Узел с тарелкой и сливным стаканом колонны для контактирования газа и жидкости (варианты) и способ выпуска пара через зону колонны (варианты) - RU2134138C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к тарелкам для контактирования газа и жидкости и, конкретнее, к усовершенствованному узлу из сливного стакана и тарелки, имеющей активную входную площадь под сливным стаканом для снятия избыточного давления газа с нижележащей тарелки.

Ректификационные колонны используют для отделения выбранных компонентов от многокомпонентного потока. Как правило, в таких колоннах для контактирования газа с жидкостью применяют тарелки или насадку либо их сочетание. В последние годы имеется тенденция заменять в большинстве конструкций тарельчатых колонн т.н. колпачковые тарелки на ситчатые и клапанные тарелки. Кроме того, для улучшения разделения компонентов в потоке неупорядоченные /насыпные/ или упорядоченные насадки используют в сочетании с тарелками.

Успешная ректификация в колонне зависит от тесного контакта между жидкостной и паровой фазами. Некоторые устройства для контактирования пара и жидкости, например тарелки, отличаются сравнительно большим перепадом давления и сравнительно большой задержкой жидкости. Другой тип устройства для контактирования пара и жидкости, а именно упорядоченная высокоэффективная насадка, также становится популярной для определенных областей применения. Такая насадка - энергосберегающая, потому что она имеет небольшой перепад давления и малую задержку жидкости. Однако эти самые свойства иногда затрудняют эксплуатацию в стабильном, постоянном режиме колонн, оснащенных упорядоченной насадкой. Более того, во многих областях применения просто требуется использовать тарелки.

Тарелки ректификационных колонн обычно относятся к одному из двух типов: с поперечным течением жидкости и с противоточным течением жидкости. Тарелки, в общем, состоят из сплошной тарелки или перегородки, имеющей множество отверстий, и установлены на опорных кольцах внутри колонны. В тарелках с поперечным течением жидкости пар поднимается через отверстия и контактирует с жидкостью, движущейся поперек тарелки по ее "активной" площади поверхности. На активной площади тарелки смешиваются жидкость и пар и происходит ректификация. С вышележащей тарелки жидкость направляется на тарелку через вертикальный канал. Этот канал называют впускным сливным стаканом. Жидкость движется поперек тарелки и выходит через подобный канал, называемый выпускным сливным стаканом. Расположение сливных стаканов определяет характер потока жидкости. Если имеются два впускных сливных стакана и жидкость на каждой тарелке разделяется на два потока, то эту тарелку называют двухходовой тарелкой. Если имеются только один впускной сливной стакан и один выпускной сливной стакан на противоположных сторонах тарелки, то такую тарелку называют одноходовой тарелкой. При двух или большем числе ходов тарелку часто именуют как многоходовая тарелка. Количество ходов обычно возрастает с увеличением необходимого /расчетного/ расхода жидкости. Однако существует активная площадь поверхности тарелки, которая имеет критическое значение.

Не все участки поверхности тарелки являются активными для контактирования пара и жидкости. Например, площадь под впускным сливным стаканом является, как правило, сплошным участком. В попытке получить большую площадь поверхности тарелки для контактирования пара и жидкости сливные стаканы часто делают наклонными. Максимальная пропускная способность тарелки по пару и жидкости, в общем, возрастает с увеличением активной площади или площади барботирования. Однако существует предел того, насколько можно наклонять сливной стакан /стаканы/ для увеличения площади барботирования, чтобы канал не стал слишком небольшим. Это может ограничивать поток жидкости и/или ограничивать выделение пара, удерживаемого в жидкости, вызывать подпор жидкости в сливном стакане и, таким образом, преждевременно ограничивать нормальную максимальную пропускную способность тарелки по пару и жидкости.

Вариантом увеличения площади барботирования и, следовательно, пропускной способности по пару и жидкости является тарелка с многими сливными стаканами. Она обычно имеет много вертикальных каналов коробчатой формы, установленных в симметричном порядке поперек тарелки для направления жидкости на тарелку и с нее. Сливные стаканы не простираются на все расстояние до нижележащей тарелки, а заканчиваются недалеко от тарелки на заранее заданном расстоянии, которое ограничивается достаточным пространством для возможности выделения любого количества пара, удерживаемого в жидкости, входящей в выпускной сливной стакан. Схема расположения сливных стаканов повернута на 90^o между соседними тарелками. Дно коробчатых сливных стаканов сплошное, за исключением прорезей, которые направляют жидкость на площадь барботирования нижележащей тарелки между выпускными сливными стаканами тарелки. Тарелки с многими сливными стаканами подпадают под категорию многоходовых тарелок и обычно применяются при больших расходах жидкости.

