Распределительная тарелка

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, устанавливаемым внутри тепло- и массообменных аппаратов и химических реакторов для равномерный подачи жидкой фазы по всему сечению корпуса, и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности и в экологических процессах очистки жидкости и газов от вредных примесей на молекулярном, ионном и дисперсном уровнях.
Известны распределительные тарелки для насадочных колонн, состоящие из равномерно распределенных по ее сечению удлиненных патрубков для жесткости, паро-(газо)- проводящих коротких патрубков [Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. Справочник издание 3-е переработанные и дополненное. / Под редакцией Е.Н. Судакова/ - М.: Химия, 1979, 566 стр: стр 303-305, рис III-62].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся неравномерность подачи жидкой среды по сечению колонны, особенно на периферийной ее части вблизи стенок корпуса в колоннах большого диаметра. Это приводит к большим затратам времени на установку и крепление переливных устройств большого диаметра внутри корпуса, снижает эффективность орошения всей поверхности насадки или катализатора и уменьшает время основной работы, а значит и производительность.
Известна конструкция компактной распределительной тарелки, в которой трубы, вертикально установленные на ее поверхности, разделяют эту поверхность на отсеки [Пат.РФ №2702557, МПК B01D 3/00, B01D53/18, B63B35/28, опубл. 08.10.2019 г.].
К причинам, препятствующие достижению заданного технического результата, относятся неравномерность орошения всего сечения колонны, особенно в ее периферийной части у стенок корпуса. Это снижает производительность колонны в процессе тепло- и массообмена или при протекании химической реакции.
Известна конструкция распределительной тарелки для циркуляции газа и жидкости, состоящая из пластины, имеющей отверстия и служащую опорой для полых труб, расположенных перпендикулярно указанной пластине, причем над каждым отверстием пластины установлена труба с идентичным этому отверстию поперечным сечением, при этом пластина имеет множество отверстий, расположенных по периферии каждой трубы внутри описанной окружности, центр которой совпадает с центром трубы и радиус которой меньше или равен 1/3 самого короткого расстояния, разделяющее две соседние трубы, и тем, что единственный отклоняющей элемент расположен под каждый трубой так, чтобы передавать вращательные движения смеси газа/жидкость под каждой трубой [Пат.РФ №2603672, МПК B01D 3/00, B01D53/18, B63B35/28, опубл. 27.11.2016 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточное орошение жидкостью периферийной части насадки или катализатора у стенки корпуса, а так же сложность и длительность монтажа и демонтажа тарелки, что уменьшает основное время работы, тепло и массообмен или химические процессы в слое катализатора под распределительной тарелкой, а значит приводит к снижению производительности.
Известна конструкция распределительного устройства, установленного в реакторе гидроочистки масел, состоящего из тарелки с равномерно распределенными по ее поверхности отверстиями и дугообразными лабиринтными перегородками с периферийными креплениями по модульному принципу [Пат.US8042790, МПК B01J8/0278, опубл. 25.10.2011 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится унос капель жидкости с потоком пара и/или газа, а также длительность и сложность крепления известной конструкции переливного устройства к корпусу аппарата. Это увеличивает время осмотра, демонтажа и монтажа, снижая основное время работы и в целом производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является  распределительная тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней газовыми патрубками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки и асимметрично установлены относительно газовых патрубков, где газовые патрубки установлены с возможностью осевого перемещения внутри переливных труб, при этом над плитой на внешней боковой поверхности каждого газового патрубка жестко закреплено кольцо с положительной плавучестью, а под плитой также жестко закреплен кольцевой козырек. [Пм.РФ №208968, МПК B01D3/20, опубл. 25.01.2022 г.].
К причинам, препятствующих достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность монтажа и демонтажа тарелки, что уменьшает основное время работы, тепло- и массообмен или химические процессы в слое катализатора под распределительной тарелкой, а значит приводит к снижению производительности.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается при использовании распределительной тарелки, состоящей из плиты, переливных труб, выполненных с возможностью осевого перемещения внутри них газовых патрубков, оснащенных кольцом с положительной плавучестью и кольцевым козырьком, выполненным в виде усеченного конуса причем кольцевой козырек выполнен из материала, обладающего эффектом памяти, больший диаметр усеченного конуса которого в рабочем состоянии определяется выражением
а в исходном состоянии определяется выражением
где D - диаметр переливной трубы.
Исполнение кольцевого козырька из материала обладающим эффектом памяти, позволяет в процессе ремонта и осмотра изменять свою форму в исходное («холодное») состоянии при нормальной температуре, что приводит к растрескиванию термических отложений на ее поверхности, а также проводить демонтаж, для очистки внутренней поверхности переливной трубы, в короткие сроки. В процессе работы, то есть в «горячем» состоянии при рабочих температурах кольцевой козырек будет принимать рабочее положение. Это уменьшает время подготовки распределительной тарелки к основному циклу работы и сокращает время простоя аппарата, что увеличивает основное время работы и приводит к росту производительности.
Геометрия кольцевого козырька в рабочем состоянии, подчиняющаяся условию (1), предотвращает унос патрубка, при больших расходах газовой фазы, позволяет эффективно орошать слоя насадки или катализатора.
Геометрия кольцевого козырька в исходном состоянии, подчиняющаяся условию (2), позволяет оперативно проводить монтаж и демонтаж газовых патрубков при подготовке аппарата к работе, сократить время выполнения ремонтных работ и простоя аппарата, таким образом увеличивая основное время работы, а, следовательно, и производительность.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемой конструкции распределительной тарелки.
