ТАРЕЛКА КОЛОННЫ С ПОПЕРЕЧНЫМ ТЕЧЕНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК B01D17/38 B01D3/18 

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к колоннам, в которых имеет место массоперенос и/или теплоперенос между потоками текучих сред, и, более конкретно, к тарелкам с поперечным течением, используемым в таких колоннах, и к способам осуществления массопереноса и/или теплопереноса с использованием таких тарелок.

Различные типы тарелок с поперечным течением были разработаны для облегчения контакта и, таким образом, увеличения массопереноса и/или теплопереноса между потоками текучих сред, текущими в перерабатывающих колоннах. Множество таких тарелок обычно используется в открытой внутренней зоне таких колонн, причем каждая тарелка проходит горизонтально по поперечному сечению колонны, а смежные тарелки отстоят вертикально друг от друга. Тарелки имеют верхнюю поверхность, в которой предусмотрено множество отверстий, чтобы позволить восходящему потоку текучей среды, обычно потоку водяного пара, проходить через верх тарелки и взаимодействовать с потоком жидкости, текущей горизонтально по верхней поверхности. Верхняя поверхность, которая содержит указанные отверстия, обычно называется полезной площадью. Взаимодействие пар-жидкость, которое имеет место на указанной полезной площади верхней поверхности, образует пену, которая облегчает желаемый массоперенос и/или теплообмен между потоками жидкости и пара.

Указанные тарелки с поперечным течением пар-жидкость также обычно имеют крупные отверстия и соответствующие конструкции, известные как слив, которые обеспечивают удаление потока жидкости с поверхности верхней поверхности на одну тарелку и направление во входную область на верхней поверхности лежащей ниже тарелки. Входная область обычно является неперфорированной для предотвращения опускания жидкости через верхнюю поверхность без первого перемещения через активную площадь, а также для предотвращения подъема пара через слив. В одной конструкции, известной как однопропускное устройство, входная область получает жидкость, выпускаемому из расположенного выше слива, и отверстие или впуск для слива, который удаляет жидкость из тарелки, расположены на противоположных торцах каждой тарелки. В двухпропускном устройстве единственный слив расположен по центру на одной тарелке, и два слива расположены на противоположных торцах лежащей ниже тарелки. Также используются многопропускные сливные устройства.

Тарелки с поперечным течением пар-жидкость, которые используют множество цилиндрических колпачков, были разработаны для применений с высокой пропускной способностью и высокой эффективностью. Цилиндрические колпачки выступают вверх от верхней поверхности и окружают отверстия для пара, выполненные в верхней поверхности. Пару, поднимающемуся в верхнюю часть, придается вихревое движение с использованием закручивающих лопаток, расположенных в колпачках. Жидкость, текущая на поверхности верхней части, поступает в колпачки через прорези или другие отверстия, расположенные в нижней части стенки колпачка. Один или более слива расположены на каждой тарелке для удаления жидкости из одной тарелки и подачи ее на лежащую ниже тарелку.

Вихревой пар поднимается через указанные колпачки и взаимодействует с жидкостью, входящей в колпачки с верхней поверхности, вызывая интенсивное взаимодействие пар-жидкость, что приводит к высокой эффективности разделения. Вихревой пар также заставляет большую часть жидкости разбрызгиваться на внутренней поверхности стенки каждого колпачка, когда она проходит через вертикальные и горизонтальные прорези в стенке колпачка. После прохождения через указанные прорези жидкость опускается на верхнюю поверхность и затем перемещается по верхней поверхности к одному или более сливам для прохода на лежащую ниже тарелку. Пар выходит через открытый верх или другие отверстия, предусмотренные в каждом колпачке, и затем идет вертикально через отверстия для пара и колпачки, предусмотренные на верхней поверхности лежащей выше тарелки.

Одна проблема у тарелок с высокой пропускной способностью, указанной выше, состоит в том, что жидкость на верхней поверхности неоднородно распределяется к каждому из колпачков. При низких скоростях течения жидкости количество жидкости, присутствующее в каждом колпачке, является таким, что оно становится легко уносимым в потоке пара и образует аэрозоль, который снижает эффективность разделения тарелки.

Другой проблемой, связанной с конструкцией указанных тарелок с высокой пропускной способностью, является тенденция жидкости возвращаться повторно в каждый колпачок в большей степени, чем течь в режиме поршневого потока через тарелку.

Таким образом, имеется необходимость разработки улучшенной конструкции тарелки, которая не имеет проблем, описанных выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте настоящее изобретение относится к тарелке с поперечным течением для использования в колонне для облегчения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучих сред в колонне. Тарелка содержит обычно плоскую верхнюю часть тарелки и слив, имеющий впускное отверстие на верхней части тарелки для удаления жидкости с верхней части тарелки. Множество отверстий для пара, расположенных в верхней части тарелки, обеспечивают проход пара через верхнюю часть тарелки. Множество колпачков расположено на верхней части тарелки и имеют стенки, окружающие отверстия для пара. Впускные отверстия расположены в стенках колпачков для обеспечения поступления жидкости в колпачки с верхней части тарелки. Выпускные отверстия расположены в стенках указанных колпачков, чтобы позволить жидкости выходить из колпачков после взаимодействия с паром в колпачках. Между первой группой колпачков в первой зоне на верхней части тарелки и второй группой указанных колпачков во второй зоне на верхней части тарелки расположен переливной барьер. Переливной барьер служит для того, чтобы жидкость подавалась в колпачки в первой группе колпачков перед подачей во вторую группу колпачков, поэтому снижая возможность нежелательного уноса жидкости в паре при низких скоростях течения жидкости. Выпускные отверстия также расположены преимущественно или полностью на стороне слива колпачков, так что жидкость, выходящая через выпускные отверстия, перемещается поверх переливной барьера и на верхнюю часть тарелки во второй зоне, снижая поэтому возможность рециркулирования жидкости в колпачки, из которых она вытекла. Перегородки для брызг, выступающие между смежными колпачками в каждой группе колпачков, также используются для снижения возможности рециркуляции жидкости.

