МАССООБМЕННАЯ ТАРЕЛКА

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности.
Известны конструкции массообменных тарелок, состоящие из рабочей зоны, на площади которой расположены колпачки, отверстия или клапаны приемного кармана, куда поступает жидкость с вышележащей тарелки. Сливной карман снабжен переливной планкой, обеспечивающей определенный слой жидкости на тарелке. Для регулирования высоты установки сливная планка снабжена продольными вырезами, в пределах которых она может перемещаться по высоте относительно осей болтов (винтов), которыми она крепится к сливному месту («Машины и аппараты химических производств» под общей ред. А.С. Тимошина. - Калуга, Ноосфера, 2014, с. 546 и с. 563).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования уровня жидкости и времени ее пребывания на тарелке при изменении температуры жидкости, что ухудшает массообменный процесс и приводит к снижению производительности колонны.
Известна конструкция массообменной тарелки, включающая горизонтальное полотно с контактными элементами и переливное устройство, состоящее из переливной планки, боковой стенки и основания кармана, при этом основание кармана снабжено прикрепленной к нему пластиной, имеющей сливное отверстие с патрубком, установленным ниже пластины, верхняя кромка которого перекрывается клапаном с расположенным на нем стаканом с отверстием в нижней и стопорным винтом в верхней частях, и размещенным в нем тубусом, связанным с лотком, причем стакан шарнирно соединен с кулисой. на противоположном конце которой закреплен уравновешивающий груз, а кулиса шарнирно опирается на стойку, соединенную с пластиной (Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1465064, B01D 3/22, 1989 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулировать уровень жидкой фазы на тарелке и время ее пребывания в зависимости от температуры, что снижает эффективность массообменного процесса на каждой тарелке и приводит к уменьшению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и выбранному за прототип является конструкция массообменной тарелки, включающей перфорированное полотно с переливным порогом и расположенный на полотне теплообменник из труб, при этом трубы имеют отверстия с ниппелями, а переливной порог выполнен плавающим, состоящим из вертикальной перегородки, снабженной в верхней части полым элементом, обеспечивающим его плавучесть (Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1741844, B01D 3/20, B01D 3/22, 1989 г.).
К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится сложность регулирования высоты и времени пребывания жидкости на тарелке в зависимости от температуры жидкости. Так, с ростом температуры жидкости ее плотность падает, подъемная сила Архимеда уменьшается, что приводит к погружению полого элемента переливного порога в жидкость, уменьшению высоты вертикальной перегородки, а вместе с ней и уровня жидкости на тарелке, а значит уменьшению объема и времени пребывания жидкости на тарелке, что приводит к ухудшению массообмена и, как следствие, к снижению производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной тарелки является увеличение производительности за счет саморегулирования уровня жидкости и времени ее пребывания на тарелке при изменении температуры.
Поставленный технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, включающая перфорированное полотно с плавающим переливным порогом, состоящим из вертикальной перегородки, снабженной в верхней части полым элементом, и расположенный на полотне теплообменник из труб, имеющих отверстия с ниппелями, при этом вертикальная перегородка выполнена из материала, обладающего эффектом памяти.
При увеличении температуры жидкости и соответственно уменьшения ее плотности, а значит снижении подъемной силы Архимеда, переливной порог опускается, но одновременно вертикальная перегородка с ростом температуры увеличивает свою высоту, так как выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным вертикальной перегородкой, что в свою очередь уменьшает расход жидкости через гидрозатвор, а значит увеличивает ее высоту, объем и время пребывания на тарелке. Увеличение времени пребывания жидкости на тарелке увеличивает время ее контакта с пузырьками газа (пара), что интенсифицирует скорость массообмена между жидкой и газовой фазами и приводит к росту производительности.
При снижении температуры жидкости на тарелке плотность жидкости возрастает, подъемная сила Архимеда также растет, что приводит к подъему вертикальной перегородки, увеличению высоты жидкости и росту ее гидравлического сопротивления для пузырьков газа (пара), а значит увеличение размера пузырьков газа (пара), выходящих из отверстий с ниппелями. Это снижает время контакта пузырьков газа (пара) с жидкостью, скорость массопередачи между газовой (паровой) и жидкой фазами, ухудшает массообменный процесс и уменьшает производительность. Однако снижение температуры жидкости приводит к уменьшению высоты сливной перегородки, что увеличивает расход жидкости через переливной порог, снижает ее уровень на тарелке и компенсирует его увеличение за счет роста плотности жидкости.
Таким образом, выполнение вертикальной перегородки из материала, обладающего эффектом памяти, нивелирует уменьшение подъемной силы Архимеда, которая могла бы привести к снижению высоты переливного порога с плавающим элементом при повышении температуры жидкости, и наоборот, увеличение подъемной силы Архимеда, которое приводит к увеличению высоты жидкости на тарелке сверх номинального значения, что могло бы привести к чрезмерному увеличению уровня жидкости на тарелке, росту гидравлического сопротивления, а значит снижению производительности.
