Тарелка для контактирования газа и жидкости
Изобретение относится к тарелке для контактирования газа и жидкости, горизонтально установленной в нормально вертикальной колонне. Тарелка содержит плиту, по существу, с круглой периферией, имеющую верхнюю и нижнюю поверхности, причем эта плита тарелки оснащена газоходами между нижней и верхней поверхностями. При этом виртуальная диаметральная линия плиты тарелки ограничивает на этой плите две полукруглые секции тарелки, и в общей сложности три сливных стакана для направления жидкости с верхней поверхности плиты тарелки под тарелку. Каждый сливной стакан проходит от впускного отверстия, расположенного в плите тарелки, к выпускному отверстию сливного стакана под тарелкой; причем два из сливных стаканов расположены в углах одной из полукруглых секций тарелки, а третий сливной стакан расположен на другой секции тарелки, по существу, вдоль радиуса тарелки, который перпендикулярен диаметральной линии. Предложенная тарелка обладает высокой способностью к транспортировке жидкости, в частности, в малых колоннах, обеспечивает надежную эффективную работу, а также экономичное изготовление тарелки. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к тарелке для контактирования газа и жидкости, пригодной для горизонтальной установки в нормально вертикальной колонне для противоточного контактирования газа и жидкости.
Уровень техники
В частности, изобретение относится к тарелке, содержащей плиту тарелки, по существу, с круглой периферией и имеющей верхнюю и нижнюю поверхности, причем эта плита тарелки оснащена газоходами между нижней и верхней поверхностью, и при этом предусмотрены сливные стаканы для направления жидкости с верхней поверхности плиты тарелки под тарелку, причем каждый сливной стакан проходит от впускного отверстия, расположенного в плите тарелки, к выпускному отверстию сливного стакана под тарелкой. Тарелка, соответствующая изобретению, может быть с выгодой использована, в частности, в колоннах относительно малого диаметра, имеющих диаметр примерно 1 м и более, в частности 1,2 м и более, и менее 2 м, в частности 1,8 м и менее.
Когда в описании или в формуле изобретения употребляется термин «газ» он также относится и к пару. Когда в описании или в формуле изобретения употребляется термин «жидкость», он также относится и к пене.
Относительно малые колонны для контактирования газа и жидкости, имеющие диаметр между 1 м и 2 м, создают ряд специфических проблем при конструировании эффективной тарелки для контактирования газа и жидкости.
В традиционной конструкции на каждой тарелке в колонне расположен единственный сегментный сливной стакан. Сегментный сливной стакан - это сливной стакан, в котором впускное отверстие сливного стакана расположено около стенки, так что часть периферии впускного отверстия сливного стакана проходит вдоль периферии тарелки (стенки колонны). В вертикальной колонне для контактирования газа и жидкости множество таких тарелок установлены стопой, при этом последовательные тарелки повернуты на 180 градусов вокруг оси колонны, так что каждая тарелка получает жидкость из выпускного отверстия сливного стакана следующей вышерасположенной тарелки в зоне приема жидкости, диаметрально противоположной впускному отверстию сливного стакана. Однако эта конструкция имеет недостатки.
Один недостаток заключается в том, что длина пути протекания жидкости по тарелке относительно велика - порядка диаметра тарелки за вычетом ширины сливного стакана. Хотя эту длину, на первый взгляд, можно считать преимуществом, она, в свою очередь, приводит к тому, что между зоной приема жидкости и впускным отверстием сливного стакана развивается относительно большой градиент высоты жидкости по тарелке во время нормальной работы. Это неравномерное распределение жидкости снижает эффективность и производительность тарелки, потому что газ предпочтительно проходит через газоходы в зоне малой высоты жидкости около впускного отверстия сливного стакана. Кроме того, при наибольших высотах жидкости она может протекать через газоходы, что ограничивает производительность тарелки.
Дополнительная проблема одиночных сегментных сливных стаканов заключается в том, что в структуре потока жидкости по тарелке образуются так называемые мертвые зоны около стенки колонны на полпути между зоной приема и впускным отверстием сливного стакана. Эти мертвые зоны приводят к пониженной эффективности тарелки, если для улучшения структуры потока не принимаются специальные меры.