Что касается конструкций тарелок с поперечным течением жидкости, особенно эффективной тарелкой в технологических колонках является ситчатая тарелка. Эта тарелка изготавливается с большим количеством отверстий, образованных в нижней поверхности. Отверстия позволяют поднимающемуся пару проходить в непосредственном контакте с жидкостью, которая течет поперек тарелки от вышеописанного сливного стакана. Когда через тарелку поднимается достаточный поток пара, жидкость предохраняется от стекания через отверстия /называется "проваливанием"/. Небольшая степень проваливания является нормальным для тарелок, в то время как большее проваливание оказывает отрицательное влияние на пропускную способность и КПД тарелки.

Как также известно, у ситчатых тарелок КПД тарелки улучшается благодаря увеличению высоты пены жидкости и уменьшению обратного потока жидкости, текущей по тарелке. Пена создается при прохождении пузырьков пара вверх через жидкость, текущую по тарелке. Диспергирование пара в жидкости продлевает контакт пара и жидкости, что повышает эффективность процесса. Чем дольше сохраняется пена и чем выше слой создаваемой пены, тем больше удерживание пара и жидкости. Для более высокой пены требуются меньшие пузырьки пара и образование пузырьков с достаточно медленной скоростью. Более того, под пеной имеет место обратный поток, когда во время течения жидкости поперек тарелки создаются циркуляционные потоки. Он обычно образуется вдоль боковых частей тарелки. Эти потоки уносят жидкость обратно по тарелке таким образом, что уменьшается движущая сила для массопередачи, определяемая различием в концентрации. Различие в концентрации между паром и жидкостью повышают эффективность контактирования пара и жидкости.

Различие в концентрации между паром и жидкостью может быть осуществлено многими способами, некоторые из которых снижают эффективность. Например, с увеличением рабочего давления опускающаяся жидкость начинает абсорбировать пар при его движении через тарелку. Его больше того, что нормально связано в виде растворенного газа согласно закону Генри, и он представлен значительно большими количествами пузырьков пара, которые смешаны или "унесены" с жидкостью. Этот пар непрочно удерживается и выделяется в сливном стакане, а, в действительности, должно выделяться большое количество указанного пара, иначе сливной стакан не сможет вместить парожидкостную смесь и будет захлебываться, препятствуя, таким образом, успешной работе колонны.

Как показано ниже для обычных тарелок, выделившийся пар должен препятствовать впускаемой пенистой парожидкостной смеси течь через переливной порог в сливной стакан. Во многих случаях такое препятствие приводит к плохой работе колонны и ее преждевременному захлебыванию.

Другой серьезной проблемой, которая самоочевидна в таких технологических областях применения, является унос капель жидкости в поднимающемся паре. Это явление, которое фактически противоположно вышеупомянутому уносу пара, может препятствовать эффективному контактированию пара и жидкости. В известном смысле, унос жидкости является динамической характеристикой потока. Высокоскоростной поток пара может поддерживать во взвешенном состоянии опускающиеся капли жидкости и препятствовать их эффективному прохождению через нижележащую зону с пенной смесью. Этой проблемы особенно трудно избежать тогда, когда при применениях колонны требуется большой по объему поток пара в направлении, по существу противоположном направлению большого по объему нисходящего потока жидкости.

Технологии контактирования газа и жидкости посвящены многие публикации по технике. Примерами, по-видимому, являются несколько ранее выданных патентов, включая патенты США N 3959419, 4604247 и 4597916, каждый из которых переуступлен правопреемнику по настоящему изобретению, и патент США N 46030232, выданный Mitsubishi jukogyo Kabushiki Кaisha, Токио, Япония. Особенно подходящим источником, по-видимому, является патент США N 4499035, переуступленный Union Carbide Corporation, в котором предлагается тарелка для контактирования газа и жидкости с усовершенствованным входным средством барботирования. В нем тарелка вышеописанного типа с поперечным течением жидкости показана с усовершенствованным средством для инициирования активности пузырьков на входе тарелки, содержащем расположенные с интервалом неперфорированные стенки, простирающиеся по существу вертикально вверх и поперек пути потока жидкости. Эта конструктивная особенность способствует активности на большей поверхности тарелки, чем это предоставляют простые перфорированные тарелки. Это отчасти достигается применением поднятого участка вблизи площади отверстия сливного стакана для обеспечения подъема пара через него.

