Контактное устройство для тепломассообменных аппаратов Советский патент 1991 года по МПК B01D3/22 

Изобретение относится к контактным устройствам тарельчатого типа в тепломас- сообменных аппаратах, используемых в нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен массообменный аппарат с провальными трубчато-решетчатыми тарелками, которые представляют собой ряд горизонтальных трубок, набранных в одной плоскости и образующих между собой щели. Трубчато-решетчатые тарелки обладают сравнительно большой производительностью как по жидкой, так и по газовой фазам. В связи с тем, что слив жидкости с тарелки происходит в те же щели, через которые проходит гэз(пар), имеет место неорганизованный слив жидкости с поверхности тарелки 1.

Недостатками такого массообменного аппарата являются узкий диапазон устойчивой и зффективной работы и сравнительно низкая эффективность разделения.

Известна колонна с расположенными внутри трубчато-решетчатыми тарелками с элементами подвода и отвода тепла, образующими между собой щели для прохода газа и жидкости. Щели для прохода газа выполнены с шириной, в 1.5-2 раза меньшей ширины щелей для прохода жидкости. Трубки тарелки снабжены по всей длине ребрами 2.

Недастатком такой конструкции являед- ся сложность технологии изготовления профилированных ребер и монтажа труб с соблюдением разной величины зазора между ребрами и разного шага расположения

(

00

00

1 1

труб. Кроме того, из-за неравномерного распределения газа и жидкости по длине щелей между трубами ухудшается эффективность массообмена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату являяется контактное устройство для тепломассооб- менных аппаратов включающее основание, выполненное из труб в виде плоскопараллельной трубной решетки, снабженной гофрированной лентой, размещенной в зазоре между трубами, причем в смежных зазорах между трубами гофрированные ленты смещены друг относительно друга таким образом, что напротив верхних гофр в одном зазоре расположены нижние гофры в другом зазоре. Это обеспечивает более неравномерное распределение и направленное движение газожидкостных потоков. Таким образом, снабжение устройства гофрированной лентой, обеспечивающей секционирование зазора между трубами, расширяет диапазон устойчивой работы и повышает эффективность тепломассообмена. Однако барботаж газа через жидкость начинается в самом узком сечении - зазорах между трубами, где происходит задержка жидкости, т.е. на плоскости тарелки. Поверхность же гофр,расположенных ниже плоскости тарелки, не участвует в барботажном массооб- менном процессе. Жидкость стекает через зазоры, образованные этими гофрами и трубами, и скорости газа, поднимающегося вверх, недостаточно для поддержания части жидкости на малой поверхности нижней гофры для осуществления барботажа. Это связано с тем, что поверхность нижней гофры ограничена шириной зазора между трубами - живым сечением, максимально равным для провальной тарелки 20% всей ее площади 3. Через остальные 80% площади проходит газ, и скорость его в четыре раза меньше, чем в живом сечении.

Площадь сечения для входа газа в гофры и выхода из них также превышает живое сечение тарелки более, чем в четыре раза, так как имеются двухсторонний вход и выход газа.

Если h - высота гофр, I - единичная длина, то при h более О.боЧрубы верно выражение

2М 0,2с1трубы 1,

где коэффициент 2 в левой части неравенства учитывает двусторонний вход и выход газа. Таким образом.скорость газа на входе в гофры и выходе из них более, чем в четыре раза ниже скорости в живом сечении трубчатой тарелки. Достичь в известной конструкции второго узкого сечения, пр 1мерно

равного живому сечению трубчатой тарелки, невозможно.

Кроме того, крепление гофрированных лент к трубам осуществляется в точке без

опоры, что сказывается на недостаточной жесткости конструкции и, следовательно, на ее прочности.

При закреплении лент между трубами имеют место неудобство и большая трудо0 емкость, т.е. технология изготовления такого контактного устройства сложна.

Таким образом, техническая система (контактное устройство) находится в техническом противоречии. Гофрированная лен5 та нужна, так как обеспечивает секционирование зазора между трубами и повышает эффективность работы устройства, и не нужна, так как часть этой ленты (нижние гофры) не участвуют в процессе

0 массообмена, что снижает эффективность работы устройства, а крепление ленты к трубам в точке без опоры снижает жесткость конструкциии и ее технологичность.

