МАССООБМЕННАЯ ТАРЕЛКА
MASS EXCHANGE PLATE

Изобретение относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системах пар(газ) - жидкость и может быть использовано в химической, нефтехимической и пищевой промышленности.
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 должны 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 (Авт.св. СССР №1187833, B01D 3/30, 1982), состоящей из горизонтального полотна и барботажных элементов, а также переливного устройства, состоящего из переливного порога, приемного кармана сегментной формы и плоского сливного порога.
Недостатками такой конструкции переливного устройства являются большая площадь, занимаемая его элементами, создающими гидрозатвор, что сокращает рабочую поверхность тарелки, требует точной сборки элементов, в частности совмещения узлов гидрозатвора.
Известна конструкция массообменной тарелки (Патент Великобритании №2.093.712, B01D, 3/00, 1983), состоящая из горизонтального полотна, разделенного вертикальной перегородкой по ее диаметру, барботажных элементов и переливных устройств, включающих переливные пороги, приемные карманы сегментной формы и сливные пороги, в виде вертикальных плоскостей, расположенных на диаметрально противоположных сторонах тарелки.
Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция массообменной тарелки (Пат. Японии №57-34002, кл. 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 плавного течения жидкости по нижерасположенной тарелке.
При разработке предлагаемой конструкции массообменной тарелки учитывались и последние достижения ведущих в области конструирования контактных устройств зарубежных фирм Зульцер, Кох-Глитч, Монсанто.
В качестве базового объекта выбрана конструкция стальных цельных ректификационных тарелок типа ТСК-1 по МН 5393-64 и ОН 26-01-3-64 (А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский. Основы конструирования и расчета химических аппаратов. Л., 1970. с.621).
В указанной типовой конструкции жидкость с вышележащей тарелки поступает через сливной порог в приемный карман сегментной формы, 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.
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 вышерасположенной тарелке, а переливной порог, образующий совместно с переливным карманом гидрозатвор, - на нижней тарелке.
Технической задачей изобретения является повышение производительности массообменной тарелки за счет увеличения рабочей поверхности тарелки, снижения трудозатрат при монтаже тарелок, улучшение условий ввода жидкости на тарелку, увеличение пропускной способности переливного устройства, улучшение сепарации газа.
Технический результат достигается тем, что 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, новым является то, что переливное устройство, образующее постоянный статический гидрозатвор, выполненное автономным как одно целое, жестко крепится снизу в отверстии горизонтального полотна тарелки подвисным между тарелками с выступом части переливного кармана, являющимся переливным порогом, над полотном тарелки дополнительно выполнены отверстия для слива жидкости, приемный карман переливного устройства снизу закрыт направляющей пластиной, на которой жестко закреплен сливной порог, преимущественно образующий с этой пластиной тупой угол, направляющих нисходящий поток жидкости на стенку колонны, 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.
Такое решение позволяет:
- Увеличить производительность массообменной тарелки за счет повышения пропускной способности переливного устройства и улучшения сепарации газа(пара) в переливном устройстве, а также за счет перенесения гидрозатвора с рабочей площади полотна в межтарельчатое пространство.
- Снизить 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, без совмещения деталей переливного устройства.
- Повысить надежность работы гидрозатвора, так как его элементы, образующие статический гидрозатвор, отбойник, направляющая пластина и сливной порог жестко связаны между собой и расположены внутри приемного кармана, боковые стенки которого закрывают выход жидкости помимо сливного порога.
- Уменьшить градиент жидкости на тарелке за счет ее наклона в сторону крепления переливного устройства.
Новым является взаимное расположение элементов переливного устройства: так, дополнительная направляющая пластина имеет наклон в сторону стенки колонны, а сливной порог образует с ней угол более 90 градусов для более плавного стекания жидкости на нижерасположенную тарелку.
Новым также является то, что форма кромки направляющей пластины и сливного порога повторяют форму образующей стенки колонны.
