыталкивающие или по существу невыталивающие клапаны). Клапаны невыталкивающего типа могут также быть введены, например, в зоны Z1-Z3, описанные выше. Из фиг.10 видно, что высокая концентрация выталкивающих клапанов желательна в активных областях, расположенных рядом либо с входной областью (областями) тарелки, либо с выходной областью (областями) тарелки, чтобы способствовать созданию имеющего большой импульс горизонтального потока, который является по существу равномерным по отношению к входному отверстию приемного сливного стакана и к средству изменения направления. Центральная область тарелки между ее входом и входным отверстием сливного стакана предпочтительно снабжена некоторым количеством разбросанных выталкивающих клапанов (например, см. приведенное выше замечание, касающееся предотвращения застоя и коррекции градиента), но расположенных с меньшей плотностью, чем во входной и выходной областях.
Таким образом, фиг.10 показывает наличие высокой концентрации выталкивающих клапанов на тарелке 10, расположенных рядами "R", проходящими по хорде (один ряд "R" показан на фиг.10 на входном конце тарелки, при этом упоминание о рядах не означает, что не допускается произвольное расположение отверстий или их расположение в шахматном порядке), для направления текучей среды с большим импульсом из неактивной "теневой" зоны S, показанной на фиг.10, причем активная зона Z3 имеет 100% концентрацию выталкивающих клапанов и глубину в диапазоне 2-6 при различной глубине расположения клапанов за теневой зоной.
На фиг.10 также видно, что высокая концентрация выталкивающих клапанов имеет место у противоположных концов входного отверстия сливного стакана тарелки, например, столбцы выталкивающих клапанов глубиной в диапазоне 1-5 с подрядами (расположенными на части хорды рядами), имеющими каждый от 4 до 7 выталкивающих клапанов. Различные другие варианты предусматривают более равномерное распределение выталкивающих клапанов по всей активной зоне тарелки (например, на входе, внутри и на выходе), такое как в расположенных в шахматном порядке рядах по всей длине потока на тарелке (например, в каждом третьем ряду) и/или расположенных в шахматном порядке подгруппах столбцов (например, от 2 до 5 в каждом столбце). Предпочтительной является более высокая концентрация выталкивающих клапанов (относительно более внутренней части активной зоны b, например по меньшей мере на 30% больше, чем в зонах с более низкими концентрациями) сразу после (в пределах 10 рядов) приемной области диска тарелки или сразу перед входным отверстием сливного стакана. Таким путем можно обеспечить довольно равномерное распределение выталкивающих клапанов, чтобы движение текучей среды было равномерным и быстрым (например, от 0,5 до 1,0 м/сек, более предпочтительно 0,7 м/сек).
Фиг.11 изображает поперечное сечение варианта, показанного на фиг.10, с утопленным переливным порогом или направляющей перегородкой (перегородками) 50, которые направляют быстро движущуюся жидкость в сливной стакан 12. Выталкивающие клапаны, изображенные на фиг.10 и 11, предпочтительно имеют общий направленный вперед импульс, равный 30% или более (в одинаковом направлении с потоком текучей среды, перемещающейся поверх клапана). Как показано на фиг.10 и 11, имеются выталкивающие клапаны, расположенные предпочтительно в пределах первых 25% диаметра всей колонны в направлении потока текучей среды (например, две зоны Z1 и Z2), а также в пределах 25% длины наружного конца диска тарелки вблизи входного отверстия сливного стакана. На фиг.10 также показаны невыталкивающие клапаны тарелки или просто отверстия в промежуточной области тарелки, рассеянные по соседним зонам диска, содержащим выталкивающие клапаны, создающие большой импульс.
