Прямоточная массообменная тарелка для процессов разделения газовых и жидких сред

Полезная модель относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системах пар (газ) - жидкость и может быть использована в химической, нефтехимической и пищевой промышленности.
В настоящее время наибольшее распространение получили массообменные тарелки с перекрестным движением фаз, жидкость течет по тарелке в направлении переливного устройства, а газ (пар) барботирует через слой жидкости на тарелке и прямоточные тарелки, в которых газ (пар) и жидкость движутся в одном направлении: от стенки колонны к переливному устройству. Переливное устройство массообменной тарелки оказывает значительное влияние не только на характеристики работы массообменных тарелок, но и на проведение работ при монтаже тарелок в колонном аппарате. Конструкция переливного устройства характеризуется его пропускной способностью, то есть допустимыми скоростями жидкости в приемном кармане, определяемые условиями сепарации двухфазного потока, а также условиями монтажа, при котором должно обеспечиваться точность установки и глубина гидрозатвора, чтобы исключить проскок пара через переливное устройство. Некоторые конструкции переливных устройств определяют величину градиента жидкости на тарелке, что повышает равномерность потоков по сечению колонны. В ряде случаев способ создания гидрозатвора влияет на производительность тарелки, диапазон ее устойчивой работы, а также на размеры всего аппарата.
Известна конструкция массообменной тарелки (патент JP №57034002, МПК B01D 3/22, 1982), состоящая из горизонтального полотна, установленного на кольцевых опорах, барботажных элементов, а также переливных устройств, образующих гидрозатвор в межтарельчатом пространстве из наклонного конического и горизонтального кольцевого элементов, в которых функцию приемного кармана выполняет полость между сливным краем тарелки и корпусом колонны.
Недостатками данной конструкции являются, прежде всего, отсутствие распределения жидкости по сечению колонны, поскольку распределение осуществляется только за счет разбрызгивания жидкости из кольцевой опоры на стенке колонны, части переливного устройства крепятся на разных узлах, наклонный конус закреплен на тарелке, а кольцевая опора, образующая динамический гидрозатвор - на стенке колонны, что требует точности взаимной их установки, кроме того, разбрызгивание жидкости с высоты расположения динамического затвора не может обеспечить плавное течение жидкости по нижерасположенной тарелке.
Известны стальные цельные ректификационные тарелки типовой конструкции, в которых жидкость с вышележащей тарелки поступает через сливной порог в приемный карман сегментной формы и через переливной порог равномерно распределяется по фронту основания тарелки и движется в диаметрально противоположном направлении к сливному порогу и далее по приемному карману на следующую тарелку. Газ (пар) поднимается с нижележащей тарелки, барботирует через жидкость и уходит вверх. Приемный карман, частично заполненный жидкостью, выполняет при этом функцию гидрозатвора, препятствуя проникновению газа вверх через переливное устройство (Машины и аппараты химических производств: учебное пособие для вузов / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др.// 2008. - 872 с. - С. 556).
Недостатками этой конструкции являются нерациональное использование рабочей площади тарелки, так как значительная ее часть занята переливным устройством и исключается, таким образом, из процесса активного массообмена, что, в конечном счете, понижает производительность колонны, кроме того, монтаж тарелок требует точности совмещения двух элементов, расположенных на разных тарелках, приемный карман сегментной формы крепится на выше расположенной тарелке, а переливной порог, образующий совместно с переливным карманом гидрозатвор, на нижней тарелке.
Известна конструкция контактной тарелки для проведения тепло- и массообменных процессов с переливным патрубком и расположенным под ним диском, установленным на вертикальной оси (авт.св. SU №375077, МПК B01D 3/20, 23.03.1973). Диск снабжен направляющими лопатками, размещенными со стороны патрубка.
Недостатком данной конструкции является плохая сепарация пара, так как парожидкостной поток попадает непосредственно с тарелки в переливную трубу, а гидрозатвор зависит от зазора между нижним концом переливной трубы и диском.
Известна конструкция клапанной тарелки (авт.св. SU 341498, МПК B01D 3/30, 14.6.1972), снабженной прямоточными клапанами с прорезями и вертикальными перегородками, имеющими в нижней части отверстия для выравнивания уровня жидкости на всей площади тарелки, приемного и переливного карманов.
Недостатками такой конструкции переливного устройства являются большая площадь, занимаемая его элементами, создающие гидрозатвор, что сокращает рабочую поверхность тарелки, требует точной сборки элементов, в частности, совмещения узлов гидрозатвора.
