Струйная тарелка для массообменных колонн Советский патент 1982 года по МПК B01D3/30 

1

Изобретение относится к контактным устройствам для систем газ (пар)жидкость, используемых в ректификационных, дистилляционных, абсорбционных и промывных колоннах для санитарной очистки газовых промышленных выбросов $ от вредных примесей, в которых жидкость движется сверху вниз и контактирует с газом (паром), поднимающимся по колонне вверх, когда требуется . обеспечить эффективный контакт между О очень большими количествами газа (пара) и очень малыми количествами жцдкости и-в жидкой фазе имеются твердые частицы или продукты полимеризации, а именно в условиях вакуумной ректификации. 5

Известна колонна с продольно-попе-. речным секционированием потоков, в которой направленные элементы для прохода газа в центральной и периферийных секциях расположены в противопо- ложном направлении Cl 1.

Однако эта колонна обеспечивает не-, четкое разделение.

Известна струйная тарелка, включающая горизонтальную круглую плиту с тангенциально направленными арочными прорезями для прохода газа (пара), расположенными по концентрическим ок- ружностям, вертикальные криволинейные лопатки а форме спирали Архимеда, установленные на плите и изогнутые в сторону открытия арочных прорезей, сливное устройство для слива жидкости с верхней на нижнюю тарелку со сливным карманом,, выполненным в виде сегмента с расширяющимся сверху вниз сечением, соединенным основанием с верхней кромкой сливной трубы, кольцевой гидрозатвор, выполненный из концентрически расположенных вокруг сливной трубы цилиндрических колец, установленных на расстоянии относительно круглой плиты тарелки, увеличивающимся к наружному кольцу, сепарационное кольцо, установленное коаксиально кольцевому гидрозатвору и расположен-. ное на расстоянии относительно круглои плиты тарелки, причем центр кольцевого гидрозатвора смещен по отношению к центру тарелки в сторону, противоположную расположению сегментного кармана на 0,05-0,1 диаметра тарел ки 2. 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 протекает через верхнюю кромку наружного кольца В пространство между наружным и внутреиним кольцом и через зазор между наружным кольцом и плитой стекает на плиту тарелки. Таким образом, в условиях 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 остаются 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 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 кри волинейных лопаток в форме спирали Архимеда, в результате происходит тур булизация 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 центра кольцевого гид розатвора к стенкам сепарационного кольца, под действием центробежных сил перетекает через зазор между сепарационным кольцом и плитой на пери960 ферийную 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 брызгоуноса. Благодаря высокой радиальной и окружающей скорости жидкости, последняя продолжает движеу стенки колонны на плите тарелниеки под действием перекрестных ударов газа (пара), поднимающегося вверх, чтоприводит к образованию дополнительной высокотурбулизированной межфазной поверхности, за счет чего значительно повышается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение, накапливаясь в периферийной части тарелки у стенки колонны, непрерывно стекает в сегментный сливной карман. Из сегментного сливного кармана жидкость стекает по сливной трубе в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки. Так как сечение сегментного сливного кармана увеличивается сверху вниз, то этим самым уменьшается смещение центра входного отверстия сливной трубы по отношению к центру выходного отверстия сливной трубы. При этом также увеличивается работая площадь плиты тарелки. Несмотря на большие преимущества данной конструкции тарелки, она имеет некоторые недостатки, заключающиеся в том, что при очень больших объемных скоростях газа (пара) и малых нагрузках по жидкости (например, в условиях вакуумной ректификации) на плите тарелки, и особенно в ее периферийной части, вследствие высоких линейных скоростей газа (пара), выходящего из арочных прорезей, малым количеством жидкости сообщается значительная кинетическая энергия, вследствие чего в периферийной части тарелки элементарные объемы жидкости приобретают значительную окружную и радиальную скорость и значительно уменьшается объем удержинаемой жидкости на тарелке, а следовательно, уменьшается и время пребывания жидкости в контакте с газом (паром), что приводит как известно, к снижению как локальной