Фиг.12 и 13 изображают отличающиеся по типу и высоте направляющие перегородки согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения. На фиг.12 показана перегородка с искривленным верхним концом, которая принимает более плотный слой текучей среды, ранее проходивший по диску тарелки, и две наружные плоские расположенные по хорде перегородки, которые образуют в сливном стакане каналы с одинаковой радиальной протяженностью, каждый из которых имеет меньшую площадь из-за предпочтительно круглой в сечении наружной периферии сливного стакана. Пунктирные линии иллюстрируют возможные изменения согласно изобретению, в частности, увеличение высоты той или другой перегородки (более горизонтальная поверхность контакта жидкости с пеной), а также выполнение промежуточной или второй перегородки искривленной, при этом первая, более внутренняя перегородка остается искривленной или выпрямлена.
Фиг.13 изображает две перегородки в промежуточной в радиальном направлении точке входного отверстия сливного стакана или смещенных внутрь от этой точки. Сливной стакан имеет внутреннюю наклонную расположенную по хорде стенку, которая сужает поток, проходящий через первый в ряду канал.
Фиг.14 и 15 иллюстрируют альтернативные варианты выполнения перегородок, а именно "сетчатое" или "пористое" выполнение предпочтительно для наружной в радиальном направлении перегородки (перегородок). В варианте согласно фиг.14 имеются перекрещивающиеся плоские соединительные элементы, а в варианте согласно фиг.15 - неплоские перекрывающиеся полоски или стержни. В вариантах, которые используются, пористые части предпочтительно начинаются ниже или на конце искривленной части и продолжаются вниз по существу на всю длину или часть длины пластины. Возможно также расположение пористой части в шахматном порядке по вертикали, например область с более высокой пористостью на более внутренней в радиальном направлении пластине перегородки и область с меньшей пористостью в следующей перегородке, направляющей поток в другой канал сливного стакана. Таким образом, пористая область (области) может простираться, например, на всю перегородку или только на ее часть, которая предпочтительно начинается ниже искривленной части.
Фиг.16 схематично изображает вид внутри перегонной колонны 60 с тремя тарельчатыми аппаратами 62, 64, 66, каждый из которых содержит тарелку 68, сливной стакан 70 и средство 72 изменения направления. Средство изменения направления содержит внутреннюю, искривленную или вогнутую первую приемную перегородку в виде пластины 74 и расположенную дальше в радиальном направлении наружу промежуточную, вторую перегородку в виде пластины 76, образующие три отдельных канала 78, 80, 82 сливного стакана. Активная зона тарелки 68 (показанная более подробно на фиг.17) содержит создающие направленный вперед импульс выталкивающие клапаны в группах 84 (ближе к входной стороне) и 86 (ближе к выходной стороне). Сливной стакан 70 имеет наклонную стенку для уменьшения тени или неактивной области на расположенной ниже тарелке, хотя согласно изобретению могут использоваться различные конструкции сливного стакана.
1
Фиг.17 изображает вид, аналогичный показанному на фиг.10, но с более высокой концентрацией выталкивающих клапанов Р непосредственно выше, по ходу потока, входного отверстия сливного стакана, удерживаемого тарелкой или контактирующего с ней (с переливным порогом или без него). Как видно на фиг.17, входной конец представляет собой теневую зону S тарелки под расположенным выше сливным стаканом (показана теневая область S от стакана с наклонной стенкой, расположенная противоположно тени от ступенчатого сливного стакана на фиг.10), за которой следует переливной порог 30 и далее предпочтительно "сплошная" зона Z14 выталкивающих клапанов Р, предпочтительно со 100% концентрацией выталкивающих клапанов от первого ряда R, предпочтительно являющегося наружным для нескольких рядов (например, количество рядов для зоны Z14 лежит в диапазоне 1-10). На фиг.17 показаны три ряда R1-R3 выталкивающих клапанов для определения столбца глубиной в три выталкивающих клапана для всех кроме последних нескольких столбцов выталкивающих клапанов из-за кривизны перегонной колонны. Эти выталкивающие клапаны предпочтительно являются клапанами, обеспечивающими большой импульс, которые описаны выше (и ниже), но могут представлять собой клапаны, обеспечивающие средний или малый импульс (как описано ниже), а также могут включать и те и другие клапаны в пределах области Z14 зоны с высокой концентрацией выталкивающих клапанов. Кроме того, согласно альтернативному варианту, в указанных рядах могут находиться выталкивающие и невыталкивающие клапаны, а не только одни выталкивающие клапаны. Далее, поскольку количество рядов может изменяться от одной установки к другой, приемлемый диапазон соотношения (относительно общего количества рядов для конкретной установки) составляет от 3% до 40%, предпочтительно от 15% до 30%, причем в качестве примера показано значение 20%. В случае, если ряды трудно определить из-за выбранной картины расположения выталкивающих клапанов, указанные выше значения процентов могут быть взяты как проценты от центральной диаметральной линии, длина которой определяется активной областью тарелки (например, от точки на расположенном ниже по ходу потока центральном крае теневой области S наружу в направлении потока к центральному входному краю расположенного ниже по ходу потока сливного стакана) в осевом направлении. Вдоль длины хорды, клапаны с высокой концентрацией могут находиться в сплошной зоне (100%) или чередоваться с невыталкивающими клапанами, и могут располагаться по всей длине хорды или в пределах единых групп, например расположенных на противоположных концах хорды и занимающих каждая менее 1/3 ее длины.
