ТАРЕЛКА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1998 года по МПК B01D3/22 B01D3/20 B01D3/32 

Изобретение относится к конструкциям массообменных тарелок для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов в условиях малых удельных нагрузок по жидкости, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой, пищевой и других смежных отраслях промышленности.

Известна колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости, включающая диск с диаметрально расположенными приемным и переливным карманами, снабженным сливными и переливными трубами, паровыми патрубками и колпачками, расположенными на плите тарелки (Касаткин А.Г. Основные процессы химической технологии. М.: Химия, 1971, с. 477).

Недостатком известной колпачковой тарелки является низкая эффективность массообмена по Мерфи вследствие продольного перемешивания жидкости, близкого к модели полного перемешивания жидкости на тарелке.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является тарелка для тепломассообменных процессов, включающая устанавливаемую одну над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмонтированную в плиту верней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки (Климовский Д.Н., Стабников В.Н. Технология спирта. 3 изд. доп. и перераб. /Под ред. А.Л. Мальченко. М.: Пищепромиздат, 1960, с. 358).

Недостатком известной тарелки является недостаточно высокая эффективность массообмена по Мерфи вследствие недостаточно тесного контакта газа (пара) и жидкости и значительного обратного перемешивания жидкости на тарелке в условиях малых удельных нагрузок по жидкости, так как перфорации для прохода газа (пара) в барботажный слой жидкости на тарелке выполнены только в боковых стенках колпачка и имеют большие линейные размеры для обеспечения и необходимого сечения для прохода газа (пара), составляющего в среднем около 10% от полного поперечного сечения колонны, в результате чего не обеспечивается высокая степень диспергирования газа (пара) в жидкости, кроме того, часть жидкости, расположенная в периферийной части плиты тарелки у стенок колонны, не взаимодействует с газом (паром), так как не подвергается барботажу.

С целью повышения эффективности массообмена тарелки по Мерфи за счет более тесного контакта газа (пара) и жидкости и за счет снижения продольного перемешивания жидкости на тарелке, включающей устанавливаемую одну над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком, с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмонтированную в плиту верхней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки, сливная и переливная трубы расположены рядом, между ними и между стенкой колонны и колпачком диаметрально распложена вертикальная перегородка шириной до противоположной боковой стенки колпачка и высотой, равной расстоянию между тарелками по вертикали, нижняя кромка сливной трубы отстоит от плиты на величину, равную одной четверти внутреннего диаметра сливной трубы, нижняя кромка переливной трубы отстоит от плиты нижерасположенной тарелки на величину одной четверти внутреннего ее диаметра, нижние кромки колпачка плотно прикреплены к плите тарелки, в плите тарелки между стенками колонны и боковыми стенками колпачка и между сливной и переливной трубами выполнены перфорации в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, расположенных по концентрическим окружностям вокруг центра колпачка, с осями, направленными под острым углом к касательным окружностей в одну и ту же сторону расположения центра плиты тарелки, перфорации в боковых стенках колпачка выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу с осями, направленными вертикально вниз.

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

На фиг. 1 представлен продольный разрез колонны с колпачковыми тарелками; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показано сечение на В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 2; на фиг. 6 - сечение Д-Д на фиг. 2.

Тарелка для тепломассообменных процессов содержит расположенную в вертикальной цилиндрической колонне 1 горизонтальную круглую плиту 2, в центре которой выполнено осесимметрично отверстие, в которое над плитой 2 плотно установлен паровой колпачок 3 с перфорациями 4 в нижней части боковых стенок. Плиты 2 тарелок поярусно распложены в колонне 1 по высоте. На плиту 2 тарелки сверху опущена сливная труба 5 для слива жидкости, устанавливаемая между стенками колонны 1 и колпачка 3 так, что нижняя кромка отстоит от плиты 2 на величину, равную не менее четверти внутреннего диаметра трубы 5. В плите 2 тарелки между стенками колонны 1 и колпачка 3 выполнено отверстие, в которое плотно вмонтирована переливная труба 6, верхняя кромка которой расположена выше верхних кромок перфорации 4 в боковых стенках колпачка 3. Сливная труба 5 и переливная труба 6 распложены рядом, а между ними и между стенками колонны 1 и стенками колпачка 3 установлена диаметрально вертикальная перегородка 7, касающаяся плотно крышки колпачка 3 и доходящая по ширине до противоположной боковой стенки колпачка 3, а по высоте перегородка 7 равна расстоянию между плитами 2 тарелок по вертикали. В плите 2 тарелки выполнены перфорации 8 в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными под острым углом к тангенциальным направлениям и в одну и ту же сторону расположения центра плиты, по концентрическим окружностям вокруг, противоположную расположению сливной трубы 5. Перфорации 4 в боковых стенках колпачка 3 также выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу колпачка 3 и с осями, направленными вертикально вниз. Сливная труба 5 нижерасположенной тарелки является переливной трубой 6 вышерасположенной тарелки.

Тарелка для теплообменных процессов работает следующим образом.

