Массообменная тарелка
Предлагаемая конструкция относится к контактным устройствам колонных массообменных аппаратов и может быть использована в химической, газовой, нефтяной, нефтехимической, пищевой, и других отраслях промышленности. Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз. Технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, включающая перфорированную плиту, устанавливаемую поярусно одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне, и слой насадки, расположенный на плите, при этом слой насадки выполнен в виде коврика из пористого упругого полимерного материала, например, поропласта или губчатой резины, а над ним установлена с помощью крепежных элементов перфорированная крышка с возможностью вертикального перемещения.
Предлагаемая конструкция относится к контактным устройствам колонных массообменных аппаратов и может быть использована в химической, газовой, нефтяной, нефтехимической, пищевой, и других отраслях промышленности.
Известна колонна с ситчатыми тарелками, состоящая из вертикального цилиндрического корпуса с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий диаметром 0,8÷3 мм, а для регулирования уровня жидкости на тарелке установлены переливные трубы (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии; изд. 14-е, стер. - М.: Альянс, 2008. - с. 505-506).
Известна тарелка для массообменных аппаратов, содержащая горизонтальное перфорированное полотно провального типа, снабженного предохранительным переливным устройством с защитным колпаком в виде перевернутого стакана (патент РФ 
29671, МПК B01D 3/18, B01D 3/20, B01D 3/22, 27.05.2003 г.).
Известна контактная тарелка для массообменных аппаратов, включающая основание с отверстиями для прохода газа (пара) и клапаны в виде цилиндрической поверхности с ограничительными элементами, у которых средняя часть цилиндрической поверхности клапана направлена против движения жидкости и имеет меньший радиус кривизны, чем радиус цилиндрической поверхности клапана, направленной в сторону движения жидкости и имеющий углубления, направленные выпуклостями к основанию тарелки (патент РФ 2372131, МПК B01D 3/20, B01D 3/30, 10.11.2009 г.).
К существенным недостаткам этих конструкций относится ограничение допустимых нагрузок по жидкости и газу (пару), так как при слишком малой скорости газа (пара) жидкость просачивается через отверстия тарелки, что приводит к резкому уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) тарелки и, соответственно, к уменьшению интенсивности массоопедачи.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является массообменная тарелка, включающая перфорированную плиту, устанавливаемую поярусно одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне, приемное устройство для приема жидкости с вышерасположенной тарелки и сливное устройство для слива жидкости на нижерасположенную тарелку, расположенных на диаметрально противоположных сторонах плиты, перфорации в плите выполнены в виде арочных прорезей выпуклостями вверх с осями, направленными диаметрально от приемного к сливному устройству, при этом приемное устройство выполнено в виде перфорированной части плиты, сливное устройство выполнено в виде арочных прорезей выпуклостями вниз с осями, направленными в сторону, противоположную от расположения приемного устройства, приемное устройство нижерасположенной тарелки симметрично расположено под сливным устройством вышерасположенной тарелки, приемные устройства всех нижерасположенных тарелок выполнены также перфорированными арочными прорезями, как и рабочие части тарелок, края плиты тарелки отбортованы вверх, плиты тарелок установлены в колонне горизонтально или под острым углом наклона к горизонтали в сторону расположения сливного устройства, на каждую тарелку засыпан беспорядочно слой насадки высотой, равной не менее 2,5 линейного размера элемента насадки (патент РФ 2079327, МПК B01D 3/22, 20.05.1997 г.).
Недостатком данной массообменной тарелки является значительное гидравлическое сопротивление тарелки с насыпанным на ней слоем насадки, что сужает диапазон допустимых нагрузок по жидкости и газу (пару), что, в свою очередь, приводит к резкому уменьшению КПД тарелки и, соответственно, к уменьшению интенсивности массоопедачи.
Кроме того, к недостаткам можно отнести также пристенный эффект, возникающий в слое насадке, когда газ (пар) оттесняет жидкость к стенке аппарата из-за создаваемого слоем насадки гидравлического сопротивления. Это обстоятельство приводит к уменьшению поверхности контакта фаз как в слое насадке, так и на тарелке, что также снижает интенсивность массоопедачи.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз.
Технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, включающая перфорированную плиту, устанавливаемую поярусно одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне, и слой насадки, расположенный на плите, при этом слой насадки выполнен в виде коврика из пористого упругого полимерного материала, например, поропласта или губчатой резины, а над ним установлена с помощью крепежных элементов перфорированная крышка с возможностью вертикального перемещения.
Процесс массопередачи при работе барботажных ситчатых тарелок осуществляется следующим образом. Газ (пар) подается снизу вверх и, проходя через отверстия тарелки, дробится на струи, которые барботируют через слой жидкости на тарелки. При этом в случае струйного и пенного режимов работы тарелки, которые являются рабочими, от струй газа (пара) отделяются пузырьки, и на поверхности жидкости образуется пена. Процесс массопередачи при этом идет на поверхности контакта двух фаз за счет молекулярной и турбулентной диффузии.
