Массообменная тарелка

 

Изобретение относится к контактным устройствам для осуществления массообмена между газовой (паровой) и жидкой фазами, а более конкретно, к барботажным тарельчатым колоннам для проведения процессов ректификации, абсорбции, промывки газов преимущественно в колонных аппаратах с большими нагрузками по газу (пару) и малыми нагрузками по жидкости. Цель - интенсификация процесса массообмена между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости, соответствующими нагрузкам по жидкости на периметр слива порядка 2 - 3 м³/(м · ч) и ниже, например, в условиях вакуумной ректификации. Массообменная тарелка барботажного типа содержит плиту, приемный карман с переливной планкой, установленную поперек потока у приемного кармана перегородку, причем в перегородке выполнены окна прямоугольной формы, чередующиеся с простенками. При этом высота окон перегородки больше высоты газожидкостного слоя на тарелке. Отношение ширины перегородок к ширине чередующихся с окнами простенков постоянно по длине перегородки, а отношение суммарной ширины всех окон перегородки к длине переливной планки у приемного кармана тарелки принимается в пределах (1 : 10) - (1 : 7). Новым в предлагаемой конструкции массообменной тарелки является то, что перегородка с чередующимися окнами и простенками снабжена рейкой, прикрепленной ко всем простенкам в самой нижней части перегородки, а перегородка установлена на терелку так, что нижняя рейка плотно касается плиты тарелки. 6 ил.

Изобретение относится к контактным устройствам для осуществления процесса массообмена между газовой (паровой) и жидкой фазами, а более конкретно к барботажным тарельчатым колоннам для проведения процессов ректификации, абсорбции, промывки газом, преимущественно в условиях взаимодействия больших объемов газа (пара) и малыми объемами жидкости.

Известна массообменная тарелка для осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, включающее основание, приемный карман с переливной планкой, сливной карман со сливной планкой, перегородку, установленную поперек потока у приемного кармана, в которой выполнены отверстия прямоугольной формы, чередующиеся с простенками, при этом высота отверстий перегородки более высоты газожидкостного слоя на тарелке, отношение ширины окон к ширине простенков постоянно по длине перегородки, а отношение суммарной ширины всех окон перегородке к длине переливной планки тарелки у приемного кармана равно (1:10)-(1:7).

Известна массообменная тарелка, которая обеспечивает значительное повышение эффективности массообмена барботажных тарелок больших диаметров в условиях работы вакуумной ректификации при очень малых удельных нагрузках по жидкости на периметр слива меньше 2 м³/(м˙ч) за счет равномерного распределения жидкости вдоль периметра слива приемного кармана тарелки.

Недостатком известной массообменной тарелки является то, что при очень малых удельных нагрузках по жидкости на периметр слива порядка меньше 2 м³/(м˙ч) ширина просветов между простенками перегородки очень мала и при изгибе перегородки для придания ей криволинейной формы, а также при монтаже и обслуживании на тарелке простенки могут легко деформироваться, так как они представляют собой длинные пластинки с одним закрепленным концом, в результате чего сечение для прохода жидкости между простенками перегородки может изменяться во много раз, что приводит к резкому нарушению равномерности распределения жидкости по поперечному сечению потока.

Цель изобретения интенсификация процесса массообмена между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости, соответствующими нагрузками по жидкости на периметр слива порядка 2-3 м³/(м˙ ч) и ниже, например, в колоннах больших диаметров в условиях вакуумной реактификации за счет предупреждения каналообразования в потоке жидкости на тарелке.

На фиг.1 изображена тарелка с боковым сливом, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 тарелка с центральным переливом, продольный разрез; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 вид В-В на фиг.2; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.5.

