ТАРЕЛКА С МНОГОЧИСЛЕННЫМИ СЛИВНЫМИ СТАКАНАМИ Российский патент 2013 года по МПК B01D3/20 

Настоящее изобретение относится к тарелке с многочисленными сливными стаканами для массообменных колонн.

Тарелки со сливными стаканами уже немало времени используются в массообменных колоннах. Известные тарелки содержат массообменные зоны и зоны сбора и направления текучей среды. В такой массообменной колонне жидкость и газ проходят в противотоке через последовательность тарелок. На горизонтальной поверхности тарелок жидкость и газ вступают в контакт, что облегчает массообмен между присутствующими жидкой и газовой фазами. Поэтому жидкость течет вниз от первой тарелки через первые сливные стаканы на вторую тарелку и обычно пересекает зону массообмена. Такие зоны массообмена в литературе называются активными зонами тарелки. Зоны массообмена такой тарелки обеспечивают тесный контакт парожидкостной смеси, когда жидкость проходит через такую зону массообмена. Через эти массообменные зоны пар течет вверх сквозь проемы в деке тарелки для взаимодействия и массообмена с жидкостью. Затем жидкость сливается с тарелки через сливные стаканы.

Обычное расположение сливных стаканов в тарелке является расположением по хорде. Сливные стаканы согласно такому расположению по хорде пресекают поперечное сечение тарелки вдоль линии хорды, которая является линией, делящей поперечное сечение тарелки на два участка. Линия самой длинной хорды тарелки является ее диаметром.

Тарелки с многочисленными сливными стаканами отличаются от тарелок со сливными стаканами, расположенными по хордам, расположением сливных стаканов, а также, как правило, количеством сливных стаканов на тарелке. Отдельные сливные стаканы не проходят по хорде от одной стороны колонны до другой стороны. Таким образом, их продольное протяжение, то есть их длина в направлении, параллельном отрезку хорды, меньше чем отрезок хорды. Каждый из сливных стаканов простирается на некоторую ширину, причем эта ширина определяется как расстояние перпендикулярно плоскости, содержащей деку тарелки. Они отличаются большой длиной выходной сливной перегородки, что выгодно для работы при высокой скорости жидкости. Выходная сливная перегородка определяется как перегородка, которая ограничивает активную зону на своем конце, находящемся ниже по течению, где жидкость покидает деку тарелки и попадает в сливной стакан.

Сливные стаканы обычно имеют форму усеченного конуса, т.е. сливные стаканы первой тарелки оканчиваются на уровне выше выходной сливной перегородки, которая представляет собой верхний гребень сливных стаканов второй, нижерасположенной тарелки. Такие сливные стаканы в форме усеченного конуса обычно закрыты уплотнительной пластиной на дне. Уплотнительная пластина имеет отверстие для пропускания жидкости на вторую тарелку, расположенную под ней. Размер отверстия выбирают так, что динамическое сопротивление гарантирует минимальный уровень жидкости в сливном стакане.

Расположение сливных стаканов на тарелках, имеющих расположение стаканов по хордам, таково, что активная зона разделена на множество подзон, отделенных друг от друга сливными стаканами. Подзоны представляют собой проточные каналы. Расположение многочисленных сливных стаканов на тарелке с многочисленными сливными стаканами отличается от описанного, поскольку проточные каналы каждой части активной зоны соединены таким образом, что жидкий компонент, в принципе, может двигаться в любую часть активной зоны такой тарелки с многочисленными сливными стаканами. Поэтому активные зоны находятся в гидравлическом равновесии друг с другом, вследствие чего обеспечивается более робастная конструкция, менее подверженная неправильному распределению жидкости.

Проблема, связанная с известным уровнем техники, касается плоскостности тарелки. Вес тарелок - в дополнение к жидкостной нагрузке при эксплуатации - обуславливает приложение к тарелке значительной силы, которую тарелка должна выдержать. В конкретных тарелках для колонн с большими диаметрами колонн появляется необходимость выдерживать жидкостную нагрузку значительной величины и вес самой тарелки.

По этой причине узел тарелки с многочисленными сливными стаканами, как показано в документе US 5702647, содержит несущие дефлекторы, простирающиеся вдоль, по меньшей мере, некоторых из сливных стаканов для их поддержания. Множество установочных элементов крепят сливные стаканы к несущим дефлекторам, а, по меньшей мере, два сливных стакана расположены на расстоянии друг от друга конец к концу в пределах одной из тарелок, образуя участок перемычки активной зоны, расположенный между их концами. Эта конструкция позволяет восходящему пару течь через перемычку, что увеличивает активную зону тарелки. Тарелки также опираются на несущее кольцо башни, простирающееся в окружном направлении вокруг них. В еще одном примере осуществления согласно документу US 5702647 единственный непрерывный несущий дефлектор простирается вдоль одного конца к другому концу, пока не достигает несущего кольца башни, поддерживая сливные стаканы. В этой связи отметим, что тарелка согласно документу US 5702647 напоминает обычную тарелку со сливным стаканом, расположенным по хорде. Промежуточная область единственного непрерывного несущего дефлектора открыта для пропускания через нее участка перемычки и облегчения течения жидкости через нее для балансировки потока жидкости на тарелке. Этот участок перемычки взаимно соединяет каналы жидкости и тем самым делает тарелку со сливным стаканом согласно документу US 5702647 тарелкой с многочисленными сливными стаканами. Из вышеизложенного описания неявным образом следует, что распределение жидкости на такой тарелке может не быть равномерным, а это может быть результатом отклонений несущего дефлектора под нагрузкой тарелки и сливных стаканов, а также под нагрузкой жидкости, распределенной по верхней поверхности тарелки.

Дополнительная проблема, которая может быть связана с предлагаемым участком перемычки, заключается в том, что участок перемычки фактически влияет на ослабление несущей конструкции. Во всех примерах осуществления, иллюстрирующих такой участок перемычки, он расположен в центральной части тарелки, а значит - в зоне, подвергающейся воздействию наибольших тепловых напряжений из-за отклонения. Следовательно, при дополнительном обеспечении опоры для тарелки предложенное решение является неподходящим для того, чтобы ограничивать ее отклонение.

