Тарелка для массообменных колонн Советский патент 1984 года по МПК B01D3/20 B01D3/30 

Изобретение относится к контактным устройствам для систем газ (пар) жидкость, используемых в ректификационных, дистилляционных, абсорбционных и промывных колоннах, в которых жидкость движется сверху вниз и контактирует с газом (паром), поднимавшимся по колонне вверх, где тре буется обеспечить эффективный контак между газом (паром) и очень большими количествами жидкости и в жидкой фазе имеются твердые частицы или продукты полимеризащ1и. Известна тарелка, для массообменных колонн имеющая горизонталь- ную круглую плиту с тангенциально направленными арочными прорезями для прохода газа (пара), расположенными по концентрическим окрулшостям iiepTUKajn nwe зфиволниейные лопатки D форме спирали Архимеда. Установленные на плите и изогнутые в сторон открытия арочных прорезей, сливное устройство для слива жидкости с верх ней па нпжнгою тарелку со сливным карманом, выполпенным в виде сегмента с расширяющимся сверху вниз сечением, соединенным основанием с верхней кромкой сливной трубы, кольцевой гидрозатвор, выполненный из копцептр 1чески расположенных вокруг сливной трубы цилиндрических колец, установленных на, расстоянии от1Аэсительио круглой плиты тарелки, увеличивающимся к наружному кольцу, сеплрациоппое кольцо, установленное коаксиально кольцевому гидрозатвору и расположенное на расстоянии отнойи тельно круглой плиты тарелки, причем центр кольцевого гидрозатвора смещен по отношению к центру тарелки в сторону, противоположную расположению сегментного кармана, на 0,05-0,1 диаметра тарелки. Известная тарелка для массообмениых колонн работает следующим образом. Жидкость стекает по сливной трубе и заполняет внутренний объем внутреггнего кольца, цастъ жидкости (половшга) проходит в зазор между внутренним кольцом и плитой, остальнал частьх жидкости протекает через верхнюю кромку наружного кольца в пространство между наружным и внутре ним кольцом и через зазор между наружным кольцом и плитой стекает на плиту тарелки. TaKifM образом, в усло виях работы внутреннее кольцо будет заполнено жидкостью, и нижнее отверстие сливной трубы будет погружено в жидкость, т.е. будет обеспечен гидрозатвор.. Однако при прекращении подачи на тарелку жидкости последняя полностью стекает с плиты и при этом не остается также твердых частиц или продуктов полимеризации. Газ (пар) поступает снизу тарелки через прорези с аркоподобными козьфьками, проходит в жидкость, стекающую на плиту через сливную трубу с кольцевым гидрозатвором, отдает жидкости часть кинетической энергии, в результате образуетсярёгулярно вращающийся двухфазный поток в горизонтальной плоскости. Жидкость совершает радиально-кольцевое движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар) винтообразное движение вверх, под вышележащую тарелку и т.д. Вращающийся двухфазный поток отражается от криволинейных лопаток в форме спирали Архимеда, в результате происходит турбулизация газового (парового) потока, диспергирование жидкости, перекрестные соударения элементарных объемов газа (пара) и жидкости, что приводит к интенсификации масообмена в фазах и к повышению эффективности массообмена контактной тарелки. С помощью сепарационного кольца формируется регулярно вращающийся двухфазный поток на плите.тарелки: жидкость, совершив радиально-кольцевое движение от центра кольцевого гидрозатвора к стенкам сепарационного кольца под действием центробежных сил-, перетекает через зазор между сепарационным кольцом и плитой на периферийную частЬ тарелки, а газ (пар), отделившись от жидкости, совершает винтообразное движение вверх внутри сепарационного кольца. За счет установки сепарационного кольца обеспечивается увеличение скорости газа (пара) без брызг.оуноса. Благодаря высокой радиальной и окружной скорости жидкости, последняя продолжает движение у стенки колонны на плите тарелки под действием перекрестных ударов газа (пара), поднимающегося вверх, что приводит к о.