В другом аспекте изобретение относится к колонне для облегчения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучих сред, текущими в колонне. Колонна содержит вертикальный корпус, образующий открытую внутреннюю область, и множество тарелок с поперечным течением описанного выше типа, расположенных с вертикальными интервалами в открытой внутренней области корпуса.

В другом аспекте изобретение относится к способу применения тарелки с поперечным течением, описанной выше, для облегчения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучих сред в колонне. Способ содержит стадии введения жидкости в зону впуска верхней части тарелки и обеспечения течения жидкости в направлении далее по потоку на указанную верхнюю часть тарелки. Переливной барьер используется, чтобы заставить жидкость накапливаться на верхней части тарелки в первой зоне, пока она не достигнет уровня, достаточного для поступления в первую группу колпачков в первой зоне через впускные отверстия, предусмотренные в стенках указанной первой группы колпачков. Жидкость, поступающая в первую группу колпачков, смешивается с вихревым паром, поднимающимся в указанные колпачки, с обеспечением массопереноса и/или теплообмена между жидкостью и паром. Жидкость, которая смешана с паром в первой группе колпачков, выходит из колпачков через выпускные отверстия, предусмотренные в стенках первой группы колпачков. Поскольку выпускные отверстия расположены преимущественно или полностью обращенными в направлении далее по потоку, а перегородки для брызг расположены между смежными колпачками, большая часть или вся выходящая жидкость направляется поверх переливной барьера перед тем, как она спускается на верхнюю часть тарелки во второй зоне. Жидкость затем накапливается на верхней части тарелки во второй зоне, пока она не достигнет уровня, достаточного для поступления во вторую группу колпачков во второй зоне через впускные отверстия, предусмотренные в стенках второй группы колпачков. Жидкость, поступающая во вторую группу колпачков, смешивается с вихревым паром, поднимающимся в указанные колпачки, с обеспечением массопереноса и/или теплообмена между жидкостью и паром. Жидкость затем удаляется из второй группы колпачков через выпускные отверстия, предусмотренные в стенках второй группы колпачков, и может быть направлена в дополнительные группировки колпачков описанным выше образом, или она может быть подана прямо в слив для подачи на лежащую ниже тарелку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Не прилагающихся чертежах, которые образуют часть описания и должны читаться в сочетании с настоящем изобретении, и на которых одинаковые ссылочные номера используются для указания одинаковых элементов на различных видах;

на фиг.1 представлен вид колонны в перспективе с частичным вырезом для показа тарелок с поперечным течением согласно настоящему изобретению, расположенных в открытой внутренней области колонны;

на фиг.2 фрагментарно представлен вид колонны в разрезе, выполненный в вертикальном сечении и показанный с увеличением;

на фиг.3 представлен вид сверху колонны, выполненный в горизонтальном сечении;

на фиг.4 фрагментарно представлен вид колонны спереди в разрезе, выполненный в вертикальном сечении по линии 4-4 на фиг.3 в направлении стрелок;

на фиг.5 представлен вид в перспективе одной из тарелок с поперечным течением согласно настоящему изобретению; и

на фиг.6 представлен вид в перспективе колпачка, используемого на тарелках с поперечным течением и показывающего альтернативный вариант выпускных отверстий в стенке колпачка.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обращаясь теперь к чертежам более подробно и первоначально к фиг.1, колонна, подходящая для использования в способах массопереноса и теплообмена, в общем обозначена ссылочной позицией 10.

Колонна 10 имеет вертикальный наружный корпус 12, который является обычно цилиндрическим по конфигурации, хотя другие конфигурации, включая многоугольную, являются возможными и находятся в объеме настоящего изобретения. Корпус 12 является подходящего диаметра и высоты и сконструирован из жестких материалов, которые являются желательно инертными к или в ином случае совместимыми с текучими средами и условиями, присутствующими в процессе работы колонны 10.

Колонна 10 является типа, используемого для обработки потоков текучей среды, обычно потоков жидкости и пара, с получением продуктов фракционирования и/или в ином случае с обеспечением массопереноса и/или теплообмена между потоками жидкости. Корпус 12 колонны 10 определяет открытую внутреннюю область 14, в которой имеет место желаемый массоперенос и/или теплообмен между потоками текучих сред. Обычно потоки текучих сред содержат один или более поднимающихся потоков пара и один или более опускающихся потоков жидкости.

Альтернативно, потоки текучих сред могут содержать как поднимающиеся, так и опускающиеся потоки жидкости, или поднимающийся поток газа и опускающийся поток жидкости.