Дополнительный недостаток заключается в том, что в случаях высокой жидкостной нагрузки на колону невозможно обеспечить большие впускные отверстия сливных стаканов, не снижая эффективность тарелок. Жидкостную нагрузку можно выразить в терминах параметра потока
,
где Vж и Vг - объемы жидкости и газа, подаваемые в единицу времени, а ρж и ρг - плотности жидкости и газа соответственно. При высоких жидкостных нагрузках параметр потока равен примерно 0,1 или больше.
Чтобы обеспечить большое впускное отверстие сливного стакана, например, составляющее 20%-27% от общей площади поперечного сечения тарелки или более, приходится использовать очень широкий сегментный сливной стакан. Однако такой сливной стакан все равно имеет относительно малую впускную длину сливного стакана. Термин «впускная длина сливного стакана» употребляется в описании и в формуле изобретения, чтобы обозначить участок периферии сливного стакана, позволяющий получить жидкость с тарелки. Этот участок часто снабжают перегородкой сливного отверстия, чтобы обеспечить минимальную высоту жидкости на тарелке. Поэтому впускную длину сливного стакана часто называют длиной перегородки даже тогда, когда самой перегородки нет.
Относительно малая впускная длина сливного стакана в сочетании с относительно большой площадью впускного поперечного сечения нежелательна, потому что впускная длина становится ограничивающим фактором для способности к транспортировке жидкости. Это приводит к относительно большим высотам жидкости на тарелке, что в общем случае нежелательно, потому что вносит вклад в преждевременное захлебывание вследствие уноса жидкости газовым потоком, а значит и ограничивает производительность тарелки.
Альтернативной конструкцией тарелок в меньших колоннах, имеющей целью обеспечить увеличенную впускную длину сливного стакана, является так называемая двухпроходная тарелка. В этой конструкции используются тарелки двух типов, которые попеременно устанавливаются стопой в колонне. Тарелки первого типа имеют два сегментных сливных стакана, которые расположены диаметрально противоположно друг другу на тарелке. Тарелки второго типа имеют единственный прямоугольный сливной стакан вдоль диаметра тарелки, расположенный параллельно сегментным сливным стаканам соседних тарелок. Длина пути протекания жидкости в этой двухпроходной конструкции составляет порядка половины диаметра тарелки за вычетом ширины сливного стакана.
Двухпроходная конструкция также имеет недостатки. Во-первых, приходится изготавливать тарелки значительно различающихся типов. Во-вторых, тарелки одного типа обычно будут ограничивающими, так что почти невозможно обеспечить полностью сбалансированную конструкцию. Например, впускная длина сливного стакана у тарелок двух типов значительно отличается. В-третьих, на тарелке с единственным на диаметре сливным стаканом обычно нет сообщения посредством текучей среды между зонами тарелки с каждой стороны от сливного стакана, над и под тарелкой. Поэтому с обеих сторон могут развиваться разные уровни жидкости, а сообщение посредством пара с пространством под тарелкой отсутствует, и это снижает эффективность тарелки. В принципе, для смягчения проблемы сообщения посредством пара можно расположить между упомянутыми двумя сторонами каналы сообщения посредством текучей среды, однако это способствует усложнению и удорожанию тарелки.
В еще одной конструкции тарелки, которую часто применяют для тарелок большего диаметра, между периферией тарелки и виртуальной диаметральной линией расположено множество параллельных сливных стаканов. Примеры этой конструкции тарелки приведены в патентах США №6460833, №6494440 и №6588735. Расположение сливных стаканов в двух секциях тарелок идентично, так что одну секцию тарелки можно преобразовать в другую путем поворота на 180 градусов вокруг центра тарелки. Общее количество сливных стаканов является четным. На каждой секции тарелки вдоль линии, перпендикулярной виртуальной диаметральной линии, расположен, по меньшей мере, один, по существу, прямоугольный сливной стакан. На каждой секции тарелки также может быть расположен один сегментный сливной стакан - в углу между виртуальной диаметральной линией и периферией тарелки. Сливные стаканы на двух секциях тарелок располагаются в шахматном порядке. Соседние тарелки в колонне являются зеркальными отражениями друг друга с виртуальной диаметральной линией в роли оси зеркала.
Эта компоновка сливных стаканов на тарелке хорошо работает в случае больших колонн, имеющих диаметр свыше 2 м, при воздушном охлаждении. Ее можно также применять для колонн меньших диаметров, однако при наличии этой конструкции приходится уделять значительное внимание ограничению, заключающемуся в том, что длина пути протекания, которая составляет порядка половины расстояния между соседними сливными стаканами, не становится слишком малой. В частности, это имеет место, когда приходится предусматривать относительно большую впускную площадь сливного стакана, чтобы обеспечить достаточную способность к транспортировке жидкости. В случае новых колонн можно выбрать больший диаметр, чтобы обеспечить минимальную длину течения, а в случае переоборудования колонн это невозможно.
