КОЛОННА С КЛАПАННЫМИ ПРЯМОТОЧНЫМИ ТАРЕЛКАМИ Российский патент 1997 года по МПК B01D3/20 B01D3/30 

Изобретение относится к конструкции массообменных колонн для систем газ (пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой, пищевой и других смежных областях промышленности.

Известна колонна с клапанными тарелками, включающая вертикальный цилиндрический корпус с поярусно установленными по высоте горизонтальными плитами с равномерно расположенными отверстиями, в которые установлены клапаны, обеспечивающие различную степень открытия отверстия для прохода газа (пара), сливные устройства, расположенные в диаметрально противоположных направлениях, тарелок (Рамм В.М. Абсорбция газов, М. Химия, 1966, с. 504).

Недостатком известной клапанной тарелки является малая длина пути движения жидкости на тарелке и низкая линейная скорость движения жидкости на тарелке и, как следствие, продольное (обратное) перемешивание жидкости, приводящей к уменьшению движущейся силы процесса и к снижению общей эффективности и массообмена тарелки по Мерфи.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является колонна с клапанными прямоточными тарелками, включающая вертикальный корпус с расположенными внутри поярусно по высоте горизонтальными прямоточными клапанными тарелками и с радиально расположенными переливными устройствами. На прямоточных клапанных тарелках часть кинетической энергии газа (пара) используется для увеличения скорости движения жидкости на тарелках (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, ч 2, Массообменные процессы и аппараты, М. Химия, 1992, с. 78).

Недостатком известной колонны является невысокая эффективность массообмена вследствие продольного перемешивания жидкости на тарелках из-за невысокой линейной скорости движения жидкости на тарелке и малой длины пути движения жидкости на тарелке.

Целью заявляемого изобретения является повышение эффективности массообмена колонны с клапанными прямоточными тарелками за счет уменьшения продольного (обратного) перемешивания жидкости на клапанных прямоточных тарелках путем увеличения скорости движения жидкости на тарелках и увеличения длины пути движения жидкости на тарелках.

Цель достигается тем, что в колонне с клапанными тарелками, включающей цилиндрический вертикальный корпус с расположенными внутри поярусно по высоте горизонтальными прямоточными клапанными тарелками с переливными устройствами, клапанные тарелки перегорожены диаметральными перегородками, расположенными в единой вертикальной плоскости, примыкающей к стенке корпуса по вертикальной линии, длина каждой перегородки больше половины диаметра корпуса, переливное устройство на каждой клапанной тарелке выполнено в области примыкания диаметральной перегородки к корпусу в виде переливного полусегмента перпендикулярного диаметральной перегородке, примыкающего с одной стороны к диаметральной перегородке, а с другой стороны к корпусу, верхняя горизонтальная кромка полусегмента расположена над плоскостью тарелки, а нижняя кромка расположена над плоскостью нижерасположенной тарелки, параллельно нижней кромке полусегмента на каждой тарелке со стороны корпуса расположена сливная планка, верхняя кромка которой расположена выше нижней кромки полусегмента, пространства между стенками корпуса, полусегментов и диаметральными перегородками образуют сливные карманы для слива жидкости с верхних на нижние клапанные тарелки, на клапанных тарелках равномерно по концентрическим окружностям выполнены отверстия, в которые вмонтированы прямоточные клапаны с двумя короткими и одной длинной упорной ножкой, которая определяет направление потока газа (пара) и жидкости при максимальной производительности колонны по газу (пару), направление клапанов в периферийной части тарелки тангенциальной в одну и ту же сторону на данной тарелке и в противоположную сторону на смежных по высоте нижней и верхней тарелках, в центральных частях тарелок направление клапанов среднее между тангенциальным и параллельным диаметральной перегородке.

Предлагаемая конструкция колонны с клапанными прямоточными тарелками за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи повышение эффективности массообмена тарелки между газом (паром) и жидкостью.

На фиг. 1 представлен продольный вертикальный разрез колонны с колпачковыми клапанными прямоточными тарелками; на фиг. 2 поперечный разрез в плоскости А-А фиг. 1; на фиг. 3 поперечный разрез в плоскости Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В фиг. 2; на фиг. 5 то же; на фиг. 6 то же.