Идеальным конечным результатом яв5 ляется контактное устройство жесткой конструкции с более простой технологией его изготовления, обеспечивающее высокие показатели эффективности. Это может быть достигнуто при сохранении секционирова0 ния межтрубного пространства и обеспечении возможности барботажа на нижних гофрах, путем создания второго узкого сечения для прохода газа, примерно равного

5 живому сечению трубчатйй тарелки, а также при удобном и надежном закреплении лент на трубах. Это достигается расположением лент поперек труб поочередно сверху и снизу, что не лимитирует их ширину, а также

0 возможностью их смещения друг относительно друга.

Цель изобретения - упрощение конструкции и технологии ее изготовления и повышение эффективности за счет создания

5 дополнительной зоны для контакта фаз.

Поставленная цель достигается тем, что в контактном устройстве для тепломасооб- менных аппаратов, включающем основание, выполненное из труб в виде

0 плоскопараллельной трубной решетки или плоской архимедовой спирали с секционирующими межтрубное пространство лентами, согласно изобретению ленты выполнены плоскими и размещены с чере5 дованием на верхней и нижней плоскостях трубной решетки в поперечном направлении труб со смещением верхней ленты относительно нижней на величину не менее ширины ленты, верхние и нижние ленты могут быть смещены друг относительно друга с образованием зазора, величина которого

составляет 20-50% от диаметра трубы, площадь поперечного сечения межтрубного пространства, заключенного между лентами, равна сумме площадей продольного сечения минимального зазора между трубами, а ленты на верхней плоскости трубчатой решетки перфорированы в пределах проекции труб

Выполнение лент контактного устройства плоскими упрощает их изготовление из стандартной полосы, облегчает технологию их закрепления на трубах, более удобную при закреплении лент на трубах сверху и снизу, чем между ними. Вместо прикрепления ленты к трубам в точке без опоры (крепление между трубами) лента крепится к трубам в точке с опорой на них по линии длиной, равной ширине ленты, это повышает жесткость конструкции и, следовательно, ее прочность.

В предложенном устройстве лента не ограничена величиной зазора между труба- ми (8-10 мм), может быть шире величины зазора между трубами в четыре и более раз, суммарное количество лент при этом уменьшается примерно в 4-5 раз, что снижает количество точек крепления лент и упрощает конструкцию. Это позволяет количество лент выполнить не равным количеству труб, а менее, что обеспечивает возможность получения требуемой площади входа и выхода газа между лентами, равной площади живого сечения тарелки. Размещение плоских лент с чередованием на верхней и ниж- ней плоскостях трубной решетки в поперечном направлении труб обеспечивает секционирование межтрубного пространства, .сохраняя полезное свойство гофрированной ленты, и создает дополнительную поверхность для контакта газа и жидкости на лентах, закрепленных на трубах снизу. При этом слой жидкости на нижних лентах подпирается газом, идущим по каналам между трубами и нижними лентами, и этим обеспечивается барботаж газа через жидкость на этом участке. При смещении верхних и нижних лент относительно друг друга с образованием зазора между ними уменьшается гидравлическое сопротивление тарелки. Экспериментально и теоретически установлено, что наиболее эффективно осуществляется контакт газа и жидкости при величине смещения, равной не более 50% от диаметра трубы, так как в этом случае происходит контакт газа с жидкой пленкой, сливающейся с верхних лент. При этом исключается прямой провал жидкости и прямой проход газа. При величине смещения более 50% от диаметра трубы может происходить провал жидкости между

трубами без контакта жидкости с газом, так как величина вылета струи жидкости может быть меньше зазора между лентами, а при величине смещения менее 20% от диаметра 5 трубы увеличивается гидравлическое сопротивление тарелки и увеличивается количество лент и металлоемкость устройства. При смещении лент в пределах 20% от диаметра трубы относительно друг друга с образова- 10 нием зазора требуется меньшее количество металла для изготовления плоских лент контактного устройства, устройство работает эффективно. Теоретически определен зазор между лентами исходя из того, что он дол- 15 жен быть меньше или равен величине вылета ниспадающей струи у с высоты, равной диаметру трубы dTp, т.е. равной расстоянию между верхней и нижней лентами при постоянной высоте подпора жидкости, равной

0 0,4 оЧр

.8 VAhdrp :

,8 V0,4 dip dip 0,8 V0,,5 dTp что подтверждено экспериментально. Экспериментально подтвержден и минималь5 ный зазор между лентами 0,2dip, меньше которого происходит резкое увеличение гидравлического сопротивления тарелки при большей металлоемкости.

При равенстве площадей поперечного

0 сечения межтрубного пространства и суммы площадей продольного сечения минимального зазора между трубами (живое сечение) обеспечивается скорость газа, позволяющая задерживать жидкость на ниже5 расположенных лентах, так как она равна скорости газа в живом сечении тарелки.