бразованию дополнительной высокотурбулизированной межфазной поверхности, за счет чего значительно повьш1ается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение, накапливаясь в периферийной части тарелки у стенки колонны, непрерывно стекает в сегментный сливной карман. Иэ сегментного сливного кармана жидкость стекает iro сливной трубе в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки. Так как сечение сегментного сливного карлана увеличивается /сверху вниз, этим самым уменьшается iсмещение, центра входного отверстия сливной трубы по отношению к центру выходного отверстия сливной трубы При этом также увеличивается рабочая площадь плиты тарелки. Несмотря на большие преимущества данной конструкции тарелки, она имеет некоторые недостатки, заключающиеся в том, что при очень больших нагрузках по жидкости порядка 80-100 м/м ч и вьште в самом узком кольцевом сечении между стенками колонны и сепарационного кольца в диаметрально противоположном направ лении по отношению к:сегментному карману накапливается большой объем жидкости на полпути ее движения от сегментного кармана, что приводит к замедлению и нарушению регулярного вращения жидкости на пути ее движения у стенки колонны к сегментному сливному карману, приводящему к бар ботажному режиму работы, замедлению скорости вращения жидкости, образованию высокого слоя пены непосред ственно перед сливом жидкости в сег ментный сливной карман, захлебьшанию тарелки, характерному для барботажных тарелок при скоростях газа (пара) и жидкости, при которых струйные тарелки работают нормально без брызгоуноса, а в сливные устройства которых стекает осветленная жидкость, без пены, вследствие четкого разделения фаз в поле центробежных сил. Цель изобретения - интенсификация массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет увеличения времени контакта фаз, равномерного рас пределения фаз по сечению тарелки, использования полезной площади переливного кармана и организованного отвода газа (пара) ,из сливньрс ус ройств в условиях работы при больших нагрузках по жидкости порядка 80-100 м/м ч и выше и высоких ско ростях газа (пара). Поставленная цель достигается .те что известная тарелка для массообме ных колонн снабжена сегментом, установленным в кармане и перекрывающим часть его ближе к центру тарелки, причем в сегменте выполнены арочные прорези S направлении арочных прорезей плиты. Прорези совпадают по размерам, расположению по концентрическим окружностям и тангенциальному направлению осей. Наличие сегмента перекрывающего часть сегментного сливного кармана, обеспечивает более равномерное распределение жидкости на тарелке в секторе сегментного сливного кармана, дополнительный контакт фаз, что способствует повышению зффективности массообмена контактной ступени, а за счет эжекционHoro эффекта через прорези в сегменте отсасывается из верхней части сегментного сливного кармана газ (пар), что способствует увеличению пропускной способноСцТИ сливных устройств по жидкости. На фиг. 1 изображен вертикальный разрез части колонны со струйными тарелками; на фиг. 2 - ввд сверху по сечению А-А на фиг. 1; на г. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг.1} на фиг. 6 - разрез Д-Д на фиг. 1 (в увеличенном масштабе); на фиг. 7 - разрез Е-р на фиг. 6; на фиг. 8 - разрез Ж-Ж на фиг, 2; на фиг. 9 - разрез К-К на фиг. 2. Колонна 1 имеет корпус 2 (см. фиг. 1,2), установленные одна над другой струйные тарелки, содержащие горизонтальные круглые плиты 3 с тангенциально направленными прорезями 4 (см. фиг. 3,4) для прохода газа (пара) с аркоподобными козырькш4И 5 и расположенными по концентрическим окружностям вокруг центра кольцевого гидрозатвора на тарелке, вертикальные криволинейные лопатки 6 (см. фиг. ) в форме спирали Архимеда, установленные на плите тарелки, изогнутые в сторону открытия прорезей 4 с аркоподобными козырьками 5, сегментный карман 7, расширяющийся сверху вниз, с нижним основанием 8 (см. фиг. 1,2,5), сливную трубу 9 с верхнюю 10 и нижним 11 отверстиями для слива жидкости со сливного кармана 7 в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки с зазором 12 между нижней кромкой сливной трубы 9 и плоскостью плиты 3 тарелки 5 для прохода жидкости, над.