КОЛПАЧКОВАЯ ТАРЕЛКА

Полезная модель относится к конструкциям колпачковых тарелок массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, фармацевтической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения растворов и газов в процессах ректификации, абсорбции, экстракции и промывки газов.
Известна колпачковая тарелка, состоящая из основания в форме диска, барботажных колпачков, выполненных в виде цилиндрических или конических стаканов с прорезями в их нижней части, переливных труб и гидрозатвора, на колпачках выполнены расположенные в горизонтальной плоскости пластинчатые ребра, причем ребра соседних колпачков перекрывают друг друга и расположены  в различных плоскостях, образуя, при взаимном перекрытии лабиринтные ходы для обрабатываемого в аппарате продукта, а ребра соседних колпачков не касаются поверхностей других колпачков (Патент РФ №2602113, B 01D 3/00, 2015 г.).
К причинам, препятствующим  достижению заданного технического результата, относится незначительная поверхность контакта фаз из-за отсутствия дисперсной фазы между тарелками, что ухудшает протекание тепло - и массообменных процессов, увеличивает необходимое время этих процессов и снижает производительность.
Известна ректификационная колонная с колпачковыми тарелками, включающая корпус с технологическими штуцерами, тарелки с паровыми патрубками и переливными устройствами, а также колпачки с вертикальными прорезями, а горизонтальные кромки прорезей колпачков снабжены лопатками, расположенными с наружной стороны колпачков радиально и в горизонтальной плоскости (Патент РФ №2500452, B 01D 3/16; 2009 г.).
К причинам, препятствующим  достижению заданного технического результата, относится отсутствие капель жидкости между тарелками, что снижает интенсивность тепло- массообменных процессов и уменьшает производительность колонны.
Известна тепломассообменная тарелка, содержащая перфорированное основание, переливное устройство и установленное на основании тарелки барботажное контактное устройство, представляющее собой лопатки, соединенные с осью вращения, при этом нижняя часть переливного устройства отогнута в сторону контактного устройства, установленного на вертикальной оси, а на свободном конце каждой лопатки сверху установлен пластинчатый упор (Патент на полезную модель РФ №171763, B01D 3/30, B01D 3/18, B01D 3/20,2017 г.).
К причинам, препятствующим  достижению заданного технического результата, относится недостаточная поверхность контакта фаз, создаваемая только на поверхности основания тарелки барботажного устройства, а также недостаточного стимулирования движения нижних слоев жидкости.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является колпачковая тарелка, образованная плитой с расположенными на ней паровыми патрубками, и колпачками, и переливными трубами, переливные трубы равномерно распределены на плите тарелки между паровыми патрубками и снабжены в нижней части распылителями жидкости, при этом длина переливных патрубков связана с расстоянием между тарелками выражением:
где - длина переливного патрубка, м;
Н - расстояние между тарелками, м (Патент на полезную модель №182047, B 01D 3/20, B 01D 3/32 2018 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится создание дисперсной фазы только по пузырькам газа и отсутствие дисперсной фазы по каплям жидкости между тарелками, что приводит к снижению поверхности контакта фаз, а значит и производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции колпачковой тарелки является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что на колпачковой тарелке, состоящая из плиты с расположенными на ней паровыми патрубками, колпачками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки между паровыми патрубкам и снабжены в нижней части распылителями жидкости, при этом длина переливных труб связана с расстоянием между тарелками соотношением:
(1)
где l – длина переливной трубы, м;
H – расстояние между тарелками, м,
причем колпачок прикреплен к паровому патрубку с помощью конической пружины.
Прикрепление колпачка к паровому патрубку с помощью конической пружины позволяет значительно упростить конструкцию, так как не нужно будет делать жесткое закрепление к паровому патрубку. Также позволит под действием восходящего потока газа и нисходящего потока жидкости приводить колпачок на конической пружине  в колебательный  динамический режим, что значительно интенсифицирует процесс массопереноса и тем самым увеличивает производительность.
Конические пружины обладают переменной упругостью, изменяющейся в широком диапазоне, это способствует совпадению частот вынужденных колебаний, с которыми восходящий поток газа воздействует на колпачок, с собственным диапазоном частот колебаний конических пружин, определяемым по формуле:
,                                                   (2)
a - упругость конической пружины, Н/м;
m - масса колпачка, кг; [Факультативный курс физики. Учебное пособие для учащихся / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.И. Шефер. - 3-е изд. перераб. - М. : Просвещение, 1987, с.11].
Такие колебания колпачка с высокой амплитудой вызывают такие же  высокие колебания в жидкости, которая будет тиксотронно разжижаться, ее структура разрушается, а эффективная вязкость неньютоновских жидкостей значительно снижается. Это приводит к интенсификации массообмена на границе поверхностей жидкости и газа и в также способствует целом увеличению производительности.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой конструкции тарелки в разрезе, на фиг. 2 - вид сверху.
Тарелка состоит из плиты 1 с расположенными на ней паровыми патрубками 2 и колпачками 3 над этими патрубками, коническими пружинами 4, переливными трубами 5, равномерно распределенными между паровыми патрубками 2 на плите 1 тарелки, причем длина каждой переливной трубы 5 выбирается в соответствии с выражением (1). Каждая переливная труба 5 снабжена в нижней части распылителем жидкости 6.
Колпачковая тарелка работает следующим образом. С вышележащей тарелки по переливным трубам 5 стекает жидкость и в виде капель, образующихся на выходе из распылителя жидкости 6, попадает на нижележащую плиту 1 тарелки, образую на ней слой жидкости.
Газ (пар), поднимаясь снизу вверх проходит по паровым патрубкам 2 с коническими пружинами 4, образовываются в колпачках 3 пузырьки пара, которые, барботируя через слой жидкости на плите 1, поднимаются вверх к вышележащей тарелке. При этом колпачок 3 с помощью конической пружины 4 начинает вибрировать, увеличивая при этом барботаж верхнего слоя.
Капли жидкости, образующиеся на выходе из распределителя 6, подаются сверху вниз навстречу сплошной паровой фазе, при этом идет интенсивный тепло- и массообмен между тарелками.
Таким образом, выполнение колпачка 3, прикреплённого к паровому патрубку 2 с помощью конической пружины 4, позволит под действием восходящего потока газа и нисходящего потока жидкости приводить колпачок 3 на конической пружине 4 в колебательный  динамический режим, что интенсифицирует процесс массопереноса, а значит и повышает производительность.