Тарелка для массообменных колонн Советский патент 1984 года по МПК B01D3/22 B01D3/30 

Изобретение относится к контактны устройствам для систем газ (пар)-жид кость, используемых в ректификационных, дистилляционных, абсорбционных и промывных колоннах, в которых жидкость движется сверху вниз и контактирует с газом (паром), поднимающимс по колонне вверх,когда требуется обеспечить эффективный контакт меяоду газом (паром) и очень большими количес т вами жидкости и в жидкой фазе имеются твердые частицы или продукты поли меризации. Известна тарелка для массообменных колонн, вга1юча)ощая горизонтальную круглую плиту с тангенциально направ ленными арочными прорезями для прохода газа (пара), расположенными по концентрическим окружностям, вертикальные криволинейные лопатки в форме спиралиАрхимеда, установленные на плите и изогнутые в сторону открытия арочных прорезей, сливное уст ройсттю для слива жидкости с верхней на нижнюю тарелку со сливным карманом, выполненным в в.иде сегмента с расширяющимся сверху вниз сечением, соедvп c Пiым основанием с верхней кромко сливной трубы, кольцевой гидрозатвор выполненный из концентрически распололсенных вокруг сливной трубы цилинд рических колец, установленный на рас стоянии oтнocитeJJьнo круглой плиты тарелки, увеличивающимся к наружному кольцу, сепарационное кольцо, установленттое коаксиально кольцевому гидрозатнору и расположенное на расстоянии относительно круглой плиты тарел ки, причем центр кольцевого гидро затвора смещен по отношению к центру тарелки в сторону, противоположную расположению сегментного кармана на О,05-0,1 диаметра тарелки. Известная струйная тарелка работает следующим образом. Жидкость стекает по сливной трубе и заполняет внутренний объем внутреннего кольца, часть жидкости (половина) проходит в зазор между внутренним кольцом и плитой, остальная часть жидкости прот€ кает через верхнюю кромку наружного кольца в пространство между наружным и внутренним кольцом и через зазор между наружным кольцом и плитой стекает на плиту тарепки. Таким -образом, в условиях работы внутренее 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 будут оставаться также твердые частицы или продукты полимеризации. Газ (пар) поступает снизу тарелки через прорези с аркоподобными козырьками, проходит в жидкость, стекающую на плиту через сливную трубу с кольцевым гидрозатвором, отдает жидкости часть кинетической энергии, в результате образуется регулярно вращающийся двухфазный поток в горизонтальной плоекости.Жидкость совершает радиально-кольцевое движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар)- винтообразное движение вверх, под вьпиележащую 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 Массообмена 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 цент- ра 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 обсепечивается увеличение скорости газа (пара) без брызгоуноса. Благодаря высокой радиальной и окружной скорости жидкости, последняя продолжает движение у стенки колонны на плите тарелки под действием перекрестных ударов газа (пара), поднимаюп(егося вверх, что приводит к образованию дополнительной высокотурбулизованной межфазной поверхности, за счет чего значительно повышается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение, накапливаясь в периферийной части тарепки у стенки колонны, непрерывно стекает в сегментный сливной карман. Из сегментного сливного кармана жидкость стекает по сливной тру в центр кольцевого гидрозатвора ниже лежащей тарелки. Так как сечение сег ментного сливного кармана увеличивается сверху вниз, то уменьшается смеще ние центра входного отверстия сливно трубы по отношению к центру выходног отверстия сливной трубы. При этом также увеличивается рабочая площадь пли ты тарелки. Несмотря на большие преимущества данной конструкции тарелки, она имее некоторые недостатки, заключающиеся в том, что при очень больших нагрузках пр жидкости порядка 80-100 м/м и вьпие происходит переполнение сегментного сливного кармана жидкостью, вследствие чего жидкость переливается на контактную площадь тарелки, увлекается газом (паром) и совершает повторный путь перемещения на тарелке опять к сливному карману, т.