Предлагаемая конструкция переливного устройства в совокупности с перечисленными конструктивными элементами позволяет увеличить производительность массообменной тарелки на 15%, причем полотно массообменной тарелки может быть наклонено в сторону автономного переливного устройства без изменения его положения.
На фиг.1 схематично показан общий вид устройства;
на фиг.2 - вид по А-А на фиг.1;
на фиг.3 - вариант выполнения переливного устройства.
На фиг.1 изображена масоообменная тарелка, состоящая из горизонтального полотна 2 с барботажными элементами 1, выступающей части переливного порога 5, с отверстиями слива 3, автономного переливного устройства, включающего приемный карман 6, отбойник 4, направляющую пластину 8, сливной порог 7, а боковые стенки кармана с торца сливной планки закрывают выход жидкости из внутренней полости переливного устройства, но создавая проход жидкости через нижний зазор между отбойником 4 и направляющей пластиной 8, а также через зазор между верхним краем сливного порога 7 и отбойником 4. Предлагаемая конструкция приемного кармана 6 переливного устройства в совокупности с описанными конструктивными элементами 4, 7, 8 обеспечивают увеличение производительности массообменной тарелки.
Массообменная тарелка работает следующим образом.
Жидкая фаза поступает с вышерасположенной тарелки по сливному порогу 7 и направляющей пластине 8, а затем, стекая по стенке корпуса 9, на горизонтальное полотно 1 нижерасположенной тарелки и движется вдоль полотна к переливному порогу 5. Часть осветленной жидкости через сливные отверстия 3 поступает в приемный карман 6, основная часть жидкости в виде парожидкостной (газожидкостной) смеси перетекает в приемный карман через верх переливного порога 5 переливного устройства. За счет перепада давления, создаваемого сопротивлением тарелки, в приемном кармане автоматически устанавливается определенный уровень жидкости. Далее жидкость проходит через зазор между отбойником 4 и направляющей пластиной 8, поднимается вверх и через зазор, образуемый верхней кромкой сливного порога 7 и отбойником 4, плавно стекает по наклонному сливному порогу 7, далее по направляющей пластине 8 на стенку колонны 9. Уровень жидкости в приемном кармане 6 обеспечивает хорошую сепарацию газа, так как пузырьки газа, находящиеся в жидкости, должны преодолеть столб жидкости, в котором гидростатическое давление увеличивается. Элементы переливного устройства - нижний край отбойника 4 и верхняя кромка сливного порога 7 - создают надежный статический гидрозатвор, исключающий проникновение газовой фазы через переливное устройство. Паровой(газовый) поток поднимается снизу вверх, проходит через барботажные элементы 1 и вступает в контакт с жидкой фазой в результате 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:
- конструкция переливного устройства выполнена автономной как одно целое, причем элементы устройства образуют статический гидрозатвор, вынесенный с площади тарелки, что позволило освободить часть рабочей площади тарелки, занимаемую в прототипе и базовом объекте под гидрозатвор, для размещения дополнительных барботажных элементов;
- значительно сокращается время монтажа тарелок, так как не требуется совмещения переливных устройств, расположенных на вышерасположенной тарелке, с переливным порогом нижней тарелки для создания гидрозатвора;
- не требуется установки сливной и переливной планок, так как уровень жидкости на тарелках обеспечивается выступающей над тарелкой частью предлагаемой конструкции переливного устройства;
- снижается градиент жидкости на тарелке за счет ее наклона в сторону переливного устройства;
- функционально связанные элементы предлагаемого переливного устройства, установленные под определенными углами, обеспечивают плавный вход жидкости на тарелку;
- предлагаемое переливное устройство обеспечивает хорошее газоотделение за счет высоты столба жидкости в приемном кармане;
- позволяет увеличить пропускную способность переливного устройства за счет дополнительных отверстий в стенках выступающей над полотном тарелки части переливного кармана.