КОНТАКТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КЛАПАННОЙ ТАРЕЛКИ Российский патент 1998 года по МПК B01D3/30 B01D3/22 

Изобретение относится к технике проведения процессов массообмена (ректификации и абсорбции) и может быть использовано в клапанных тарелках колонных аппаратов.

Известны контактные элементы клапанных тарелок различной формы [1] круглые, прямоугольные, трапециевидные, с одинаковой или разной высотой подъема по периметру клапана. Достоинство всех конструкций клапанных тарелок - широкий диапазон нагрузок по газу (пару), что достигается изменением живого сечения тарелки при изменении нагрузки по газу.

Недостаток упомянутых контактных элементов - цилиндрическая форма окна для выхода газа, что ограничивает поверхность контакта фаз, снижая эффективность процесса массообмена.

Известна также тарелка для взаимодействия газа с жидкостью [2] с широким диапазоном нагрузок по газу, который обеспечивают клапаны в виде диска, помещенные в перфорированный цилиндр: при увеличении нагрузки клапан поднимается, открывая дополнительные отверстия для выхода газа (увеличивая живое сечение тарелки). Достоинством данной конструкции является то, что выходное окно выполнено в форме отдельных отверстий. Этим создаются условия для увеличения поверхности контакта фаз.

Конструкция по а. с. 309714 принята за прототип. Недостаток прототипа состоит в том, что количество и диаметр отверстий по высоте цилиндра одинаковы. Это создает условия для неравномерного распределения газа по высоте слоя жидкости: большая его часть будет выходить через верхние отверстия, так как гидростатическое давление слоя жидкости здесь меньше; следовательно, поверхность контакта фаз в нижних слоях будет ограничена, а время контакта фаз уменьшено.

Цель изобретения - увеличение эффективности процесса массообмена при сохранении широкого диапазона нагрузок по газу.

Цель достигается тем, что к нижней части диска жестко прикрепляется перфорированный цилиндр, причем перфорация по высоте цилиндра имеет различное сечение, уменьшающееся к диску. Перфорация может быть, например, в форме треугольных прорезей с вершиной треугольника, обращенной к диску или в виде отверстий, число которых по периметру цилиндра не одинаково: уменьшается с приближением к диску.

На фиг. 1 изображен контактный элемент клапанной тарелки с прорезями, на фиг. 2 - контактный элемент с отверстиями, на фиг. 3 показано сечение цилиндра на некоторой его высоте и картина ввода газа через перфорацию (прорези) в слой жидкости, на фиг. 4 показан контактный элемент при полном его подъеме на тарелке (последняя дана в разрезе). Стрелками показано движение газа в слой жидкости по высоте.

Контактный элемент содержит диск 1, к нижней поверхности которого прикреплен цилиндр 2. В стенках цилиндра выполнена перфорация (прорези) переменного по высоте сечения, например, треугольной формы, причем одна из вершин треугольника направлена вверх - к диску (фиг. 1а). Переменное по высоте сечение может быть выполнено и иным способом, как, например, показано на фиг. 1б: по горизонтальным окружностям цилиндра делают отверстия, причем, чем выше расположена окружность, тем меньше число отверстий на ней. Форма выходного сечения для газа в этом случае аналогична таковой в перфорированных патрубках конструкции по а.с. 309714 (прототипа), но при существенном отличии - разным количествам отверстий на разных высотах.

На нижнем крае цилиндра выполняют загибы - лапки 3, которые служат ограничителем подъема контактного элемента в отверстии тарелки.

Контактный элемент вставляют в отверстие плоской тарелки 4 по аналогии с обычными клапанами. Контактный элемент работает следующим образом. В нерабочем режиме он "утоплен" в соответствующем отверстии тарелки 4 и опирается на нее плотно краями диска 1.

При появлении в подтарельчатом (межтарельчатом) пространстве достаточного давления газа контактный элемент поднимается на некоторую высоту, соответствующую уравновешиванию силы давления газа на элемент и его веса, веса столба жидкости на тарелке и сопротивления проходу газа. В этом - рабочем - режиме газ выходит через перфорацию (прорези) в цилиндре 2, при этом струи газа завихряются, чем обеспечивается интенсивное контактирование с жидкостью (фиг. 2). По высоте работающей части цилиндра газ выходит равномерно, чем обеспечивается одинаково интенсивное взаимодействие фаз по всей высоте слоя жидкости на тарелке (фиг. 3). Гарантией такой работы служит увеличение выходного сечения для газа сверху - вниз, что компенсирует увеличение давления слоя жидкости в том же направлении (по основному уравнению гидростатики).

В противном случае - при прорезях постоянного по высоте сечения - основная доля газа выходила бы через верхнюю часть цилиндра 2, а работа нижней части контактного элемента была бы малоинтенсивной.

При полной нагрузке по газу контактный элемент поднимается над тарелкой полностью, удерживаясь в ее отверстии лапками 3 (фиг.3).

Выше описана работа отдельного контактного элемента. Работа тарелки в целом не отличается от работы любой другой клапанной тарелки, где взаимодействие фаз происходит в режиме перекрестного тока.

Использование контактного элемента с усовершенствованной организацией ввода газа (пара) в слой жидкости позволит повысить эффективность работы производственных колонных аппаратов (например, повысить степень разделения компонентов в процессе ректификации) за счет увеличения поверхности контакта фаз.

Следует отметить, что реконструкция колонны с традиционными клапанами потребует лишь замены существующих клапанов на новые контактные элементы, не затрагивая тарелки в целом. Ее полотно с отверстиями и переливные устройства остаются прежними, что нельзя было бы реализовать при использовании прототипа - еще одно преимущество предлагаемой конструкции контактного элемента.

Источники информации
1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты.- М.: Химия, 1978, с.280.

2. Авт. св. СССР N 309714, кл. B 01 D 3/22.

Использование: изобретение относится к технике проведения процессов массообмена - ректификации и абсорбции, в частности к тарельчатым колонным аппаратам. Сущность изобретения: контактный элемент представляет собой диск, жестко связанный с перфорированным цилиндром, причем площадь сечения перфорации уменьшается по направлению к диску. Использование контактного элемента позволит при небольших капитальных затратах увеличить эффективность работы производственных колонн с тарелками клапанной конструкции. 4 ил.

Контактный элемент клапанной тарелки, выполненный в виде диска, связанного с перфорированным цилиндром, отличающийся тем, что на перфорированном цилиндре, жестко связанном с диском, перфорация выполнена с уменьшением площади сечения к диску.