Массообменная тарелка устанавливается в вертикальном цилиндрическом корпусе 1 и представляет собой горизонтальную плиту 2 с перфорациями 3 или клапанами 4 для прохода газа (пара) и содержит приемный карман 3 с переливной планкой 6, сливной карман 7 с переливной планкой 8, входную перегородку 9 у приемного кармана 5, симметрично изогнутую с выпуклостью в сторону приемного кармана 5, с вертикальными окнами 10 прямоугольного сечения в нижней части и простенками 11, касающимися боковых стенок колонны, а высоты окон 10 перегородки 9 выше высоты газожидкостного слоя на тарелке, к простенкам 11 в нижней части прикреплена рейка 12, плотно прижатая к плите 2 тарелке. На двухпоточной тарелке (фиг.3 и 4) с центральным приемным карманом и боковыми сливами перегородки 13 имеют прямую форму.

Массообменная тарелка работает следующим образом.

Жидкость поступает в приемный карман 5 на плиту 2 тарелки со сливного кармана 7 вышележащей тарелки, переливается через верхние кромки переливной планки 6 на плиту 2 тарелки с перфорациями 3 или клапанами 4, через которые проходит газ (пар), барботирует через слой жидкости, в результате чего происходит тесный контакт и массообмен между газом (паром) и жидкостью. Для равномерного распределения жидкости по всему сечению плиты 2 тарелки при изменении ширины фронта по пути движения жидкости от приемного кармана 5 до сливного кармана 7, которая сначала увеличивается от длины переливной планки 6 до длины диаметра тарелки, а затем уменьшается от длины диаметра тарелки до длины сливной планки 8, служит водная перегородка 9 с вертикальными прямоугольными окнами 10 и простенками 11, прикрепленными к рейке 12, у приемного кармана 5.

Так как суммарная ширина окон 10 перегородки 9 намного меньше длины переливной планки 6, то между перегородкой 9 и переливной планкой 6 образуется слой жидкости, выше нижней кромки переливной пленки 6 на некоторую высоту h_ж, которая зависит от нагрузки жидкости на периметр слива L_s, м³/(м˙ч), и суммарной ширины окон 10 перегородки Σa В результате жидкость распределяется вдоль перегородки 9 и проходит через все окна 10 малой ширины и равномерно рассредоточено через все окна 10 шириной а распределяется по перечному сечению тарелки 2. Равномерное распределение возможно только в том случае, если над краем перегородки 9 будет создана высота напора жидкости h_ж, как на водосливной пластине.

В колонне с двухпоточными тарелками (фиг.3 и 4) на тарелках с боковыми сливами перегородки 13 у центрального приемного кармана имеют прямолинейную форму, а на тарелках с центральным сливом у боковых приемных карманов перегородки имеют криволинейную форму.

В колонне с двухпоточными тарелками (фиг.3 и 4) на тарелке с центральным приемным карманом и с боковыми сливами перегородки 12 имеют прямолинейную форму и жидкость движется на тарелках от центра к периферии, на тарелках с боковыми приемными карманами и с центральным сливом перегородки 9 имеют криволинейную форму и жидкость движется на тарелке от периферии к центру.

Технические преимущества предлагаемой массообменной тарелки по сравнению с прототипом заключаются в гарантированно строгом соблюдении прогнозируемых геометрических размеров перегородок с окнами и простенками, обеспечивающих повышение эффективности массообмена за счет равномерного распределения жидкости по поперечному сечению потоков на тарелках.

Общественно полезные преимущества предлагаемого объекта, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении четкости разделения колонны, в увеличении концентрации целевых компонентов, или в уменьшении необходимого флегмового числа для достижения заданного состава продуктов разделения, что в конечном итоге приводит к уменьшению расхода греющего водяного пара.

Преимущества предлагаемой массообменной тарелки по сравнению с прототипом заключаются в равномерном распределении жидкости по поперечному сечению тарелки на малых нагрузках по жидкости и обеспечении тем самым эффективного процесса тепломассообмена между газом (паром) и жидкостью, а также в том, что повышается эффективность процесса массообмена, разделяющая способность абсорбционных и ректификационных колонн, четкость разделения и чистоты целевых продуктов, уменьшается расход абсорбента в условиях абсорбции или уменьшается необходимое флегмовое число при ректификации, что позволяет уменьшить удельный расход пара на ректификацию, т.е. уменьшить удельные энергетические затраты, что в конечном позволяет снизить себестоимость готовых продуктов и повысить их качество.