плитой 3 тарелки (см. фиг. 1,2) коаксиально по отношению к центру кольцевого гидрозатвора и по отношению к оси сливной трубы 9 установлено сепарационное кольцо 13 с зазором 14 межд нижней кромкой 15 кольца 13 и плоскостью плиты 3 для прохода жидкости Кольцевой гидрозатвор представляет собой концентрически расположенных вокруг сливной трубы 9 две кольца, внутреннее 16 и наружное 17 (фиг.6, с зазором 18 между нижней кромкой 1 внутреннего кольца 16 и плоскостью плиты 3 тарелки и с зазором 20 межд нижней кромкой 21 наружного кольца 17 и плскостью плиты 3 тарелки, при чем нижняя кромка 19 внутреннего кольца 16 расположена ниже нижней кроккн сливной трубы 9 и нижней кро ки 21 наружного кольца 17, а верхняя кромка 22 внутреннего кольца 16 расположена вьше нижней кромки сливной трубы 9 и ниже верхней кром ки 23 наружного кольца 16 так, что при сливе жидкости через сливную трубу 9 образуется гидрозатвор. Над кольцами 16 и.17 вокруг сливной трубы 9 уста 1овлен горизонтальный отбойиъй диск 24 (см. фиг. 1 и 2) одинакового диаметра с наружным кольцом 17 п па некотором расстоянии от верхней кромки 23 наружного кольца 17. Кольца 16 и 17 между собой жестко скреплены пластинами 25 с плитой 3 тарелки - стержнями 26, сепарационное кольцо 13 прикреплено кронштейнами 27 к плите 3 тарелки. Сегментный сливной карман 7 (см. фиг; 1,2,5,8) образован корпусом 2 колонны 1, нижним основанием 8 и двумя наклонными боковыми стенками 28. Центр кольцевого гидрозатвора со сливной трубой 9 смещен по отношению центра тарелки в сторону от сегментного сливного кармана 7 на 0,05-0,1 диаметра тарелки. Меньшая часть сегментного кармана 7, расположенная ближе к центру тарелки, пе рекрыта сегментом 29 (см. фиг.2,9), в котором вырублены арочные прорези 4 с аркоподобными козырьками 5,. при чем их размеры, расположенные по концентрическим окружностям, и тангенциальное направление осей прорезей полностью совпадает с арочными прорезями в круглой плите тарелки. Жидкость на самую верхнюю тарелку п дается через трубу с кольцевым гид646розатвором, а подача жидкости на промежуточные тарелки осуществляется непосредственно в сливные сегментные карманы (не показано). Тарелка работает следующим образом.. Жидкость стекает по сливной трубе 9 (см. фиг. 1) и заполняет внутренний объем внутреннего кольца 16(см.фиг.1, 2,.6,7), часть ЖИДКОСТИ (половина) проходит через кольцевой зазор 18, остальная часть жидкости протекает через верхнюю кромку 22 кольца 16 и, отражаясь от отбойного диска 24, стекает в межкольцевое пространство колец 16 и 17, а через зазор 20 - на плиту 3 тарелки. Таким образом, в условиях работы внутреннее кольцо 16 будет заполнено жидкостью и сливная труба 9 и ее нижнее отверстие 11 будет погружено в жидкость, т.е. будет обеспечен гидрозатвор. Однако при прекращении подачи на тарелку жидкости последняя полностью стекает с плиты 3 тарелки, при этом не будут оставаться также твердые частицы или продукты полимеризации. Газ (пар) поступает снизу тарелки прорези 4 с аркоподобными козырьками 5(см.фиг.1, 2,3,4) с тангенциально направленными осями, проходит в жидкость, стекающую на плиту 3 через сливную трубу 9 с кольцевым гидрозатвором, отдает жидкости часть кинетической энергии, в результате образуется регулярно вращающийся двухфазный поток в горизонтальной плоскости, от центру к периферии, а газ (пар) образует винтообразное движение вверх под вышележащую тарелку и-т.д. Вращающийся двухфазный поток отражается от криволинейных лопаток 6 в форме спирали Архимеда, в результате происходит турбулизация газового (парового) потока, диспергирование жидкости, перекрестные соударения элементарных объемов газа (пара) и жидкости, что пр1иводит к интенсификации массообмена в фазах и к повышению эффективности массообмена контактной тарелки. С помощью сепарационного кольца 13 формируется регулярно вращающийся двухфазный поток на плите 3 тарелки, жидкость, совершив радиально-кольцевое движение от центра кольцевого гидрозатвора к стенкам сепарационного кольца 13 под действием центробежных сил, перетекает через зазор между кольцом 13 и плитой 3 на периферийную часть плиты 3 тарелки, а газ (пар) совершает