Известна конструкция переливного устройства (патент RU №2158624, МПК B01D 3/20, 10.11.2000), применяемая в абсорберах осушки газа, сепараторах, фильтрах или секциях многофункциональных массообменных аппаратов, и содержит изогнутый карман с патрубком входа и патрубком выхода, который короче входного и снабжен клапаном, соединенным с поплавком. Поплавок установлен внутри выходного патрубка и соединен с клапаном, который расположен на выходном патрубке, тягой, снабженной ограничителем подъема и размещенной с возможностью вертикального перемещения в направляющих, закрепленных на стенке выходного патрубка кронштейнами. Нижняя часть выходного патрубка расположена ниже нижней части входного патрубка и снабжена съемной заглушкой. Устройство обеспечивает надежную работу аппарата за счет залива переливного устройства технологической жидкостью в процессе работы аппарата и предотвращения опустошения переливного устройства при пульсирующих режимах работы аппарата.
Недостатком данной конструкции является плохая сепарация пара, так как парожидкостной поток попадает непосредственно с тарелки в переливную трубу.
Наиболее близкой является массообменная тарелка для процессов разделения газовых и жидких сред, состоящая из горизонтального полотна с барботажными элементами, переливных устройств, включающих приемный карман, переливной порог и сливной порог, переливное устройство, образующее постоянный статический гидрозатвор, выполненное автономным как одно целое и крепится снизу в отверстии горизонтального полотна тарелки подвисным между тарелками с выступом части переливного кармана над полотном тарелки, являющимся переливным порогом, дополнительно выполнены отверстия для слива жидкости, приемный карман переливного устройства снизу закрыт направляющей пластиной, направляющей нисходящий поток жидкости на стенку колонны, на которой жестко закреплен сливной порог, преимущественно образующий с этой пластиной тупой угол, а отбойник, опущенный в приемный карман, образует зазор, сечение которого не меньше сечения зазора между верхним краем сливного порога и упомянутым отбойником, форма кромки направляющей пластины повторяет преимущественно форму образующей стенки колонны, кроме того, гидрозатвор, вынесенный с рабочей поверхности, увеличивает рабочую площадь массообмена (патент RU №2438748, МПК B01D 3/16, 10.01.2012).
Данная конструкция не позволяет в полном объеме решить техническую задачу, так как направляющая пластина, закрывающая приемный карман снизу, создает большое сопротивление восходящему потоку пара, кроме того, создает застойные зоны, что снижает эффективность взаимодействия между паровой и жидкой фазами.
Задачей является целенаправленная конструктивная разработка прямоточной массообменной тарелки с автономным переливным устройством подвисного типа с расширением диапазона свойств разделяемых сред (слабопенящихся) и улучшенной сепарацией газа.
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности массообменной тарелки и улучшение качества разделения.
Технический результат достигается при использовании прямоточной массообменной тарелки для процессов разделения газовых и жидких сред, состоящей из горизонтального полотна с барботажными элементами и жестко закрепленного в отверстии полотна тарелки переливного устройства, выполненного в виде статического гидрозатвора с выступающим переливным порогом, в стенках которого выполнены отверстия в виде горизонтальных щелей, расположенные выше полотна тарелки, при этом передняя стенка статического гидрозатвора, ниже полотна тарелки, выполнена с уклоном 12-15 градусов к стенке корпуса колонны, а профиль статического гидрозатвора выполнен обтекаемой формы, дополнительно между барботажными элементами и выступающим переливным порогом, с наклоном в направлении парожидкостного потока, установлена форпланка, длина которой соответствует длине передней стенки выступающего переливного порога, причем передняя стенка выступающего переливного порога в два раза выше его задней стенки, выполненной в виде жалюзи с отогнутыми верхними краями щели, а высота боковых стенок выступающего переливного порога равномерно изменяется от его передней до задней стенки.
Прямоточная массообменная тарелка для процессов разделения газовых и жидких сред характеризуется тем, что барботажные элементы на тарелке расположены в шахматном порядке.
Сущность технического решения заключается в реконструкции прямоточной массообменной тарелки и автономного переливного устройства подвисного типа, гидрозатвор которого вынесен с рабочей площади полотна тарелки в межтарельчатое пространство, а поставленная задача решается путем следующих конструктивных признаков:
- выполнение передней стенки выступающего переливного порога в два раза выше его задней стенки, а высота боковых стенок выступающего переливного порога равномерно изменяется от его передней до задней стенки, позволяет значительно сократить переброс парожидкостного слоя с тарелки непосредственно в переливной карман, а при ударе о стенку наблюдается разделение данного потока, жидкость стекает вниз, а пар поднимается вверх, что в итоге позволяет увеличить производительность массообменной тарелки за счет повышения пропускной способности ее переливного устройства и улучшения в нем сепарации газа (пара).
- дополнительная установка между барботажными элементами и выступающим переливным порогом наклоненной в направлении парожидкостного потока форпланки, длина которой соответствует длине передней стенки выступающего переливного порога, позволяет отводить жидкость, стекающую с передней стенки, в сливные отверстия и к стенкам колонны, исключая возврат жидкости на полотно тарелки, что обеспечивает увеличение производительности массообменной тарелки за счет улучшения сепарации газа (пара).