Как показано на фиг.17, ниже по ходу потока от зоны Z14 с высокой концентрацией выталкивающих клапанов находится зона Z6 с низкой концентрацией (например, менее 30%) выталкивающих клапанов, которая в иллюстрируемом варианте имеет 0% выталкивающих клапанов и 100% невыталкивающих клапанов. Количество рядов в зоне Z6 с низкой концентрацией предпочтительно в 2-20 раз больше, чем в зоне Z14, и в 3-10 раз больше, если диапазон соотношения дифференциальной длины по оси будет таким же для варианта без рядов.
На фиг.17 показана еще одна область Z5 с высокой концентрацией выталкивающих клапанов, которая имеет более высокую концентрацию, чем зона Z6, предпочтительно такую же, как входная зона с высокой концентрацией, или более низкую концентрацию (например, меньше на 20-75%, например на 50%), чем входная зона с высокой концентрацией. Например, на фиг.17 показана одинаковая глубина столбцов (3 ряда) в зоне Z5 с более высокой концентрацией, но в рядах выталкивающие клапаны Р чередуются через один с невыталкивающими клапанами NP, чтобы снизить концентрацию по существу на 50%. В настоящем изобретении предпочтительно используются выталкивающие клапаны, обеспечивающие большой ("Н") импульс, хотя могут использоваться также выталкивающие клапаны, обеспечивающие средний ("М") или малый ("L") импульс или любая комбинация из этих клапанов ("H-M-L"). Для зоны Z5 предпочтительны те же значения соотношения количества рядов по глубине столбцов, которые указаны выше для зоны Z4.
На фиг.18 и 19 показан альтернативный вариант осуществления изобретения, содержащий установленный внутри прямоугольный сливной стакан 103 (например, расположенный в центре двухступенчатый сливной стакан или не расположенный в центре), в который поступает поток текучей среды из множества расположенных на тарелке источников, причем в иллюстрируемом варианте поток направляется так, чтобы достичь длинных противоположных сторон сливного стакана (например, вариант с разделенным потоком, описанный выше, где один поток движется от первой концевой области тарелки к сливному стакану, а второй поток движется от противоположного конца тарелки к внутреннему сливному стакану). На фиг.18 показаны в аксонометрии часть тарелки 101, часть стенки 102 колонны и сливной стакан 103, имеющий прямоугольное отверстие 104. Вдоль каждой длинной боковой стороны сливного стакана 104 имеется барботажная область 105. Сливной стакан 103 имеет необязательный переливной порог 107 и промежуточную неискривленную, препятствующую скачкам перегородку в виде пластины 108. С обеих сторон от пластины 108 расположены две пластины 109, образующие перегородки. В показанном варианте касательная к верхнему концу пластины 109 проходит горизонтально. Поскольку потоки к прямоугольному отверстию 104 сливного стакана движутся преимущественно от его обеих длинных сторон, направляющие поток пластины 109 только обращены к этим длинным сторонам. Направляющие поток пластины 109 по существу параллельны друг другу и их нижние концы 110 расположены вертикально. Верхние концы пластин искривлены так, что они проходят горизонтально в направлении к противоположному потоку жидкости, текущему из пространства, расположенного над барботажной областью 105, в отверстие 104 сливного стакана. Удлиненный верхний конец пластины проходит параллельно длинным сторонам сливного стакана 103. Стенки 111 сливного стакана обращены друг к другу в направлении потока жидкости. Нижний конец сливного стакана снабжен крышкой 112 с множеством отверстий 113. В альтернативном выполнении согласно изобретению предусмотрен непосредственный слив через выходное отверстие сливного стакана.
