RU208968U1 - Распределительная тарелка - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, устанавливаемым внутри тепло- и массообменных аппаратов и химических реакторов для равномерный подачи жидкой фазы по всему сечению корпуса, и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности и в экологических процессах очистки жидкости и газов от вредных примесей на молекулярном, ионном и дисперсном уровнях.Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение производительности за счёт предотвращения уноса жидкости с паром или газом и обеспечения равномерного распределения подаваемой жидкости на поверхности насадки или слоя катализатора.Поставленный технический результат достигается тем, что распределительная тарелка состоит из плиты с расположенными на ней газовыми патрубками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки и асимметрично установлены относительно газовых патрубков, отличающаяся тем, что газовые патрубки установлены с возможностью осевого перемещения внутри переливных труб, при этом над плитой на внешней боковой поверхности каждого газового патрубка жёстко закреплено кольцо с положительной плавучестью, а под плитой также жёстко закреплён кольцевой козырёк.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, устанавливаемым внутри тепло- и массообменных аппаратов и химических реакторов для равномерный подачи жидкой фазы по всему сечению корпуса, и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности и в экологических процессах очистки жидкости и газов от вредных примесей на молекулярном, ионном и дисперсном уровнях.

Известны распределительные тарелки для насадочных колонн, состоящие из равномерно распределённых по её сечению удлиненныхпатрубков для жёсткости, паро-(газо)- проводящих коротких патрубков [Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. Справочник издание 3-е переработанные и дополненное. / Под редакцией Е.Н. Судакова/ - М.: Химия, 1979, 566 стр : стр 303-305, рис III-62].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся неравномерность подачи жидкой среды по сечению колонны, особенно на периферийной её части вблизи стенок корпуса в колоннах большого диаметра. Это приводит к большим затратам времени на установку и крепление переливных устройств большого диаметра внутри корпуса, снижает эффективность орошения всей поверхности насадки или катализатора и уменьшает время основной работы, а значит и производительность.

Известны распределительные тарелки АО ПО «СТРОНГ», состоящие из горизонтального основания с патрубками, равномерно распределёнными по площади основания и имеющие сужающие устройства типа трубки Вентури [www.zaostrong.ru].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится сложность и длительность установки этих распределительных тарелок в корпусе реакторов, связанная с обеспечением герметичности прокладок с крепёжными деталями по окружности стенок реактора. Это снижает основное время работы и в целом производительность.

Известна конструкция компактной распределительной тарелки, в которой трубы, вертикально установленные на её поверхности, разделяют эту поверхность на отсеки [Пат.РФ№2702557C2, МПК B01D 3/00, B01D53/18, B63B35/28, 2019.].

К причинам, препятствующие достижению заданного технического результата, относятся неравномерность орошения всего сечения колонны, особенно в её периферийной части у стенок корпуса. Это снижает производительность колонны в процессе тепло- и массообмена или при протекании химической реакции.

Известна конструкция распределительной тарелки для циркуляции газа и жидкости, состоящая из пластины, имеющей отверстия и служащую опорой для полых труб, расположенных перпендикулярно указанной пластине, причём над каждым отверстием пластины установлена труба с идентичным этому отверстию поперечным сечением, при этом пластина имеет множество отверстий, расположенных по периферии каждой трубы внутри описанной окружности, центр которой совпадает с центром трубы и радиус которойменьше или равен 1/3 самого короткого расстояния, разделяющее две соседние трубы, и тем, что единственный отклоняющей элемент расположен под каждый трубой так, чтобы передавать вращательные движения смеси газа/жидкость под каждой трубой [Пат.РФ №2603672, МПК B01D 3/00, B01D53/18, B63B35/28, 2016].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточное орошение жидкостью периферийной части насадки или катализатора у стенки корпуса, а также сложность и длительность монтажа и демонтажа тарелки, что уменьшает основное время работы, тепло и массообмен или химические процессы в слое катализатора под распределительной тарелкой, а значит приводит к снижению производительности.

Известна конструкция распределительного устройства, установленного в реакторе гидроочистки масел, состоящего из тарелки с равномерно распределёнными по её поверхности отверстиями и дугообразными лабиринтными перегородками с периферийными креплениями по модульному принципу [Пат.US8042790B2, МПК B01J8/0278, 2011].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится унос капель жидкости с потоком пара и/или газа, а также длительность и сложность крепления известной конструкции переливного устройства к корпусу аппарата. Это увеличивает время осмотра, демонтажа и монтажа, снижая основное время работы и в целом производительность.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является колпачковая тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней паровыми патрубками, колпачками, переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки и снабжены в нижней части распылителями жидкости, причём переливные трубы асимметрично расположены относительно парового патрубка и крепится непосредственно к самому колпачку [Пм.РФ №198302, B01D3/20,2020].