е. происходит обратное перемешивание . жидкости, приводящее к понижению дви жущей силы процесса и к уменьшению эффективности массообмена контактной тарелки. Кроме того, перелив жидкости из сливного кармана на тарелку происходит неравномерно, что приводит к неравномерности распределения по сечению тарелки не только жид кости, но и газа (пара). Это также приводит к уменьшению эффективности массобмена тарелки. Устранение этого недостатка за счет увеличения сечени сливного сегментного кармана приведет к уменьигению полезной контактной площади и к увеличению расстояния между тарелками, что повлечет за собой соответственно уменьшение эффективности массообмена контактной тарелки и увеличение объема колонны. Целью изобретения является новыщение эффективности массообмена межд газом (паром) и жидкостью за счет увеличения времени контакта фаз, уве личения движущей силы процесса путем предупреждения обратного перемешивания жидкости, равномерного распределения жидкости и газа (пара) по сечению тарелки, увеличения поверхности контактной площади тарелки вследствие направленного слива жидкости в сегментной сливной карман и уменьщения сечения сливного сегментного кармана в условиях работы при больщих нагрузках по жидкости порядка 80-100 и выше и высоких скоростях газа (пара). Поставленная цель достигается тем, что тарелка снабжена направляющей поперечной вертикальной перегородкой, установленной на плите между стенкой колонны и сепарационным кольцом над верхней кромкой боковой стенки сегментного сливного кармана, дальней по направлению вращения потока жидкости на тарелке, причем расстояние от стенок колонны и сепарационного кольца до поперечной.вертикальной перегородки составляет 0,05-0,1 максимальной ширины сливного сегментного кармана; а направляющая поперечная вертикальная перегородка вьтолнена с переменной высотой, увеличивающейся от сепарационного кольца к стенке колонны. Наличие направляющей поперечной вертикальной перегородки обеспечивает направленный слив жидкости в сегментный сливной карман и предупреждает перелив жидкости из сегментного сливного кармана на тарелку, чем обеспечивается исключение обратного перемешивания жидкости на тарелке и неравномерность распределения жидкости и газа (пара) по сечению тарелки. Это способствует росту движущей силы процесса и повышению эффективности массообмена тарелки. Кроме того, за счет направляющей поперечной вертикальной перегородки над сегментным сливным карманом создается дополнительный слой жидкости, накапливающейся под действием сил инерции вращающегося жидкостного потока на т&релке вследствие отражения от направляющей поперечной вертикальной перегородки. Это способствует увеличению скорости жидкости в сливных устройствах, а следовательно, позволяет уменьшить сечение сливных устроройств, за счет этого увеличить полезную контактную площадь тарелки, что также приводит к повьщ1ению эффективности массообмейа контактной тарелки. Вместе с этим незначительная часть жидкости между направляющей поперечной вертикальной перегородкой и стенкой колонны и сепарационным кольцом может сливаться на ту часть тарелки, куда мало поступает жидкости с центральной части тарелки. Это также способствует равномер ному распредёлению жидкости и газа (пара) по сечению тарелки. На фиг. 1 изображена часть колонны со струйныьог тарелками, вертикаль ный разрез{ на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 - сечение Д-Д на фиг. 1 в увеличенном размере} на фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 6; на фиг, 8 - разрез Ж-Ж на фиг. 2; на фиг. 9 - разрез К-К на фиг. 2; на фиг. 10 - разрез Л-Л на фиг. 2. Колбнна1 содержит корпус 2 (фиг. .1,2), установленные одна над другой струйные тарелки, содержащие горизонтальные круглые плиты 3 с тангенциально направленными прорезями 4 (фиг. 3,4) для прохода газа (пара) с аркоподобными козырьками 5, располoжeннымIi по концентрическим окружностям вокруг центра кольцевого гидр затвора на тарелке, вертикальные криволинейные лопатки 6 (фиг. 1,2) в форме спирали Архимеда, установленные на плите тарелки и изогнутые в сторо ну открытия прорезей 4 с аркоподобными козырьками 5, сегментный карман 7, расширяющийся сверху вниз с нижним основанием 8 (фиг, 1,2,5), сливную трубу 9 с верхним 10 и нижмнм 11 отверстиями для слива жидкости со слипного кармана 7 в центр кольцевого падрозатвора нижележащей тарелк с зазором 12 между нижней кромкой сливной трубы 9 и плоскостью плиты 3 тарелки для прохода жидкости. Над плитой 3 тарелки, (фиг. 1, 2) коаксиально по отношению к центру кольце вого гидрозатвора и по отношению к оси сливной трубы 9, установлено сепарационное кольцо 13 с зазором 14 между нижней кромкой 15 кольца 13 и плоскостью плиты 3 для прохода жид кости. Кольцевой гидрозатвор представляет собой1 концентрически расположенные вокруг сливной трубы 9 два кольца: внутрс1 нее 16 и наружное 17 (фиг 6,7).с зазором 18 между нижней кромкой 19 внутреннего кольца 16 и плоскостью плиты 3 тарелки и с зазором 20 между нижней кромкой 21 наружного кольца 17 и плоскостью плиты 3 тарел ки. Причем нижняя кромка 19 внутреннего кольца 16 расположена ниже нижней кромки сливной трубы 9 и ниже 1шжней кромки 2-1 наружного кольца 17 86 а верхняя кромка 22 внутреннего кольца 16 расположена вьше нижней кромки сливной трубы 9 и ниже верхней кромки 23 наружного кольца 16 так, что при сливе жидкости через сливную трубу 9 образуется гидрозатвор. Над кольцами 16 и 17 вокруг сливной трубы 9 установлен горизонтальный отбойный диск 24 (фиг. 1,2) одинакового диаметра с наружным кольцом 17 и на некотором расстоянии от верхней кромки 23 наружного кольца 17. Кольца 16 и 17 межд.у собой жестко скреплены пластинами 25 и с плитой 3 тарелки - стержнями 26, а сепарационное кольцо 13 прикреплено кронштейнами 27 к плите 3 тарелки. Сегментный сливной карман 7 (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. Над верхней кромкой дальней боковой стенки 28 сегментного сливного кармана по на- правлению вращения потока жидкости на тарелке установлена направляющая поперечная вертикальная перегородка 29 (фиг. 1,2,9,10 между сепарационным кольцом 13 истенкой колонны 2 с увеличивающейся высотой в направлении от сепарационного кольца к стенке колонны так, что боковые кромки перегородки 29 не касаются стенок колонны 2 и сепарационного кольца 13, причем размеры перегородки 29 зависят от диаметра тарелки и нагрузок по жидкости. Жидкость на самую верхнюю тарелку подается через трубу с кольцевым гидрозатвором, а подача жидкости на промежуточные тарелки осуществляется непосредственно в сливные сегментные карманы (не показано). Тарелка работает следующим образом. Жидкость стекает по сливной трубе 9 (фиг, 1) и заполняет внутренний объем внутреннего кольца 16 (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 и через зазор 20 стекает 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 обеспеяен гидрозатвор. Однако при прекращении подачи на тарелку жидкости последняя полностью стекает с плиты тарелки 3, при этом не будут оставаться также твердые частицы или продукты полимеризации. Газ (пар) поступает снизу тарелки через прорези 4 с акроподобными козьфьками 5 (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 кине тической энергии, в результате образуется регулярно вращающийся двухфазный поток в горизонтальной плоско- 20