В патенте США N 4550000, переуступленном Shell Oil Company, предлагается устройство для контактирования жидкости с газом между тарелками, уложенными в колонне по вертикали одна над другой. Данная тарелка снабжена отверстиями для прохождения газа способом, в наименьшей степени затрудненным жидкостью, поступающей из сливного средства следующей верхней тарелки. Это обеспечивается перфорированными колпаками, установленными наверху пластины тарелки под сливными стаканами и предназначенными для разделения нисходящего потока жидкости. Эти усовершенствования улучшают КПД тарелки в пределах ограничений известных конструкций. Более того, в патенте США N 4543219, переуступленном Nippon Kayaki Kabushiki Kaisha, Токио, Япония предлагается колонна, имеющая тарелки с перегородками. Представлены рабочие параметры высокоэффективного контактирования газа и жидкости и необходимость в низком перепаде давления. Такие источники полезны при иллюстрировании необходимости в высокоэффективном контактировании пара и жидкости в тарельчатых технологических колоннах. В патент США N 4504426, выданном Carl T. Chuang и др. и переуступленном Atomic Energy of Canad Limited, описывается еще один пример устройств для контактирования газа и жидкости. В этом источнике также описывается множество преимуществ в улучшении эффективности ректификации и изменений в конструкциях тарелок со сливными стаканами. Перфорированная площадь тарелки простирается под сливным стаканом с живым сечением перфораций меньше на 0-25%.

Еще одним источником, по-видимому, является патент США N 3410540, выданный W. Bruckert в 1968 г. В нем показана перегородка в отверстии сливного стакана для регулирования слива жидкости на него. Перегородка может содержать или статическое уплотнение, или динамическое уплотнение. В этом отношении отверстия из сливного стакана являются достаточно небольшими для регулирования слива и могут быть больше отверстий тарелки и иметь круглую или прямоугольную форму. В нем более полно учтены неустановившиеся силы, которые могут нарушить работу сливного стакана. Эти силы и проблемы, связанные с парожидкостным потоком, следует учитывать для каждого случая применения, в котором сливной стакан питает нижележащую тарелку.

Еще одним источником, относящимся к тарелкам со сливными стаканами и способам перемешивания пара с жидкостью от площади выходного сечения сливного стакана, является патент США N 4956127, переуступленный правопреемнику по настоящему изобретению. В патенте США N 4956127 описывается и показана для выпуска пара из-под тарелки. Поднятая входная поверхность уменьшает гидравлическое давление пара в целях способствования потоку пара, поднимающемуся через нее. Ряд жалюзи, расположенных на поднятой активной входной поверхности, избирательно направляют поднимающийся поток пара в жидкостную зону под сливным стаканом, чтобы вызвать более эффективное контактирование пара и жидкости и уменьшенное обратное перемешивание на тарелке. Слив жидкости из сливного стакана на поднятую активную входную поверхность хотя и является эффективным, он, как показано, приводит к проваливанию жидкости, при котором жидкость, сливаемая из сливного стакана, проходит через отверстия в активной входной поверхности. Кроме того, разбрызгивание жидкости наружу от сливного стакана увеличивает ее пенистость и приводит к тому, что капли жидкости легче поддерживаются во взвешенном состоянии. Следовательно, было бы полезно обеспечить предпочтительный поток пара через поднятую активную входную поверхность, расположенную под сливным стаканом, средством для уменьшения разбрызгивания жидкости, выходящей из сливного стакана. При таком усовершенствованном средстве для прохождения пара неизбежно потребовалось бы, чтобы отверстия, облегчающие прохождение пара, не позволяли бы легко входить через них жидкости, спускающейся из сливного стакана.

