КОНТАКТНАЯ ТАРЕЛКА
CONTACT PLATE

Изобретение относится к области нефтегазового и химического машиностроения, в частности к внутренним устройствам массообменных аппаратов.
Известна клапанная тарелка для осуществления контакта газа (пара) с жидкостью, включающая горизонтальное полотно, на котором в шахматном порядке над отверстиями расположены пластинчатые клапаны, которая снабжена установленными в отверстиях полотна и шарнирно соединенными с ним компенсирующими элементами, выполненными в виде прямых треугольных призм с окнами в основании, при этом призмы установлены с возможностью перемещения относительно полотна тарелки (авторское свидетельство СССР №959798, МПК B01D 3/30).
Конструкция обеспечивает взаимодействие газожидкостных струй в пространстве между клапанами в поперечном направлении движения жидкости к переливу, увеличивая ее время пребывания на тарелке.
Основными недостатками приведенной клапанной тарелки являются:
- сложность конструкции клапана;
- наличие двух клапанов над каждым отверстием полотна тарелки;
- увеличенная металлоемкость;
- сложность технологической оснастки для изготовления.
Известна клапанная тарелка (Авторское свидетельство СССР №1604389, МПК B01D 3/30) - (прототип), включающая основание с отверстиями, над каждым из которых расположен плоский клапан с ограничителем подъема, слив жидкости, при этом ограничитель подъема выполнен в виде оси, смещенной относительно оси симметрии ряда отверстий в сторону, противоположную сливу, расположенной на полотне тарелки и прикрепленной к клапану ножки, охватывающей ось.
Применение плоских клапанов упрощает их конструкцию и упрощает оснастку для их изготовления, а открытие клапанов при малых нагрузках по газу в противоток жидкости и при повышенных нагрузках по газу в прямотоке с движением жидкости, расширяет диапазон работы тарелки.
Основными недостатками приведенной клапанной тарелки являются:
- сложность конструкции ограничителя подъема;
- увеличенная металлоемкость клапана;
- необходимость специальной технологической оснастки для изготовления ограничителя подъема;
- увеличенное сопротивление движение фаз по тарелке, т.к. клапаны перегораживают все поперечное сечение основания тарелки.
Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции клапанной тарелки и технологии изготовления, снижении материалоемкости, повышении эффективности, снижении гидравлического сопротивления газожидкостного потока по основанию тарелки и возможности применения типовых методов расчета клапанных тарелок.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что клапанная тарелка, включающая основание с отверстиями расположенные рядами вдоль сливов, над отверстиями расположены шарнирно соединенные с основанием клапаны со смещением их центра тяжести относительно рядов отверстий, отверстия в основании выполнены в виде многоугольников с тупыми углами, а вырезанные элементы использованы в качестве клапанов, установленных над отверстиями основания и повернутых относительно их оси на угол, равный 180°, деленный на число вершин клапана, при этом клапаны соединены пластинами таким образом, что центр тяжести каждого их них смещен в сторону слива жидкости.
Клапаны выполнены в виде равносторонних шестиугольников со сторонами, равными, например, 22 мм, одна из сторон которых расположена параллельно сливу.
Пластина выполнена толщиной, равной толщине основания, а кромка пластины, направленная к сливу, снабжена, по крайне мере, между клапанами зубьями.
Ограничители подъема клапанов расположены поперек пластин и над ними.
Каждый ряд установленных под пластинами клапанов закреплен с основанием шарнирно.
Выполнение отверстий в основании в виде многоугольников с тупыми углами и использование вырезанных элементов в качестве клапанов, установление их над отверстиями основания и повернутыми относительно их оси на угол, равный 180°, деленный на число вершин клапана, и соединение клапанов пластинами таким образом, что центр тяжести каждого их них смещен в сторону слива жидкости, позволило сократить трудоемкость и материалоемкость при изготовлении клапанной тарелки, а также получить начальное живое сечение тарелки без выполнения перфорации основания и клапана и выполнить клапан разнонаправленным с противотоком газового потока при малых нагрузках и прямотоком при высоких и повышенных нагрузках по газу.