Потоки жидкости направляются в колонну 10 через любое число линий питания 16 подачи, расположенных в подходящих местах по высоте колонны 10. Один или более потоков пара могут быть также образованы в колонне 10 в большей степени, чем введены в колонну 10 по линиям подачи. Колонна 10 также обычно включает верхнюю линию 18 для удаления парового продукта или побочного продукта и линию отвода потока отстоя 20 для удаления жидкого продукта или побочного продукта из колонны 10. Другие компоненты колонны, которые обычно присутствуют, такие как линии потока флегмы, ребойлеры, конденсаторы, паровые горны и т.п., не показаны на чертежах, потому что они являются традиционными по природе, и иллюстрация указанных компонентов не считается необходимой для понимания настоящего изобретения.

Обращаясь дополнительно к фиг.2-6, в соответствии с настоящим изобретением множество горизонтально проходящих тарелок 22 с поперечным течением расположены с вертикальными интервалами в открытой внутренней области 14 колонны 10. Тарелки 22 имеют верхнюю часть (полотно) 24, которая обычно сконструирована из ряда отдельных панелей, которые могут быть соединены вместе любым известным способом. Каждая тарелка 22 содержит, по меньшей мере, один слив 28, имеющий впуск 30, образованный отверстием в верхней части 24, и одну или более стенок 32, которые образуют проход для подаваемой жидкости к лежащей ниже тарелке 22. В показанном варианте корпус 12 колонны 10 образует одну из стенок 32 слива 28. В других вариантах не требуется, чтобы корпус 12 образовывал часть слива 28.

В показанном варианте каждая тарелка 22 имеет слив 28, расположенный на одном конце верхней части 24, и слив 28 на смежных тарелках 22 расположены на противоположных концах тарелок 22. Верхняя часть 24 каждой тарелки 22, дополнительно, имеет входную зону 36, которая находится ниже слива 28 лежащей выше тарелки 22, так что жидкость, выходящая из лежащего выше слива 28, направляется во входную область 36 и затем течет в направлении далее по потоку через верхнюю часть тарелки 24 к сливу 28. Необязательный впускной переливной барьер 38 в форме вертикальной стенки, проходящей вверх от верхней части 24, может быть расположен смежно с входной областью 36, чтобы заставить жидкость накапливаться в входной области 36 до уровня, соответствующего высоте впускного переливного барьера 38, перед ее перетеканием впускного переливной барьера 38 и перемещением по части верхней части 24, расположенной ниже по потоку от впускного переливного барьера 38. В показанной однопропускной конструкции входная область 36 и впуск 30 слива расположены на противоположных концах на каждой тарелке 22. Понятно, что настоящее изобретение также применимо для двухпропускных или многопропускных конструкций.

Каждая из тарелок 22 содержит множество равномерно отстоящих друг от друга колпачков 40, которые выступают вверх от и опираются на верхнюю часть 24. Колпачки 40, предпочтительно, выложены в предварительно выбранный равномерный рисунок на верхней части 24, такой как в треугольном или квадратном шаге. Каждый колпачок 40 образуется стенкой 42, которая обычно является цилиндрической, хотя могут использоваться другие конфигурации. В одном варианте стенки 42 имеют высоту, которая является меньше, чем вертикальный интервал между смежными тарелками 22, так что верхнюю кромку каждой стенки 42 отходит на предварительно выбранное расстояние ниже лежащей ниже тарелки 22. В других вариантах стенки 42 могут выступать вверх до контактирования и подкрепления лежащей выше тарелки 22. Если стенки 42 контактируют с лежащей выше тарелкой 22 и окружают отверстия для пара 44 в верхней части 24 лежащей выше тарелки 22, подходящие отверстия помещают в верхних частях стенок 42, чтобы позволить пару поступать в колпачки 40 из окружающего объема и подниматься через отверстия для пара 44 в верхнюю часть 24 лежащей выше тарелки 22. Аналогично, если стенки 42 контактируют с лежащей выше тарелкой 22, но смещаются от отверстий для пара 44 в верхней части 24 лежащей выше тарелки 22, отверстия помещают в верхних частях стенок 42, чтобы позволить пару выходить из колпачков 40 и подниматься через отверстия для пара 44 в лежащую выше тарелку 22. Нижние концы стенок 42 крепятся к верхней части 24 любым подходящим способом, таким как сварка или ушки, которые выступают вниз от нижнего конца стенки 42 и вводятся через прорези, образованные в верхней части 24. Ушки могут быть затем загибаться к нижней части верхней части 24 с креплением колпачка 40 к верхней части 24.

Стенка 42 каждого колпачка 40 окружает отверстие для пара 44, предусмотренное в верхней части 24, что позволяет пару проходить вверх через верхнюю часть 24 и в присоединенный колпачок 40. Каждое отверстие для пара 44 обычно имеет диаметр слегка меньше, чем внутренний диаметр стенки 42, так что весь пар, который проходит вверх через верхнюю часть 24, проходит через колпачки 40. В большей степени, чем использование одного крупного отверстия 44 для подачи пара в каждый колпачок 40, может быть использовано множество мелких отверстий 44. Число и диаметр колпачков 40 и размер отверстий 44 выбирают для обеспечения желаемой пропускной способности пара и желаемого объема для предназначенного взаимодействия пар-жидкость.