В качестве альтернативного решения для тарелки с многочисленными сливными стаканами предложены несущие балки для поддержания панелей, образующих тарелку и для гарантии ее горизонтальной ориентации и плоскостности. Такие несущие балки проиллюстрированы, например, в документе GB 1422131, и они необходимы, в частности, для больших тарелок с диаметрами от 3 мм и более. По меньшей мере, одна из несущих балок пересекает тарелку, а это в общем случае приводит к уменьшению зоны массообмена. Поэтому помимо зоны, зарезервированной для сливных стаканов, часть тарелки не используется для массообмена. Как следствие, емкость тарелки уменьшится. Емкость тарелки можно определить как точку максимальной пропускной способности через колонну. Пропускная способность определяется максимальной допустимой скоростью газа при заданной жидкостной нагрузке. Поскольку газ вынужден проходить через зону массообмена и жидкость на тарелке, скорость значительно увеличится, если имеющаяся свободная зона для прохождения газа уменьшится. Более высокая скорость вызывает повышенное «увлечение», причем этот термин относится к режиму течения, при котором капли жидкости увлекаются кверху потоком газа вместе с ним, а это, во-первых, имеет результатом пену пониженной плотности и увеличенной высоты, а во-вторых, приводит к эффектам канализации, неправильному распределению и пониженной эффективности массообмена. При эксплуатации колонна, в конце концов, заполнится жидкостью, поскольку жидкость, переносимая вверх за счет увлечения, накапливается в колонне, что препятствует ее течению вниз и сливу, который должен происходить со временем.

Теоретически режим массообмена изменяется таким образом, что на завершающей стадии это приводит к режиму, напоминающему режим барботажной колонны. При этом сценарии пузырьки газа поднимаются вверх через жидкость, заполнившую колонну. Имеющаяся поверхность раздела газа и жидкости, получающаяся в результате массообмена при таком режиме, резко уменьшается. Из-за большого перепада давления, высокой способности к задержке жидкости и низкого массообмена этот режим никогда не допускается в практике дистилляции.

Как показано во всех приведенных ранее примерах, большой диаметр колонны, т.е. свыше трех метров, требует наличия несущих балок для тарелок, поскольку тарелка могла бы отклоняться из-за собственного веса и вследствие жидкостной нагрузки, обусловленной жидкой фазой, которая покрывает тарелку при эксплуатации. Поэтому отклонение тарелки обычно ограничено техническими нормативами тарелок, предназначенными для изготовителей тарелок. В соответствии со стандартными техническими нормативами, отклонение узлов тарелок под действием рабочих нагрузок будет ограничено в типичном случае величиной 1/800 внутреннего диаметра колонны. Узлы тарелок будут способны выдерживать свой собственный вес и концентрированную нагрузку, в типичном случае - величиной 1000 Н, при любых фермах на тарелке при температуре окружающей среды. Максимальное механическое напряжение, допустимое при этом условии, в типичном случае составляет 67% предела текучести при температуре окружающей среды.

Такие несущие балки, как предложенные в документе GB 1422131, также представляют собой предпочтительное решение в связи с обычными конструкциями сливных стаканов, расположенных по хорде. Сливные стаканы, расположенные по хорде, в частности, когда их используют в сочетании с большим диаметром колонны, поддерживаются несущими балками. Вместе с тем, в документе GB 1422131 раскрыто особое расположение многочисленных сливных стаканов, которое, как обнаружилось, целесообразно для достижения большой емкости. В отличие от обычных тарелок со сливными стаканами, расположенными по хорде, сливные стаканы, соответствующие документу GB 1422131, не проходят от одной стороны тарелки до другой стороны. Они оканчиваются невдалеке от центральной линии тарелки, вследствие чего образуются три ряда сливных стаканов. Возможны конструкции с двумя или более чем с тремя такими рядами. Сливные стаканы соседних рядов одной и той же тарелки расположены в шахматном порядке. Такие сливные стаканы могут поддерживаться несущим кольцом на одной стороне, а на другой стороне, которая находится у центральной линии в случае двухрядной конструкции, обязательна несущая балка. Такая обычная несущая балка проходит из конца в конец вдоль линии хорды перпендикулярно ориентации сливного стакана тарелки и прикреплена к окружному кольцу и/или стенке колонны. Сливные стаканы прикреплены в поперечном направлении, то есть вдоль их ширины, к несущей балке или окружному кольцу. В частности, для колонн с диаметрами свыше 3 м ряд сливных стаканов состоит из множества сливных стаканов, за которыми следует множество частей зоны массообмена. В случае колонн малого диаметра ряд состоит, по меньшей мере, из одного сливного стакана, окруженного частями зоны массообмена. Если смотреть в направлении ряда, то за сливным стаканом следует часть зоны массообмена. Если смотреть в направлении, перпендикулярном каждому ряду, то за сливным стаканом также следует часть зоны массообмена, за исключением сливных стаканов, расположенных рядом со стенкой колонны. Таким образом, сливные стаканы соседних рядов расположены в шахматном порядке.

Для того чтобы удовлетворить требования к плоскостности, предъявляемые к тарелке, такое шахматное расположение сливных стаканов каждого соседнего ряда, как рассмотренное до сих пор, возможно только при условии, что боковые стороны сливных стаканов прикреплены к несущей балке, как проиллюстрировано в документе GB 1422131.

Основное внимание при проектировании тарелок всегда уделялось как можно более экономичному использованию листового металла для как можно большего снижения затрат на материалы и веса внутренних компонентов колонны. Это стало причиной использования несущей балки, которую вследствие вышеизложенного рассматривали как наилучшее практическое решение.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать тарелку большой емкости с многочисленными сливными стаканами, обладающую увеличенной зоной массообмена. Неожиданно оказывается, что решение, требующее больше материала для панелей массообмена и надставочных элементов, приводит к более экономичному решению. Даже если потребляется больше материала для сооружения панелей массообмена и надставочных элементов, это компенсируется отсутствием отдельной несущей балки или меньшим количеством несущих балок в случае колонн с большими диаметрами.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать несущую конструкцию меньшего веса, в частности, для колонны большого диаметра.