Пар (газ) движется в колонне 1 снизу вверх, проходит через арочные прорези 8 в плите 2 и через арочные прорези 4 в нижней части боковых стенок парового колпачка 3 барботирует через слой жидкости и увлекает жидкость в направлении от сливной трубы 5 по кольцевому пространству плиты 2 между стенками колонны 1 и боковыми стенками колпачка 3 в сторону переливной трубы 6, при этом жидкость в состоянии пены, струй и капель жидкости совершает кольцевое движение от сливной трубы 5 до переливной трубы 6, расположенных рядом и отгороженных одна от другой диаметральной перегородкой 7 так, что жидкость совершает движение, близкое к модели идеального вытеснения, при котором, как известно, достигаются максимальная движущая сила процесса массообмена между газом (паром) и жидкостью и максимальная эффективность массообмена. Для предупреждения неравномерного распределения жидкости на плите тарелки 2 за счет перемещения жидкости к стенкам колонны 1 под действием центробежных сил при тангенциальном направлении ввода газа (пара) в жидкость в условиях малых удельных нагрузок по жидкости оси арочных прорезей 8 на плитах 2 тарелки направлены под острым углом к тангенциальным направлениям и в сторону расположения центра плиты 2, как и оси арочных прорезей 4 в боковых стенках парового колпачка 3 направлены вертикально вниз, в результате чего газ (пар) при выходе из арочных прорезей 4 в боковых стенках парового колпачка 3 барботирует в слой жидкости, набегающей под действием струй газа (пара), выходящих из арочных прорезей 8 в плите 2, направленных под острым углом к стенкам патрубка 3, что обеспечивает тесный контакт между газом (паром) и жидкостью и высокую эффективность тепломассообмена между ними. Жидкость на тарелку в сливную трубу 5 поступает с вышерасположенной тарелки через верхние кромки переливной трубы 6, нижняя часть которой является сливной трубой 5. На самую верхнюю тарелку жидкость подается насосом в виде абсорбента (при абсорбции) или в виде флегмы (при ректификации).

Вследствие однонаправленного движения жидкости на тарелке под действием однонаправленного движения газа (пара) из арочных прорезей 8 и 4 в одну и ту же сторону от сливной 5 к переливной 6 трубе обратное перемешивание жидкости на тарелке резко снижается, кроме того, диаметральная перегородка 7 также способствует снижению обратного перемешивания жидкости, что обеспечивает, как отмечалось, повышение эффективности массообмена тарелки для тепломассообменных процессов.

Для сравнения следует отметить, что для модели полного перемешивания жидкости на тарелке эффективность массообмена тарелки по Мерфи будет равна локальной (точечной) эффективности массообмена, которая будет вместе с тем и теоретически минимально возможной эффективностью для данных условий. Для модели идеального вытеснения жидкости на тарелке для тех же условий эффективность массообмена тарелки по Мерфи будет теоретически максимально возможной. Для реальных условий частичного обратного перемешивания жидкости на тарелке реальная эффективность массообмена тарелки по Мерфи принимает значение, которое будет больше теоретически минимально возможного значения и меньше теоретически максимально возможного значения.

Технические преимущества изобретения заключаются в резком снижении обратного перемешивания жидкости на тарелке, обеспечении тесного контакта между газом (паром) и жидкостью и увеличении за счет этого движущей силы процесса и повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью в условиях малых удельных нагрузок по жидкости. При этом повышается разделяющая способность колонны, обеспечивающая более высокую частоту продуктов разделения в условиях вакуумной ректификации при очень малых удельных нагрузках по жидкости или меньшее рабочее флегмовое отношение, требующее соответственно меньший удельный расход тепла (греющего пара) на разделение ректификацией, кроме того, обеспечиваются более высокая чистота и качество целевых продуктов разделения, что в конечном итоге приводит к повышению качества и к снижению себестоимости продуктов разделения ректификацией или абсорбцией в сочетании с ректификацией.

Ожидаемый экономический эффект от использования изобретения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего греющего водяного пара из котельной, в результате более высокой эффективности массообмена тарелок колонны.

Изобретение может быть использовано для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов в условиях малых удельных нагрузок по жидкости, в химической, нефтехимической, газовой, пищевой и других смежных отраслях промышленности. Сущность изобретения: тарелка для тепломассообменных процессов включает устанавливае-мую одну над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмантированную в плиту верхней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки, при этом сливная и переливная трубы расположены рядом, между ними и между стенкой колонны и колпачком диаметрально расположена вертикальная перегородка шириной до противоположной боковой стенки колпачка и высотой, равной расстоянию между тарелками по вертикали, нижняя кромка сливной трубы отстоит от плиты на величину, равную одной четверти внутреннего диаметра сливной трубы, нижняя кромка переливной трубы отстоит от плиты нижерасположенной тарелки на величину одной четверти внутреннего ее диаметра, нижние кромки колпачка плотно прикреплены к плите тарелки, в плите тарелки между стенками колонны и боковыми стенками колпачка и между сливной и переливной трубами выполнены перфорации в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, расположенных по концентрическим окружностям вокруг центра колпачка, с осями, направленными под острым углом к касательным окружностей в одну и ту же сторону расположения центра плиты тарелки, перфорации в боковых стенках колпачка выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу с осями, направленными вертикально вниз. Изобретение позволяет повысить эффективность массообмена по Мерфи за счет более тесного контакта фаз газ(пар) - жидкость и за счет снижения продольного перемешивания жидкости на тарелке. 6 ил.

Тарелка для тепломассообменных процессов, включающая устанавливаемые одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмонтированную в плиту верхней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки, отличающаяся тем, что сливная и переливная трубы расположены рядом, между ними и между стенкой колонны и колпачком диаметрально расположена вертикальная перегородка шириной до противоположной боковой стенки колпачка и высотой, равной расстоянию между тарелками по вертикали, нижняя кромка сливной трубы отстоит от плиты на величину, равную 1/4 внутреннего диаметра сливной трубы, нижняя кромка переливной трубы отстоит от плиты нижерасположенной тарелки на величину 1/4 внутреннего ее диаметра, нижние кромки колпачка плотно прикреплены к плите тарелки, в плите тарелки между стенками колонны и боковыми стенками и между сливной и переливной трубами выполнены перфорации в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, расположенных по концентрическими окружностям вокруг центра колпачка, с осями, направленными под острым углом к касательным окружностей в одну и ту же сторону расположения центра плиты тарелки, перфорации в боковых стенках колпачка выполены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу с осями, направленными вертикально вниз.