Одна или более групп вихревых форсунок 46 устанавливаются, чтобы вызвать центробежное завихрение пара в каждом колпачке 40. Одна группа вихревых форсунок 46а обычно расположена в каждом отверстии для пара 44 в плоскости верхней части 24, так что в пар вводится вихревое движения, когда он проходит вверх через верхнюю часть 24 и поступает в колпачки 40. Другая группа вихревых форсунок 46b может быть расположена в каждом колпачке 40 в месте, отстоящем на предварительно выбранное расстояние выше вихревых форсунок 46а, расположенных в плоскости верхней части 24. Каждая группа вихревых форсунок 46 содержит множество радиально выступающих плоских или изогнутых лопаток 48. Лопатки 48а в нижней группе вихревых форсунок 46а могут иметь форму и/или быть изогнуты одинаково или различно от лопаток 48b в верхней группе вихревых форсунок 46b. В качестве одного примера нижние лопатки 48а могут быть изогнуты с обеспечением постепенного перехода для пара от вертикального направления течения к направлению с по существу радиальным вектором течения. Поскольку верхние лопатки 48b присутствуют с паром, текущим с радиальным вектором течения, верхние лопатки 48b могут быть плоскими или иметь меньшую кривизну по сравнению с нижними лопатками 48а.

Завихрители 46 могут быть размещены так, что пар завихряется в одинаковом вращательном направлении в каждом колпачке 40 на верхней части тарелки 24. Альтернативно, направление вращения в некоторых колпачках 40 может отличаться от направления вращения в других колпачках 40.

Жидкость на верхней части тарелки 24 поступает в колпачки 40 через впускные отверстия 50, такие как прорези, расположенные в стенке 42 каждого колпачка 40. Впускные отверстия 50 имеют размер и расположены в стенке 42 так, чтобы обеспечить желаемый впуск жидкости в каждый колпачок 40, хотя в тоже самое время обеспечивая то, что колпачок 40 сохраняет желаемую конструкционную жесткость. Впускные отверстия 50 обычно располагаются на предварительно выбранное расстояние выше плоскости верхней части тарелки 24, так что жидкость должна накапливаться до предварительно выбранной глубины на верхней части тарелки 24, окружая колпачки 40 перед поступлением в впускные отверстия 50 в стенках 42 колпачков 40. Впускные отверстия 50 имеют размер, чтобы обеспечить желаемый объемный расход жидкости в каждом колпачке 40, и желательно располагаются выше нижней группы вихревых форсунок 46а, так что, когда жидкость поступает в колпачок 40, она встречается с паром, который уже движется с вихревым движением. Вихревой пар и жидкость затем поднимаются в колпачок в зону смешения, где между паром и жидкостью имеет место интенсивное взаимодействие и массоперенос и/или теплообмен. Верхние группы вихревых форсунок 46b, если используются, расположены выше плоскости впускных отверстий 50 в зоне смешения для обеспечения дополнительного завихрения пара и жидкости.

Когда вихревой пар и жидкость поднимаются в колпачки 40, больший момент жидкости обуславливает то, что большая часть жидкости отбрасывается к внутренней поверхности стенки 42 каждого колпачка 40. Жидкость затем поднимается до стенки 42 и выходит из колпачка 40 через выпускные отверстия 52 в стенке 42. Выпускные отверстия 52 могут быть различной формы, такой как простые отверстия. В варианте, показанном на фиг.1-5, выпускные отверстия 52 находятся в форме направленных решеток 52а, которые идут внутрь связанного колпачка 40 и ориентированы для захвата жидкости, перемещающейся к стенке 42 колпачка 40. В другом варианте, показанном на фиг.6, выпускные отверстия 52 находятся в форме изогнутых наружу ушек 52b, которые изогнуты вниз по потоку (далее по потоку) для отклонения выходящей жидкости в направлении далее по потоку к верхней части тарелки 24. Другие варианты выпускных отверстий 52 охватываются и находятся в объеме настоящего изобретения.

Для того, чтобы обеспечить более однородное течение жидкости через верхнюю часть тарелки 24 из впускной зоны 36 к сливу 28, на верхней части тарелки 24 расположен ряд промежуточных переливной барьеров 54a, 54b и 54с. Переливной барьеры 54a, 54b и 54с обычно размещаются поперек к общему направлению течения жидкости через верхнюю часть тарелки 24 и расположены с интервалами по отношению друг к другу. Переливной барьеры 54a, 54b и 54с, таким образом, служат для разделения верхней части тарелки 24 на множественные зоны 56а-с, причем каждая зона содержит группу колпачков 40. Число колпачков 40 в каждой группе колпачков 40 обычно является одинаковым в каждой зоне 56а-с, но в некоторых применениях может быть желательно включить в некоторых зонах больше колпачков 40, чем в других. Хотя показаны три зоны 56а-с, должно быть понятно, что может быть предусмотрено две или более зон при использовании одного или любого множественного числа переливной барьеров.

