ТАРЕЛКА ДЛЯ КОНТАКТИРОВАНИЯ ГАЗА С ЖИДКОСТЬЮ Российский патент 2004 года по МПК B01D3/20 B01D3/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к тарелкам для контактирования газа с жидкостью, содержащим барботажное полотно и одно переливное устройство или более чем одно, снабженное на своем верхнем конце отверстием для приема жидкости. Такие тарелки могут быть использованы в аппаратах, предназначенных для осуществления контакта газа с жидкостью. Типичным примером использования таких тарелок является их размещение внутри ректификационных колонн.

Уровень техники

Из опубликованного описания патента Германии №764103 известно использование плоских и криволинейных отражательных пластин (отбойников), установленных в приемном отверстии переливного устройства и предназначенных для ограничения высоты пены в переливном устройстве. Данная публикация патента касается конфигурации тарелок с так называемым перекрестным током контактирующих сред для использования в так называемых пенных газожидкостных аппаратах. В этой публикации на фиг.4 представлено конструктивное выполнение тарелки с размещением в отверстии переливного устройства трех криволинейных пластин. Касательная к верхней кромке показанных на фиг.4 пластин образует угол с горизонталью, отличный от нуля.

При увеличении расходов жидкости и/или газа в колоннах для контактирования газа с жидкостью, таких как описанная выше, будет реализована предельная нагрузка по контактирующим средам. Более высокие, чем предельная, нагрузки приведут к тому, что колонна не будет функционировать нормально в качестве аппарата для контактного взаимодействия газа и жидкости или в качестве разделительного устройства вследствие возникновения явления, известного как "захлебывание". Режим "захлебывания" определяют как накапливание внутри колонны избыточного количества жидкости. Хорошо известными механизмами "захлебывания" являются возникновение обратного течения в переливном устройстве, воздействие струи газа и закупоривание переливного устройства. Эти механизмы описаны в кн.: Конструирование аппаратов для дистилляции. Генри З. Кистер, МакГроу-Хилл Инк., 1992, с.267, 291. В соответствии с изложенным в указанном источнике информации причиной возникновения в переливном устройстве обратного течения жидкости является рост внутри устройства количества жидкости, что приводит к выливанию жидкости на тарелку через верх и ее накапливанию на этой тарелке. Высота слоя жидкости в переливном устройстве определяется перепадом давления на тарелке, высотой жидкости на тарелке, потерями трения в переливном устройстве и суммарной площадью проходных щелевых отверстий переливного устройства. Опрокидывание струей газа или "захлебывание" с брызгоуносом происходит при такой высокой скорости потока газа, которая приводит к уносу жидкости (вверх), в виде капель или с пеной, к выше расположенной тарелке. Жидкость в результате будет накапливаться, что приводит к установлению режима "захлебывания". Закупоривание переливного устройства обусловлено слишком большой скоростью аэрированной жидкости в переливном устройстве. При определенной величине этой скорости потери трения в переливном устройстве и на входе в переливное устройство становятся преобладающим фактором, и вспененная газожидкостная смесь не может транспортироваться к нижерасположенной тарелке, что приводит к накапливанию жидкости на тарелке. Под термином "пена" здесь следует понимать любую газожидкостную смесь, находящуюся на тарелке, независимо от режима течения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является выполнение тарелки для контактирования газа с жидкостью, которая, как отмечено выше, позволяет реализовать большие нагрузки по газу и/или жидкости. В результате может быть достигнута большая производительность тарелки. Поставленная задача решается с помощью описанной ниже тарелки.

Тарелка для контактирования газа с жидкостью содержит барботажное полотно и одно или более чем одно переливное устройство, в верхнем конце которого имеется отверстие для приема жидкости, при этом в приемном отверстии и переливном устройстве размещена пластина, направляющая движение жидкости, причем верхняя кромка указанной направляющей пластины расположена горизонтально и направлена в сторону барботажного полотна.

Установлено, что использование тарелки в соответствии с данным изобретением в колоннах для контактирования газа с жидкостью приводит к увеличению производительности колонны.

Тарелка для контактирования газа с жидкостью в соответствии с настоящим изобретением содержит, как правило, круговое барботажное полотно, через которое барботирует поток газа, одно или два сегментных отверстия для приема жидкости, а в отдельных случаях большое количество дополнительных приемных отверстий, разделенных промежутками на указанном барботажном полотне. Приемные отверстия переливного устройства могут иметь любую форму. Это могут быть, например, сегментные, прямоугольные, квадратные или круглые отверстия.

Настоящее изобретение ниже будет описано более детально.