Например, если расчеты показывают, что при наличии известной компоновки с одним прямоугольным и одним сегментным сливными стаканами, на тарелке диаметром 1,5 м можно реализовать длину пути протекания, скажем, 250 мм параллельно виртуальной диаметральной линии, если суммарная впускная площадь сливных стаканов меньше 18% от общей площади поперечного сечения тарелки.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать тарелку для контактирования газа и жидкости, обладающую высокой способностью к транспортировке жидкости, в частности, в малых колоннах и обеспечивающую надежную и эффективную работу, а также экономичное изготовление тарелки.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением предложена тарелка для контактирования газа и жидкости, пригодная для горизонтальной установки в нормально вертикальной колонне, содержащая
плиту тарелки, по существу, с круглой периферией, имеющую верхнюю и нижнюю поверхности, причем эта плита тарелки оснащена газоходами между нижней и верхней поверхностями, и при этом виртуальная диаметральная линия плиты тарелки ограничивает на этой плите тарелки две полукруглые секции тарелки, и
в общей сложности три сливных стакана для направления жидкости с верхней поверхности плиты тарелки под тарелку, причем каждый сливной стакан проходит от впускного отверстия, расположенного в плите тарелки, к выпускному отверстию сливного стакана под тарелкой,
причем два из сливных стаканов расположены в углах одной из полукруглых секций тарелки, и при этом третий сливной стакан расположен на другой секции тарелки, по существу, вдоль радиуса тарелки, который перпендикулярен диаметральной линии.
Изобретение обеспечивает специфическую выгодную конструкцию тарелки для контактирования газа и жидкости с двумя сливными стаканами в углах одной из секций тарелки (именуемыми далее «угловыми сливными стаканами») и одним сливным стаканом, по существу, вдоль радиуса тарелки (именуемым далее «радиальным сливным стаканом», хотя этот сливной стакан и не обязательно должен простираться на всю длину радиуса).
Когда тарелки, соответствующие изобретению, устанавливают стопой в колонне, а соседние тарелки при этом поворачивают друг относительно друга на 180 градусов вокруг оси колонны, проекция сливных стаканов вышерасположенной тарелки на следующую нижерасположенную тарелку совпадает с зеркальными отражениями сливных стаканов на нижерасположенной тарелке относительно виртуальной диаметральной линии в качестве оси зеркала. Выпускные отверстия двух угловых сливных стаканов расположены симметрично относительно впускного отверстия радиального сливного стакана нижерасположенной тарелки, а выпускное отверстие радиального сливного стакана вышерасположенной тарелки расположено симметрично между впускными отверстиями угловых сливных стаканов нижерасположенной тарелки. Вследствие этого изготовление тарелок двух типов оказывается ненужным.
Расположение сливных стаканов в обеих секциях тарелки весьма различается - один радиальный сливной стакан против двух полусегментных (угловых) сливных стаканов. Вследствие этой асимметрии впускная длина сливного стакана, впускная площадь сливного стакана и соотношение между впускной длиной сливного стакана и впускной площадью сливного стакана в целом различны в обеих секциях тарелки. До создания настоящего изобретения можно было ожидать, что эта асимметрия вызовет серьезные проблемы, ограничивающие производительность и/или эффективность тарелки ввиду потенциального неравномерного распределения жидкости по обеим секциям тарелки. Однако заявитель понял, что на практике асимметрия не является проблемой. Любое неравномерное распределение жидкости между двумя секциями тарелки не приведет к большому градиенту высоты жидкости ввиду открытого сообщения текучей среды между секциями тарелки, а также ввиду того, что максимальная длина течения жидкости до ближайшего сливного стакана окажется не слишком большой - порядка половины диаметра тарелки за вычетом ширины сливного стакана - на уровне плиты тарелки (т.е. на уровне так называемой верхней ширины). Если потребуется, впускную длину сливного стакана и/или впускную площадь сливного стакана на обеих секциях тарелки можно корректировать по отдельности, например, посредством надлежащего выбора ширины и формы угловых сливных стаканов и/или ширины радиального сливного стакана таким образом, что получится правильно сбалансированная конструкция.