Более того, было бы полезно создать способ и устройство для усиленного потока пара через тарелку со сливным стаканом, которые обеспечивали повышенную эффективность в выпуске унесенного пара, контролируемый поток пара под площадью выходного сечения сливного стакана и направленный поток пара по тарелке, чтобы облегчить выделение унесенной жидкости. Такая тарелка со сливным стаканом обеспечивается настоящим изобретением, при котором спущенная или желобчатая входная поверхность с выпускными камерами, стоящими на ней, помещена под, в общем, полуконическим сливным стаканом, наружная часть которого, кроме того, действует как туннель для пара. Желобчатая зона и выпускные камеры помещены под туннелем для пара и сливным стаканом для обеспечения непосредственного ввода пара из зоны нижележащей тарелки в поток жидкости, что полезно в достижении большей пропускной способности по пару и жидкости. Более того, инерция падающей жидкости, которая может вызвать проваливание жидкости через нижележащую активную площадь поверхности, существенно подавляется жидкостью в желобе и эффективным потоком пара, выпускаемым через образованные в нем стоящие выпускные камеры.

Настоящее изобретение имеет отношение к усиленному потоку пара в тарелке со сливным стаканом в технологической колонне. Конкретнее, одна сторона изобретения включает в себя усовершенствованную тарелку со сливным стаканом для технологической колонны такого типа, в которой жидкость стекает по первому сливному стакану на первую тарелку и течет по ее активной площади поверхности. На этой активной площади поверхности пар течет вверх для взаимодействия и массопередачи с жидкостью. Жидкость затем уходит с тарелки через второй сливной стакан. Усовершенствование по настоящему изобретению заключается во входной поверхности, расположенной под площадью выходного сечения первого сливного стакана и снабженной множеством стоящих на ней паровыпускных камер, и в, общем, полуконическом сливном стакане, наружная часть которого, кроме того, действует как туннель для удаления пара, выпускаемого через выпускные камеры. При этой конструкции создается выпускаемый, направленный поток пара под и по наружной стенке сливного стакана для введения пара в зону под сливным стаканом и выше примыкающей к нему активной площади тарелки. Входная поверхность может быть образована в виде желоба, дно которого ниже поверхности тарелки. Пар, предпочтительно выпускаемый с нижележащей тарелки, может продувать жидкость, опускающуюся из сливного стакана, при этом будучи направленным в свой наиболее продуктивный режим течения. При такой конструкции представляет меньше беспокойства проблема заглушения паром.

Другая сторона изобретения заключается в усовершенствовании вышеописанной тарелки со сливным стаканом, в которой сделан, в общем, полуконический сливной стакан с множеством плоскостных частей, образующих туннель для пара. В одном варианте осуществления изобретения сливной стакан изготовлен из плоскостных частей, расположенных под углом к желобчатому входному участку для образования снаружи из туннеля для пара. Выпускная часть сливного стакана может содержать множество отверстий, образованных по дуге на нижней части сливного стакана и расположенных выше входной поверхности с интервалом от нее и, в общем, параллельно ей.

Еще одна сторона изобретения заключается в усовершенствованном способе перемешивания пара с жидкостью, выпускаемой из сливного стакана технологической колонны на нижележащую тарелку в колонне, имеющей множество тарелок и сливных стаканов, расположенных с интервалом по вертикали друг над другом и сохраняющих в них стабильность потоков жидкости и пара. Усовершенствование состоит в образовании тарелки с желобчатой входной поверхностью, имеющей камеры для выпуска пара, расположенные под площадью выходного сечения сливного стакана и выпускающие пар через входную зону между сливным стаканом и тарелкой. Выпускаемый пар направляется в контакт со сливаемой жидкостью и наружу от входной зоны через туннель для пара, образованный наружными стенками сливного стакана.

Еще одна сторона изобретения заключается в том, что вышеописанная желобчатая входная поверхность содержит множество поднятых выпускных камер, расположенных под множеством сливных отверстий сливного стакана, с интервалом одна от другой. Выпускные камеры установлены вертикально вровень с промежутками между сливными отверстиями, с тем, чтобы сливаемая из них жидкость падала, главным образом, в желобчатую зону между камерами. Поскольку во время работы желобчатая зона заполнена жидкостью, то ослабляется сила падения сливаемой жидкости.

Для более полного понимания настоящего изобретения и его дополнительных задач и преимуществ теперь обратиться к следующему описанию, изложенному в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - аксонометрическое изображение насадочной колонны с различными вырывами для пояснения ряда внутренних устройств колонны и один вариант выполнения расположенной в ней тарелки со сливным стаканом, сконструированной в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Фиг. 2 - схематическое изображение вертикального разреза вида сбоку усовершенствованной тарелки со сливным стаканом по настоящему изобретению, закрепленной в технологической колонне и показывающей течение жидкости и пара по ней.