винтообразное движение вверх, Ьтделившись от жидкости. За счет установ.ки сепарационного кольца 13 обеспечивается увеличение скорости газа (пара) по сравнению с барботажными тарелками без брызгоуноса. За счет высокой радиальной и окружной скоростей жидкости последняя продолжает движение у стенки колонны на плите 3 тарелки под действием перек- . рестных ударов газа (пара), поднимающегося вверх, что приводит к образованию, дополнительной высокотурбулизированной межфазной поверхности, в результате чего также значительно повышается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение в периферийной части тарелки у стенки колонны и стекает в сегментный сливной карман 7, и по сливной трубе 9 в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки. При наличии сегмента 29, перекрывающего меньщую часть сегментного сливного кармана7 (фиг. 2,9), жидкость не стекает .сразу в сегментный сливной карман 7 а проходит по малому сегменту 29 с арочными прорезями 4, в результате увеличивается .время контакта жидкости с газом (паром) и обеспечивается более равномерное распределение жидкости в секторе напротив сегментного сливного кармана, а , также, как следствие, более равнот мерное распределение газа (пара) по сечению тарелки, что способствует интенсификации массообмена между

фазами и повышению эффективности массообмена (эффективности по Мерфри) контактной ступени. Кроме того, за счет эжекциокного эффекта происходит отсасывание газа (пара) из сегментного сливного кармана 7, что обеспечивает более высокую пропускную способность сливных устройств по жидкости. Так как сечение сегментного

сливного кармана 7 увеличивается сверху вниз, этим самым уменьшается смещение центра входного отверстия 10 сливной трубы 9 по отношение к центру выходного отверстия t1 сливной трубы 9. При этом, увеличение сечения нижнего основания 8 сливного сегментного кармана 7 не приводит к уменьшению рабочей площади плиты 3 тарелки.

Предложенная Тарелка для массообменных колонн за счет увеличения рабочей контактной площади обеспечивает высокие скорости по газу (пару), соответствзпощие фактору скорости

на полное сечение колонны 3,3-3,5, И путем равномерного распределения жидкости в периферийной части тарелки позволяет повысить нагрузки по жидкости на полное сечение колонны до

80-100 ч и вьште.

В связи с большой разрешакщей способностью предлагаемой тарелки принимать большие нагрузки по газу (пару) и жидкости, она может быть заложена по замене насадочных колонн с удельной нагрузкой по жидкости свыше 100 ч на тарельчатые диаметром от 1200 до 4000 мм..

К-А

Фиг. 2.

6-В

6-5

i/fyyfv

itmij-LTjr П

Фиг.

ге

n

ff

ТАРЕЛКА ДЛЯ МАССООБМЕИНЫХ КОЛОНН по авт. св. № 845309, о т л ич а к щ а я с я тем, что, с целью интенсификации массообмена между газом (паром) и жидкостью путем увеличения времени контакта фаз, равномерного распределения фаз по сечению тарелки, использования полезной площади переливного кармана, плита тарелки снабжена сегментом, установленным вкармане и перекрывающим часть его ближе к центру тарелки, причем в сегменте вьтолнены арочные прорези в направлении арочных прорезей плиты. 14 Л б 6 Од 4 0

Ж-Ж

24