Предпочтительно на тарелке размещена сливная перегородка (выступающий бортик), представляющая собой элемент конструкции, установленный на границе или вдоль границы раздела между поверхностью барботажного полотна и отверстием для приема жидкости. Указанная перегородка обеспечивает нахождение на верхней поверхности барботажного полотна заранее определенного количества жидкости. Высота этой перегородки может быть выбрана из числа стандартных величин, известных специалисту в данной области техники. Перегородка может быть соответствующим образом наклонена в направлении движения жидкости к приемному отверстию. Для улучшения контроля количества жидкости, находящейся на тарелке, сливная перегородка предпочтительно наклонена в сторону барботажного полотна таким образом, что воображаемая линия, проведенная от верха перегородки к ее основанию, образует с горизонтальной плоской поверхностью тарелки угол α, величина которого составляет менее 80° и, предпочтительно, больше 30°. Высота перегородки предпочтительно составляет от 25 мм до 1/6 расстояния между соседними тарелками колонны.

Верхняя кромка направляющей пластины расположена горизонтально и направлена в сторону барботажного полотна. Другими словами, касательная линия, проведенная к верхней кромке пластины, проходит горизонтально.

Количество направляющих элементов (пластин) может составлять от 1 до 10. Это количество зависит, например, от положения на тарелке приемных отверстий переливного устройства. В случае бокового расположения приемного отверстия на тарелке, как это, например, имеет место для сегментного переливного устройства, описанного в патентном источнике DE 764103 А, количество пластин предпочтительно будет составлять от 1 до 4, причем более предпочтительно от 2 до 4.

В том случае, когда приемные отверстия отделены друг от друга на барботажном полотне так, что при использовании устройства жидкость поступает в каждое приемное отверстие с противоположных сторон, то число установленных направляющих пластин предпочтительно составляет от 2 до 10, и более предпочтительно - от 4 до 6. Когда, как ожидается, к обеим сторонам такого приемного отверстия поступает по существу одинаковое количество пены, то лучше использовать одинаковое количество направляющих пластин, наклоненных к каждой из сторон полотна, с которых в отверстие поступает поток среды. Когда, как предполагается, с одной из сторон переливного устройства поступает большее количество пены, то с этой стороны может быть установлено большее количество направляющих пластин (с наклоном их верхней части в направлении притока пены), чем количество направляющих пластин, ориентированных в сторону поступления меньшего количества пены. При использовании приемного отверстия прямоугольной формы в переливном устройстве может быть установлена разделительная перегородка, предотвращающая взаимодействие встречных потоков поступающей среды, такая, например, как описана в патентом источнике SU 5382390 А. Следовательно, пластины, направляющие движение потока среды, могут быть преимущественно размещены с каждой стороны разделительной перегородки, предотвращающей взаимодействие встречных потоков среды, поступающей в переливное устройство.

Нижняя часть направляющих пластин преимущественно ориентирована в направлении приемного отверстия и может быть расположена выше уровня тарелки. Предпочтительно же нижняя часть направляющей пластины проходит вниз и расположена внутри переливного устройства.

Нижняя часть направляющих пластин может быть ориентирована вертикально или может быть наклонена по отношению к нижним частям других пластин. Нижняя кромка направляющих пластин предпочтительно расположена на уровне верхней кромки сливной перегородки или ниже. В отсутствие перегородки нижняя кромка предпочтительно расположена на уровне тарелки или ниже. Величина расстояния от уровня расположения тарелки или верхней кромки выступающей сливной перегородки до нижерасположенных нижних кромок направляющих пластин зависит, например, от величины зазора между отдельными пластинами. Чем меньше величина зазора между пластинами, тем большим должно быть это расстояние. При необходимости различные направляющие пластины могут проходить внутрь переливного устройства, имея различную длину.

Верхняя часть направляющих пластин может быть, например, крюкообразной или изогнутой, криволинейной. Для используемых на практике пластин крюкообразная конфигурация является предпочтительной с точки зрения технологии изготовления. Верхняя кромка направляющей пластины может выступать над поверхностью барботажного полотна, при этом чем больше удалена пластина от барботажного полотна, тем больше высота части направляющих пластин, выступающей над поверхностью тарелки. Расстояние по вертикали между горизонтальными касательными линиями для двух соседних пластин предпочтительно будет увеличиваться с увеличением высоты части пластин, выступающей над тарелкой.

Расстояние между двумя отогнутыми в одном направлении соседними направляющими пластинами, измеренное по горизонтали на уровне верхней кромки перегородки (или на уровне тарелки при отсутствии перегородки), составляет от 0,015 до 0,1 м, предпочтительно от 0,015 до 0,05 м.

Высота выступающей над тарелкой части направляющей пластины будет зависеть от профиля направляющей пластины, типичной величины нагрузки по газу и жидкости на тарелке, а также от свойств газа и жидкости, которые должны контактировать или должны быть разделены. Приемлемо, чтобы направляющие пластины выступали над поверхностью тарелки на высоту, соответствующую от 5 до 85% расстояния между двумя соседними тарелками, установленными внутри колонны. Предпочтительно, чтобы указанное расстояние между тарелками составляло от 0,2 до 1 м.