Подходящее отношение впускной площади радиального сливного стакана и впускной площади обоих полусегментных (угловых) сливных стаканов вместе находится между 0,75 и 1,25, предпочтительно - между 0,9 и 1,1.
Подходящее отношение впускной длины сливного стакана, которую имеет радиальный сливной стакан, и впускной длины сливных стаканов, которую имеют оба полусегментных (угловых) сливных стакана вместе, находится между 0,75 и 1,25, предпочтительно - между 0,9 и 1,1.
Конструкция с тремя сливными стаканами, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает среднюю длину пути протекания жидкости по тарелке (зону барботажа), которая достаточна длинна для надлежащего контакта газа и жидкости даже в малых колоннах диаметром от 1 м до 2 м и даже для относительно больших впускных площадей сливных стаканов, составляющих 20-27% и более от общей площади поперечного сечения тарелки. Вместе с тем эта конструкция пригодна также для меньших относительных впускных площадей сливных стаканов, составляющих до 8%, например 10 или 15%.
Тарелка, соответствующая изобретению, имеет относительно большую часть впускной длины сливного стакана, параллельную виртуальной диаметральной линии, разделяющей секции тарелки. Как бы то ни было, заявитель обнаружил, что перепуск жидкости не является проблемой. Термин «перепуск жидкости» относится к жидкости, текущей непосредственно из выпускного отверстия сливного стакана во впускное отверстие ближайшей сливного стакана на другой секции тарелки, которая принадлежит нижележащей тарелке. Проведены эксперименты, чтобы оценить влияние перепуска жидкости между угловыми сливными стаканами, при этом на нижележащей тарелке с обеих сторон от входных отверстий сливных стаканов вдоль виртуальной диаметральной линии устанавливали высокие перегородки. Обнаружено, что установка этих перегородок не привела к значительному увеличению эффективности тарелки в эксперименте по разделению n-бутана и изобутана, при этом эффективность тарелки определяется как доля массопереноса, достигаемая в паровой фазе, по сравнению с равновесным массопереносом. Вместе с тем обнаружено, что в случае установки перегородок производительность тарелки оказалась значительно меньшей.
Преимуществом тарелки, соответствующей настоящему изобретению, по сравнению с тарелкой, имеющей единственный сегментный сливной стакан, и двухпроходной тарелкой является увеличенная впускная длина сливного стакана, которая обуславливает меньшие высоты жидкости на тарелке и приводит к большей производительности тарелки.
Тарелку согласно изобретению можно с успехом использовать в компоновке с тарелкой для разделения, находящейся рядом с тарелкой для контактирования, при этом тарелка для разделения оснащена одним или более устройствами для разделения центрифугированием. В частности, тарелку для контактирования можно выполнить как единое целое с тарелкой для разделения.
Краткое описание чертежей
Далее приведено более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи,
где на фиг.1 схематически показан вид сверху тарелки для контактирования газа и жидкости в соответствии с настоящим изобретением; и
на фиг.2 схематически показан конкретный вариант осуществления тарелок для контактирования в соответствии с настоящим изобретением вместе с тарелками для разделения в колонне.
Осуществление изобретения
Согласно фиг.1, тарелка 1 содержит плиту 5 тарелки, по существу, с круглой периферией 6. Вдоль периферии расположено опорное кольцо 7, посредством которого тарелку можно устанавливать горизонтально в вертикальной колонне (не показана). Плита тарелки имеет верхнюю и нижнюю поверхности, причем на фиг.1 видна верхняя поверхность 8. Плита тарелки оснащена газоходами 10 между нижней и верхней поверхностями, причем эти газоходы могут быть выполнены в форме ячеек сита, подвижных клапанов, неподвижных клапанов или других газоходов, известных в данной области техники. Газоходы 10 показаны лишь в нескольких местах на плите тарелки, но на самом деле занимают, по существу, всю свободную площадь плиты тарелки, не занятую сливными стаканами. Можно также расположить специальные газоходы в зоне приема жидкости непосредственно под сливным стаканом вышерасположенной тарелки в колонне или вообще не располагать там газоходы. Зону, занимаемую этими газоходами, называют зоной барботажа.