К причинам, препятствующих достижению заданного технического результата, относится большой унос капель жидкости с газовый или паровой фазы, движущийся вверх по паровым (газовым) патрубкам при использовании колпачковой тарелки, описанной конструкции в качестве распределительной тарелки, предназначенной для равномерного орошения жидкостью всей поверхности насадки или слоя катализатора. Этот унос жидкости с паром или газом приводит к снижению производительности.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение производительности за счёт предотвращения уноса жидкости с паром или газом и обеспечения равномерного распределения подаваемой жидкости на поверхности насадки или слоя катализатора.

Поставленный технический результат достигается тем, что распределительная тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней газовыми патрубками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки и асимметрично установлены относительно газовых патрубков, отличающихся тем, что газовые патрубки установлены с возможностью осевого перемещения внутри переливных труб, при этом над плитой на внешней боковой поверхности каждого газового патрубка жёстко закреплено кольцо с положительной плавучестью, а под плитой также жёстко закреплён кольцевой козырёк.

Установка газового патрубка внутри каждой переливной трубы с возможностью осевого перемещения снижает унос жидкости газовым потоком, так как жидкость стекает сплошной плёнкой из каждой переливной трубы, а не в виде капель, как это имеет место в прототипе.Это способствует росту производительности за счёт увеличения площади поверхности насадки или катализатора, смоченной потоком жидкости.

Жесткое закрепление на внешнtq боковой поверхности каждого газового патрубка над плитой кольца с положительной плавучестью обеспечивает плавание каждого газового патрубка на поверхности слоя жидкости, находящейся над плитой, при любых колебаниях её расхода и уровня. Это предотвращает попадание жидкости сверху на газовый патрубок и её унос с газом вверх, минуя слой насадки или катализатора, что также способствует росту производительности.

Жесткое закрепление на внешней боковой поверхности каждого газового патрубка под плитой кольцевого козырька увеличивает площадь орошения плёнкой жидкости, стекающий с кольцевого козырька, поверхности насадки или катализатора, предотвращает унос патрубка, при больших расходах газовой фазы, что также способствует росту производительности за счёт полного и равномерного орошения слоя насадки или катализатора, находящегося под кольцевым козырьком.

На фигуре представлен общий вид предлагаемой конструкции распределительной тарелки.

Распределительная тарелка состоит из плиты 1 с равномерно распределёнными на ней переливными трубами 2. Внутри каждой переливной трубы 2 с возможностью осевого перемещения установлены газовые патрубки 3.Сверху над плитой 1 на каждом газовому патрубке 3 на его внешний боковой поверхности жёстко закреплено кольцо 4 с положительной плавучестью, а под плитой 1 на каждом газовом патрубке 3 также жёстко закреплен кольцевой козырек 5. Сама плита 1 установлена на опорах 6, закреплённых над поверхностью насадки или слоя катализатора 7 внутри корпуса 8 колонны, химического реактора или контактного аппарата, с размещенным на нём патрубкам 9 для подвода жидкости.

Распределительная тарелка работает следующим образом.

По патрубку 9 на плиту 1 падают жидкость, занимающую отдельный уровень в корпусе 8. Кольца 4 с положительной плавучестью всплывают вместе с газовыми патрубками 3 и кольцевыми козырьками 5, а жидкость с плиты 1 стекает вниз по кольцевому зазору, образованному внутренней поверхностью каждой переливной трубы 2 и внешней поверхностью газового патрубка 3, так как этот кольцевой поток жидкости образует гидрозатвор, то его столб препятствует проскоку газа в этом кольцевом зазоре и уносу жидкости вверх. Кольцевой поток жидкости, вытекая из каждой переливной трубы 2, растекается по кольцевому козырьку 5 в виде плёнки жидкости и стекает вниз под плиту 1 на поверхность насадки или слоя катализатора 7, орошая без капельного разбрызгивания всю эту поверхность. Поток газа поступает снизу в газовые патрубки 3, так как под кольцевыми козырьками 5 нет жидкости и газ не взаимодействует и не увлекает за собой её капельки.

Примеры.

Пример 1. Для насадочной ректификационной колонны рассчитаем предлагаемую конструкцию распределительной тарелки, зная необходимую площадь каналов для жидкости S₁=0,0077 м² и газа S₂=0,016 м² , при площади поперечного сечения аппарата S=0,39 м² [Афанасьев Ю.О., Богомолов А.Р., Дадонов П.В. К расчету распределительных тарелок насадочных колонн // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2008. – № 3(67). – C. 94-98].