На фиг.17 показано также предпочтительное геометрическое соотношение между направляющими лопастями и внутренней стенкой сливного стакана. Внутренняя стенка сливного стакана имеет первую вертикальную или по существу вертикальную (под углом ≤5 градусов к вертикали) часть и наружную наклонную часть, ведущую к нижней прямой наружной части. Как видно на фиг.17, каждая направляющая лопасть заканчивается у точки перехода от более вертикальной верхней части к менее вертикальной наклонной промежуточной части или выше этой точки. В альтернативном варианте направляющая лопасть (лопасти) может простираться вниз, ниже этого перехода, но под углом так, чтобы оставаться параллельной стенке сливного стакана или по меньшей не ограничивать наиболее внутренний, предназначенный для жидкости, канал сливного стакана.
На фиг.18 показано также средство 107 увеличения импульса, содержащее первую зону Z7 с высокой концентрацией выталкивающих клапанов Р, непосредственно прилегающую к одному из длинных входных краев сливного стакана и имеющую предпочтительно такую же картину расположения клапанов, как в зоне Z5 на фиг.17, или даже более высокую концентрацию клапанов, чем в зоне Z14. Аналогичная зона Z8 с высокой концентрацией выталкивающих клапанов предпочтительно предусмотрена вдоль противоположной длинной стороны сливного стакана (например, с такой же картиной расположения клапанов или с другой картиной, если потоки на сторонах сливного стакана имеют различную форму из-за влияния условий выше по ходу потока). Ввиду того, что сливной стакан (стаканы) установлен не на конце, общие соотношения, касающиеся зон с невыталкивающими клапанами NP и выталкивающими клапанами Р, изменяются из-за наличия двух входных зон тарелки с высокой концентрацией выталкивающих клапанов и двух находящихся рядом со сливным стаканом зон с высокой концентрацией выталкивающих клапанов (на фиг.18 показана только последняя группа). Например, в случае расположенного в центре сливного стакана и использования как концевых, так и внутренних зон с высокой концентрацией выталкивающих клапанов с противоположных сторон сливного стакана, можно соответственно уменьшить описанную выше зону Z6 с невыталкивающими клапанами. Например, при сохранении одинаковой картины расположения выталкивающих клапанов во входной и внутренней зонах, как в варианте с концевым сливным стаканом, доля площади, занятой невыталкивающими клапанами, снижается, чтобы обеспечить дополнительную площадь для размещения выталкивающих клапанов или, альтернативно, можно сократить (например, на 1/2-1/4) процент количества выталкивающих клапанов на входном конце и/или во внутренних зонах с высокой концентрацией и/или можно уменьшить силу импульса, например при уменьшении концентрации выталкивающих клапанов (например, со 100 до 50%), и/или заменить выталкивающие клапаны, обеспечивающие большой импульс, на обеспечивающие средний или малый импульс и т.п. В альтернативном варианте используются только две внутренние "соседние" со сливным стаканом зоны Z7 и Z8 или две наружные входные зоны тарелки (не показаны на фиг.18) вместо более внутренних входных зон Z7 и Z8, хотя наличие зоны с высокой концентрацией непосредственно перед перегородками считается выгодным для некоторых конструкций перегонных колонн и процессов перегонки, где это способствует обеспечению контакта равномерного потока, имеющего большой импульс, с изменяющими направление перегородками в области входного отверстия сливного стакана.