сти, жидкость соверщает радиальнокольцевое движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар) - винтообразное движение вверх под вышележащую тарелку и т.д. Вращающийся двухфазный поток отра.жается от криволинейных лопаток в форме спирали Архимеда 6. В результате происходит турбулизация газового (парового) потока, диспергирование . жидкости, перекрестные соударения элементарных объемов газа (пара) и жидкости, что приводит к интенсификации массообмена в фазах и к повыщению эффективности массообмена контактной тарелки. С помощью сепарационного кольца 13 формируется регуляр но вращающийся двухфазный поток на плите 13 тарелки. Жидкость, совершив радиально-кольцевое, движение от цент ра кольцевого гидрозатвора к стенкам сепарационного кольца 13 под действи ем центробежных сил, перетекает через зазор между кольцом 13 и плитой 3 на периферийную часть плиты 3 тарелки, а газ (пар) совершает винтообразное движение вверх, отделившись от жидкости. За счет установки 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 перекрестных ударов газа (пара), поднимающегося вверх., Это приводит к образованию дополнн9

позволяет уменьшить сечение сегментного сливного кармана 7, увеличить за счет этого полезную контактную площадь 3 тарелки, и повысить таким .образом эффективность массообмена контактной тарелки (э(1)фективность по Мерфриз). Наличие направляющей горизонтальной перегородки 29 при больших нагрузках по газу (пару) и жидкости предупреждает слив жидкости из сегментного сливного кармана 7 на плиту 3 тарелки, представляющий собой обратное перемешивание жидкости, способствующее уменьшению эффек88тельной высокотурбулизованной межфазной поверхности, в peзyльтatё чего также значительно повьшается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение в периферийной части тарелки у стенки колонны, стекает в сегментный сливной карман 7 и по сливной трубе 9 - в цент кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки. При больших нагрузках по газу (пару) и жидкости последняя под действием сил инерции отражается от направляющей поперечной вертикальной перегородки .29 (фиг, 1,2,9,10) и накапливается над сегментным сливньм Карманом 7, создавая дополнительный гидростатический напор, под действием которого увеличивается скорость движения жидкости в сливных устройствах. Это тивности массобмена контактной тарелки вследствие снижения движущей силы процесса. Кроме того, локальный слив жидкости из сегментного слив ного кармана 7 на плиту 3 тарелки вызывает неравномерность распределения жидкости и газа (пара) по сече-, кию тарелки, что также приводит к снижению эффективности массообмена контактной тарелки. Вместе с тем между боковыми стенками направляющей поперечной вертикальной перегородкой 29 и стенкой колонны 2, и сепарационным кольцом 13 может перетекать незначительное количество жидкости на плиту 3 тарелки за перегородкой 29 по направлению вращения потока на тарелке,куда мало поступает жидкость из центральной части плиты 3 тарелки. Это обеспечивает равномерность распределения жидкости и газа (пара) на той части плиты 3 тарелки, которая расположена за перегородкой 29. Таким образом, наличие 992 направляющей поперечной вертикальной перегородки 29 обеспечивает равномерное распределение жидкости и газа (пара) по сечению тарелки, увеличение времени контакта фаз и периферийной части тарелки, увеличение полезной контактной площади тарелки, предупреждает обратное перемешивание жидкости и обеспечивает структуру потока жидкости, близкую к модели идеального вытеснения, что способствует в совокупности повышению эффективности массообмена контактной тарелки (эф-, фективности по Мерфри). Так как сечение сегментного сливного кармана 7 увеличивается сверху вниз, то этим 8 самым уменьшается смещение центра входного отверстия 10 сливной трубы 9. При этом увеличение сечения нижнего основания 8 сливного сегментного кармана 7 не приводит к уменьшению рабочей площади плиты 7 тарелки. Предложенная тарелка за счет увеличения рабочей контактной площади обеспечивает высокие скорости по газу (пару), соответствующие фактору скорости на полное сечение колонны 3,33,5, и за счет равномерного распределения жидкости в периферийной части тарелки позволяет повысить нагрузки по жидкости на полное сечение колонны до 70-100 и вьш1е.

ТАРЕЛКА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ КОЛОНН по авт.св. № 845309, о т л ич а ю .та, А я с я тем, что, с целью повьшения эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет увеличения времени контакта фаз, увеличения движущей силы процесса путем предупреждения обратного перемешивания жидкости, равномерного распределения жидкости и газа (пара) по сечению тарелки, увеличения поверхности контактной площади тарелки вследствие направленного слива жидкости в сегментный сливной карман и уменьшения сечения сливного сегментного кармана в условиях работы при больших нагрузках по жидкости порядка 80-100 и выше и высоких скоростях газа (пара), тарелка снабжена направляющей поперечной вертикальной перегородкой, установленной на плите между стенкой колонны и сепарационным кольцом над верхней кромкой боковой стенки сегментного сливного кармана, дальней по направлению вращения потока жидкости на тарелке, причем расстояние от стенок . колонны и сепарационного кольца до поперечной вертикальной перегородки составляет 0,05-0,1 ширины сливного сегментного кармана, а направляющая поперечная вертикальная перегородка выполнена с переменной высотой, личивающейся от сепарационного кольца к стенке колонны.

udffocmb

f

(риг.

фиг.6

В-Е

П

г5

16

фагЛ