В общем, изобретение предлагает тарелку большой емкости с многочисленными сливными стаканами, в которой сливные стаканы являются частью несущей конструкции для поддержания отклонения поверхности тарелки в допустимых пределах.

Тарелка с многочисленными сливными стаканами для массообменной колонны содержит зону массообмена и множество сливных стаканов для сбора и слива текучей среды с тарелки, причем каждому из сливных стаканов придана форма канала для потока текучей среды. Каждый канал ограничен парой боковых стенок и торцевой стенкой, соединяющей упомянутые боковые стенки, так что каждая торцевая стенка каждого сливного стакана крепится к надставочному элементу. Сливной стакан и надставочный элемент вместе проходят от первого несущего средства стенки колонны до второго несущего средства стенки колонны. При применении текучая среда, содержащая более тяжелую жидкость, нисходит по упомянутой колонне, и газ или более легкая жидкость восходят по упомянутой колонне. В качестве дополнительного преимущества можно ограничиться отдельной несущей балкой.

Первый сливной стакан упомянутого множества сливных стаканов предпочтительно расположен в параллельной ориентации относительно второго сливного стакана упомянутого множества сливных стаканов, в частности, при этом на тарелке расположены, по меньшей мере, 4 сливных стакана. Надставочный элемент преимущественно имеет конфигурацию части зоны массообмена для увеличения доли зоны массообмена на поверхности тарелки.

В предпочтительном примере осуществления надставочный элемент состоит из тела панели и по меньшей мере одной лапы, соединенной с упомянутым телом панели зависимым образом. Тело панели может быть приподнятым относительно зоны массообмена или утопленным относительно зоны массообмена для простого соединения панелей зоны массообмена с надставочным элементом.

Лапа простирается, по существу, в направлении вниз относительно зоны массообмена, а под углом относительно упомянутой лапы расположена ножка для достижения повышенной устойчивости.

В преимущественном примере осуществления тело панели может содержать, по меньшей мере, одну стяжку и, по меньшей мере, одну наклонную поверхность, проходящую от упомянутой стяжки до упомянутой лапы, вследствие чего поток жидкости быстрее и равномернее разделяется, попадая в зону массообмена рядом с надставочным элементом.

Примеры осуществления изобретения дают конкретные преимущества, если диаметр тарелки составляет, по меньшей мере, 3 метра.

Множество сливных стаканов расположены во множестве рядов, так что в каждом ряду боковые стенки соседних сливных стаканов обращены друг к другу, а сливные стаканы соседних рядов расположены в шахматном порядке.

В зоне массообмена предусмотрен лаз для обеспечения доступа для осмотра или технического обслуживания тарелки снизу. Сливные стаканы преимущественно снабжены съемными непереливными дефлекторами для обеспечения перемещения человека между соседними подзонами тарелки. Эти непереливные дефлекторы обычно предусматриваются для нацеливания и направления потока жидкости с каждой боковой стороны в сливной стакан и предотвращения брызг, которые могут усилить увлечение восходящим потоком газа.

Сливной стакан и надставочный элемент могут быть предварительно напряжены. В качестве альтернативы или дополнения к этому, сливной стакан и/или надставочный элемент могут включать в.себя упрочняющие средства. По меньшей мере, один из сливных стаканов может быть сливным стаканом в форме усеченного конуса. Зоны массообмена взаимно соединены, что обеспечивает балансировку потока текучей среды на тарелке.

Такие тарелки целесообразны, в частности, для расположения в тепло- и массообменной колонне.

Еще одним аспектом изобретения является применение вышеуказанной колонны для процесса теплового разделения, обеспечивающего разделение смесей текучих сред на их компоненты или смеси компонентов посредством дистилляции, абсорбции или экстракции.

Эти и другие задачи изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания, приводимого в связи с прилагаемыми чертежами, при этом:

на фиг.1а показано известное техническое решение для тарелки с многочисленными сливными стаканами, имеющей несущие дефлекторы;

на фиг.1b показан дополнительный пример тарелки с многочисленными сливными стаканами, соответствующей известному уровню техники;

на фиг.1с показан вид сверху обычной тарелки со сливными стаканами, расположенными по хордам, в соответствии с известным уровнем техники;

на фиг.1d-1f показаны сечения на видах сбоку тарелки, соответствующие сечению А-А согласно фиг.1с;

на фиг.2а изображен вид в перспективе на тарелку, соответствующую первому примеру осуществления этого изобретения;

на фиг.2b представлено сечение на виде сбоку тарелки согласно фиг.2а, соответствующее сечению В-В согласно фиг.2а;

на фиг.2с изображена тарелка, соответствующая второму примеру осуществления этого изобретения, на виде сверху;

на фиг.2d изображена тарелка, соответствующая второму примеру осуществления этого изобретения, на виде сверху;

на фиг.3а показан первый пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а;

на фиг.3b показан вид сверху на примере осуществления согласно фиг.3а;

на фиг.3с показан вариант первого примера осуществления надставочного элемента согласно изобретению;

на фиг.3d показан вариант согласно фиг.3с со сливным стаканом в форме усеченного конуса;

на фиг.4а показан второй пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а;

на фиг.4b показан вид сбоку на пример осуществления согласно фиг.4а;

на фиг.4с показан вариант первого примера осуществления;

на фиг.4d показан вариант согласно фиг.3с со сливным стаканом в форме усеченного конуса;

на фиг.5 показано сочетание сливного стакана с надставочным элементом, соответствующее третьему примеру осуществления;

на фиг.6а показан четвертый пример осуществления, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а;

на фиг.6b показан вид сбоку на пример осуществления согласно фиг.6а;

на фиг.7а показан пятый пример осуществления, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а;

на фиг.7b показан вариант пятого примера осуществления в соответствии с фиг.7а;

на фиг.8а показан шестой пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С на фиг.2а;

на фиг.8b показан вид сбоку варианта осуществления изобретения по фиг.8а;

на фиг.9а показан вид в перспективе упрочняющих средств для повышения устойчивости сливного стакана;

на фиг.9b показан вид в перспективе второго варианта упрочняющих средств для повышения устойчивости сливного стакана;

на фиг.9с показан вид в перспективе третьего варианта упрочняющих средств для повышения устойчивости сливного стакана.