Фиг. 3A и 3B - схематические изображения вертикальных разрезов вида сбоку альтернативных вариантов выполнения тарелки со сливным стаканом на фиг. 2.

Фиг. 4 - аксонометрическое изображение тарелки со сливным стаканом по настоящему изобретению с вырывами.

Фиг. 5 - увеличенный вертикальный разрез вида сбоку характерной активной площади тарелки, сделанный по линиям 5 - 5 на фиг. 4, и
Фиг. 6 - увеличенный частичный вертикальный разрез вида сбоку части тарелки со сливным стаканом на фиг. 4 и схематическое изображение камер для выпуска пара и туннеля для пара по настоящему изобретению.

Ссылаясь на фиг. 1, на которой показано частичное, аксонометрическое изображение иллюстративной насадочной обменной колонны с различными вырывами, показывающими ряд внутренних устройств колонны, и использование одного варианта выполнения усовершенствованной тарелки с большой пропускной способностью по настоящему изобретению. Обменная колонна 10 на фиг. 1 имеет цилиндрический корпус 12, содержащий множество расположенных в ней слоев насадки 14 и тарелок. Более того, имеется множество люков 16 для облегчения доступа во внутреннее пространство корпуса 12. Также предусмотрены трубопровод для отвода бокового погона 20, трубопровод для боковой подачи жидкости 18 и трубопровод для боковой подачи пара или возвратный трубопровод куба 32. Верх колонны 10 снабжен трубопроводом возврата флегмы 34.

При работе колонны жидкость 13 подается в колонну 10 по трубопроводу возврата флегмы 34 и трубопровод для боковой подачи сырья 18. Жидкость 13 течет вниз через колонну и, в конце концов, покидает колонну или по трубопроводу для отбора бокового погона 20, или по трубопроводу для отбора нижнего погона 30. При своем нисходящем течении жидкость 13 обедняется некоторым продуктом, который испаряется из жидкости при ее прохождении через тарелки и слои насадки, и обогащается или дополняется продуктом, который конденсируется в нее из потока пара.

Ссылаясь по-прежнему на фиг. 1, на котором для ясности схематически сделан вырыв наполовину обменной колонны 10. На этой фигуре колонна 10 содержит выпускное отверстие для пара в трубопровод для отбора верхнего погона 26, расположенный наверху корпуса 12 колонны, и нижнее звено 28, расположенное в нижней части колонны вокруг трубопровода для отбора нижнего погона 30, соединенного с кубом /не показан/. Возвратный трубопровод куба 32 показан расположенным над нижним звеном 28 и предназначен для рециркуляции пара из него наверх через тарелки и/или слои насадки 14. Флегма из конденсаторов по впускному трубопроводу 34 подается в верхнюю часть 23 колонны, где флегма через распределитель жидкости 36 распределяется по верхнему слою насадки 38. Как можно видеть, верхний слой насадки 38 относится к разновидности упорядоченной насадки. Части обменной колонны 10 под верхним слоем насадки 38 показаны с целью пояснения и содержат сборник для жидкости 40, расположенный под опорной решеткой 41 для поддержки верхней упорядоченной насадки 38. Под ним также расположен распределитель жидкости 42, применяемый для перераспределения жидкости 13. Ниже линии разреза 43 показан распределитель 42a второго типа, расположенный над слоем 14. Колонна 10 показана с линией разреза 43 для иллюстрации того факта, что расположение внутренних устройств колонны является схематическим и служит для представления о порядке размещения различных частей колонны в ней.

Ссылаясь по-прежнему на фиг. 1, на которой в целях пояснения также показана колонна, состоящая из пары тарелок. Во многих случаях технологические колонны содержат только насадку, только тарелку или сочетания насадки и тарелок. Однако на данной фигуре в целях описания всей колонны и ее работы показано сочетание насадки и тарелок. Тарельчатая колонна обычно содержит множество тарелок 48 типа, показанного здесь. Во многих случаях тарелки являются клапанными или ситчатыми тарелками. Такие тарелки представляют собой пластины, которые перфорируют или прорезают при изготовлении. Пар и жидкость контактируют на или вдоль тарелки и в некоторых конструкциях могут течь противоточно через одни и те же отверстия. Оптимально потоки пара и жидкости достигают уровня стабильности. При использовании сливных стаканов, которые будут подробнее описаны ниже, эта стабильность может быть достигнута при сравнительно небольшой объемной скорости потока, позволяющей поднимающемуся пару смешиваться с опускающейся жидкостью. В некоторых вариантах тарелок не применяется никаких сливных стаканов, и пар и жидкость используют одни и те же отверстия попеременно при изменении соответствующих давлений. Но это не относится к данному случаю.

