Клапанная тарелка

Авторы патента:

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции контактного устройства в массообменных аппаратах для массообмена между пузырьками газа (пара) и жидкости, обладающей высоковязкими, структурированными и неньютоновскими свойствами, и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, энергетической, машиностроительной, фармацевтической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки газов и жидкостей от вредных веществ. Техническим результатом этой конструкции является увеличение скорости массопереноса через границу раздела фаз газовых пузырьков и жидкости за счет вибрации жидкости и пузырьков газа. Поставленный технический результат достигается тем, что в клапанной тарелке для процесса массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, а опорный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом цилиндр опорного элемента образован винтовой пружиной, а на клапане закреплен груз, причем масса клапана с грузом определяется по формуле

где M - масса клапана с грузом, кг; l - длина винтовой пружины, м; c - скорость звука в газе, участвующем в процессе массообмена, м/с; a - жесткость винтовой пружины, Н/м.

Известна конструкция колпачковой тарелки, состоящая из равномерно перфорированного диска, опорного листа, приемного и сливного порогов, сменной гребенки, установленной на сливном пороге перегородки под сливным порогом, паровых (газовых) патрубков, герметично закрепленных в отверстиях равномерно перфорированного диска, над которыми установлены колпачки с прорезями, при этом высота колпачка над паровым патрубком может регулироваться с помощью болта с гайками. (Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / Л.Г. Касаткин. - 14-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008. С. 476-478).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность массообменных процессов между паром (газом) и жидкостью из-за малой скорости движения сплошной жидкой фазы относительно поверхности паровых (газовых) пузырьков, выходящих через прорези в колпачках, особенно при работе с высоковязкими, структурированными и неньютоновскими жидкостями.

Известные пульсационные ситчатые колонны, в которых пульсации осуществляют с помощью вибрирующих внутри колонны перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщают возвратно поступательное движение или посредством специального механизма (пульсатора), находящегося вне колонны, при этом создаваемые пульсатором колебания передаются гидравлически на тарелки с жидкостью. (Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / А.Г. Касаткин. - 14-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008. - С. 573).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность массопереноса через границу раздела фаз газовых пузырьков и жидкости, когда жидкость имеет высокую вязкость и является структурированной и неньютоновской.

Известны высокочастотные ультразвуковые аппараты, состоящие из магнитострикционного излучателя, представляющего собой пакет кольцеобразных никелевых пластин с обложкой и двумя присоединительными фланцами. Внутри излучателя запрессован тонкостенный стакан, в котором обрабатывается продукт. (Тимонин, А С.Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. - издание 2-е, переработанное и дополненное, Т. 2. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - С. 904).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая эффективность массопереноса из-за невозможности передачи высокочастотных колебаний на границу раздела фаз паровых (газовых) пузырьков, выходящих из прорезей колпачка и окружающей их жидкость, особенно если она обладает высоковязкими, структурированными и неньютоновскими свойствами.

Известны низкочастотные емкостные аппараты, состоящие из емкости с эллиптическим днищем, с рубашкой или без рубашки для охлаждения или обогрева обрабатываемого продукта, низкочастотного перемешивающего устройства и пульта управления.

Перемешивающее устройство представляет собой шток с тарелками, соединенными с валом электромагнитного вибратора. Тарелки равномерно перфорированы коническими отверстиями. (Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. - издание 2-е, переработанное и дополненное, T. 2. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - С. 905).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность массопереноса при обработке высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей из-за одновременного колебания жидкости и газовых пузырьков и вследствие этого малой скорости движения границы пузырьков относительно обрабатываемой жидкости.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и выбранному за прототип является клапанная тарелка для процессов массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, и обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, при этом опорный элемент выполнен в виде цилиндра из пористого материала (патент на полезную модель 133430 РФ, B01D 3/22, 2013).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая скорость массопереноса между пузырьками газа (пара), выходящих через поры пористого материала, и жидкостью на тарелке, особенно когда жидкость высоковязкая, структурированная и обладает неньютоновскими свойствами.

Задачей предлагаемой конструкции клапанной тарелки является повышение скорости движения газовых (паровых) пузырьков относительно жидкости, разрушение структуры и снижение эффективной вязкости высоковязких структурированных и неньютоновских жидкостей.

Техническим результатом этой конструкции является увеличение скорости массопереноса через границу раздела фаз газовых пузырьков и жидкости за счет вибрации жидкости и пузырьков газа.

Поставленный технический результат достигается тем, что в клапанной тарелке для процесса массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, а опорный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом цилиндр опорного элемента образован винтовой пружиной, а на клапане закреплен груз, причем масса клапана с грузом определяется по формуле

где M - масса клапана с грузом, кг;

l - длина винтовой пружины, м;

c - скорость звука в газе, участвующем в процессе массообмена, м/с;

a - жесткость винтовой пружины, Н/м.

Выполнение цилиндра опорного элемента в виде винтовой пружины позволяет создавать пузырьки газа (пара) необходимого размера, который определяется величиной зазора вплоть до минимальных, когда витки пружины прилегают друг к другу, то есть когда шаг витка равен диаметру проволоки, из которой изготовлена винтовая пружина. В этом случае уменьшение размеров пузырьков газа (пара) приводит к увеличению их суммарной поверхности и времени контакта пузырьков, всплывающих в жидкости, а значит увеличению скорости массопереноса.