Перфорация лент, расположенных на верхней плоскости тарелки в пределах проекции труб, исключает провал жидкости че0 рез отверстия, обеспечивая ее попадание через отверстия на поверхность труб и дополнительный контакт с газом, при этом гидравлическое сопротивление уменьшается.

5 На фиг.1 изображено предлагаемое контактное устройство, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид в плане; на фиг.З - схема движения потоков жидкости и газа на тарелке, продольный разрез; на фиг.4 0 часть тарелки, аксонометрия; на фиг.5 - межтрубное пространство, заключенное между лентами,и перфорация верхних лент в пределах проекции труб, поперечное сечение.

5 Предлагаемая тарелка состоит из трубчатого полотна 1, изготовленного из ряда Параллельных труб с зазором между трубами, определяемым расчетно в зависимости от производительности тарелки на трубча

том полотне,и под ним закреплены плоские металлические ленты 2 и 3 в поперечном направлении труб. Верхние ленты 2 смещены относительно нижних 3 с образованием зазора между ними. Величина зазора между кромками лент составляет 20-50% от диаметра трубы. Площадь поперечного сечения межтрубного пространства, заключенного между лентами, равна сумме площадей продольного сечения минимального зазора между трубами Ј Fi Ј F2. Верхние ленты 2 перфорированы в пределах проекций труб.

Контактное устройство работает следующим образом.

Газ и жидкость проходят противотоком через одни и те же проходы между трубами. При взаимодействии газа и жидкости на трубчатом полотне образуется слой газожидкостной смеси, которая стекает в проходы между трубами, омывая их.

На верхних и нижних лентах под действием газового потока снизу происходит дополнительная задержки жидкости (фиг.З) и вдоль кромок лент образуется сильнотурбу- лизованный слой, в котором также происходит массообмен между контактирующими фазами.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет улучшить условия контакта фаз за счет дополнительной зоны взаимодействия в проходных щелях между трубами, обеспечивающие повышение эффективности процесса. Кроме того, очевидно упрощение технологии изготовления и монтажа устройства по сравнению с известным, так как ленты выполнены плоскими и касаются труб не в точках, а по линиям, что

0

5

5

0

0

5

упрощает их крепление, например, сваркой и обеспечивает прочность тарелок, которая необходима при сборке их в аппарате, так как они должны выдерживать нагрузки от веса монтажников и веса монтируемых секций тарелок.

Формула изобретения 1. Контактное устройство для тепломас- сообменных аппаратов, включающее основание, выполненное из труб в виде плоскопараллельной трубной решетки или плоской архимедовой спирали с секционирующими межтрубное пространство лентами, отличающееся тем, что. с целью упрощения конструкции и технологии ее изготовления, повышения эффективности за счет увеличения контактных зон, ленты выполнены плоскими и размещены с чередованием на верхней и нижней плоскостях трубной решетки в поперечном направлении труб со смещением кромок верхней ленты относительно нижней на величину не менее ширины ленты.

2.Устройство по п.1, от л и ч а ю щ е е- с я тем, что верхние и нижние ленты смещены одна относительно другой с зазором, равным 20-50% диаметра трубы.

3.Устройство по п.1, от л и ч а ю щ е е- с я тем, что площадь поперечного сечения межтрубного пространства, заключенного между лентами, равна сумме площадей продольного сечения минимального зазора между трубами.

4.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью снижения гидравлического сопротивления, ленты на верхней плоскости трубной решетки перфорированы в пределах труб.

Изобретение относится к контактным устройствам тарельчатого типа в тепломас- сообменных аппаратах, используемых в нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Цель изобретения - упрощение конструкции и технологии ее изготовления, повышение эффективности за счет увеличения контактных зон. Цель достигается тем, что ленты выполнены плоскими и размещены с чередованием на верхней и нижней плоскостях трубной решетки в поперечном направлении труб со смещением кромок верхней ленты относительно нижней на величину не менее ширины ленты. Верхние и нижние ленты смещены одна относительно другой с зазором, равным 20-50% диаметра труб. Площадь поперечного сечения межтрубного пространства, заключенного между лентами, равна сумме площадей продольного сечения минимального зазора между трубами, С целью снижения гидравлического сопротивления ленты на верхней плоскости трубной решетки перфорированы в пределах труб. 3 з.п. ф-лы. 5 ил.

Ж

-О л $ .

Фм. /

Фиг. 2

Ж If Ж Л |Г Ж

Фиг.З

F,