Направляющие пластины могут быть сплошными, частично перфорированными или перфорированными с переменной площадью отверстий или же с постоянной площадью отверстий. Форма перфорационных отверстий может быть любой. Для изготовления направляющих пластин могли бы быть использованы, например, материалы наподобие металлической сетки или иного, волнистого листового материала. Предпочтительно выполнение направляющих пластин в виде сплошного металлического листа.

Различные возможные схемы расположения на тарелке приемных отверстий, выполненных в барботажном полотне, известны специалистам в данной области техники. Примеры таких схем расположения приемных отверстий, которые могут быть с успехом реализованы с использованием при этом тарелки согласно настоящему изобретению, описаны в следующих патентных источниках информации: GB 1422132 А, GB 1422131, GB 1416732 А, GB 1416731 A, BE 584426, US 4550000 А, ЕР 882481 А, WO 9626779, US 5382390 A, US 3410540 A, US 5318732 А, ЕР 155056 A, US 5223183 A, US 5098615 А.

Для настоящего изобретения не является важным, какой вид отверстий используют в барботажном полотне тарелки. Примерами возможного выполнения отверстий являются отверстия ситчатых тарелок, отверстия клапанных тарелок, отверстия тарелок с колпачками для барботажа и отверстия нерегулируемых клапанов. Примеры выполнения таких отверстий можно найти в обычных учебниках, например в вышеупомянутом учебнике Кистера на с. 260-267, а также в следующих патентных источниках: US 27908 RE, US 5120474 A, WO 9828056 A, WO 9737741 A, US 5911922 A, US 3463464 A, US 5454989 А.

Настоящее изобретение далее будет проиллюстрировано с помощью чертежа.

На чертеже представлено трехмерное изображение части тарелки согласно предлагаемому изобретению, размещенной внутри колонны.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На чертеже представлено трехмерное изображение части тарелки (1), части стенки (2) колонны и переливное устройство (3), имеющее прямоугольное приемное отверстие (4). Как показано, вдоль обоих протяженных (более длинных) сторон приемного отверстия (4) располагается барботажное полотно (5). Барботажное полотно (5) снабжено отверстиями (6) для прохода движущегося вверх потока газа. Кроме того, переливное устройство (3) имеет сливную перегородку (7) и разделительную (вертикальную) перегородку (8), предотвращающую взаимодействие встречных потоков жидкости, поступающих в переливное устройство. С каждой стороны разделительной перегородки (8) установлены две пластины (9), направляющие поток жидкости. Как видно из чертежа, касательная к верхней кромке пластины (9) проходит горизонтально. Поскольку для данного переливного устройства большая часть жидкости будет подводиться к прямоугольному отверстию (4) с обеих более длинных сторон переливного устройства (3), то направляющие пластины (9) отогнуты и ориентированы только в направлении этих более длинных сторон.

Направляющие пластины (9), как показано, по существу параллельны, и их нижние концы (10) направлены вертикально вниз. Верхние концевые части пластин (9) искривлены таким образом, что их кромки расположены горизонтально и ориентированы в направлении потоков жидкости, входящих, в процессе функционирования устройства, в приемное отверстие (4) переливного устройства с его противоположных сторон из областей, расположенных над барботажным полотном (5). Протяженная верхняя кромка пластины проходит параллельно соответствующим протяженным (более длинным) сторонам переливного устройства (3). Расстояние между боковым стенками (11) переливного устройства уменьшается в направлении движения жидкости (сверху вниз). Нижний торец переливного устройства снабжен днищем (12), в котором выполнено большое количество проходных отверстий (13).

Тарелка согласно данному изобретению предпочтительно используется в колоннах для разделения или контактирования газа и жидкости. Тарелки, установленные в этой колонне, расположены по ее высоте на определенном расстоянии друг от друга. Контактированием может быть процесс абсорбции, в котором движущаяся вниз жидкость контактирует с движущимся вверх газом. Типичным процессом разделения является перегонка (дистилляция), осуществляемая для отделения одной или более компонент от исходной жидкой смеси. Как правило, исходную смесь подводят к промежуточному сечению колонны, при этом тарелки находятся как над указанным сечением подвода исходной смеси, так и ниже него. Такая колонна, кроме того, снабжена кипятильником (или ребойлером), средствами конденсации и орошения.