В настоящем варианте показаны тарелки 48 и 49 с поперечным течением жидкости и сливные стаканы 43 и 69. Тарелка 48 содержит в себе поверхность "MINI VALVE" (МИНИ КЛАПАН) 50, для которой термин "MINI VALVE" и тип поверхности будут объяснены ниже. Тарелка 49 содержит в себе поверхность "MINI VALVE" и желобчатую часть 51 под сливным стаканом 53, которая в соответствии с настоящим изобретением содержит в себе множество паровыпускных камер 51a, образованных поперек ее. Кроме того, сливной стакан 53 образован, в общем, полуконической частью, как это будет описано ниже. Выпускные камеры 51a в желобчатой части 51 являются поднятыми частями самой тарелки, которые имеют отверстия, образованные в них в выбранном порядке, как это будет описано ниже. Размер камер 51a, расстояние между ними и их количество являются результатом бесчисленных рассмотрений расчетных факторов, включая соотношения жидкостной и паровой фаз, охлаждение жидкости, обратное перемешивание потока жидкости, высоту вспенивания /пены/, однородность пены, наличие твердых частиц или суспензий в ней, и насущной необходимости в стравливании чрезмерного давления на нижележащей тарелке. Более того, учитывается коррозия различных элементов в насадочных колоннах, и во многих случаях выбор материала, конструкции и способа изготовления внутренних устройств колонны является результатом таких рассмотрений. Внутренняя конструкция технологических колонн, как например, показанной на фиг. 1, также подробно описана в статье Gilbert Chen, озаглавленной "Packed Column Internals /"Внутренние устройства насадочной колонны"/, появившейся в Chemical Engineering от 5 марта 1984 г., которая упомянута здесь для сведения.

Ссылаясь теперь на фиг. 2, на которой на схематическом изображении вертикального разреза вида сбоку показано несколько сторон настоящего изобретения. Тарелки 48 и 49 являются плоскими пластинами, которые перфорированы и установлены с "MINI VALVE", описанными ниже. Конечно, могут быть использованы тарелки с другими поверхностями. Жидкость 13 с вышерасположенной тарелки 48 сливается по хордовому сливному стакану 53, содержащему, в общем, полуконическую часть 54. Наружная стенка, в общем, полуконической части 54 сливного стакана образует туннель для потока пара из камер 51a, который придает горизонтальное направление потоку пара, выпущенного через выпускные камеры 51a. Жидкость 13 контактирует с выпущенным паром 15, удаленным из камер 51a желобчатой части 51 под сливным стаканом 53. Унесенный газ, улетучивающийся из нижнего сливного стакана под выпускной зоной, может подниматься прямо в камеры 51a и через них. В этом конкретном варианте при отсутствии выпускных камер 51a не было бы никакого предпочтительного потока пара из газа, улетучивающегося из сливного стакана, и весь пар затем стремился бы подниматься через обычную активную зону 52. При этой конструкции контролируется направление выпускаемого пара и потока жидкости по центральной активной зоне 52 тарелки 49; суживающаяся форма, в общем, полуконической части 54 придает пару горизонтальное течение. Камеры 51a позволяют сбрасывать любое избыточное давление пара через желобчатую часть 51 с образованием картины течения, которая скорее способствует надлежащей работе колонны, чем созданию больших проблем. Например, как описано ниже, туннель для пара в части 54 предотвращает закупоривание, способствует взаимодействию пара и жидкости, а унесенную жидкость побуждают выпадать благодаря картине потока. Оставшийся поднимающийся пар 15, проходящий через множество отверстий в указанной активной зоне 52, может вертикально подниматься для образования пены 61. Пена является зоной аэрации, в которой фаза жидкости 13 - непрерывная фаза. Когда пена 61 не существует или становится прерывистой, инверсия в режим с непрерывной газовой фазой может иметь результатом "распыление" газа вверх через нее. При парожидкостном туннеле и тарелке со сливным стаканом по настоящему изобретению намного уменьшается вероятность этого режима с непрерывной газовой фазой.