В дополнение к достижению более однородного течения жидкости переливной барьеры 54а-с служат для нагнетания жидкости в колпачки 40, расположенные в зоне 56а-с непосредственно выше по потоку от каждого переливной барьера 54а-с. Жидкость должна накапливаться на верхней части тарелки 24 до высоты переливной барьера 54а, 54b и 54с до перетекания поверх переливной барьера и поступления в следующую зону 56b или 56с. Переливной барьеры 54а-с являются, предпочтительно, каждый такой высоты, что их верхнюю кромку является выше уровня впускных отверстий 50 в стенках 42 колпачков 40 и ниже уровня самых низких выпускных отверстий 52. Переливной барьеры 54а-с могут быть одинаковой высоты, или альтернативно переливной барьеры могут увеличивать или снижать высоту в направлении течения жидкости через верхнюю часть тарелки 24. Наличие переливной барьеров 54а-с позволяет жидкости однородно распределяться в каждой зоне 56а-с, так что обычно одинаковое количество жидкости присутствует в каждом колпачке 40, расположенном в отдельной зоне 54а, 54b или 54с. Поскольку жидкость первоначально распределена только в колпачках 40 в зоне 56а, в большей степени, чем в каждом из колпачков на верхней части тарелки 24, жидкость при низких скоростях течения менее вероятно станет захваченной в потоке пара и вынесенной к лежащей выше тарелке 22. Вместо этого жидкость более вероятно течет через связанную верхнюю часть тарелки 24 для взаимодействия с потоками пара в колпачках 40 в других зонах 54b и 54с и затем поступает в слив 28 для подачи на лежащую ниже тарелку 22.

Желательно переливной барьеры 54а-с отстоят на предварительно выбранное расстояние ниже по потоку от стенок 42 части или всех колпачков 40 в соответствующих зонах 56а-с. Это пространство между переливной барьерами 54а-с и колпачками 40 позволяет жидкости на поверхности верхней части 24 циркулировать по всему периметру колпачков 40 и поступать в колпачок 40 через впускные отверстия 50, которые расположены по периметру колпачков 40. В показанном варианте переливной барьеры 54а-с имеют полусферические сегменты 58, которые соответствуют наружной форме колпачков 40, так что переливной барьеры 54а-с отстоят на равном расстоянии от нижних сторон колпачков 40.

Выпускные отверстия 52, которые позволяют жидкости выходить через стенки 42 колпачков 40 с частью потока пара, расположены полностью или преимущественно на нижней по потоку стороне каждого колпачка 40 и выше верха смежного переливной барьера 54а, 54b или 54с. Выпускные отверстия 52 сконструированы так, что жидкость, выходящая из колпачков 40 через отверстия 52, уносится потоком пара поверх смежного переливной барьера 54а, 54b или 54с до того, как спускается на верхнюю часть тарелки 25 в зону ниже по потоку 56b или 56с. Как результат большая часть или вся жидкость, выходящая из каждого колпачка 40 через отверстия 52, затем блокируется смежным переливной барьером 54b или 54с в результате способности рециркулировать обратно в колпачок 40, из которого она вышла. Должно быть отмечено, что переливной барьеры 54а-с должны быть расположены довольно близко к смежным колпачкам 40, чтобы позволить выходящей жидкости освобождать верх связанного переливной барьера 54а, 54b или 54с в процессе спуска вниз. В то же самое время переливной барьеры 54а-с должны отстоять на достаточное расстояние от смежных колпачков 40, чтобы позволить жидкости на верхней части тарелки 24 циркулировать по периметру колпачков 40.

Переливной барьеры 54а-с и размещение отверстий 52 на нижних по потоку сторонах колпачков 40 служат для снижения возможности жидкости, выходящей из отдельного колпачка 40, рециркулировать в тот же колпачок 40 или другие колпачки 40 в тех же зонах 56а, 56b или 56с, как колпачок 40, из которого жидкость вышла. Жидкость, таким образом, способна перемещаться более равномерным образом через верхнюю часть тарелки 24, поэтому увеличивая эффективность массопереноса и/или теплообмена на верхней части тарелки 24.

Как можно наилучшим образом видеть на фиг.3 и 4, стенки для отвода жидкости 60 идут между горизонтально смежными колпачками 40 в каждой зоне 56а-с и между корпусом 12 и смежными колпачками 40 с образованием барьера, идущего в основном поперечно направлению вниз потока жидкости как дополнительная мера замедления рециркуляции жидкости на и выше верхней части тарелки 24. Стенки для отвода жидкости 60 имеют высоту приблизительно такую же, как высота колпачков 40, хотя меньшая высота может быть использована в применениях, где характеристика тарелки является менее важной. Жидкость, выходящая из колпачков 40 через выпускные отверстия 52, блокируется стенками для отвода жидкости 60 от перемещения в направлении вверх по потоку (назад по потоку), которое является противоположным указанному направлению вниз, поэтому предотвращая рециркуляцию жидкости в тот же самый колпачок 40, из которого она вышла, в той же зоне 56a, 56b или 56с, из которой жидкость вышла. Нижний конец каждой стенки для отвода жидкости 60 расположен выше верхней части тарелки 24 или обеспечен вырезом 61 (фиг.5), чтобы позволить жидкости на верхней части тарелки 24 циркулировать вокруг всего периметра колпачка 40.

Кольцо с кромкой, обращенной вниз, 62 также расположено на верху каждого колпачка 40, так что жидкость, выходящая из верха колпачка 40 вдоль стенки 42, перенаправляется кольцом с кромкой 62 обратно к верхней части тарелки 24. Кольцо с кромкой 62 имеет внутреннюю стенку 64, которая расположена внутри от стенки 42 связанного колпачка 40, изогнутый верхний сегмент 66 отстоит слегка выше верхней кромки стенки 42 и наружной стенки 68, которая расположена снаружи стенки 42 колпачка 40. Кольцо 62 удерживается на месте ушками 70, которые отходят вверх от верхней кромки стенки 42 и вставлены в прорези 72 в верхнем сегменте 64 кольца с кромкой 60.