На фиг.1а показана тарелка 101 с многочисленными сливными стаканами, соответствующая первому примеру осуществления согласно известному уровню техники. Тарелка 101 с многочисленными сливными стаканами снабжена множеством сливных стаканов 103, расположенных по отрезку хорды тарелки. Сливные стаканы расположены параллельно друг другу. Первые сливные стаканы расположены вдоль отрезка первой хорды. Эти первые сливные стаканы отделены от соседних, вторых сливных стаканов, расположенных по отрезку второй хорды, параллельному упомянутому отрезку первой хорды, панелями 104. Панели 104 образуют зону массообмена тарелки - так называемую активную зону. Жидкость на поверхности тарелки находится в тесном контакте с паром, восходящим через отверстия, предусмотренные в панели 104. Каждый сливной стакан 103 вдоль отрезка соответствующей хорды может быть подразделен на две части промежуточным участком 105 перемычки и расположен вместе с несущей перегородкой 106, проходящей непрерывно к стенке 107 колонны. К стенке колонны крепится окружное несущее кольцо 108, чтобы обеспечить опору для несущего дефлектора.

На фиг.1b показана тарелка 201 с многочисленными сливными стаканами, соответствующая второму примеру осуществления согласно известному уровню техники, при этом показаны многочисленные ряды сливных стаканов 203. Сливные стаканы 203 согласно этому примеру осуществления поддерживаются одной или более балками 205, пересекающими колонну. Сливные стаканы 203 поддерживаются этими несущими балками и окружным кольцом 208, прикрепленным к стенке колонны. Сливные стаканы соседних рядов расположены в шахматном порядке. За каждым сливным стаканом в ряду следует часть зоны массообмена. Зона 204 массообмена образована панелями, расположенными в свободном пространстве между сливными стаканами 203 или между сливными стаканами и окружным кольцом 208. Панели поддерживаются балкой 205, а возможно - и несущими средствами (не показаны), предусмотренными на боковых сторонах (221, 222) сливных стаканов 203, и окружным кольцом 208. Каждый из сливных стаканов, принимающий жидкость с первой боковой стороны 221 и второй боковой стороны 222, содержит непереливной дефлектор 209. Непереливной дефлектор 209 разделяет потоки жидкости, поступающие с первой и второй боковой сторон, и способствует направлению жидкости на тарелку, расположенную снизу.

На фиг.1с показана обычная тарелка 301 со сливными стаканами, являющаяся, например, четырехпроходной тарелкой. Сливные стаканы 303, 309, 310 при таком расположении по хордам пересекают поперечное сечение тарелки вдоль линии хорды, которая является линией, делящей поперечное сечение тарелки на два участка. Они поддерживаются множеством балок 305, расположенных по линиям хорд, которые проходят перпендикулярно линиям хорд сливных стаканов 303, 309, 310. Линия самой длинной хорды тарелки является ее диаметром. На фиг.1с показаны три таких сливных стакана. Каждый сливной стакан проходит вдоль линии хорды к окружному кольцу 308 для поддержания сливного стакана внутри колонны. Окружное кольцо 308 крепится к стенке колонны (не показана). Каждый из сливных стаканов простирается на некоторую ширину 306, которая представляет собой поперечное протяжение линии хорды, и на некоторую высоту 311, которая определяется как расстояние, перпендикулярное плоскости, содержащей тарелку, как показано на каждой из фиг.1d, 1e, 1f, на которых представлены сечения вдоль линии А-А согласно фиг.1с.

Компоновка сливных стаканах на тарелках, имеющих сливные стаканы, расположенные по хордам, такова, что зона 304 массообмена разделена на множество подзон (304А, 304В, 304С, 304D), отделенных друг от друга сливными стаканами или входной зоной (312А, 312В), которая представляет собой зону под сливным стаканом вышерасположенной тарелки, частично показанным на фиг.1d. Подзоны (304А, 304В) и входная зона (312А) представляют собой проточный канал. Подзоны (304С, 304D) и входная зона (312В) представляют собой другой проточный канал. Однако в тарелке со сливными стаканами, расположенными по хордам, как показано на фиг.1с, жидкий компонент может двигаться только между выпускными сливными перегородками (313А, 313В 314А, 314В), окружающими соответствующий проточный канал. В любом из примеров осуществления, соответствующих фиг.1с, 1d, 1e, 1f, любое перекрестное течение в любой другой проточный канал невозможно. Следовательно, такая конструкция со сливными стаканами, расположенными по хордам, оказывается неподходящей, если желательно предусмотреть обмен, по меньшей мере, частью жидкости, присутствующей на тарелке при эксплуатации, между разными проточными каналами, тем самым внося вклад в создание более однородных условий массообмена по всей поверхности тарелки. Фиг.1е и 1f иллюстрируют разные подробности входных зон (312А, 312В). Входная зона 312А согласно фиг.1d огорожена первой и второй поперечной входной сливной перегородкой (315А, 315В), входная зона 312В согласно фиг.1d огорожена первой и второй поперечной сливной перегородкой (316А, 316В). На фиг.1е показан пример осуществления, для которого не нужно предусматривать сливные перегородки, которые огораживают сливные зоны (312А, 312В). Каждая из входных зон (312А, 312В) образована панелью, которая поддерживается несущим элементом (317А, 317В, 318А, 318В). На фиг.1f показана конструкция, аналогичная фиг.1е применительно к входным зонам, однако первая и вторая боковые входные сливные перегородки (315А, 315В, 316А, 316В) также предусмотрены. Боковые сливные перегородки можно крепить с возможностью открепления в зависимости от характеристик потока жидкости. Отверстие слива из сливного стакана 319 вышерасположенной тарелки может оканчиваться на уровне, который ниже уровня высоты боковых сливных перегородок (315А, 315В, 316А, 316В), так что обеспечивается гидравлический затвор. Под гидравлическим затвором понимается, что вся входная зона (312А, 312В) покрыта жидкостью до высоты сливной перегородки, а боковая стенка сливного стакана вышерасположенной тарелки заходит в жидкость. Тем самым можно избежать попадания восходящего газа в сливной стакан через отверстие 320 слива, поскольку отверстие 320 слива погружено в жидкость при эксплуатации. Этот пример осуществления, соответствующий фиг.1f, предпочтителен, в частности, обеспечением хорошего разделения между газовой и жидкой фазами в сливном стакане 319. Расположение многочисленных сливных стаканов на тарелке с многочисленными сливными стаканами, соответствующее примерам осуществления, описываемым ниже, отличается от вышеописанного, поскольку проточные каналы каждой части зоны массообмена соединены таким образом, что жидкий компонент, в принципе, может перемещаться в любую часть зона массообмена тарелки с многочисленными сливными стаканами.