Ссылаясь по-прежнему на фиг. 2, на котором пена 61 простирается на сравнительно одинаковую высоту, показанную на схеме линией 63 по ширине тарелки 49 до противоположного конца 65, где установлен переливной порог 67 для поддержания высоты пены 63. Пена, скопившаяся в этом месте, переливается через верх порога 67 в связанный с ним сливной стакан 69, который транспортирует пену вниз в, в общем, полуконическую зону 70, где жидкость собирается и затем разбрасывается по нижерасположенным выпускным камерам 51a желобчатой части 71. Желобчатая часть 71 показана здесь схематически лишь в целях пояснения. Живое сечение отверстий и перфораций одиночной тарелки с поперечным течением жидкости определяет активную длину тарелки и зону, в которой создается пена 61. Следует отметить, что настоящее изобретение было бы также применимо к конструкциям со многими сливными стаканами, в которых сливные стаканы и желобчатая часть 51 и 71 могут быть расположены в промежуточных частях тарелок. В результате увеличения общей активной площади благодаря активным выпускным камерам 51a достигаются повышенные пропускная способность и КПД.

Ссылаясь теперь на фиг. 3A и 3B, на которых схематически показаны вертикальные разрезы вида сбоку альтернативных вариантов выполнения тарелки со сливным стаканом на фиг. 2. Здесь на фиг. 3A схематически показана часть тарелки с промежуточным сливным стаканом 72, близкая к варианту тарелки с хордовым сливным стаканом 72a на фиг. 3B. На фиг. 3A промежуточный сливной стакан 75 расположен над тарелкой 74 технологической колонны 12. На фиг. 3B хордовый сливной стакан 76 расположен над тарелкой 74a. Как можно видеть на фиг. 3A и 3B, показаны два способа расположения выпускной камеры 51a. Например, под промежуточным сливным стаканом 75 желоб 71 образован в промежуточной части тарелки 74 с выступающей от нее выпускной камерой 51a. Желоб 71 показан формованным в тарелке 74 в этом месте лишь в иллюстративных целях. На фиг. 3B в иллюстративных целях выпускная камера 51a, расположенная под сливным стаканом 76 у боковой стенки, образована без окружающего ее желоба. Этот узел является альтернативным вариантом выпускной камеры 51a, в котором не используется желобчатая конструкция. Конечно, поток пара 15 движется вверх через выпускную камеру 51a, как это показано стрелками 15. При наличии желоба 71 /фиг. 3A/ жидкость 13 может собираться в нем, тем самым демпфируя жидкость 13, сливающуюся из промежуточного сливного стакана 75. Жидкость 13, сливающаяся из сливного стакана 76 у боковой стенки /фиг. 3B/, просто контактировала бы с нижерасположенной, в общем, плоской частью 74a тарелки или с верхом выпускной камеры 51a. Таким образом, можно видеть, что настоящее изобретение может быть применено как в одноходовых, так в многоходовых тарелках.

Ссылаясь теперь на фиг. 4, на которой показано увеличенное, фрагментарное аксонометрическое изображение узла 100 из тарелок и сливных стаканов, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения. Как показано здесь, тарелки 48 и 49 сконструированы для помещения в корпусе 12 колонны таким образом, что питающий сливной стакан 102, имеющий, в общем, полуконические стенки 103, может быть расположен над желобчатой входной зоной 104 для подачи жидкости 13 с тарелки 48 на тарелку 49. Жидкость 13 сливается в сливном стакане 102 и выходит через выпускные отверстия 107 выпускной пластины 108. Отверстия 107 расположены между паровыпускными камерами 51a, при этом жидкость 13 сливается в стоячую жидкость 13 во входной зоне 104. Жидкость 13 затем течет по тарелке 49. Желобчатая пластина 104 сделана с вышеупомянутыми выпускными камерами 51a, которые выпускают пар 15 вверх в туннель для пара 103a /показан на фиг. 6/, образованный стенками 103, обращенными к тарелке 49. Пар, выпущенный с нижележащей тарелки через выпускные камеры 51a, отводится с желобчатой пластины 104 через туннель для пара 103a в целях взаимодействия с жидкостью 13. Таким образом, можно признать определенные преимущества. Выпущенный пар 15 будет удаляться по туннелю для пара 103a. Горизонтальная направленность потока пара, изображенная стрелками 105, будет способствовать выпадению капель жидкости, унесенной в потоке пара. Такой унос является обычным в колоннах с восходящим потоком пара, но он может быть усилен поднятой активной впускной пластиной.