На фиг. 1 изображена колонна, в которой расположены по высоте массообменные тарелки. На фиг. 2 - вид сверху массообменной тарелки. На фиг. 3 - переливной порог.
Тарелка состоит из перфорированного полотна 1, на котором установлены направляющие 2 для плавающего переливного порога, состоящего из вертикальной перегородки 3, снабженной в верхней части полым элементом 4, обеспечивающим его плавучесть, а также плоский теплообменник 5, трубы которого снабжены отверстиями с ниппелями 6. Кроме того, сама вертикальная перегородка выполнена из материала, обладающего эффектом памяти. Возможность вертикального перемещения плавающего переливного порога вместе с уровнем жидкости на тарелке в направляющих 2 позволяет увеличивать (или уменьшать) объем жидкости на тарелке при увеличении (уменьшении) ее расхода, чем обеспечивается стабильность необходимого времени τ.
Отверстия с ниппелями 6 в трубах теплообменника 5 позволяют получить пузырьки горячего газа (пара) в объеме жидкости, которые ускоряют транспортировку к поверхности пузырьков низкокипящего компонента, интенсифицируя тем самым процесс разделения, а наличие теплообменника 5 непосредственно на поверхности тарелки позволяет повысить качество разделения за счет поддержания строго необходимой температуры на каждой конкретной тарелке и позволяет экономно расходовать газ.
Массообменная тарелка работает следующим образом.
ж
Жидкая фаза поступает с вышележащей тарелки на нижележащую, движется равномерным фронтам к переливному порогу и, переливаясь через него, стекает на следующую тарелку. При колебаниях ее расхода q, например увеличении, уровень жидкости на тарелке V повышается и вместе с ним поднимается на плаву переливной порог 3, так, что объем жидкости на тарелке увеличивается. Благодаря этому величина необходимого времени пребывания τ не изменяется. В противном случае, если при увеличении расхода переливной порог не изменяет своей высоты, объем жидкости на тарелке остается постоянным, то есть не увеличивается, следовательно, временя пребывания жидкости на тарелке τ, необходимое для осуществления качественного массообмена, не выдерживается, оно уменьшается по сравнению с необходимым, так как
ж
τ=V/q
Подогрев вязкой жидкости на тарелке для осуществления разделения жидкости на компоненты осуществляется горячим паром, поступающим в теплообменник 5 на каждую тарелку индивидуально, что обеспечивает значительную его экономию. Проходя по трубам теплообменника, часть газа (пара) под давлением выходит через отверстия с ниппелями 5 и, поднимаясь в виде пузырьков, захватывает и выносит на поверхность пузырьки низкокипящей жидкости. В результате, благодаря флотации одних пузырьков другими, процесс разделения многокомпонентной жидкости значительно интенсифицируется. Ниппели в отверстиях препятствуют проникновению в трубы теплообменника разделяемой жидкости.
Кроме того, при повышении температуры жидкости на тарелке ее плотность уменьшается, что приводит к снижению подъемной силы Архимеда, опускания вниз переливного порога, что могло бы привести к уменьшению объема жидкости на тарелке и ее времени пребывания на ней, а значит снижению эффективности массообмена и производительности. Однако то, что вертикальная перегородка 3 плавающий переливной порог выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, приводит к тому, что с ростом температуры его высота увеличивается, что в свою очередь приводит к росту гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным этим переливным порогом в направляющих 2. Увеличение гидравлического сопротивления вызывает рост уровня жидкости на тарелке, что нивелирует его уменьшение при снижении подъемной силы Архимеда от снижения плотности жидкости на тарелке. Наоборот, уменьшение температуры жидкости на тарелке приводит к росту плотности и подъемной силы Архимеда, что вызывает подъем плавающего переливного порога, увеличение уровня жидкости на тарелке, рост гидравлического сопротивления для газовой (паровой) фазы, снижению скорости массообмена и производительности. Этот рост плотности с уменьшением температуры нивелируется уменьшением высоты плавающего переливного порога, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным плавающим переливным порогом в направляющих 2.
Материалы, обладающие эффектом памяти, широко используют в конструкциях узлов и деталей. Так, известен титаноникелевый сплав TiNi, обладающий эффектом памяти при температурах от -196C до +120C (Физические эффекты в машиностроении: справочник под ред. В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.: под общ. ред. В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение. 1993. - С. 149-152).
Таким образом, выполнение вертикальной перегородки переливного порога из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет обеспечить саморегулирование уровня жидкости и ее время пребывания в зависимости от температуры жидкости, что повышает интенсивность массопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и производительность процесса.