Предпочтительно колонну используют для контактирования или разделения систем газ - жидкость, вспенивающихся или невспенивающихся. Преимущества настоящего изобретения в особенности достигаются для систем невспенивающегося типа, поскольку для таких систем более актуальной проблемой является возникновение обратного течения в переливном устройстве. Невспенивающиеся системы газ - жидкость имеют обычно более высокие скорости осветленной жидкости в переливном устройстве, чем вспенивающиеся системы. Примерами использования вспенивающихся систем являются абсорберы для аминов, отгонные аппараты для серосодержащей воды, контактные аппараты для глицерина. Примерами использования невспенивающихся систем являются аппараты для отгонки сероводорода, разделение углеводородов, например, в пропаноотгонных, метаноотгонных и этаноотгонных колоннах, а также перегонка сырой нефти в атмосферных условиях и вакуумная перегонка фракций нефти, кипящих при температуре более 350°С.

Далее данное изобретение иллюстрируется на примерах осуществления, не ограничивающих объем изобретения.

Сравнительный эксперимент А

Опытная установка снабжена тремя тарелками с поперечным движением жидкости при перекрестном токе контактирующих сред, при этом каждая из тарелок имеет переливное устройство прямоугольного сечения. Переливные устройства имеют две направляющие пластины. Верхняя кромка направляющих пластин расположена так, что проведенная к ней касательная линия образует с горизонтальной плоскостью угол, равный 60°. Расстояние по горизонтали между пластинами на уровне сливной перегородки составляет 0,025 м. К контактной колонне поток жидкости и поток газа подводят на ее соответствующих верхнем и нижнем торцевых участках. При нагрузке по воздуху, равной 340 м³/ч, было установлено, что предельная достигаемая нагрузка по воде составляет примерно 18,1 м/ч.

Пример 1

Был повторно проведен сравнительный опыт А, за исключением того, что верхняя часть направляющих пластин в данном случае была расположена таким образом, что угол между касательная линией и горизонтальной плоскостью был равным 0, так что верхние кромки направляющих пластин проходили горизонтально в соответствии с настоящим изобретением. Было установлено, что при нагрузке по воздуху 340 м³/ч достигаемая максимальная нагрузка по воде составляет более 18,1 м³/ч.

Сравнительный эксперимент В

Был повторен опыт в соответствии с Примером 1 за исключением того, что переливное устройство было выполнено без пластин, направляющих движение жидкости. При нагрузке по воздуху, равной 340 м³/ч, предельная достигаемая нагрузка по воде, как было установлено, приблизительно равна 14,5 м³/ч.

Контактная тарелка для взаимодействия газа с жидкостью содержит барботажное полотно и одно или более чем одно переливное устройство с отверстием для приема жидкости, при этом приемное отверстие и переливное устройство снабжены пластинами, направляющими движение жидкости, причем верхняя кромка направляющих пластин расположена горизонтально и направлена в сторону барботажного полотна. Такое выполнение тарелки для контактирования газа с жидкостью позволяет реализовать большие нагрузки по газу и/или жидкости, в результате чего может быть достигнута большая производительность тарелки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тарелка для контактирования газа с жидкостью, содержащая барботажное полотно и одно или более чем одно переливное устройство с отверстием для приема жидкости, отличающаяся тем, что приемное отверстие и переливное устройство снабжены пластинами для направления движения жидкости, при этом верхняя кромка направляющих пластин расположена горизонтально и ориентирована в сторону барботажного полотна.2. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что направляющая пластина проходит внутри переливного устройства сверху вниз.3. Тарелка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что количество направляющих пластин составляет от 1 до 10.4. Тарелка по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что расстояние между двумя отогнутыми в одном направлении соседними направляющими пластинами, измеренное по горизонтали на уровне верхней кромки перегородки, или на уровне тарелки при отсутствии перегородки, составляет от 0,015 до 0,05 м.5. Тарелка по любому из пп.2-4, отличающаяся тем, что нижняя кромка направляющей пластины расположена на уровне верхней кромки сливной перегородки или ниже, или при отсутствии перегородки, нижняя кромка направляющей пластины проходит на уровне расположения тарелки или ниже этого уровня.6. Тарелка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что направляющие пластины выступают над поверхностью тарелки на высоту, соответствующую 5-85% величины расстояния между соседними тарелками.7. Тарелка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что приемное отверстие переливного устройства выполнено прямоугольным.8. Тарелка по п.7, отличающаяся тем, что вдоль продольной оси приемного отверстия переливного устройства установлена вертикальная разделительная перегородка, предотвращающая встречное взаимодействие потоков жидкости, а также тем, что пластины, направляющие движение жидкости, размещены с каждой из сторон указанной вертикальной перегородки.9. Тарелка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что на границе между барботажным полотном и приемным отверстием размещена сливная перегородка.10. Колонна для контактирования газа и жидкости, снабженная большим количеством тарелок, выполненных согласно любому из пп.1-9, установленных по оси колонны на определенном расстоянии друг от друга.11. Колонна по п.10 в качестве дистилляционной колонны или абсорбционной колонны.12. Колонна по п.11, в которой система газ-жидкость, в которой необходимо осуществлять контактирование, представляет собой систему невспенивающегося типа.