- выполнение передней стенки статического гидрозатвора, ниже полотна тарелки, с уклоном 12-15 градусов к стенке корпуса колонны, и обтекаемая форма дна кармана снижают гидравлическое сопротивление паровому потоку, исключают образование застойных зон и увеличивают производительность массообменной тарелки.
Предлагаемая конструкция снижает трудозатраты и сроки монтажа тарелок за счет того, что переливное устройство является автономным с жестко закрепленными элементами, оно может быть заранее закреплено на тарелке и монтаж сводится к установке тарелок.
На фиг. 1 показана прямоточная массообменная тарелка;
на фиг. 2 показана прямоточная массообменная тарелка в разрезе (вид по А-А).
Прямоточная массообменная тарелка для процессов разделения газовых и жидких сред состоит из горизонтального полотна 1 с барботажными элементами 2 и жестко закрепленного в отверстии полотна 1 тарелки переливного устройства 3, выполненного в виде статического гидрозатвора 4 с выступающим переливным порогом 5, в стенках которого выполнены отверстия 6 в виде горизонтальных щелей, расположенные выше полотна 1 тарелки. Передняя стенка 7 статического гидрозатвора 4 ниже полотна 1 тарелки выполнена с уклоном 12-15 градусов к стенке 8 корпуса колонны, а профиль статического гидрозатвора 4 выполнен обтекаемой формы. Между барботажными элементами 2 и выступающим переливным порогом 5 установлена форпланка 9, длина которой соответствует длине передней стенки 10 выступающего переливного порога 5. Форпланка 9 установлена с наклоном в направлении движения парожидкостного потока. Передняя стенка 10 выступающего переливного порога 5 в два раза выше его задней стенки 11, выполненной в виде жалюзи с отогнутыми верхними краями щели, а высота боковых стенок 12 выступающего переливного порога 5 равномерно изменяется от его передней 10 до задней 11 стенки.
Барботажные элементы 2 на тарелке могут располагаться в шахматном порядке, для максимально эффективного использования площади полотна 1 тарелки.
Массообменная тарелка работает следующим образом: жидкая фаза поступает с вышерасположенной тарелки через статический гидрозатвор 4 на горизонтальное полотно 1 ниже расположенной тарелки и движется вдоль полотна к переливному порогу 5. Часть осветленной жидкости через отверстия 6 поступает в статический гидрозатвор 4, основная часть жидкости в виде парожидкостной (газожидкостной) смеси перетекает в статический гидрозатвор 4 через верх задней стенки 11 переливного порога 5 переливного устройства 3. За счет перепада давления, создаваемого сопротивлением тарелки, в статическом гидрозатворе 4 автоматически устанавливается определенный уровень жидкости. Уровень жидкости в статическом гидрозатворе 4 обеспечивает хорошую сепарацию газа, так как пузырьки газа, находящиеся в жидкости, должны преодолеть столб жидкости, в котором гидростатическое давление увеличивается. Надежность статического гидрозатвора 4, исключает проникновение газовой фазы через переливное устройство 3.
Паровой (газовый) поток поднимается снизу вверх, проходит через барботажные элементы 2 и вступает в контакт с жидкой фазой, в результате чего осуществляется массообмен, причем производительность тарелки в большой степени определяется площадью активного взаимодействия фаз.
Предлагаемые конструктивные элементы массообменной тарелки имеют по сравнению с прототипом и базовым объектом следующие преимущества:
- не требуется установки сливной и переливной планок, так как уровень жидкости на тарелках обеспечивается выступающей над тарелкой частью предлагаемой конструкции переливного устройства;
- функционально связанные элементы предлагаемого переливного устройства, установленные под определенными углами, обеспечивают плавный вход жидкости и пара на тарелку;
предлагаемое переливное устройство обеспечивает хорошее газоотделение за счет высоты столба жидкости в приемном кармане и применения форпланки;
позволяет увеличить пропускную способность переливного устройства за счет дополнительных отверстий в стенках переливного порога, расположенных над поверхностью полотна тарелки.
Таким образом, использование прямоточной массообменной тарелки для процессов разделения газовых и жидких сред, у которой между барботажными элементами и выступающим переливным порогом, с наклоном в направлении парожидкостного потока, установлена форпланка, передняя стенка статического гидрозатвора выполнена с уклоном 12-15 градусов к стенке корпуса колонны, профиль статического гидрозатвора выполнен обтекаемой формы, а передняя стенка выступающего переливного порога в два раза выше его задней стенки, обеспечивает повышение производительности массообменной тарелки и улучшение качества разделения.