С учетом этого была определена оптимальная геометрия распределительной тарелки и количество газовых патрубков 3. Так наружный диаметр газового патрубка 3 составил d₃=23 мм, а толщина стенки b=0,6 мм и длина l=10 мм. Зазор между газовым патрубком 3 и плитой 1 составил b₁=5 мм при общем числе газовых патрубков 3 n=38. Тогда площадь каналов жидкости S₁=(π·0,0286²/4- π·0,0236²/4)·38=0,0077 м² и S₂=π·0,023²/4·38=0,016 м². При заданной геометрии гидравлическое сопротивление, создаваемое жидкостью в зазоре, составит 0,2 МПа, что при работе колонны при атмосферном давлении не позволит газовой фракции пройти через слой жидкости.

Зная, что расстояние от слоя насадки до распределительной тарелки составляет в общем случае h=1500 мм и принимая угол раскрытия, создаваемый козырьками 5, 90°, для данной геометрии теоретическая зона распыления составит d_т=3000 мм, однако, актуальная зона распыления при условиях работы массообменного аппарата составит d_д=0,04·d_т=0,04·3000=120 мм [Ультразвуковое распыление жидкостей: монография// В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, А.В. ШАЛУНОВА – Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 272 с. , c, 34-36.].

Тогда площадь орошения одного патрубка составит S_ор1= π·0,12²/4=0,011 м². Общая поверхность орошения составит S_ор= 38·0,011=0,418 м². Это создаст запас поверхности орошения в 7%, что при пресечении факелов разбрызгивания равных 1/4 собственной ширины разбрызгивания, что, в свою очередь, будет компенсировать избыточную поверхность орошения и позволит создать равномерное распределение жидкости по поверхности насадки, что позволит повысить производительность всей установки в целом.

Пример 2. Для каталитического реактора глубокой гидроочистки дизельного топлива [Левин О.В., Олтырев А.Г., Голубев А.Б.Глубокая гидроочистка дизельного топлива на катализаторе НКЮ-232// Катализ в промышленности. – 2004. – № 1. – C. 25-28] рассчитаем предлагаемую конструкцию распределительной тарелки при необходимой площади каналов для жидкости S₁=0,082 м² и газа S₂=0,24 м², при площади поперечного сечения аппарата S=1,76 м²

С учетом этого была определена оптимальная геометрия распределительной тарелки и количество газовых патрубков 3. Так наружный диаметр газовых патрубка 3 составил d₃=40 мм, а толщина стенки b=0,5 мм и длина l=20 мм. Зазор между газовым патрубком 3 и плитой 1 составил b₁=0,6 мм при общем числе газовых патрубков 3 n=200. При заданной геометрии гидравлическое сопротивление, создаваемое жидкостью в зазоре, составит 0,3 МПа, что при работе колонны при давлении равном 0,23 МПа не позволит газовой фракции пройти через слой жидкости.

Зная, что расстояние от слоя насадки до распределительной тарелки составляет в данном случае 1000 мм, угол раскрытия, создаваемый козырьками 5, принимается 30°.

Для данной геометрии теоретическая зона распыления составит d_т=540 мм, однако, актуальная зона распыления при условиях работы каталитического реактора d_д=0,2·d_т=0,2·3000=108 мм [Ультразвуковое распыление жидкостей: монография// В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, А.В. ШАЛУНОВА – Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 272 с. , c, 34-36.].

Тогда площадь орошения одного патрубка составит S_ор1= π·0,108²/4=0,00915 м². Общая поверхность орошения составит S_ор= 200·0,00915=1,83 м². Это создаст запас поверхности орошения в 3,9%, что при пресечении факелов разбрызгивания равных 1/3 собственной ширины разбрызгивания, что в свою очередь будет компенсировать избыточную поверхность орошения и позволит создать равномерное распределение жидкости по поверхности катализатора, что позволит повысить производительность всей установки в целом.

Таким образом, установка газовых патрубков 3 с возможностью осевого перемещения внутри переливных труб 2 и жёсткое закрепление на внешней стороне каждого газового патрубка 3 над плитой 1 кольца 4 с положительной плавучестью, а под плитой 1 также жёсткое закрепление кольцевого козырька 5 позволяет предотвратить унос капель жидкости с газовым потоком, увеличить смоченную поверхность насадки или слоя катализатора 7 и сам объем орошающей жидкости, взаимодействующий с насадкой и слоем катализатора 7, что способствует росту производительности тепло – и массообменного процесса или процесса, сопровождаемого химической реакцией.

Claims (1)

1. Распределительная тарелка, состоящая из плиты с расположенными на ней газовыми патрубками и переливными трубами, которые равномерно распределены на плите тарелки и асимметрично установлены относительно газовых патрубков, отличающаяся тем, что газовые патрубки установлены с возможностью осевого перемещения внутри переливных труб, при этом над плитой на внешней боковой поверхности каждого газового патрубка жёстко закреплено кольцо с положительной плавучестью, а под плитой также жёстко закреплён кольцевой козырёк.

Images