эффективности, так и общей эффективности массообмена контактной тарелки по Мерфри. Целью изобретения является интенсификация массообмена между большими 596 количествами газа (пара) и малыми количествами жидкости за счет увеличения времени пребывания жидкости во вращающемся двухфазном потоке в периферийной части тарелки. Поставленная цель достигается тем, что струйная тарелка снабжена кольцевой полкой, расположенной у стенки колонны с перекрытием меньшей части сливного кармана и выполненной с тангенциально направленными арочными прорезями, размещенными по концентрическим окружностям. На фиг. I изображена часть колонны со струйными тарелками, вертикальный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; ча фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. k - 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 размере); на фиг. 7 разрез. Е-Е на фиг. 6; на фиг. 8 - раз рез Ж-Ж на фиг. 2; на фиг. 9 разрез 3-3 на фиг. 2. Колонна, содержит корпус 1,установленные одна над другой струйные тарелки 2, содержащие горизонтальные Kpyi- лые плиты 3 с тангенциально направлен ными прорезями 4 для прохода газа (пара) с арКОПОДОбНЫМИ козырьками 5 и расположенными по концентрическим окружностям вокруг центра кольцевого гидрозатвора на тарелке, вертикальные криволинейные лопатки 6 в форме спирали Архимеда, установленные на плите тарелки и изогнутые в сторону открытия прорезей Ц с аркоподобными козырьками 5 сливной карман 7. расширяющийся сверху вниз, с нижним основанием 8, сливную трубу 9 с верхним 10 и нижним (не показано) отверстиями для слива жидкости со сливного кармана 7 в центр кольцевого гидрозатвора 11 нижележащей тарелки с зазором 12 между нижней кромкой сливной трубы 9 и плоскостью плиты 3 тарелки для прохода жидкости, над плитой 3 тарелки коаксиально по отношению к центру кольцевого гидрозатвора и по отношению к оси сливной трубы 9 установлено сепарационное коль цо 13 с зазором k между нижней кромкой 15 кольца 13 и плоскостью плиты 3 для прохода жидкости. Кольцевой гидрозатвор представляет собой концентрически расположенные вокруг сливной трубы 9 два кольца, внутреннее 1б и наружное 17 с зазором 18 между нижней кромкой 19 внутреннего кольца 16 и плоскостью плиты 3 тарели с зазором 20 между нижней кром«и, кой 21 наружного кольца 17 и г лоскостью плиты 3 тарелки, причем нижняя кромка 19 внутреннего кольца 16 расположена ниже нижней кромки сливной трубы 9 и ниже нижней кромки 21 наружного кольца 17, а верхняя,кромка 22 внутреннего кольца 1б расположена выше нижней кромки сливной трубы 9 и ни 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 2 одинакового диаметра с наружным кольцом 17 и на некотором расстоянии от верхней кромки 2.3 наружного кольца 17- Кольца 16 и 17 между собой жестко скреплены пластинами 25 и с плитой 3 тарелки стержнями 26, а сепарационное кольцо 13 прикреплено крон тейнами 27 к плите 3 тарелки. Сегментный сливной карман 7 образован корпусом 1 колонны. нижним основанием 8 и двумя наклонныМИ боковыми стенками 28. Периферийная часть сегментного сливного кармана 7 у стенки колонны перекрыта кольцевой полкой 29, в которой выполнены арочные прорези Ц с аркоподобными козырьками 5, которые совпадают по разме-. рам, расположению по концентрическим окружностям и тангенциальному направлению осей с арочными прорезями k с аркоподобными козырьками 5 в круглой плите 3 тарелки. Центр кольцевого гидрозатвора со сливной трубой 9 смещен по отношению центра тарелки в противоположном направлении от сегментного сливного кармана, на 0,05-0,1 диаметра тарелки. 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 и заполняет внутренний объем внутреннего кольца 16, часть жидкости (половина) проходит через кольцевой зазор 18, остальная часть жидкости протекает через верхнюю кромку 22 кольца 16 и, отражаясь от отбойного диска 2k, стекает в «ежкольцевое прост- . ранство 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 будут погружена 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 через прорези k с аркоподобными козырьками 5 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 плоскос ти, жидкость совершает радиально-коль цевое движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар) - винтообразное движение вверх под вышележащую тарелку иТ. д. Враща ющийся 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 приводит к интенсификации массообмена в фазах и к повышению эффективности массообмена контактной тарелки. С помощью сепарационного .