Закрепление на клапане груза так, что масса клапана с этим грузом определяется формулой (1) позволяет приводить витки винтовой пружины в режим резонансных автоколебаний с газом (паром), то есть с частотой собственных колебаний равной частоте собственных колебаний газа (пара) внутри винтовой пружины.

Резонансные колебания витков винтовой пружины идут с высокой амплитудой. Эта вибрация витков винтовой пружины передается пузырькам газа (пара), проходящим между витками, и жидкости, находящейся на тарелке. Структуры высоковязкой структурированной неньютоновской жидкости разрушается, а эффективная вязкость снижается. Поэтому скорость массопереноса на границе поверхности газовых пузырьков с жидкостью значительно возрастает.

На фиг. показан общий вид в разрезе клапанной тарелки.

Она состоит из горизонтальной равномерно перфорированной горизонтальной тарелки 1. В каждом отверстии тарелки 1 установлены клапаны 2 с опорным элементом, образованном витками винтовой пружины 3 с уступами 4, ограничивающими подъем клапана 2. Винтовая пружина 3 установлена в отверстии тарелки 1 с кольцевым зазором 5 по отношению к плоскости тарелки 1 для свободного осевого перемещения в этом отверстии. Осесимметрично с клапаном 2 закреплен груз, представляющий собой, например, стержень 6 с резьбой и гайкой 7, под которой установлены съемные шайбы 8.

Клапанная тарелка работает следующим образом.

Газ (пар) подают внутрь винтовой пружины 3, под напором которого клапан 2 поднимается, а газ, образуя пузырьки в межвитковых зазорах винтовой пружины 3, выходит в слой жидкости на тарелке 1, где происходит массообмен между пузырьками газа и жидкостью. При изменении расхода газа и соответствующем изменении его напора на клапан 2 винтовая пружина 3 меняет высоту подъема над тарелкой 1, так как имеет возможность свободного вертикального перемещения в кольцевом зазоре 5. Это высота подъема винтовой пружины 3 ограничена уступами 4, предотвращающими демонтаж клапана 2 из отверстия тарелки 1 при слишком большом расходе газа и полное закрытие клапана 2 при малом расходе газа.

Кроме того, формула (1), связывающая массу M клапана 2 с грузом, с длиной l и жесткостью a винтовой пружины 3, и скоростью звука c в газе, обеспечивает равенство собственных частот колебаний газа в винтовой пружине 3 и самой винтовой пружины 3, что приводит к режиму резонансных автоколебаний витков винтовой пружины 3. Под действием этих колебаний с высокой амплитудой в высоковязкой, структурированной, неньютоновской жидкости происходит разрушение структуры и уменьшение эффективной вязкости, а газовые пузырьки, всплывая в этой жидкости, также вибрируют, что в целом приводит к увеличению скорости массопереноса на поверхности газовых пузырьков между жидкостью и газом. Еще одно преимущество вибрирующих с высокой амплитудой витков винтовой пружины 3 связано с формированием при вибрации мелких пузырьков газа, проходящих в межвитковом зазоре, так как вибрация отрывает за счет инерции от поверхности витков винтовой пружины 3 и формирует значительно меньшие по размеру пузырьки газа. Это увеличивает поверхность газовых пузырьков и способствует интенсификации массопереноса между ними и жидкостью.

Пример. Длина винтовой пружины 3 составляет l=0,12 м, скорость Звука в газе (воздухе) c=330 м/с, жесткость винтовой пружины 3 a=2·10⁵ Н/м.

Согласно формуле (1) для обеспечения режима резонансных автоколебаний винтовой пружины 3, когда ее собственная частота колебаний совпадает с частотой собственных колебаний воздуха внутри винтовой пружины 3, масса клапана 2 с грузом (стержень 6 с гайкой 7 и съемными шайбами 8) должна быть

Таким образом, если масса клапана 2 с грузом без съемных шайб 8 составляет 90 г, то на клапане 2 надо дополнительно под гайкой 7 установить съемные шайбы 8 общей массой 17,3 г, чтобы масса клапана 2 с грузом составляла M=107,3 г=0,1073 кг.

Частота собственных колебаний воздуха внутри винтовой пружины 3 длиной l=0,12 м составляет

а частота собственных колебаний винтовой пружины 3 при массе клапана 2 с грузом M=0,1073 кг составляет

Уравнение (3) и (4) приведены в справочнике по физике (Яворский, Е.М., Детлаф, А.А. Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. - Государственное издательство физико-математической литературы. - М., 1963, С. 510 и С. 102).

Таким образом, выполнение опорного элемента в виде винтовой пружины 3 и закрепление клапана 2 с грузом, состоящего из стержня 6 с гайкой 7 и съемных шайб 8, так, чтобы масса клапана 2 с грузом определялась по формуле (1), позволяет вести процесс массопереноса между пузырьками газа и жидкости в режиме резонансных автоколебаний витков винтовой пружины 3 и собственных колебаний газа внутри этой пружины.

Клапанная тарелка для процесса массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, а опорный элемент выполнен в виде цилиндра, отличающаяся тем, что цилиндр опорного элемента образован винтовой пружиной, а на клапане закреплен груз, при этом масса клапана с грузом определяется по формуле