В процессе использования колонны 10 поток жидкости вводится во входную область 36 верхней части тарелки 24, где она накапливается до достижения уровня перетекания впускного переливной барьера 38. Жидкость затем течет в первую зону 56а, где она присутствует в колпачках 40, расположенных в зоне 56а. Альтернативно, впускной переливной барьер 38 может быть опущен, и жидкость тогда течет прямо из входной области 36 в первую зону 65а. Переливной барьер 54а заставляет жидкость накапливаться на верхней части тарелки 24 в зоне 56а до достижения высоты, достаточной для поступления в колпачки 40 через впускные отверстия 50 в стенках 42 колпачков 40. Жидкость, выходящая из колпачков 40, захватывается потоком пара, который поступает в колпачки 40 через отверстия для пара 44 в верхней части тарелки 24. Завихрители 46 придают центробежное вихревое движение пару и жидкости, вызывая глубокое смешение пара и жидкости в колпачках 40. Центробежные силы, действующие на жидкость, заставляют жидкость быть отброшенной к внутренней поверхности стенки 42, где она поднимается, пока не встретится с выпускными отверстиями 52 в стенках 42. Жидкость уносится частью потока пара через выпускные отверстия 52. Количество движения потока жидкости и пара, выходящего через выпускные отверстия 52, является достаточным для переноса жидкости через смежный переливной барьер 54а или 54b и на верхнюю часть тарелки 24 в нижней зоне 56b или 56с. Остаток потока пара выходит через открытый верх колпачка 40 или отверстия, предусмотренные в верхних частях стенок 42 колпачка 40, и поднимается через отверстия для пара 44 в верхнюю часть тарелки 24 лежащей выше тарелки 22. Отверстия для пара 44 на лежащей выше тарелке 22 могут быть сцентрированы с колпачками 40 на лежащей ниже тарелке 22, так что пар может подниматься прямо в отверстия для пара 44, или альтернативно отверстия для пара 44 могут быть смещены от колпачков 40, так что пар должен перемещаться поперечно предварительно выбранному расстоянию до поступления в отверстия для пара 44. Любая жидкость, которая обходит выпускные отверстия 52, когда она перемещается до стенки 42, улавливается кольцом с кромкой 62 и перенаправляется вниз к верхней части тарелки 24.

Жидкость, которая подается в зону 56b, накапливается на верхней части тарелки 24 как результат переливной барьера 54b и поступает в колпачки 40 в зоне 56b через впускные отверстия 50 для взаимодействия с потоком пара таким же образом, как описано выше. Жидкость затем продвигается в последующую зону 56с, и могут быть предусмотрены любые дополнительные зоны, таким же образом и затем поступает во впуск слива 28 для прохода вниз на лежащую ниже тарелку 22.

Можно видеть, что переливной барьеры 54а-с позволяют жидкости на верхней части тарелки 24 последовательно подаваться в группы колпачков 40 в каждой из множественных зон 56а-с. Таким же образом жидкость последовательно присутствует в нескольких колпачках 40, поэтому снижая возможность нежелательного уноса жидкости в потоке пара, в частности, при низких скоростях течения жидкости. Переливной барьеры 54а-с в сочетании с выпускными отверстиями 52, расположенными преимущественно или полностью на нижних по потоку сторонах колпачков 40, также снижают возможность жидкости рециркулировать в колпачки 40, поэтому обеспечивая большее течение в поршневом потоке жидкости через тарелку и большее осуществление массопереноса и/или теплообмена между жидкостью и паром на верхней части тарелки 24.

Поскольку многие возможные варианты изобретения могут быть выполнены без отхода от его объема, должно быть понятно, что все представленное здесь или показанное на прилагаемых чертежах должно интерпретироваться как иллюстративное, а не в ограничительном смысле.

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и касается тарелки колонны с поперечным течением и способа ее применения. Тарелка имеет верхнюю часть и группы колпачков, разделенных переливными барьерами. Колпачки имеют стенки, которые окружают отверстия для пара в верхней части тарелки. Отверстия предусмотрены в стенках для обеспечения поступления жидкости в колпачки из верхней части тарелки. Дополнительные отверстия предусмотрены в стенках для обеспечения выхода жидкости из колпачков. Завихрители, расположенные в колпачках, вводят центробежное вихревое движение в пар и жидкость с облегчением массопереноса и/или теплообмена между паром и жидкостью в колпачках. Изобретение обеспечивает увеличение массопереноса между потоками текучих сред в перерабатывающих колоннах. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тарелка с поперечным течением для использования в колонне для облегчения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучих сред в указанной колонне, причем указанная тарелка содержит:
в основном плоскую верхнюю часть тарелки;
входную область, расположенную на указанной верхней части тарелки, где жидкость поступает на указанную верхнюю часть тарелки;
слив, имеющий впускное отверстие на указанной верхней части тарелки, для удаления жидкости с указанной верхней части тарелки после того, как она течет в направлении далее по потоку по указанной верхней части тарелки от указанной входной области;
множество отверстий для пара в указанной верхней части тарелки для обеспечения прохода пара вверх через указанную верхнюю часть тарелки через указанные отверстия;
множество колпачков, расположенных на указанной верхней части тарелки и имеющих стенки, окружающие указанные отверстия для пара, так что указанный пар, проходящий через верхнюю часть тарелки, поднимается в указанные колпачки, причем первая группа указанных колпачков расположена в первой зоне на указанной верхней части тарелки, а вторая группа указанных колпачков расположена во второй зоне на указанной верхней части тарелки, причем указанная вторая зона расположена в указанном направлении далее по потоку от указанной первой зоны;
завихрители, расположенные для придания вихревого движения указанному пару, поднимающемуся в указанные колпачки;
впускные отверстия в указанных стенках указанных колпачков для обеспечения поступления жидкости в указанные колпачки с верхней части тарелки;
выпускные отверстия, расположенные выше указанных впускных отверстий в указанных стенках указанных колпачков, для обеспечения выхода жидкости из указанных колпачков после взаимодействия с указанным поднимающимся паром с вихревым движением в колпачках; и
переливной барьер, расположенный между указанной первой группой указанных колпачков в первой зоне на указанной верхней части тарелки и указанной второй группой указанных колпачков во второй зоне на указанной верхней части тарелки.