На фиг.2а изображена тарелка 1 с многочисленными сливными стаканами, соответствующая изобретению и расположенная внутри колонны 2, такой как колонна с массообменом, лишь окружной участок которой показан. Тарелка 1 содержит зону 4 массообмена, которая лишь частично показана на этом чертеже, и множество сливных стаканов 3. Сливные стаканы, которые обеспечивают сбор и слив текучей среды с тарелки 1, тем самым работая как средства слива текучей среды. Каждый из сливных стаканов имеет форму канала 9, ограниченного парой боковых стенок (21, 22) передней торцевой стенки 23 и/или задней торцевой стенки 24, соединяющей упомянутые боковые стенки (см. фиг.2b). Верхние края упомянутых боковых стенок, передней торцевой стенки и/или задней торцевой стенки образуют верхний гребень 25, а нижние края упомянутых боковых стенок, передней торцевой стенки и/или задней торцевой стенки образуют нижний гребень 26. Верхний гребень 25 (который можно рассматривать как выходную сливную перегородку) ограничивает отверстие для текучей среды, через которое та попадает в упомянутый канал 9, а нижний гребень 26 ограничивает отверстие для текучей среды, через которое та покидает упомянутый канал 9, или обеспечивают средства крепления для настила сливных стаканов с отверстиями, как показано на фиг.2b, через которые текучая среда может покидать канал 9.

Аналогично расположению, показанному на фиг.1b, может быть предусмотрен непереливной дефлектор (не показан). По меньшей мере, одна из передней и задней торцевых стенок каждого сливного стакана выполнена с возможностью крепления к надставочному элементу 5, который простирается продольно от сливного стакана 3. Сливной стакан 3 и надставочный элемент 5 вместе проходят от первого несущего средства 6 стенки колонны до второго несущего средства 7 стенки колонны. Несущее средство 6 стенки колонны и несущее средство 7 стенки колонны могут быть частью надставочного элемента 5 или могут крепиться к торцевой стенке 24 сливного стакана 3.

На фиг.2а и 2b показано, что окружное кольцо 8 прикреплено к внутренней стенке колонны 2, и каждый стакан 3 имеет периферийный фланец (несущее средство стенки 6) на задней торцевой стенке 24, которая опирается на окружное кольцо 8. Периферийный фланец 6 также простирается вдоль каждой боковой стенки 21, 22 для размещения пластин зоны 4 массообмена. Надставочный элемент 5 имеет конец (несущее средство 7 стенки), которое опирается на окружное кольцо 8 и противоположный конец, который прикреплен посредством крепежных средств, имеющих угловую форму к передней стенке 23 сливного стакана 3. Как показано на фиг.2b, сливной стакан 3 и надставочный элемент 5 образуют конструкционный узел, подобный конструкционной балке, которая простирается хордально через колонну 2, чтобы опереться на концы окружного кольца 8 и образовать единую опорную структуру для панелей зоны 4 массобмена. Таким образом, сливной стакан 3 и надставочный элемент 5 вместе выполняют функцию упрочняющего профиля. Кроме того, в сочетании с упрочняющим профилем, состоящим из надставочного элемента и сливного стакана 3, можно предусмотреть балку для дополнительного усиления, в частности, когда сочетание сливного стакана 3 и надставочного элемента 5, описанное выше, используется в колонне с большим диаметром. Для таких колонн, которыми обычно называют колонны диаметрами три метра и более, можно предусмотреть множество рядом сливных стаканов 3.

На фиг.2с показаны два ряда сливных стаканов. В каждом ряду сливные стаканы 3 и надставочные элементы 5 следуют в изменяющейся последовательности. На фиг.2с первый и второй ряды сливных стаканов показаны в горизонтальном направлении. Сливные стаканы соседних рядов расположены в шахматной компоновке, поскольку каждый ряд обладает признаком изменяющейся последовательности сливного стакана и надставочного элемента. Любое пространство, которое не покрыто сливными стаканами или надставочными элементами, является частью зоны 4 массообмена.

Тарелка, имеющая сливные стаканы, расположенные в шахматной компоновке, показанной на фиг.2с или 2d, собирают жидкость на тарелке равномерно и собирают ее для транспортировки в тарелку, расположенную под указанной. Для получения равномерного распределения жидкости на тарелке, находящейся снизу, сливные стаканы предпочтительно расположены параллельно друг другу. Таким образом, каждый сливной стакан принимает приблизительно одно и то же количество жидкости, поскольку среднее расстояние, которое жидкости приходится преодолевать по поверхности тарелки, является приблизительно одним и тем же, тем самым обеспечивая равномерное распределение жидкости по поверхности тарелки и равномерный слив на тарелку, расположенную ниже. Все зоны 4 массообмена взаимно связаны, что обеспечивает балансировку потока жидкости на тарелке. Этим достигается робастная конструкция, менее подверженная эффектам неправильного распределения по сравнению с конструкцией со сливными стаканами, расположенными по хордам.

На фиг.2d показана тарелка, имеющая три ряда сливных стаканов 3. В этом примере осуществления дополнительно показано, что каждый сливной стакан 3 может крепиться к двум надставочным элементам 5, как показано для центрального ряда. Зона 4 массообмена в своей простейшей форме представляет собой панель или совокупность панелей, содержащих перфорационные отверстия в свободной зоне между сливным стаканом и надставочным элементом. Кроме того, как показано, панели зоны 4 массообмена либо простираются на всю ширину ряда, либо дополнительно подразделены для центрального ряда.