Две полукруглые секции 14, 15 тарелки ограничены виртуальной диаметральной линией 18 плиты 5 тарелки. В тарелке расположены три сливных стакана 21, 22, 23 для направления жидкости с верхней поверхности плиты тарелки под тарелку. Каждый сливной стакан проходит от впускного отверстия 26, 27, 28, расположенного на плите тарелки, до нижней плиты 31, 32, 33 сливного стакана под тарелкой. Выпускные отверстия в нижних плитах расположены таким образом, что образуют подходящее ограничение для потока жидкости, а в иллюстрируемом варианте осуществления выпускные отверстия имеют форму прямоугольных щелей 36, 37, 38. Как видно на чертеже, нижние плиты имеют меньшее поперечное сечение, чем соответствующие впускные отверстия, и соединены наклонными боковыми стенками сливных стаканов, т.е. показанные сливные стаканы являются так называемыми наклонными сливными стаканами. Подходящими сливными стаканами являются так называемые усеченные сливные стаканы; это название означает, что нижняя плита расположена на некотором расстоянии над зоной приема жидкости на плите тарелки под ней, когда тарелки установлены одна над другой в вертикальной колонне. Усеченный сливной стакан в подходящем варианте простирается на расстояние, составляющее от 50% до 90% межтарелочного промежутка, под тарелку. Межтарелочный промежуток можно определить как расстояние между верхними поверхностями двух соседних плит тарелок в колонне. В подходящем варианте межтарелочный промежуток находится между 0,2 м и 1 м.
Два из сливных стаканов расположены в углах 41, 42 полукруглой секции 14 тарелки, причем эти углы ограничены диаметральной линией 18 и периферией 6. Угловые сливные стаканы 41, 42 являются, по существу, полусегментными стаканами. Впускное отверстие 26, 27 каждого полусегментного сливного стакана ограничено прямой более длинной стороной 46, 47, перпендикулярной виртуальной диаметральной линии 18, более короткой стороной 48, 49, обращенной к упомянутой линии 18 и параллельной ей, а также криволинейной задней стороной 50, 51, примыкающей к периферии 6. Должно быть ясно, что для экономии затрат на изготовление заднюю боковую стенку можно также изготавливать из плоской плиты или множества плоских плит, должньм образом собираемых вдоль многоугольной линии, которая следует по криволинейному контуру задней стороны, показанному на чертеже.
Третий сливной стакан 32 расположен на другой секции 15 тарелки и простирается, по существу, вдоль радиуса 44 тарелки, который перпендикулярен диаметральной линии 18. Радиальный сливной стакан 32 является так называемым прямоугольным сливным стаканом, в котором впускное отверстие 28 ограничено двумя более длинными сторонами 53, 54, которые проходят параллельно радиусу 44 на равных расстояниях от него, и двумя более короткими сторонами 55, 56. Сторона 55 параллельна диаметральной линии 18 и обращена к ней, находясь на выбранном расстоянии от нее. Должно быть ясно, что сторону 56, примыкающую к периферии 6, можно сделать изогнутой, как показано на чертеже, или тоже прямой, например, для того, чтобы минимизировать затраты на изготовление.
На чертеже также показаны проекции нижних плит 61, 62, 63 сливных стаканов следующей вышерасположенной тарелки в колонне на плиту 5 тарелки.
Во время нормальной работы тарелки 1 в колонне будет происходить прием жидкости на тарелке 5 в зоне выступов 61, 62, 63. Жидкость в общем случае будет течь к впускным отверстиям соседних сливных стаканов, при этом основные направления потока жидкости в разных местах на тарелке обозначены стрелками 65. Во время этого протекания жидкости можно барботировать газ через газоходы 10, вследствие чего достигается тесный контакт газа и жидкости, так что оказывается возможным тепло и/или массообмен.
Впускные отверстия 26, 27, 28 сливных стаканов 21, 22, 23 принимают жидкость, и она проходит через выпускные отверстия 36, 37 38 сливных стаканов в следующую нижележащую тарелку. Впускная длина сливного стакана в каждом из угловых сливных стаканов 21, 22 образована суммарной длиной соответствующих длинной и короткой сторон 46, 48 и 47, 49 соответственно. Впускная длина сливного стакана в случае прямоугольного сливного стакана 23 образована суммарной длиной сторон 53, 54 и 55.