Выполнение клапанов в виде равносторонних шестиугольников со сторонами, равными, например, 22 мм, одна из сторон которых расположена параллельно сливу, позволило сохранить живое сечение предлагаемой конструкции равной живому сечению типовых конструкций клапанных тарелок с диаметром отверстий 40 мм и использовать типовые методики их расчета, а также позволило основной газожидкостной поток направить не прямо в сторону слива, а веером по трем сторонам многоугольника.
Выполнение пластин толщиной, равной толщине основания, и шириной менее ширины клапана, а кромку пластины между клапанами, направленную к сливу, и снабжение ее зубьями, позволило унифицировать применяемый материал для изготовления клапанной тарелки и снизить гидравлическое сопротивление движения газожидкостной смеси по тарелке и повысить ее эффективность массопередачи за счет равномерного дробления диаметра капель на зубьях пластин.
Расположение ограничителей подъема клапанов поперек пластин и над ними позволило клапаны выполнить балластного типа, т.е. с различным весом в зависимости от величины поворота клапана, т.е. для полного поворота (открытия) клапана требуется больший напор газа.
Перекрытие только части поверхности клапана пластиной с шириной менее ширины клапана позволило уменьшить сопротивление тарелки по газожидкостному потоку и обеспечить соединение пластинами со смещением центра тяжести каждого клапана в сторону слива жидкости.
Выполнение крепления каждого ряда установленных под пластинами клапанов с основанием шарнирно позволило выполнить крепление и поворот сразу всех клапанов в ряду на одинаковый угол и позволило исключить крепление каждого клапана отдельно.
Заявителям и авторам не известны из существующего уровня техники клапанные тарелки, в которых бы подобным образом достигался технический результат.
На фиг.1 представлена клапанная тарелка (вид сверху).
На фиг.2 дано положение клапана с пластиной в стационарном положении.
На фиг.3 дано положение клапана с пластиной при малых нагрузках по газу (пару).
На фиг.4 дано положение клапана с пластиной при высоких нагрузках по газу (пару).
На фиг.5 дано положение клапана с пластиной при максимальных нагрузках по газу (пару).
На фиг.6 показан вариант шарнирного крепления клапанов к основанию тарелки через крайние клапаны.
Клапанная тарелка содержит основание 1 (фиг.1), размещенное между приемным 2 и отборным сливами 3. В основании 1 тарелки (или полотнах при выполнении основания из частей) выполнены многоугольные отверстия 4 с тупыми углами (фиг.1, 6), расположенные рядами вдоль (параллельно) отборных сливов 3 и установленные над отверстиями 4 многоугольные клапаны 5, выполненные из элементов, вырезанных из основания 1 при выполнении многоугольных отверстий 4 и повторяющих их по форме и размерам, при этом каждый из многоугольных клапанов 5 повернут относительно оси соответствующего многоугольного отверстия 4 на угол, равный 180°, деленный на число вершин клапана 5. Многоугольные клапаны 5 жестко закреплены, например, контактной сваркой с расположенными над ними пластинами 6, а также соединены шарнирами 7 через ушки (уголки) 8 с основанием 1 (фиг.2÷5).
Для создания начального минимального живого сечения тарелки (фиг.1) клапаны 5 и отверстия 4 под клапанами выполнены в виде многоугольника с тупыми углами и равными по площади, при этом для исключения провала клапанов 5 в отверстия 4 они развернуты относительно отверстий на угол, равный 180°, деленный на число вершин многоугольника, что исключает операцию по перфорированию клапана или основания тарелки. Таким образом, минимальная площадь для прохода газа - каналы 9 (фиг.6) образуются автоматически в виде зазоров между отверстиями 4 основания 1 и клапанами 5 повернутыми относительно оси отверстия 4 на угол равный 180° деленный на число вершин клапана 5, то есть при опущенных клапанах 5 тарелка становится ситчатой с каналами 9, образованной касанием клапанов 5 по их углам к поверхности основания 1. Таким образом не требуется дополнительной операции штамповки, отгиба части кромки клапанов или выполнения пуклевок, как в прототипе.