Поропласты и губчатые резины имеет газо- и водопроницаемые поры (капилляры) диаметром 0,01÷1 мм, а температура их эксплуатации составляет от -55 до +250°C (В.Л. Рыжов, В.И. Клочков, А.М. Воскресенский, Производство пористых резинотехнических изделий из эластомеров. - М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1979). Такой размер капилляров обеспечивает оптимальное время пребывания жидкости на тарелки.
Использование в качестве насадки массообменной тарелки коврика из пористого упругого полимерного материала, например поропласта или губчатой резины, позволяет разбивать поток газа (пара) на значительно большее число струй значительно меньшего диаметра. При этом струи газа (пара) практически сразу же дробятся на мелкодисперсные пузырьки, увеличивая тем самым в разы поверхность контакта фаз, что приводит к увеличению интенсивности процесса массопередачи.
Использование в конструкции перфорированных плиты и крышки предотвращает колебания и унос слоя насадки (коврика из пористого упругого полимерного материала), а также обеспечивает строго горизонтальное его расположение в аппарате.
Крепежные элементы крышки с плитой позволяют перемещать крышку в вертикальном направлении, изменяя пористость слоя насадки в зависимости от необходимого технологического режима работы массообменного аппарата, а перфорация плиты и крышки способствует свободному прохождению жидкости через тарелку при наименьшем гидравлическом сопротивлении. В качестве крепежных элементов могут использоваться, например, болтовые или шпилечные соединения.
На фиг. показан в качестве примера один ярус массообменной тарелки для колонных массообменных аппаратов, которая устанавливается в вертикальном цилиндрическом корпусе аппарата 1 и включает в себя слой насадки, выполненный в виде коврика 2 из пористого упругого полимерного материала, например, поропласта или губчатой резины, расположенного на плите 3, а над слоем насадки размещена крышка 4. Плита и крышка снабжены перфорацией с отверстиями 5, причем размер и расположение отверстий перфорации должны быть такими, чтобы потоки жидкости и газа (пара) проходили через тарелку с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Крышка соединена с плитой крепежными элементами 6, представленными на схеме болтовыми соединениями, позволяющими изменять усилие затяжки болтов, перемещая тем самым крышку в вертикальном направлении и поджимая пористый упругий полимерный материал насадки, что приводит к изменению его пористости.
Массообменная тарелка работает следующим образом. Жидкость из вышележащей тарелки подается на перфорированную крышку 4 тарелки и через отверстия 5 перфорации крышки 4 попадает на слой насадки, выполненный в виде коврика 2 из пористого упругого полимерного материала, например, поропласта или губчатой резины, уложенного на плиту 3. Через отверстия 5 перфорации плиты 3 подается газ (пар), который просачивается в виде пузырьков и струй через капилляры пористого упругого полимерного материала слоя насадки 2. При этом жидкость противотоком через капилляры стекает с тарелки на нижележащую тарелку. Постоянный уровень слоя жидкости на тарелки поддерживается за счет удержания соотношения расходов жидкости и газа (пара).
При осуществлении в аппаратах массообменных процессов идущих без нагревания и кипения, например изотермической и неизотермической абсорбции, за счет развитой поверхности капилляров пористого упругого полимерного материала образуется большое количество струй газа, которые дробятся на мелкодисперсные пузырьки, барботирующие через слой жидкости на тарелке. При этом многократно увеличивается поверхность контакта фаз, что приводит к значительному увеличению интенсивности процесса массопередачи.
При осуществлении в аппаратах массообменных процессов идущих с использованием нагревания и кипения жидкостей, например экстракции и ректификации, на тарелки происходит пузырьковое кипение жидкости, а процесс массопередачи осуществляется при «пробулькивании» под давлением пузырьков пара через слой жидкости на тарелке.
Соединение крышки с плитой тарелки при помощи крепежных элементов - болтовых соединений 6 позволяет регулировать усилие затяжки болтов, изменяя тем самым пористость упругого полимерного материала, т.е. позволяет изменять диаметр его капилляров. Это обстоятельство дает возможность тарелки работать сразу в нескольких режимах при неизменном соотношении расходов жидкости и газа (пара).
При этом в случае внезапного прекращения поступления газа (пара) или значительного снижения его подачи, тарелка не будет полностью опорожняется от жидкости через капилляры слоя насадки 2, так как они имеют небольшой диаметр, и жидкость внутри них будет удерживаться за счет сил внутрикапиллярного давления. Это обстоятельство позволяет эксплуатировать аппарат с предлагаемой массообменной тарелкой в широком диапазоне нагрузок по жидкости и газу (пару).
Таким образом, предлагаемая массообменная тарелка для колонных массообменных аппаратов позволяет значительно увеличить интенсивность процесса массопередачи за счет развитой поверхности контакта фаз.
Массообменная тарелка, включающая перфорированную плиту, устанавливаемую поярусно одна над другой в вертикальной цилиндрической колонне, и слой насадки, расположенный на плите, отличающаяся тем, что слой насадки выполнен в виде коврика из пористого упругого полимерного материала, поропласта или губчатой резины, а над ним установлена с помощью крепежных элементов перфорированная крышка с возможностью вертикального перемещения.