Более короткие стороны сливных стаканов вносят относительно большой процентный вклад в суммарную впускную длину сливных стаканов в тарелках согласно настоящему изобретению. До настоящего изобретения думали, что это может оказать значительный негативный эффект на эффективность тарелки, поскольку жидкость легко сможет вытечь из зоны приема жидкости на одной секции тарелки во впускное отверстие соседнего сливного стакана на другой секции тарелки, т.е. из зоны 61 в сливной стакан 22, из зоны 62 в сливной стакан 21 и из зоны 63 в сливной стакан 23. Такой эффект должен быть явно выраженным для угловых сливных стаканов. В отличие от всех конструкций тарелок, известных до сих пор, в секции 14 тарелки нет прямоугольного сливного стакана, так что два угловых сливных стакана - это все сливные стаканы, которые есть в этой одной секции тарелки.
Чтобы исследовать этот эффект, были проведены эксперименты при наличии и при отсутствии высоких перегородок, предотвращающих направление потока между зоной 61 и сливным стаканом 22, а также между зоной 62 и сливным стаканом 21. Как описано выше, при отсутствии перегородок наблюдалось лишь минимальное влияние на эффективность тарелки, а при наличии перегородок наблюдалось сильное уменьшение производительности тарелки. Соответствующую длину пути протекания параллельно диаметральной линии выбирают должным образом, чтобы она превышала заранее определенный предел, например 150 мм, 200 мм, 250 мм или 300 м.
Далее приведено количественное описание примера тарелки, соответствующей настоящему изобретению, при этом будут делаться ссылки на детали, обозначенные на фиг.1. Тарелка согласно этому примеру имеет диаметр 1500 мм. Опорное кольцо 7 имеет ширину 50 мм, оставляя эффективный диаметр тарелки 1400 мм. Верхняя ширина прямоугольного сливного стакана (длина впускной стороны 55) составляет 356 мм, а верхняя ширина угловых сливных стаканов (длина сторон 48, 49) составляет 330 мм. Стороны 48, 49, 55 проходят параллельно линии 18 на расстоянии 50 мм от нее, чтобы обеспечить размещение несущей балки вдоль линии 18, если это потребуется. Тогда длина пути протекания, которую рассчитывают как среднее расстояние между сливным стаканом и соседней зоной приема жидкости на одной и той же секции тарелки, составляет 281 мм, что является достаточно большим расстоянием для надлежащей эффективности тарелки, а суммарная впускная площадь сливных стаканов в этой компоновке довольно велика - 27% площади поперечного сечения тарелки. Аналогичную комбинацию длины пути протекания и суммарной впускной площади сливных стаканов для тарелки столь малого диаметра невозможно получить с помощью уже известных конструкций тарелок, поддерживая при этом впускную длину сливных стаканов, достаточно большую для достаточно высоких производительности и эффективности тарелки. Поддерживая длину пути протекания на уровне 250 мм или более, можно с помощью тарелок согласно настоящему изобретению обеспечить относительную впускную площадь сливных стаканов, составляющую примерно 15%, по всему диапазону диаметров тарелок от 1 м до 2 м, и составляющую примерно 20% или более для диаметров колонн между 1,2 м и 2 м.
Суммарная впускная длина сливных стаканов на тарелке составляет 3458 мм, из которых 1016 мм проходят вдоль виртуальной диаметральной линии 18. Можно также вычислить, что прямоугольный сливной стакан 23 занимает 48% суммарной впускной площади сливных стаканов и 47% суммарной впускной длины сливных стаканов, а остальное равномерно распределено по двум полусегментным сливным стаканам 21, 22. Несмотря на большие различия в геометрии сливных стаканов на обеих секциях тарелки, при наличии тарелки согласно настоящему изобретению оказывается возможным обеспечение компоновки стаканов, которая удивительно сбалансирована между секциями тарелки. Сбалансированная конструкция предпочтительна потому, что она минимизирует поперечное течение между секциями.
Должно быть ясно, что форма сливных стаканов может отличиться от примера, показанного на фиг.1. Например, форму острого угла впускного отверстия полусегментного сливного стакана, ограниченную более длинной прямой стороной и задней стороной, такими как стороны 46 и 50 сливного стакана 21, можно модифицировать, чтобы точно подобрать отношение впускной длины сливного стакана и площади сливного стакана. Острый угол можно срезать, например, дополнительной прямой стороной, параллельной стороне 48, что также позволило бы сделать изготовление угловых сливных стаканов проще и дешевле. Более длинную сторону и заднюю сторону впускного отверстия сливного стакана также можно соединить посредством множества прямых сторон.
Теперь, со ссылками на фиг.2, будет рассмотрено конкретное приложение тарелки согласно настоящему изобретению. В этом приложении тарелки для контактирования, соответствующие настоящему изобретению, используются в сочетании с тарелками для разделения, в основном тем образом и с теми преимуществами, которые рассмотрены в патенте США №5885488.