Смещение 10 пластин 6, ширина которых менее ширины клапанов 5, в направлении к отборным сливами 3, относительно оси симметрии 11 (фиг.6) ряда отверстий 4, выполненных в основании 1 (фиг.1), позволило сместить центра тяжести клапанов 5 в сторону отборных сливов 3 и обеспечить работу в четырех различных режимах (фиг.2÷5):
- в перекрестном режиме работы ситчатой барботажной тарелки (фиг.2);
- в режиме противотока основного газового потока к жидкости при малых нагрузках по газу (фиг.3);
- в режиме прямотока основного газового потока и жидкости при повышенных нагрузках по газу (фиг.4);
- в режиме прямотока основного газового потока и жидкости при максимальных нагрузках по газу (фиг.5).
Крепление каждого ряда установленных под пластинами 6 клапанов 5 с основанием 1 выполнено шарнирно. Для чего, например, крайние клапаны 5 в ряду (фиг.1), шарнирами 7 (фиг.2÷5), расположенными в пазах 12 ушек 8, соединены с основанием 1.
Выше и поперек пластин 6 с клапанами 5 установлены ограничители 13, размещенные в направляющих 14, которые предназначены для ограничения подъема клапанов 5. Ограничители 13 являются одновременно балластом для увеличения массы клапанов 5 на завершающей стадии их поворота (полного открытия).
Клапанная тарелка работает следующим образом.
Жидкость подается через приемный слив 2 (фиг.1) на основание 1 клапанной тарелки, где контактирует с газом (паром), поднимающимся из-под тарелки через каналы 9 (фиг.6), образованные многоугольными отверстиями 4 и клапанами 5 за счет их собственного веса. В этом режиме тарелка работает как ситчатая, в перекрестном токе (фиг.2, 6). После контакта газ поступает на вышележащую тарелку, а жидкость поступает на нижележащую тарелку по отборным сливам 3.
При увеличении нагрузок по газу (пару), когда силы напора на клапаны 5 становятся равными силам его тяжести, более легкая часть (половинка) клапана, на которой отсутствует пластина 6, поднимается (фиг.3) до верха пазов 12 ушек 8, при этом основная часть газа, поступающая из-под клапана, контактирует в противотоке с жидкостью, поступающей из приемного слива 2 в отборный слив 3.
При увеличении нагрузок по газу (пару), когда силы напора на клапаны 5 превосходят их силы тяжести, поднимается правая часть клапанов 5 (фиг.4) до касания с ограничителями 13 подъема клапанов. При этом жидкость, попадая на пластины 6, дробится на их зубьях 15 (фиг.6), которые расположены между клапанами 5, на мелкие и примерно одинаковые капли, увеличивая поверхность и эффективность контакта между фазами (газом и жидкостью).
При дальнейшем увеличении нагрузок по газу (пару), когда силы напора на клапаны 5 превосходят силы от веса: клапанов 5, пластин 6 и ограничителей 13, клапаны 5 поднимаются до максимального хода ограничителей 13 в направляющих 14 (фиг.5).
Таким образом, выполнение отверстий в основании в виде многоугольников с тупыми углами и использование вырезанных элементов в качестве клапанов, установленных над отверстиями основания и повернутых относительно их оси на угол, равный 180°, деленный на число вершин клапана, при этом соединение клапанов пластинами таким образом, что центр тяжести каждого их них смещен в сторону слива жидкости, позволило достигнуть технического результата, заключающегося в упрощении конструкции клапанной тарелки и технологии ее изготовления, снижении материалоемкости, повышении эффективности, снижении гидравлического сопротивления газожидкостного потока по основанию тарелки и возможности применения типовых методов расчета клапанных тарелок.