На фиг.2а часть зоны массообмена не показана, чтобы было лучше видно несущую конструкцию для панелей и несущие конструкции для сливных стаканов и надставочных элементов. Длину и количество сливных стаканов можно изменять в соответствии с требуемой пропускной способностью для жидкости. Любое пространство упрочняющего профиля, которое не требуется для сливного стакана, может быть покрыто надставочным элементом. Надставочный элемент может быть снабжен отверстиями для обеспечения прохождения газа, тем самым внося вклад в зону массообмена.

Панели зоны 4 массообмена прикреплены с возможностью открепления к несущим конструкциям. Поэтому панели центрального ряда можно легко поднять для получения доступа к тарелке, расположенной ниже. Поднимая панели центрального ряда и размещая их поверх панелей вышележащего или нижележащего ряда (положение, показанное на чертеже), или поворачивая панели вокруг оси или отгибая их в сторону, обеспечивают лаз (проход для пользователя). Такое расположение, в частности, выгодно для увеличенных диаметров колонн. Количество и расположение лазов вносит вклад не только в затраты на сооружение, но и в затраты на эксплуатацию и обслуживание. Поэтому количество лазов следует поддерживать минимальным. Использование тарелки с многочисленными сливными стаканами, соответствующей любому из чертежей на фиг.2а-2d, делает возможным уменьшение количества лазов. Требуется лишь по одному лазу на ряд сливных стаканов. Если сливные стаканы оснащены непереливными дефлекторами, эти непереливные дефлекторы предпочтительно являются подвижными или крепящимися с возможностью открепления к сливным стаканам. Таким образом, обнаруживается дополнительное преимущество изобретения. Известное техническое решение, показанное, как пример, на фиг.1а и 1b, содержит несущие конструкции, которые представляют собой несущие дефлекторы на фиг.1а и балки на фиг.1b, которые могут ограничить доступ к тарелке только ее участком. Это означает, что для примера осуществления, соответствующего фиг.1а, приходится предусматривать множество лазов, так как доступ можно получить лишь к части между двумя соседними дефлекторами, что вносит определенную сложность в конструкцию, соответствующую фиг.1а. В соответствии с изобретением, под надставочными элементами предусмотрен проход, что обеспечивает единственный лаз в верхней тарелке, а тарелка, расположенная ниже, доступна по всей ее поверхности. Проход под надставочными элементами оказывается возможным потому, что надставочный элемент имеет малую высоту. Следовательно, расстояние между надставочным элементом и соседней тарелкой, расположенной ниже, обеспечивает доступ для обслуживания или чистки тарелок.

Дополнительное преимущество изобретения заключается в том, что конструкцию можно легко модифицировать, если после изменения надлежит использовать сливной стакан другой высоты при эксплуатации колонны, например, это может быть изменение отношения «газ - жидкость» или профиля температуры и т.п. Единственная модификация, необходимая в таком случае, это подрезание надставочного элемента до подходящей высоты или замена надставочного элемента надставочным элементом большей высоты в дополнение к замене сливного стакана. Следовательно, упрочняющий профиль, соответствующий изобретению, увеличивает гибкость тарелки при эксплуатации.

Общая ось сливного стакана 3 и надставочного элемента 5 представляет собой отрезок хорды поперечного сечения колонны. Все оси, определенные так, как указано выше, параллельны друг другу при компоновке тарелки, показанной на фиг.2а-d. Оси, образованные отрезками хорд соседней тарелки, также параллельны друг другу, как в примере, показанном на фиг.1а, однако они не обязательно располагаются непосредственно под соответствующей осью верхней тарелки, а располагаются в шахматном порядке относительно упомянутой оси. Это расположение в шахматном порядке обладает преимуществом, заключающимся в том, что жидкость, сливаемая из вышерасположенного стакана, поступает в зону массообмена 4, а не проходит прямо в сливной стакан, расположенный ниже, что должно привести к канализации потоков жидкости и газа, тем самым значительно уменьшая контакт между фазами восходящего газа и нисходящей жидкости, а значит - и значительно уменьшая массообмен до субоптимальной величины. Вместо этого расположения в шахматном порядке осей, образованных отрезками хорд, совокупности сливных стаканов и надставочных элементов соседних тарелок можно располагать под углом друг к другу, в частности, их расположение может быть крестообразным (не показано на чертежах).

На фиг.3а и 3b показан первый пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а. На фиг.3а показана часть зоны массообмена, такой как перфорированная панель 12. На фиг.3b показан вид сверху на часть надставочного элемента 5, а также на перфорированную панель 12. Надставочный элемент 5 предпочтительно выполнен в виде открытого профиля, что обеспечивает оптимальную устойчивость при минимальном количестве материала, необходимого для изготовления профиля. Надставочный элемент 5 может также содержать перфорационные отверстия 13 в теле 16 панели. Таким образом, обнаруживается дополнительное преимущество изобретения. Надставочный элемент можно использовать почти полностью как зону массообмена, вследствие чего фаза восходящего газа проходит через перфорационные отверстия 13. Такая тарелка обладает повышенной емкостью, поскольку вся площадь поперечного сечения колонны за вычетом площади, занимаемой сливными стаканами 3, и площади, занимаемой средствами 6, 7 крепления к стенке колонны, используется в качестве зоны массообмена. Надставочный элемент 5 в этом примере осуществления состоит из планарного тела 16 панели и пары соответсвующих боковых лап 14, которые могут оканчиваться ножками 15, которые могут быть наклонены относительно упомянутых лап 14 для придания дополнительной устойчивости надставочному элементу.

На фиг.3с показан вариант примера осуществления, представленного на фиг.3а и 3b. В этом варианте тело 16 панели имеет боковые впадины 28 для приема перфорированных панелей 12. Этот пример осуществления дает преимущество, поскольку уровень жидкости над перфорированными панелями 12 и телом 16 панели надставочного элемента 5 является одинаковым. Таким образом, условия массообмена над перфорированными панелями 12 и телом 16 панели приблизительно одинаковы или сравнимы.