2. Тарелка с поперечным течением по п.1, в которой указанный переливной барьер имеет полусферические сегменты, которые согласуются с наружной формой указанных колпачков и отстоят на одинаковое расстояние от указанных колпачков в указанном направлении далее по потоку с обеспечением циркуляции жидкости на указанной верхней части тарелки вокруг указанных колпачков.

3. Тарелка с поперечным течением по п.2, в которой указанный переливной барьер имеет верхнюю кромку, расположенную на уровне выше указанных впускных отверстий в указанных стенках колпачков.

4. Тарелка с поперечным течением по п.3, в которой указанная верхняя кромка переливного барьера расположена на уровне ниже указанных выпускных отверстий в указанных стенках колпачков.

5. Тарелка с поперечным течением по п.1, в которой в указанной первой группе колпачков и в указанной второй группе колпачков присутствует одинаковое число колпачков.

6. Тарелка с поперечным течением по п.1, в которой в указанной первой группе колпачков и в указанной второй группе колпачков присутствует различное число колпачков.

7. Тарелка с поперечным течением по п.1, в которой указанные выпускные отверстия расположены преимущественно или полностью на нижней по потоку стороне указанных колпачков в указанной первой группе колпачков, обращенных в указанном направлении далее по потоку, так что жидкость, выходящая из указанных колпачков через указанные выпускные отверстия, уносится в указанном направлении далее по потоку поверх указанного переливного барьера перед возвращением на указанную верхнюю часть тарелки.

8. Тарелка с поперечным течением по п.7, включающая в себя второй из указанных переливных барьеров, расположенный в указанном направлении далее по потоку от второй группы указанных колпачков в указанной второй зоне.

9. Тарелка с поперечным течением по п.8, в которой указанные выпускные отверстия расположены преимущественно или полностью на нижней стороне по потоку указанных колпачков в указанной второй группе колпачков, обращенных в указанном направлении далее по потоку, так что жидкость, выходящая из указанных колпачков через указанные выпускные отверстия, уносится в указанном направлении далее по потоку поверх указанного второго переливного барьера перед возвращением на указанную верхнюю часть тарелки.

10. Тарелка с поперечным течением по п.1, включающая в себя стенки для отвода жидкости, проходящие между смежными колпачками для блокирования указанной жидкости, выходящей из указанных колпачков через выпускные отверстия, от уноса в направлении назад по потоку, противоположному указанному направлению далее по потоку.

11. Тарелка с поперечным течением по п.10, в которой указанные стенки для отвода жидкости имеют высоту, приблизительно равную высоте колпачков.

12. Колонна для облегчения массопереноса и/или теплообмена между потоками текучих сред в указанной колонне, содержащая:
вертикальный корпус, образующий открытую внутреннюю зону;
множество тарелок с поперечным течением, расположенные вертикально на расстоянии друг от друга в указанной открытой внутренней зоне указанного корпуса,
причем каждая из указанных тарелок с поперечным течением содержит:
в основном плоскую верхнюю часть тарелки;
входную область, расположенную на указанной верхней части тарелки, где жидкость вводится на указанную верхнюю часть тарелки;
слив, имеющий впускное отверстие на указанной верхней части тарелки, для удаления жидкости с указанной верхней части тарелки после того, как она течет в направлении далее по потоку по указанной верхней части тарелки от указанной входной области;
множество отверстий для пара в указанной верхней части тарелки для обеспечения прохода пара вверх через указанную верхнюю часть тарелки через указанные отверстия;
множество колпачков, расположенных на указанной верхней части тарелки и имеющих стенки, окружающие указанные отверстия для пара, так что указанный пар, проходящий через верхнюю часть тарелки, поднимается в указанные колпачки, причем первая группа указанных колпачков расположена в первой зоне на указанной верхней части тарелки, а вторая группа указанных колпачков расположена во второй зоне на указанной верхней части тарелки, причем указанная вторая зона расположена в указанном направлении далее по потоку от указанной первой зоны;
завихрители, расположенные для придания вихревого движения указанному пару, поднимающемуся в указанные колпачки;
впускные отверстия в указанных стенках указанных колпачков для обеспечения поступления жидкости в указанные колпачки от верхней части тарелки;
выпускные отверстия, расположенные выше указанных впускных отверстий в указанных стенках указанных колпачков, для обеспечения выхода жидкости из указанных колпачков после взаимодействия с указанным поднимающимся паром с вихревым движением в колпачках; и
переливной барьер, расположенный между указанной первой группой указанных колпачков в первой зоне па указанной верхней части тарелки и второй группой указанных колпачков во второй зоне на указанной верхней части тарелки.

