Тарелка для массообменных колонн
Иллюстрации
Реферат
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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦ)МЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУблин,.SU„„924 црВ01D322; ROf D330
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ "", К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЗФ (61) 845309 (21) 2631590/23-26 (22) 19.06.78 (46) 07.10.84 Бюл. У 37 (72) И.П. Слободяник (71) Краснодарский политехнический институт (53) 66.048.375(088 ° 8) (54)(57) ТАРЕЛКА ДЛЯ ИАССООБИЕННЫК
КОЛОНН по авт.св. Ф 845309, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения 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 сегментньпЪ сливной карман и уменьшения сечения сливного сегментного кармана в условиях работы при больших нагрузках по жидкости порядка 80-100 мз/м 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, уве» личивающейся от сепарационного кольца g к стенке колонны.
1 9249 .Изобретение относится к контактным устройствам для систем газ (пар)-жидкость, используемых в ректификационных, дистилляционных, абсорбционных и BpoMbIBHblx колоннах В KoTopblx жид 5 кость движется сверху вниз и контактирует с газом (паром), поднимающимся по колонне вверх, когда требуетс я обеспечить эффективный контакт между газом (паром) и очень большими количес т- 1р вами жидкости и в жидкой фазе имеютI ся твердые частицы или продукты полимеризации.
Известна тарелка для массообменных колонн, включающая горизонтальную 15 круглую плиту с тангенциально направ.ленными арочными прорезями для прохода газа (пара), расположенными по
I концентрическим окружностям, вертикальные криволинейные лопатки в фор- щ ме спирали Архимеда, установленные на плите и изогнутые в сторону открытия арочных прорезей, сливное устройство для слива жидкости с верхней н» нижнюю тарелку со сливным карманом, 25 выполненным в виде сегмента с расширяющимся сверху вниз сечением, соединенвым основанием с верхней кромкой сливной трубы, кольцевой гидрозатвор, выполненный иэ концентрически расположения.пс вокруг сливной трубы цилиндрических колец, установленный на расстоянии относительно круглой пл6 ты тарелки, увеличивающимся к наружному кольцу,сеиарационное кольцо,установленное коаксиально кольцевому гидрозатвору и расположенное на расстоянии относительно круглой плиты тарелки, причем центр кольцевого гидрозатвора смещен по отношению к центру 4О тарслки в сторону, противоположную расположению сегментного кармана на
О, 05-0, 1 диаметра тарелки.
Известная струйная тарелка рабо тает следующим образом. Жидкость сте 45 кает по сливной трубе и заполняет внутренний обьем 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 внутренним кольцом и через зазор между наружным кольцом и плитой стекает на плиту тарелки.
Таким образом, в условиях работы внутренее кольцо будет заполнено жидкостью и нижнее отверстие сливной тру58 2 бы 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, Гаэ (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 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 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 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), поднимающегося вверх, что приводит к образованию дополнительной высокотурбулизованной межфазнои поверхности, за счет чего значительно повышается эффективность массообмена контактной ступени. Жидкость совершает вращательное движение, накапливаясь в периферийной части тарелки у стенки колонны, непре3 9249 рывно 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 увеличива» ется сверху вниз, то уменьшаетсясиещение центра входного отверстия сливной трубы по отношению к центру выходного. отверстия сливной трубы. При этом так- 1п же 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 выше происходит переполнение сегментного сливного кармана жидкостью, вследствие чего жидкость переливает- 2ц ся на контактную площадь тарелки, увлекается газом (паром) и совершает повторный путь перемещения на та-. релке опять к сливному карману, т.е. происходит обратное перемешивание . 25 жидкости, приводящее к понижению движущей силы процесса и к уменьшению эффективности массообмена контактной тарелки. Кроме того, перелив жидкости из сливного кармана на тарел- ЗО ку происходит неравномерно, что приводит к неравномерности распределения по сечению тарелки не только жидкости, но и газа (пара). Это также приводит к уменьшению эффективности массобмена тарелки. Устранение этого недостатка за счет увеличения сечения сливного сегментного кармана приведет к уменьшению полезной контактной площади и к увеличению расстояния меж- 40 ду тарелками, что повлечет за собой соответственно уменьшение эффективности массообмена контактной тарелки и увеличение объема колонны.
Целью изобретения является повы- 45 шение 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 B сегментной сливной карман и уменьшения сечения сливного сегментного кармана в условиях работы
58 4 при больших нагрузках по жидкости порядка 80-100 мэ/м ч 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 сепарацнонным 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 выполнена 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 массо66мена тарелки.
Кроме того, за счет направляющей поперечной вертикальной перегородки над сегментным спивным карманом создается дополнительный слой жидкости, накапливающейся под действием сил инерции вращающегося жидкостного потока на тарелке 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
l полезную контактную площадь тарелки, что также приводит к повышению эффективности массообмена 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 равномерному рас9249 пределению жидкости и газа (пара) по сечению тарелки.