На фиг.18 показаны также отверстия L в прямой части промежуточных перегородок (предпочтительно металлическая, вваренная в сливной стакан перегораживающая пластина), которые могут быть выполнены путем удаления материала или путем смещения материала, как выдавленные в сливном стакане отверстия с наклонными навесами (см. фиг.19), направленными в сторону заградительной пластины 108.
Фиг.20 изображает вид сверху круглого сливного стакана 119, имеющего кольцевую пластину 120, и часть барботажной области 121 вокруг него. Проходящая вокруг окружности зона Z9 с относительно высокой концентрацией выталкивающих клапанов предпочтительно имеет такое же расположение выталкивающих клапанов/невыталкивающих клапанов или неклапанных отверстий, как зона Z5, но окружает кольцом входное отверстие сливного стакана (тарелка тоже предпочтительно имеет одну или несколько зон невыталкивающих клапанов, окружающих зону Z9). Обычно на одном тарельчатом аппарате имеется несколько висящих круглых сливных стаканов, каждый из которых предпочтительно снабжен зоной с высокой концентрацией выталкивающих клапанов, подобной зоне Z9 (или исключая другие зоны с высокой концентрацией, не прилегающие к сливному стакану, или в сочетании с другими зонами с высокой концентрацией).
Фиг.21 изображает сечение по линии АА' круглого сливного стакана 119. На нижнем конце имеется крышка с отверстиями 123 для слива жидкости. Показаны две конические перегородки, центральная из которых расположена выше, чем наружная. Перегородки образуют два кольцевых сквозных канала, проходящих к частично закрытой донной пластине в сливном стакане.
Фиг.22 изображает в плоскости картину потока, смоделированного для газа, проходящего через стандартный мини-V-образный решетчатый клапан и выходящего из этого клапана, который представляет собой невыталкивающий клапан NP, так как он практически не увеличивает направленный вперед импульс в контексте данного изобретения. Это видно на фиг.22, где FL обозначает направление потока текучей среды (жидкости) на тарелке, а смоделированный поток газа на выходе из клапанов имеет преимущественно (практически целиком) горизонтальные векторы силы импульса, направленные поперек направления потока текучей среды.
Фиг.22 изображает крупным планом невыталкивающий клапан NP, показанный на фиг.22.
Фиг.23 изображает смоделированный поток газа, проходящего через стандартный выталкивающий клапан Рu с U-образным лепестком и выходящий из этого клапана. Видно, что имеется смесь направленных поперек и направленных вперед векторов силы импульса (например, направленные вперед векторы силы (в том же направлении, что и поток над клапаном), общая сумма которых составляет 30-60%, обеспечиваются выталкивающим клапаном, создающим направленный вперед импульс силы среднего уровня (сумма определяется относительно края Е, расположенного выше по ходу потока)). Хотя это здесь не показано, многие смоделированные потоки имеют составляющую, направленную по оси Z, и, таким образом, указанные суммарные векторы силы потока относятся только к горизонтальной плоскости (например, это соотношение векторов силы по осям х и у).
Фиг.23А изображает выталкивающий клапан Рu крупным планом.
Фиг.24 изображает смоделированный поток для выталкивающего клапана типа "трамплина", обеспечивающего большой направленный вперед импульс (например, суммарный направленный вперед вектор составляет более 60%). Видно, что при однонаправленном выходе показанного клапана, выталкивающий клапан Ps обеспечивает очень высокий процент направленных вперед векторов импульса ниже по ходу потока от базового выходного края Е. В предпочтительном варианте изобретения выталкивающие клапаны "Р" на чертежах, изображающих схематично тарелки, представляют собой клапаны типа "Ps".