13. Колонна по п.12, в которой указанный переливной барьер имеет полусферические сегменты, которые согласуются с наружной формой указанных колпачков и отстоят на одинаковое расстояние от указанных колпачков в указанном направлении далее по потоку с обеспечением циркуляции жидкости на указанной верхней части тарелки вокруг указанных колпачков.

14. Колонна по п.13, в которой указанный переливной барьер имеет верхнюю кромку, расположенную на уровне выше указанных впускных отверстий в указанных стенках колпачков.

15. Колонна по п.14, в которой верхняя кромка переливного барьера расположена на уровне ниже указанных выпускных отверстий в указанных стенках колпачков.

16. Колонна по п.12, в которой в указанной первой группе колпачков и в указанной второй группе колпачков присутствует одинаковое число колпачков.

17. Колонна по п.12, в которой в указанной первой группе колпачков и в указанной второй группе колпачков присутствует различное число колпачков.

18. Колонна по п.12, в которой указанные выпускные отверстия расположены преимущественно или полностью на нижней по потоку стороне указанных колпачков в указанной первой группе колпачков, обращенных в указанном направлении далее по потоку, так что жидкость, выходящая из указанных колпачков через указанные выпускные отверстия, уносится в указанном направлении далее по потоку поверх указанного переливного барьера перед возвращением на указанную верхнюю часть тарелки.

19. Колонна по п.18, включающая в себя второй из указанных переливной барьеров, расположенный в указанном направлении далее по потоку от второй группы указанных колпачков в указанной второй зоне.

20. Колонна по п.19, в которой указанные выпускные отверстия расположены преимущественно или полностью на нижней стороне по потоку указанных колпачков в указанной второй группе колпачков, обращенных в указанном направлении далее по потоку, так что жидкость, выходящая из указанных колпачков через указанные выпускные отверстия, уносится в указанном направлении далее но потоку поверх указанного второго переливной барьера перед возвращением на указанную верхнюю часть тарелки.

21. Колонна по п.12, включающая в себя стенки для отвода жидкости, проходящие между смежными колпачками для блокирования указанной жидкости, выходящей из указанных колпачков через указанные выпускные отверстия, от уноса в направлении назад по потоку, противоположному указанному направлению далее по потоку.

22. Колонна по п.21, в которой указанные стенки для отвода жидкости имеют высоту, приблизительно равную высоте колпачков.

23. Способ облегчения взаимодействия пара и жидкости в колонне, содержащей множество тарелок с поперечным течением, расположенных вертикально на расстоянии друг от друга в открытой внутренней зоне указанной колонны, причем каждая из указанных тарелок с поперечным течением имеет верхнюю часть тарелки, на которой расположено множество колпачков, причем указанные колпачки имеют стенки, которые окружают отверстия для пара в верхней части тарелки, причем первая группа указанных колпачков расположена в первой зоне на указанной верхней части тарелки, а вторая группа указанных колпачков расположена во второй зоне на указанной верхней части тарелки, причем указанная вторая зона расположена в указанным направлении далее по потоку от указанной первой зоны и причем переливной барьер расположен между указанной первой группой указанных колпачков в первой зоне на указанной верхней части тарелки и указанной второй группой указанных колпачков во второй зоне на указанной верхней части тарелки, причем указанный способ содержит следующие стадии, на которых
вводят жидкость во входную область указанной верхней части тарелки и вынуждают указанную жидкость течь в направлении далее по потоку на указанной верхней части тарелки;
используют указанный переливной барьер для накопления указанной жидкости на верхней части тарелки в указанной первой зоне до тех пор, пока она не достигнет уровня, достаточного для поступления в первую группу колпачков в первой зоне через впускные отверстия, обеспеченные в стенках указанной первой группы колпачков;
смешивают жидкость, поступающую в указанную первую группу колпачков, с паром, поднимающимся в указанные колпачки с вихревым движением, вызывая массоперенос и/или теплообмен между жидкостью и паром;
направляют жидкость, которая смешана с паром в указанной первой группе колпачков, через выпускные отверстия, обеспеченные в стенках первой группы колпачков, причем указанные выпускные отверстия расположены для направления указанной жидкости поверх переливного барьера и на верхнюю часть тарелки в указанной второй зоне;
накапливают указанную жидкость на верхней части тарелки в указанной второй зоне до тех пор, пока она не достигнет уровня, достаточного для поступления во вторую группу колпачков во второй зоне через впускные отверстия, обеспеченные в стенках указанной второй группы колпачков;
смешивают жидкость, поступающую в указанную вторую группу колпачков, с паром, поднимающимся в указанные колпачки с вихревым движением; и
удаляют жидкость, которая смешана с паром в указанной второй группе колпачков, через выпускные отверстия, обеспеченные в стенках второй группы колпачков.

24. Способ по п.23, включающий в себя стадию, на которой направляют жидкость, которая смешана с паром в указанной второй группе колпачков, через выпускные отверстия, обеспеченные в стенках второй группы колпачков, причем указанные выпускные отверстия расположены для направления указанной жидкости в указанном направлении далее по потоку.

25. Способ по п.24, включающий в себя стадии, на которых подают пар из указанных колпачков на одной из указанных тарелок с поперечным течением на лежащую выше одну из указанных тарелок с поперечным течением и подают жидкость, выпущенную из указанной второй группы колпачков на указанной одной тарелки с поперечным течением, на лежащую ниже одну из указанных тарелок с поперечным течением.