кольца 13 формируется регулярно вращающийся двух фазный поток на плите 3 тарелки, жидкость, совершив радиально-кольцевое движение от центра кольцевого гидрозатвора к стенкам сепарационного коль ца 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, отделившись от жидкости. За счет установки сепарационного кольца 13 обес печивается увеличение скорости газа (пара) по.сравнению с барботажныМи тарелками без брызгоуноса. В условиях работы часть жидкости, находящаяся во вращающемся двухфазном потоке ближе к центру тарелки, сливается в сегментный сливной карман 7, а другая часть, находящаяся во вращающемся двухфазном потоке ближе к периферийной части тарелки непосредственно у стенки колонны, про.ходит по инерции по кольцевой полке 29 с арочными прорезями 4 с ар коподобными козырьками 5 и повторно контактирует с газом (паром-) в периферийной части тарелки. За счет высоких радиальной и окружной скоростей жидкости последняя продолжает движение у.стенки колонны на плите 3 тарелки под действием перекрестных ударов газа (пара), поднимающегося вверх, что приводит к образованию дополнительной высокотурбулизированной межфазной поверхности, в результате чего также значительно повышается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость многократно совершаегт Вращательное движение в периферийной части тарелки у стенки колонны и стекает в сегментный карман 7 и по сливной трубе 9 - в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелки. Увеличение слоя жидкости в периферийной части тарелки за счет ее рециркуляции во вращающемся двухфазном потоке способствует также увеличению слоя жидкости в более близких к центру сечениях тарелки вследствие распределения жидкости в поле центробежных сил по параболоиду вращения, что обеспечивает увеличение объема удерживаемой жидкости на тарелке, а значит, увеличение времени контакта жидкости с газом (паром) и повышение эффективности массообмена контактной тарелки. Кроме того, при прохождении двухфазного потока по кольцевой полке с арочными прорезями происходит эжекци,я газа (пара) через прорези t из сегментного сливного кармана 7, что обеспечивает сепарацию фаз и улучшение работы сливных устройств и позволяет уменьшить сечение сливных устройств. Так как сечение сегментного сливного кармана 7 увеличивается сверху вуиз, то этим самым уменьшается смещение центра входного отверстия 10 сливной трубы 9 по отношению к центру выходного отверстия сливной трубы 9- При этом увеличение сечения нижнего основания 8 сливного сегментного кармана 7 не приводит к уменьшению рабочей площади плиты 3 тарелки. В связи с большой разрешающей способностью предложенной струйной тарелки принимать большие нагрузки по газу (пару), она заложена в проекты по замене барботажных тарелок в колоннах диаметром от 1200 до 4000 мм на Куйбышевском АТЗ, на Новокуйбышевском и J ижнeкaмcкoм НХК с целью увеличения производительности колонн в 2 раза по сравнению с барботажными клапанными тарелками. Годовой экономический эффект от внедрения колонн с новыми струйными тарелками среднего диаметра 3000 мм за счет увеличения производительности, улучшения чиСготы разделения, уменьшения гидравлического сопротивления при сопоставимых условиях и снижения себестоимости продукции может составить около 150 тыс, руб. Формула изобретения Струйная тарелка для массообменных колонн, содержащая горизонтальную круглую плиту с тангенциально направленными арочными прорезями для прохода газа (пара), расположенными по концентрическим окружностям, вертикальные криволинейные лопатки в форме спирали Архимеда, установленные на плите и изогнутые в сторону открытия арочных прорезей, сливное устройство сосливным карманом, кольцевой гидрозат90 вор, Репарационное кольцо, установленное коаксиально кольцевому гидрозатвору и расположенное на расстоянии относительно круглой плиты тарелки,- отличающаяся тем, что, с целью интенсификации массообмена между газом (паром) и жидкостью при больших объемных скоростях газа (пара) и малых нагрузках по жидкости за счет увеличения времени контакта жидкости с газом (паром) в периферийной части тарелки струйная тарелка снабжена кольцевой полкой, расположенной у стенрк.„ ..,j. колонны с перекрытием меньшей части сливного кармана и выполненной с тангенциально направленными арочными прорезями, размещенными по концентрическим окружностям. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 911958, кл. В 01 D 3/30, 1971. 2.Авторское свидетельство-СССР по заявке № 252бЙ8/2б, 1977.

п п - Газ - (пар) идкость

и-Л

ж-ж