Фиг.24А изображает крупным планом клапан Ps, показанный на фиг.24, т.е. предпочтительный выталкивающий клапан. Этот клапан Ps имеет наклон вверх под углом примерно 30° и поэтому выше клапана на фиг.8. Отверстие клапана имеет размеры предпочтительно 10×25 мм. Внутренняя поверхность верхнего края находится на максимальной высоте 15 мм. Боковые стенки образуют с верхней стенкой угол предпочтительно в диапазоне от 90°, более предпочтительно образуют в сечении тупой угол (например, 100-150°). Таким образом выталкивающий клапан Ps является клапаном, способным направлять поток с большей силой, чем стандартный выталкивающий клапан Pu с U-образным лепестком. Поток направляется не только вперед, но частично также несколько вверх. Создаваемый поток отходит в боковом направлении от клапана меньше, чем в клапане Рu. Высоту подъема или наклон и/или наклон боковых стенок можно изменять для изменения направления всего потока и интенсивности потока. Желательными являются такие параметры, которые хорошо сочетаются с приемным сливным стаканом, имеющим средство изменения направления потока.
Фиг.25 изображает перегонную колонну согласно изобретению, имеющую несколько тарельчатых аппаратов 200, каждый 200', 200” из которых содержит многопанельную тарелку 202 и верхний из которых имеет концевой сливной стакан 204 с перфорированным дном 206, наклонной вниз стенкой 208 и щелями на дне. Конструктивный опорный каркас и общее расположение панелей тарелок в общем аналогичны одноименным элементам в US 5454989, включая приподнятую верхнюю панель 210 на поверхности тарелки в ее приемной области, куда поступает поток из сливного стакана. Фиг.25 также иллюстрирует возможность применения сливных стаканов с выходными отверстиями различного типа; в частности, верхний сливной канал имеет внизу перекрытие с выходными щелями, а средний сливной стакан, имеющий наклонную стенку, открыт на конце и обеспечивает прямой выход потока (без перекрытия и без ступеней). Таким образом, обеспечивается "усеченный" вариант, в котором связь между стенкой сосуда (или стенкой оболочки), например через перекрытие или ступень, в основном определяет ограничение потока, противоположное ограничению потока, в основном регулируемому за счет нижнего края сливного стакана и самой тарелки. В варианте с перекрытием образуется нижняя стенка, которая предпочтительно является горизонтальной и снабжена отверстиями для регулирования эффективного напора текучей среды в канале сливного стакана. Эти отверстия могут иметь любые приемлемые размер и форму. Например, они могут быть квадратными или круглыми с площадью не более чем примерно один квадратный дюйм каждое. Общая площадь отверстий может составлять 10-50% от горизонтальной площади в верхней части сливного стакана. Путем изменения общей площади отверстий на дне сливного стакана можно регулировать в нем напор, чтобы обеспечить высвобождение всего пара из жидкости, стекающей на следующую расположенную ниже тарелку, тем самым изменяя эксплуатационные характеристики аппарата в целом.
2
1
0
1
2
i
На фиг.25 показан также необязательный переливной порог 212, расположенный выше по ходу потока относительно средства 214 изменения направления, установленного в верхнем тарельчатом аппарате и включающего вогнутую изменяющую направление перегородку и расположенную в канале ниже по ходу потока дополнительную перегородку 218 предпочтительно в виде гофрированной пластины (показан "прямой" (вертикальный) вариант выполнения, но возможен альтернативный вариант, содержащий те же элементы, но имеющий искривленный (предпочтительно плавно) верхний конец). В расположенном под верхней тарелкой тарельчатом аппарате 200' имеется более наружная пластина RP, образующая перегородку, возвышающаяся над уровнем тарелки и, по выбору, над верхним краем более внутренней перегородки RP. Средний тарельчатый аппарат содержит также препятствующую уносу гофрированную контактную пластину СР, установленную предпочтительно только для обеспечения наружного в радиальном направлении контакта (не предназначена для создания канала для текучей среды со стороны ее наружной в радиальном направлении поверхности). Таким образом, гофрированная пластина СР предпочтительно расположена в наружной части, например, в пределах наружной части (в диапазоне 0-15%) всей ширины сливного стакана, как показано расстоянием "Х" на фиг.25, а изменяющие направление пластины RP и RP, определяющие каналы, находятся в более средней области, обозначенной "S". На фиг.25 также показана внутренняя гофрированная контактная пластина, которая тоже не предназначена для создания канала и установлена на участке с протяженностью в диапазоне Х 10-15%.