На фиг. 1 изображена часть колонны со струйными тарелками, вертикальный разрез," на фиг. 2 - сечение А-А 3 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. 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.
Колбнна 1 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) 20 с аркоподобными козырьками 5, расположенными по концентрическим окружностям вокруг центра кольцевого гидрозатвора на тарелке, вертикальные криволинейные лопатки 6 (фиг. 1,2) в форме спирали Архимеда, установленные на плит» тарелки и изогнутые в сторону открытия прорезей 4 с аркоподобными козырьками 5, сегментный карман
7, расширяющийся сверху вниз с ниж- 30 ним основанием 8 (фиг. 1,2,Я, сливную трубу 9 с верхним 10 и нижним 1I огверстиями для слива жидкости со сливного кармана 7 в центр кольцевого гидрозатвора нижележащей тарелкин 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-40 вого гидроэатвора 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. 45 кости. Кольцевой гидрозатвор представляет собой концентрически располо) женные. вокруг сливной трубы 9 два кольца: внутреннее 16 и наружное 17 (фиг.
6,7) . с зазором 18 между нижней кром- gg кой 19 внутреннего кольца 16 и плоскостью плиты 3 тарелки и с зазором
20 ме;кду 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 нижней кромки 24 наружного кольца !7, 58 б а верхняя кромка 22 внутреннего кольца 16 расположена выше 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 тру бы 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 между 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 направлению вращения потока жидкости на тарелке установлена направляющая поперечная вертикальная перегородка
29 (фиг. 1,2,9,10) между сепарационным кольцом 13 и стенкой 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, 924958
7 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 тарелки 3, при этом не будут оставаться также твердые частицы или . продукты полимеризации. Газ (пар) 10 поступает снизу тарелки через прорези 4 с акроподобными козырьками 5 (фиг. 1,2,3,4) с тангенциально направленными осями, проходит в жидкость, стекающую на плиту 3 через 15 сливную трубу 9 с кольцевым гидрозатвором, отдает жидкости часть кинетической энергии, в результате образуется регулярно вращающийся двухфазный поток в горизонтальной плоско- 20 сти, жидкость совершает радиальнокольцевое движение в горизонтальной плоскости от центра к периферии, а газ (пар) — винтообразное движение вверх под вышележащую тарелку и т.д. 25
Вращающийся двухфазный поток отра.жается от криволинейных лопаток в форме спирали Лрхимеда 6. В результате происходит турбулизация газового (нарового) потока, диспергирование, 3п жидкости, перекрестные соударения элементарных объемов газа (пара) и жид-. кости, что приводит к интенсификации массообмена в фазах и к повышению эффективности массообмена контактной тарелки. С помощью сепарационного кольца 13 формируется регулярно вращающийся двухфазный поток на плите 13 тарелки. Жидкость, совершив радиально-кольцевое движение от цент-40 ра кольцевого гидрозатвора к стенкам сепарационного кольца 13 под действием центробежных сил, перетекает че- рез зазор между кольцом 13 и плитой
3 на периферийную часть плиты 3 та- 4> релки, а газ (пар) совершает винтообразное движение вверх, отделившись от жидкости. 3а счет установки сепарационного кольца 13 обеспечивается увеличение скорости газа (пара) по 11 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 дополнительной высокотурбулизованной межфазной поверхности, в результате чего также значительно повышается 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 сливным карманом
7, создавая дополнительный гидростатический напор, под действием которого увеличивается скорость движения жидкости в сливных устройствах, Это позволяет уменьшить сечение сегментного сливного кармана 7, увеличить за счет этого полезную контактную площадь 3 тарелки, и повысить таким образом эффективность массообмена контактной тарелки(эффективность по
Мерфриз). Наличие направляющей го- ризонтальной 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 эффективности 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-, нию 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
9 9249 направляющей поперечной вертикальной перегородки 29 обеспечивает равномерное распределение жидкости и rasa (пара) по сечению тарелки, увеличеwe времени контакта фаз и периферий- 1 ной части тарелки, увеличение полезной контактной площади тарелки, предупреждает обратное перемешивание жидкости и обеспечивает структуру потока жидкости, близкую к модели идеаль- 10 ного вытеснения, что способствует в совркупности повышению эффективности массообмена контактной тарелки (эф-. фективности по Мерфрн). Так как сечение сегментного сливного кармана 15
7 увеличивается сверху вниз, то этим
10 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 3,3З,S, и за счет равномерного распре-. деления жидкости в периферийной части тарелки позволяет повысить нагрузки по жидкости на полное сечение колонны до 70-100 м з/м ч и выше.