На практике снижение эффективности массообмена ректификационных колонн с барботажными тарелками вследствие неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению потоков на тарелках компенсируется увеличением флегмового отношения (R_п), что влечет за собой резкое увеличение расхода греющего водяного пара из котельной. Это наглядно видно из упрощенного уравнения теплового баланса ректификационной колонны D_λ (R+1) G кг/с (1) где D_λ расход греющего пара на ректификацию, кг/с; R рабочее флегмовое отношение; G_d производительность колонны по дистилляту, кг/с; r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг; r _λ- скрытая теплота конденсации греющего водяного пара, Дж/кг.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого технического решения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и расхода греющего пара вследствие повышения эффективности массообмена ректификационных колонн больших диаметров, обеспеченного более равномерным распределением жидкости на тарелках.

Применительно к разделению полуфабрикатов производства синтетического каучука С₅ С₆ в ректификационных колоннах со средней молекулярной массой М_с 70 согласно известному правилу Трутона отношение скрытых теплот испарения конденсации равно 0,273 (2) Принимая исходное среднее рабочее флегмовое отношение для прототипа, равно 5 и уменьшение его на 5% за счет улучшения равномерности и распределения жидкости для предлагаемого объекта повышения эффективности, получим уменьшение расхода греющего пара, рассчитанное на примере при двух флегмовых числах R_п и R_з 0,95 R_п D_λп (R_п+1) G_d (3) D_λз (0,95R_п+1) G_d (4) где R_п, R_з флегмовое число для прототипа и предлагаемого технического решения;
D _λп, D_λз расход греющего водяного пара для прототипа и предлагаемого технического решения, кг/с.

Разность между расходом пара для прототипа и предлагаемого технического решения ΔD_λ определяется по выражению
ΔD_λ D_λп-D_λз (R_п+1)-0,95 R_п-1) G_d (5)
ΔD_λ 0,05 R_n·G_d (6)
Для колонн диаметром D_к 2000 мм принимаем
G_d 4 кг/с, 0,273, R_п= 5,
ΔD_λ 0,05 ˙5˙4 ˙0,273 кг/c (7)
Ожидаемый годовой экономический эффект на одной колонне диаметром 3600 мм, может составить ориентировочно
Э 8600 ˙3600 ˙ ΔD_λ 10^-3 Ц_λ 8600 ˙3,6x x0,273 ˙5,7 48000 руб./год (8) где 8600 количество рабочих часов в году;
Ц_λ стоимость 1 т греющего водяного пара из котельной давлением до 0,6 МПа, руб, исходя из стоимости 1 Гкал 7,8 руб.

Как видно, разделение методом ректификации является очень энергоемким процессом и достижение заданной чистоты разделения увеличением флегмового числа при недостаточной эффективности массообмена колонны по различным причинам, включая и неравномерность распределения жидкости на тарелках, обходится очень дорого.

Формула изобретения

Массообменная тарелка для осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, включающая основание, приемный карман с переливной планкой, сливной карман со сливной планкой, перегородку, установленную поперек потока у приемного кармана, в которой выполнены отверстия прямоугольной формы, чередующиеся с простенками, при этом высота отверстий перегородки больше высоты газожидкостного слоя на тарелке, отношение ширины окон к ширине простенков постоянно по длине перегородки, а отношение суммарной ширины всех окон перегородки к длине переливной планки тарелки у приемного кармана равно 1 10 1 7, отличающаяся тем, что перегородка с чередующимися окнами и простенками снабжена нижней рейкой, прикрепленной ко всем простенкам в самой нижней части перегородки, а перегородка установлена на тарелку так, что нижняя рейка плотно касается плиты тарелки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6