3
Кроме того, на фиг.25 показана изменяющая направление пластина RP с вогнутым верхним концом и прямой проходящей вниз частью. Сплошная линия изображает нижнюю часть пластины, имеющую наклон радиально внутрь, а пунктирные линии изображают вертикальную и имеющую наклон наружу нижние части пластины.
1
2
На фиг.26 и 27 представлено детальное изображение гофрированной контактной пластины СР с V-образными гребнями R1 и впадинами V, имеющими противоположный сходящийся наклон, как видно на фиг.27, где показаны половины Y и Y пластины.
Фиг.28 изображает вид сбоку вихревого сливного стакана DC, несомого пластиной тарелки Т ("висящего на тарелке"), находящейся на одном уровне с верхним краем входного отверстия вихревого сливного стакана DC (хотя сливной стакан может быть приподнят над тарелкой для образования переливного порога вокруг отверстия в тарелке, в котором установлен сливной стакан). Вихревой сливной стакан DC имеет направляющие лопасти G1-G3 (например, предпочтительно в количестве 3-6), которые обеспечивают центральный, подобный вытяжной трубе, проход для пара/газа VG. На фиг.28 также показан поток жидкости, который подвергается вихревому или спиральному закручиванию или ускоряет обмен между жидкостью и газом.
Кроме того, на фиг.28 показана часть тарелки Т, имеющая непрерывную зону с высокой концентрацией выталкивающих клапанов (например, создающих большой импульс), предназначенных для увеличения импульса текучей среды относительно направляющих лопастей. Согласно изобретению в этом варианте вблизи направляющих лопастей G1-G3 может находиться сплошная зона выталкивающих клапанов или зона с более низкой концентрацией, как показанная на фиг.17 зона Z5, где каждый второй клапан является выталкивающим, или, альтернативные, с более индивидуальным характером зоны, в которых выталкивающие клапаны расположены чаще, чем через один.
На фиг.29 схематично изображена область соединения направляющих лопастей G2-G3 относительно направления FL основного потока текучей среды. Видно, что выталкивающие клапаны предпочтительно расположены так, что направляют поток текучей среды под углом р предпочтительно в диапазоне 45±15°.
Фиг.30 изображает вид, аналогичный фиг.28, но с искривленными верхними входными частями V1-V3 лопастей и с необязательными нижними, образующими каналы, частями V1'-V3' (например, проходящими в сливной стакан вниз примерно на 25-50% от высоты частей направляющих лопастей, поднимающихся над краем входного отверстия сливного стакана).
В целях сравнения на фиг.31А и 31В показаны стандартные однопроходные тарелки (вход/конец) в перегонной колонне (разрез и вид сверху со схематичным изображением "тени").
На фиг.32А и 32В схематично изображен вихревой сливной стакан; причем на фиг.32В показаны места, где может быть расположен висящий сливной стакан, и положение индивидуально организованных зон ZA-ZC с высокой концентрацией выталкивающих клапанов относительно трех направляющих лопастей. Лопасти могут быть повернуты (с фиксацией в конечном положении) в пределах 120° для обеспечения различных ориентаций сосуд/лопасть; при этом зоны выталкивающих клапанов предпочтительно расположены согласно фиг.29.
Описанные выше варианты осуществления изобретения, в том числе и предпочтительные варианты, представлены только в качестве примеров для пояснения сущности изобретения. В этих вариантах могут быть сделаны различные изменения, не противоречащие сущности изобретения и не выходящие за пределы объема описания и формулы изобретения.