На фиг.2 схематически показана вертикальная цилиндрическая колонна 100, в которой некоторое количество тарелок 103а, 103b, 103с для контактирования расположены в компоновке вертикальной стопы. Позиции, уже употреблявшиеся со ссылками на фиг.1, с добавлением букв «а», «b» и «с» обозначают такие же или сходные детали. Колонна 100 показана в вертикальном поперечном сечении приблизительно вдоль оси колонны, при этом тарелки расположены таким образом, что их виртуальная диаметральная линия ограничивает полукруглые секции тарелок в плоскости листа чертежа или плоскости, параллельной ей. Тарелки 103а и 103с имеют одну и ту же ориентацию в колонне, т.е. соответствующие сливные стаканы расположены один над другим. Промежуточная тарелка 103b имеет ориентацию, повернутую на 180 градусов. На чертеже это выражается в том, что видны только радиальные сливные стаканы 23а, с тарелок 103а, 103с и только угловые сливные стаканы 21b, 22b тарелки 103b. Угловые сливные стаканы тарелки для контактирования, например сливной стакан 23а тарелки 103а, расположены с возможностью направления жидкости из тарелки для контактирования к выпускному отверстию, например 33а, расположенному на некотором расстоянии над зоной барботажа следующей нижележащей тарелки для контактирования, например 103b. Зона барботажа обозначена пунктирными линиями.
Помимо тарелок для контактирования газа и жидкости, установлены также тарелки 103а, 103b для разделения. Тарелка 113а для разделения установлена под тарелкой 103а для контактирования, а тарелка 113b для разделения установлена под тарелкой 103b для контактирования. Каждая тарелка для разделения оснащена некоторым количеством устройств 120 для разделения центрифугированием, которые должным образом распределены по площади, соответствующей зоне барботажа вышерасположенной тарелки. Типичное их количество находится между десятью и тридцатью устройствами для разделения, приходящимися на м2 зоны барботажа.
Тарелки 113а и 113b для разделения, по существу, одинаковы, за исключением их ориентации в колонне. Устройства 120 для разделения оперты на плиты 125а, 125b, через которые простираются сливные стаканы следующей вышерасположенной тарелки. Каждое устройство 120 для разделения содержит вихревую трубку 123, которая является полой трубкой, имеющей впускное отверстие на своем нижнем конце, где находится соответствующее отверстие в плите 125а. Внутри вихревой трубки имеется завихряющее средство 128, должным образом оснащенное лопатками; например, в качестве завихряющего средства возможен узел лопаток, описанный в публикации WO 2004/073836 международной патентной заявки.
Вихревая трубка 123 оснащена обратной юбкой, такой как кольцевой дефлектор 130 с U-образным изгибом, который расположен над верхним концом вихревой трубки. Другие вихревые трубки аналогичны.
Кроме того, каждая тарелка для разделения оснащена средствами для удаления жидкости с тарелки для разделения, выполненными в форме сливных стаканов или сливных труб 135, 136 и 137, которые проходят вниз от впускного отверстия в плитах 125а, b. Сливная труба 135 тарелки 113а для разделения открывается, например, в сливной стакан 21b, который, в свою очередь, открывается на тарелку 103с для контактирования.
Должно быть понятно, что возможна установка большего количества тарелок для разделения и контактирования. На практике сливной стакан, относящийся к крайней снизу тарелке для разделения, имеющейся в колонне, будет открываться в нижнюю часть колонны.
Во время нормальной работы в колонну 100 подается газ через впускное отверстие для газа (не показано) в нижней части колонны, находящееся под тарелкой 103с. Жидкость подается в колонну 100 через впускное отверстие для жидкости (не показано) в верхней части колонны, находящееся над тарелкой 103а. Газ и жидкость контактируют в колонне 100 на горизонтальных тарелках 103а, b, с для контактирования, что позволяет осуществлять массо- и/или теплообмен, а после контактирования жидкость и газ удаляются из колонны 100 через отверстие для выпуска газа (не показано) в верхней части колонны 100 и через отверстие для выпуска жидкости (не показано) в нижней части колонны 100. Избыточная жидкость удаляется из тарелок 103а, b, с через сливные стаканы 21 а, b, с, 22 a, b, c, 23 a, b, c, (не все эти сливные стаканы видны на фиг.2). Часть жидкости будет увлекаться газом, текущим вверх.