Колонна с клапанными прямоточными тарелками содержит (фиг. 1-6) цилиндрический вертикальный корпус 1 с расположенными внутри поярусно по высоте горизонтальными прямоточными клапанными тарелками 2 и 3, каждая тарелка 2 и 3 перегорожена диаметральными перегородками 4, расположенными в одной вертикальной плоскости, примыкающей к стенке корпуса 1 по вертикальной линии, длина каждой перегородки 4 больше половины диаметра корпуса 1, на каждой тарелке 2 и 3 в области примыкания перегородки 4 к корпусу 1 перпендикулярно перегородке 4 установлен переливной полусегмент 5, примыкающий с одной стороны к перегородке 4, а с противоположной к корпусу 1, верхняя горизонтальная кромка полусегмента 5 расположена над плоскостью тарелок 2 и 3, а нижняя кромка расположена над плоскостью нижерасположенных тарелок 3 и 2, параллельно нижней кромке полусегмента 5, на каждой тарелке 2 и 3 со стороны центра корпуса 1 расположена сливная планка 6, верхняя кромка которой расположена выше нижней кромки полусегмента 5, пространства между стенками корпуса 1, полусегментов 5 и перегородками 4 образует сливные карманы 7, на тарелках 2 и 3 равномерно по концентрическим окружностям выполнены отверстия, в которые вмонтированы прямоточные клапаны 8 с двумя короткими упорными ножами 9 и одной длинной упорной ножкой 10.

Колонна с клапанными прямоточными тарелками работает следующим образом.

Жидкость стекает на верхнюю тарелку 2 (фиг. 1-6) из сливного кармана 7 через нижние кромки полусегмента 5 и переливается через верхний порог сливной планки 6 на тарелку 2, где контактирует с газом (паром), который выходит через свободное сечение клапанов 8 и барботирует в слой жидкости на тарелке 2. При этом возможны три варианта режимов работы клапана: "а" (фиг. 4) режим работы при малых нагрузках (скоростях) газа (пара): "б" (фиг. 5) режим работы при средних нагрузках (скоростях) газа (пара), когда поднимается более легкая часть клапана 8 с двумя короткими упорными ножками 9, а более тяжелая часть клапана 8 с одной длинной ножкой 10 находится в опущенном нижнем положении, при этом газ (пар) проходит через половину свободного сечения клапана 8 "в" (фиг. 6) режим работы клапана 8 при максимальных нагрузках (скоростях) газа (пара), когда клапан 8 поднимается до упора коротких 9 и длинной 10 ножек, при этом работает максимальное полное сечение клапанов 8 и клапан 8 приподнят больше в сторону длинной ножки 10, где образуется большое свободное сечение для прохода газа (пара), который больше увлекает жидкость и сообщает ей часть своей кинетической энергии, в результате жидкости сообщается скорость перемещения в направлении от сливной планки 6 к переливному полусегменту 6 на тарелке 2, причем жидкость проходит сначала одну половину тарелки вдоль диаметральной перегородки 4, а затем после поворота уже в противоположном направлении вдоль диаметральной перегородки 4 с обратной стороны и в направлении переливного полусегмента 5 тарелки 2, где сливается через сливной карман 7 и через кромку полусегмента 5 на нижерасположенную клапанную прямоточную тарелку 3 через сливной порог 6, где движется между клапанами 8 вдоль диаметральной перегородки 4 как и на верхней тарелке 2, только в противоположном направлении и т.д.

Направление основного потока газа (пара) совпадает с направлением движения жидкости на клапанных тарелках 2 и 3, а конструктивно это направление совпадает с расположением длинной упорной ножки 10 клапана 8.