На фиг.2 показан укрупненный фрагмент А.
Распределительная тарелка состоит из плиты 1 с равномерно распределенными на ней переливными трубами 2. Внутри каждой переливной трубы 2 с возможностью осевого перемещения установлены газовые патрубки 3. Сверху над плитой 1 на каждом газовому патрубке 3 на его внешней боковой поверхности жестко закреплено кольцо 4 с положительной плавучестью, а под плитой 1 на каждом газовом патрубке 3 также закреплен кольцевой козырек 5, выполненный из материала обладающего эффектом памяти, больший диаметр усеченного конуса которого в рабочем состоянии определяется выражением (1), а в исходном состоянии выражением (2) соответственно. Сама плита 1 установлена на опорах 6, закрепленных над поверхностью насадки или слоя катализатора 7 внутри корпуса 8 колонны, химического реактора или контактного аппарата, сразмещенным на нем патрубкам 9 для подвода жидкости.
Распределительная тарелка работает следующим образом.
Предварительно, в каждую переливную трубу 2 помещается газовый патрубок 3 с жестко закрепленным кольцом 4 с положительной плавучестью, находящийся над плитой 1, а в нижней части также закреплен кольцевой козырек 5, выполненный из материала, обладающего эффектом памяти, находящийся в исходном («холодном») состоянии и имеющий больший диаметр усеченного конуса, соответствующий выражению (2). В корпус колонны 8 подается газовый поток, при малых расходах, проходящий через насадки или слой катализатора 7 при рабочей температуре, которая должна быть не меньше температуры мартенситного превращения материала, обладающего эффектом памяти. После протекания мартенситного превращения кольцевой козырек 5, выполненный из материала, обладающего эффектом памяти, принимает рабочее («горячее») состояние и больший диаметр усеченного конуса кольцевого козырька 5 соответствует выражению (1).
По патрубку 9 на плиту 1 падают жидкость, занимающую отведенный уровень в корпусе 8. Кольца 4 с положительной плавучестью всплывают вместе с газовыми патрубками 3 и кольцевыми козырьками 5, которые находятся в рабочем состоянии, а жидкость с плиты 1 стекает вниз по кольцевому зазору, образованному внутренней поверхностью каждой переливной трубы 2 и внешней поверхностью газового патрубка 3. Так как этот кольцевой поток жидкости образует гидрозатвор, то его столб препятствует проскоку газа в этом кольцевом зазоре и уносу жидкости вверх. Расход газа в колонне 8 доводится до рабочего и его температура на уровне распределительной тарелки поддерживается на уровне температуры мартенситного превращения. Кольцевой поток жидкости, вытекая из каждой переливной трубы 2, растекается по кольцевому козырьку 5 в виде пленки жидкости и стекает вниз под плиту 1 на поверхность насадки или слоя катализатора 7, орошая без капельного разбрызгивания всю эту поверхность. Поток газа поступает снизу в газовые патрубки 3, так как под кольцевыми козырьками 5, нет жидкости, газ не взаимодействует и не увлекает за собой ее капли.
При остывании кольцевые козырьки 5, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, возвращаются в исходное («холодное») состояние, тогда больший диаметр их усеченного конуса уменьшается, а отложения, солевой камень, в местах соприкосновения с жидкостным потоком и продукты термической деструкции, в местах контакта с газовым потоком, образованные в процессе работы, на их поверхности деформируются, растрескиваются и отслаиваются от кольцевых козырьков 5. Газовые патрубки 3 легко удаляются из переливных труб 2 и производится промывка и продувка аппарата. Таким образом уменьшается время обслуживания и как следствие сокращается время простоя аппарата, что приводит к росту производительности.
Материалы, обладающие эффектом памяти, известны. Это может быть нержавеющая сталь 12Х18H10T, никель-алюминиевый сплав NuAl (36,8% Al), сплав меди-алюминия и никеля, сплав марганца и никеля, а также титано-никелевый сплав, изменяющие свою форму при температурах от 100°С до 270°С. (Физические эффекты в машиностроении. Справочник / Под общей редакцией В.А. Лукьянец. -М.: Машиностроение 1993, с.150 -152.)
m
p
р
исх
Пример1. Пусть кольцевые козырьки 5, закрепленные на газовых патрубках 3, выполнены из стали 12X18H10T температура мартенситного превращения которой составляет t=95÷100°C [ Эффект памяти формы / В. А. Лихачев, С. Л. Кузьмин, З. П. Каменцева; ЛГУ им. А. А. Жданова. - Л. : Изд-во ЛГУ, 1987. - 215с.]. Для насадочной стабилизационной установки каталитического риформинга бензиновых фракций рабочая температура составляет t=238°C. В условиях данного процесса будет происходить мартенситное превращение, что будет приводить к изменению геометрии кольцевых козырьков 5. Предположим, что диаметр переливной трубы 2 D=42,2мм. Тогда больший диаметр усеченного конуса, образованного кольцевым козырьком 5, в рабочем состоянии будет равен d=50,64мм, а в исходном состоянии d=33,76мм. Тогда при переходе кольцевых козырьков 5 в исходное состояние газовые патрубки 3 легко и беспрепятственно удаляются из переливных труб 2.
Таким образом, использование распределительной тарелки, состоящей из плиты, переливных труб, выполненных с возможностью осевого перемещения внутри них газовых патрубков, оснащенных кольцом с положительной плавучестью и кольцевым козырьком, в виде усеченного конуса и выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет увеличить производительность.