Работоспособность колонны определяется максимальным расходом газа как функцией расхода жидкости, при этом максимальный расход газа - это расход газа, при котором начинается увлечение жидкости газом, текущим вверх. Тарелки 113а, b для разделения служат для повышения работоспособности колонны, уменьшая упомянутое увлечение.
Текущий вверх газ с увлекаемой им жидкостью совершает под действием завихряющих средств центробежное движение в вихревых трубках 120 тарелок 113а, b для разделения, и поток жидкости устремляется наружу и течет преимущественно вверх по внутренним стенкам вихревых трубок или около этих стенок. У верхнего конца вихревой трубки жидкость будет отрываться от внутренних поверхностей, перехватываться дефлекторами 130 с U-образными изгибами и направляться к соответствующей настильной плите тарелки для разделения. С нее жидкость удаляется через сливные трубы 135, 136, 137, которые открываются в сливные стаканы следующей нижележащей тарелки для разделения таким образом, что жидкость направляется в зону барботажа второй тарелки для разделения, находящейся под тарелкой для контактирования.
Текучая среда (преимущественно газ), текущая вверх около вертикальной оси вихревой трубки, не перехватывается и может течь вверх к вышележащей тарелке для контактирования.
Типичное вертикальное расстояние между последовательными тарелками для контактирования составляет 600 мм, но возможны также и более короткие расстояния, например 300 мм. Типичное расстояние между тарелкой для контактирования и следующей нижележащей тарелкой для разделения составляет 200 мм. Тарелка для контактирования может быть выполнена как единое целое с тарелкой для разделения, например с тарелкой для разделения, которая расположена ниже (применительно к фиг.2, это могут быть тарелки 103а и 113а, 103b и 113b), даже перед их установкой в колонне.
1. Тарелка для контактирования газа и жидкости, пригодная для горизонтальной установки в нормально-вертикальной колонне, содержащая
плиту тарелки, по существу, с круглой периферией и имеющую верхнюю и нижнюю поверхности, причем эта плита тарелки оснащена газоходами между нижней и верхней поверхностями и при этом виртуальная диаметральная линия плиты тарелки ограничивает на этой плите тарелки две полукруглые секции тарелки, и
в общей сложности три сливных стакана для направления жидкости с верхней поверхности плиты тарелки под тарелку, причем каждый сливной стакан проходит от впускного отверстия, расположенного в плите тарелки, к выпускному отверстию сливного стакана под тарелкой,
причем два из сливных стаканов расположены в углах одной из полукруглых секций тарелки и при этом третий сливной стакан расположен на другой секции тарелки, по существу, вдоль радиуса тарелки, который перпендикулярен диаметральной линии.
2. Тарелка по п.1, в которой отношение впускной площади радиального сливного стакана и суммарной впускной площади обоих угловых сливных стаканов находится между 0,75 и 1,25, предпочтительно между 0,9 и 1,1.
3. Тарелка по п.1 или 2, в которой суммарная площадь впускных отверстий всех трех сливных стаканов составляет 20% или более от общей площади поперечного сечения тарелки.
4. Тарелка по п.1 или 2, в которой впускное отверстие радиального сливного стакана ограничивает впускную длину радиального сливного стакана, и при этом впускные отверстия угловых сливных стаканов ограничивают суммарную впускную длину угловых сливных стаканов, и при этом отношение впускной длины радиального сливного стакана к суммарной впускной длине угловых сливных стаканов находится между 0,75 и 1,25, предпочтительно между 0,9 и 1,1.
5. Тарелка по п.1 или 2, в которой впускное отверстие каждого из угловых сливных стаканов имеет сторону, параллельную виртуальной диаметральной линии, и сторону, по существу, совпадающую с периферией тарелки.
6. Тарелка по п.5, в которой сторона, по существу, совпадающая с периферией тарелки, проходит, по меньшей мере, частично вдоль прямой линии.
7. Тарелка по п.6, в которой сторона, параллельная виртуальной диаметральной линии, и сторона, по существу, совпадающая с периферией тарелки, соединены одной или более дополнительными сторонами впускного отверстия сливного стакана.
8. Тарелка по п.1 или 2, которая скомпонована с тарелкой для разделения, соседней с тарелкой для контактирования, причем тарелка для разделения оснащена одним или более устройствами для разделения центрифугированием.
9. Тарелка по п.8, которая выполнена как единое целое с тарелкой для разделения.