При сопоставимых условиях сравнение предлагаемой колонны с клапанными прямоточными тарелками с круговым движением жидкости вокруг диаметральной перегородки 4 по сравнению с колонной с клапанными прямоточными тарелками с диаметральным движением жидкости (прототипом) в предлагаемой колонне длина путем движения и скорость движения жидкости в два раза больше по сравнению с прототипом, следовательно критерий Пекле, учитывающий продольное (обратное) перемешивание жидкости на тарелке, в четыре раза больше, следовательно, продольное (обратное) перемешивание меньше и общая эффективность массообмена тарелки по Мерфри больше
E_му = f(E_ру, Pe_L, λ), (I)
где
E_му общая эффективность массообмена тарелки по Мерфри для газовой паровой фазы;
E_ру локальная (точечная) эффективность массобмена тарелки для газовой (паровой) фазы;
критерий Пекле для жидкой фазы;
массообменный фактор;
ω_L линейная скорость движения на тарелке, м/с;
l_n длина пути движения жидкости на тарелке, м;
D_т коэффициент продольного (обратного) перемешивания жидкости на тарелке, м²/с;
m тангенс угла наклона касательной к кривой равновесия;
G, L нагрузки тарелок по газу (пару) и жидкости, кг/с.

Использование: в конструкциях массообменных колонн для взаимодействия систем газ (пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов. Сущность изобретения: в колонне с клапанными прямоточными тарелками, содержащей цилиндрический вертикальный корпус с расположенными внутри поярусно по высоте горизонтальными прямоточными клапанными тарелками с переливными устройствами, клапанные тарелки перегорожены диаметральными перегородками, расположенными в единой вертикальной плоскости, примыкающей к стенке корпуса по вертикальной линии. Длина каждой перегородки больше половины диаметра корпуса. Переливное устройство на каждой клапанной тарелке выполнено в области примыкания диаметральной перегородки к корпусу в виде переливного полусегмента, перпендикулярного диаметральной перегородке, примыкающего с одной стороны к диаметральной перегородке, а с другой стороны - к корпусу. Верхняя горизонтальная кромка полусегмента расположена над плоскостью тарелки, а нижняя кромка расположена над плоскостью нижерасположенной тарелки. Параллельно нижней кромке полусегмента на каждой тарелке со стороны центра корпуса расположена сливная планка, верхняя кромка которой расположена выше нижней кромки полусегмента. На клапанных тарелках равномерно по концентрическим окружностям выполнены отверстия, в которые вмонтированы прямоточные клапаны с двумя короткими и одной длинной упорной ножкой. 6 ил.

Колонна с клапанными прямоточными тарелками, включающая цилиндрический вертикальный корпус с расположенными внутри поярусно по высоте горизонтальными прямоточными клапанными тарелками с переливными устройствами, отличающаяся тем, что клапанные тарелки перегорожены диаметральными перегородками, расположенными в единой вертикальной плоскости, примыкающей к стенке корпуса по вертикальной линии, длина каждой перегородки больше половины диаметра корпуса, переливное устройство на каждой клапанной тарелке выполнено в области примыкания диаметральной перегородки к корпусу в виде переливного полусегмента, перпендикулярного диаметральной перегородке, примыкающего с одной стороны к диаметральной перегородке, а с другой стороны к корпусу, верхняя горизонтальная кромка полусегмента расположена над плоскостью тарелки, а нижняя кромка расположена над плоскостью нижерасположенной тарелки, параллельно нижней кромке полусегмента на каждой тарелке со стороны центра корпуса расположена сливная планка, верхняя кромка которой расположена выше нижней кромки полусегмента, пространства между стенками корпуса, полусегментов и диаметральными перегородками образуют сливные карманы для слива жидкости с верхних на нижние клапанные тарелки, на клапанных тарелках равномерно по концентрическим окружностям выполнены отверстия, в которые вмонтированы прямоточные клапаны с двумя короткими ножками и одной длинной упорной ножкой, которая определяет направление потока газа (пара) и жидкости при максимальной производительности колонны по газу (пару), направление клапанов в периферийной части тарелки тангенциальное в одну и ту же сторону на данной тарелке и в противоположную сторону на смежных по высоте нижней и верхней тарелках, в центральных частях тарелок направление клапанов среднее между тангенциальным и параллельным диаметральной перегородке.