На фиг.3d показан вариант согласно фиг.3с, включающий в себя сливной стакан 29 в виде усеченного конуса. В этом случае тело 16 панели, по существу, не содержит перфорационные отверстия, чтобы избежать эффектов просачивания жидкости. Вместе с тем, сливные стаканы в виде усеченного конуса можно сочетать с перфорационными отверстиями на входной зоне снизу, тем самым увеличивая активную зону.

В отличие от сливного стакана в форме усеченного конуса, не имеющие форму усеченного конуса сливные стаканы или обычные сливные стаканы проходят вниз до уровня, который ниже верхнего гребня выходной сливной перегородки. Как следствие, уровень пены обычно оказывается выше, чем отверстие слива из сливного стакана, так что отверстие слива заходит в жидкость. Вследствие этого обеспечивается гидравлический затвор, препятствующий какому бы то ни было течению газа вверх через сливной стакан 3, а также гарантирующий, что отверстие слива из сливного стакана никогда не станет сухим. Поэтому размер отверстия слива влияет на скопление жидкости в сливном стакане, а значит и на емкость тарелки.

На фиг.4а и 4b показан второй пример осуществления надставочного элемента 5, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а. Второй пример осуществления отличается от ранее описанного примера осуществления лишь тем, что предусматривается установка в приподнятом положении относительно перфорированной панели 12. Тело 16 панели, а также часть 17 лапы 14 простираются выше уровня перфорированной панели 12. Часть 17 лапы 14 может содержать отверстия 18 для обеспечения прохождения сквозь них газа или жидкости меньшей плотности, чем жидкость на перфорированной панели 12. Такой поток в тангенциальном направлении к упомянутой перфорированной панели 12 может способствовать движению жидкости на перфорированной панели по направлению к ближайшему сливному стакану 4 (см. фиг.2а-2d).

В тарелках с многочисленными сливными стаканами, таких как тарелки согласно примерам осуществления, соответствующим фиг.4а или 4b, обычно используются сливные стаканы в форме усеченного конуса. Нижний конец такого сливного стакана в форме усеченного конуса снабжен уплотнительной пластиной, и она находится на уровне, который выше уровня выходных сливных перегородок, возвышающихся над соседними сливными стаканами тарелки, расположенной ниже.

На фиг.5 показан третий пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а. В этом примере осуществления, который обычно сочетается со сливными стаканами, не имеющими форму усеченного конуса, уровень тела 16 панели ниже, чем уровень перфорированных панелей 12 активной зоны. Такую компоновку можно использовать для увеличения объема сливного стакана путем увеличения высоты сливного стакана. Увеличение высоты обычно улучшает разделение газовой и жидкой фаз, поскольку увеличивается время пребывания в сливном стакане. Кроме того, тело 16 панели может иметь наклон к сливному стакану, чтобы способствовать течению жидкости к тарелке, расположенной ниже.

На фиг.6а и 6b показан четвертый пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а. Этот пример осуществления отличается от фиг.4а лишь тем, что тело 16 панели содержит, по меньшей мере, одну стяжку 19. Поверхность тела 16 панели, проходящая от стяжки 19 до уровня перфорированной панели 12, наклонена и может содержать отверстия 20, как показано на фиг.6b. Этот пример осуществления полезен, в частности, как средство, способствующее пенообразованию.

На фиг.7а и 7b показан пятый пример осуществления, соответствующий сечению С-С согласно фиг.2а. Этот пример осуществления отличается от фиг.6а тем, что в теле 16 панели нет никакого планарного участка. Для разделения и направления потока жидкости, поступающего из сливного стакана тарелки, расположенной выше, которой принадлежит надставочный элемент, как показано на фиг.7а, предусмотрена центральная стяжка 21. Кроме того, несущий элемент 27 угловой формы закреплен вдоль каждой соответствующей лапы для размещения на ней панели 12 зоны массообмена.

На фиг.7b показана лишь незначительная модификация опоры панелей 12 на надставочном элементе 5. Это решение обладает преимуществом, заключающимся в том, что надставочный элемент 5 может быть изготовлен из единой детали, без необходимости последующей сборки несущего элемента 27, для варианта осуществления изобретения по фиг.7а.

На фиг.8а и 8b показан шестой пример осуществления надставочного элемента, соответствующий сечению С-С на фиг.2а. Надставочный элемент 5 в этом случае имеет форму закрытого профиля, которая обеспечивает еще большую устойчивость при минимальном количестве материала, необходимого для изготовления этого профиля. Надставочный элемент 5 также может содержать перфорационные отверстия 13 в теле 16 панели, тем самым обеспечивая то же преимущество, что и в примерах осуществления, соответствующих фиг.3а-3с. Надставочный элемент 5 в этом примере осуществления состоит из планарного тела 16 панели и боковых лап 14, которые наклонены относительно вертикального направления, соответствующего оси колонны. Лапы 14 могут оканчиваться в ножках 15, которые скреплены друг с другом, придавая дополнительную устойчивость надставочному элементу. В этом варианте тело 16 панели имеет боковые впадины 28 для приема перфорированных панелей 12, а тело 16 панели надставочного элемента 5 является тем же самым. Таким образом, условия для массообмена над перфорированными панелями 12 и телом 16 панели приблизительно одинаковы или сравнимы. Если тело 16 панели содержит перфорационные отверстия 13, то приходится предусматривать дополнительные отверстия 29, чтобы газ, поступающий из тарелки, расположенной ниже, мог поступать через отверстия 29 у перфорационных отверстий 13. В ножках 15 или лапах 14 можно выполнить специальные перфорационные отверстия, щели или проемы другого типа для слива улавливаемой жидкости. В качестве альтернативы, лапы 14 могут быть непосредственно соединены, вследствие чего ножки не требуются. В качестве альтернативы, надставочный элемент 5 может быть выполнен из одиночного вогнутого куска листового материала.

Вместо перфорированной панели 12, типичной для ситообразной тарелки, можно использовать тарелку с закрепленными клапанами и т.п. Таким образом, термин «перфорированная панель 12» можно заменить определением любого из устройств, упомянутых в предыдущем предложении. Механические соединения между панелями 12 и надставочным элементом 5 можно выполнять разными способами, не ограничивающимися теми, которые показаны на фиг.3-8.

На фиг.9а, 9b, 9с, на которых одинаковые части отмечены подобными ссылочными номерами, показаны упрочняющие средства для повышения устойчивости сливного стакана 3, в частности, при отклонении и/или продольном изгибе. На фиг.9а показан сливной стакан 3, содержащий непереливной дефлектор 30. Непереливной дефлектор 30 соединен со сливным стаканом 3 на торцевых стенках (23, 24). Кроме того, упрочняющие средства 31 соединяют непереливной дефлектор 30 с каждой боковой стенкой (21, 22). В этом варианте осуществления упрочняющие средства предположительно имеют форму панелей, однако столь же подходящими являются планки, профили, трубки и другие тонкостенные конструкции.

На фиг.9b показан другой вариант упрочняющего средства 31, выполненного за одно целое с каждой боковой стенкой (21, 22) сливного стакана 3. Упрочняющее средство 31 имеет форму канавки в каждой боковой стенке.

На фиг.9с показано упрочняющее средство 31 другого типа в форме створки, простирающейся от верхнего гребня 25, по меньшей мере, одной из боковых стенок (21, 22). Возможно сочетание друг с другом любых вариантов, показанных на фиг.9а, 9b или 9с.

Изобретение предназначено для массообмена. Тарелка с многочисленными сливными стаканами для массообменной колонны содержит зону массообмена и множество сливных стаканов для сбора и слива текучей среды из зоны массообмена каждого из сливных стаканов, выполненного в виде канала для потока текучей среды. Канал ограничен парой боковых стенок и торцевой стенкой, соединяющей боковые стенки, так что каждая торцевая стенка каждого сливного стакана прикреплена к по меньшей мере одному продольно проходящему надставочному элементу. Сливной стакан и надставочный элемент вместе имеют общую ось, которая представляет собой отрезок хорды поперечного сечения колонны. Каждый надставочный элемент прикреплен к торцевой стенке соответствующего одного из сливных стаканов и простирается от нее для образования единой опорной структуры. Технический результат - увеличение зоны массообмена. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Тарелка (1) с многочисленными сливными стаканами для массообменной колонны (2), содержащая зону (4) массообмена и множество сливных стаканов (3) для сбора и слива текучей среды из зоны (4) массообмена каждого из сливных стаканов (3), выполненного в виде канала (9) для потока текучей среды, причем канал (9) ограничен парой боковых стенок (21, 22) и торцевой стенкой (23, 24), соединяющей боковые стенки (21, 22), так что каждая торцевая стенка (23, 24) каждого сливного стакана прикреплена к по меньшей мере одному продольно проходящему надставочному элементу (5), отличающаяся тем, что сливной стакан (3) и надставочный элемент (5) вместе имеют общую ось, которая представляет собой отрезок хорды поперечного сечения колонны, и каждый надставочный элемент (5) прикреплен к торцевой стенке (23, 24) соответствующего одного из сливных стаканов (3) и простирается от нее для образования единой опорной структуры.

2. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что надставочный элемент (5) содержит тело (16) панели и по меньшей мере одну лапу (14), прикрепленную к телу (16) панели.

3. Тарелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первый сливной стакан множества сливных стаканов расположен в параллельной ориентации относительно второго сливного стакана упомянутого множества сливных стаканов.

4. Тарелка по п.3, отличающаяся тем, что на тарелке расположены, по меньшей мере, 4 сливных стакана.

5. Тарелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что надставочный элемент (5) имеет конфигурацию части зоны массообмена.

6. Тарелка по п.2, отличающаяся тем, что тело (16) панели приподнято относительно зоны (4) массообмена.

7. Тарелка по п.2, отличающаяся тем, что тело (16) панели утоплено относительно зоны (4) массообмена.

8. Тарелка по п.6, отличающаяся тем, что лапа (14) простирается, по существу, в направлении вниз относительно зоны (4) массообмена, а под углом относительно лапы расположена ножка (15).

9. Тарелка по п.7, отличающаяся тем, что лапа (14) простирается, по существу, вниз относительно зоны (4) массообмена, и ножка (15) расположена под углом относительно лапы.

10. Тарелка по п.6, отличающаяся тем, что тело (16) панели содержит, по меньшей мере, одну стяжку (19) и, по меньшей мере, одну наклонную поверхность, проходящую от стяжки до лапы.

11. Тарелка по п.7, отличающаяся тем, что тело (16) панели содержит по меньшей мере одну стяжку (19) и по меньшей мере одну наклонную поверхность, простирающуюся от стяжки к лапе.

12. Тарелка по п.8, отличающаяся тем, что тело (16) панели содержит по меньшей мере одну стяжку (19) и по меньшей мере одну наклонную поверхность, простирающуюся от стяжки к лапе.

13. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр тарелки составляет, по меньшей мере, 3 м.

14. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что множество сливных стаканов расположены во множестве рядов, так что в каждом ряду боковые стенки соседних сливных стаканов обращены друг к другу, а сливные стаканы соседних рядов расположены в шахматном порядке.

15. Тарелка по п.13, отличающаяся тем, что в зоне массообмена выполнен лаз.

16. Тарелка по п.15, отличающаяся тем, что сливные стаканы снабжены подвижными дефлекторами для обеспечения перемещения человека между соседними тарелками.

17. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один сливной стакан (3) или надставочный элемент (5) предварительно напряжен.

18. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что сливной стакан (3) и/или надставочный элемент (5) включают в себя упрочняющие средства (31).

19. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из сливных стаканов (3) является сливным стаканом в виде усеченного конуса.

20. Тарелка по п.1, отличающаяся тем, что зоны (4) массообмена взаимно соединены для осуществления балансировки потока текучей среды на тарелке.

21. Массо- и теплообменная колонна (2), содержащая тарелку (1) с многочисленными сливными стаканами, выполненную в соответствии с п.1.

22. Применение колонны по п.21 для процесса теплового разделения, обеспечивающего разделение смесей текучих сред на их компоненты или смеси компонентов посредством дистилляции, абсорбции или экстракции.