Ссылаясь теперь на фиг. 5, на котором схематически показано увеличенное поперечное сечение тарелки 49. В этом варианте осуществления изобретения тарелки типа "MINI VALVE" сделана с плавающими клапанами 55 на ее поверхности. "MINI VALVE" - зарегистрированный федеральными властями товарных знак, принадлежащий правопреемнику по настоящему изобретению /регистрация N 1777008 товарного знака в США/, и в этом конкретном варианте осуществления изобретения такие клапаны 55 размещены по центральной активной площади тарелки 49. В патенте США N 5120474 подробнее описывается конструкция клапанов "MINI VALVE". Как показано, газ 15 поднимается через клапан 55 для контактирования с жидкостью 13, текущей под прямым углом к нему из сливного стакана 102 на фиг. 4. Результатом является турбулентный режим контактирования газа и жидкости, обеспечивающее эффективную массопередачу. Более того, максимально увеличивается высота пены, уменьшается до минимума унос и снижается подпор в сливном стакане ввиду небольшого перепада давления. Направленный поток из выпускных камер 51a в лотковой пластине 104 обеспечивает повышение КПД тарелки при минимальной высоте. Следует также отметить, что на активной площади тарелки 49 могли быть применены клапаны или отверстия любого вида. Хотя показаны тарелки "MINI VALVE", в настоящем изобретении могли быть использованы колпачковые тарелки, а также тарелки с другими прорезными отверстиями, перфорациями, и клапанами /как неподвижными, так и подвижными/.

Ссылаясь теперь на фиг. 6, на которой показан увеличенный вертикальный разрез вид сбоку сливного стакана 102 и желобчатый пластины 104 на фиг. 4. Как видно, сливной стакан 102 имеет, в общем, полуконические стенки 103, которые могут быть использованы для повышения эффективности потока пара, как это описывалось выше. Стенки 103 предпочтительно образуются из плоских пластин, сваренных вместе в показанную здесь форму. В нижней выпускной пластине 108 образованы прорези 107 для подачи жидкости 13 к поверхности желоба 104 непосредственно между паровыпускными камерами 51a и в соприкосновении с поднимающимся паром 15. Площадь выходного сечения сливного стакана меньше, чем площадь сечения его верхней части, чтобы, таким образом, создавать динамический гидравлический затвор в нем. Жидкость затем стекает вниз, в то время как пар поднимается вверх. Стрелками 120 показан поток пара 15 через туннель для пара 103a. Из выпускных камер 51a пар 15 удаляется через образованные в них отверстия 122. Хотя показан единственный ряд отверстий на каждой стороне каждой камеры, могли быть использованы многие схемы расположения отверстий. Могут быть также изменены размер и форма каждой камеры 51a.

Ссылаясь по-прежнему на фиг. 6, на которой настоящее изобретение представлено в виде усовершенствованной тарелки со сливным стаканом для типа колонны по контактированию газа и жидкости, который имеет сливной стакан, расположенный над входной поверхностью тарелки вблизи ее активной площади поверхности, выполненной с возможностью потока жидкости по ней. Усовершенствование заключается в сливном стакане 102, имеющем, в общем, полуконические стенки 103, которые предпочтительно образованы плоскими пластинами, сваренными вместе, как показано здесь. Сливной стакан 102 оканчивается удлиненной дугообразной пластиной 108 с множеством отверстий 107, способствующих сливу жидкости через нее. Выпускные отверстия 107 расположены над активной входной поверхностью нижележащей тарелки, которая содержит в себе желоб 104, имеющий множество расположенных в нем выпускных камер 41a. Желоб 104 образован фасонной частью тарелки, включающей в себя нижнюю часть 140 тарелки, установленную под углом переднюю стенку 141 и верхнюю часть 142 тарелки с опорной частью 143, приспособленной для поддержки снизу прилегающей к ней тарелки 49. Желоб 104 изготовлен с выпускными камерами 51a, предпочтительно приваренными к его дну над отверстиями 140a, вырезанными в дне 140 желоба. Другими словами, выпускные камеры 51a содержат в себе выступающие части и части конструкции желоба 104 и предпочтительно располагаются под сливным стаканом 102 и к тому же в положении для максимальной эффективности потока. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения выпускные камеры 51a расположены вертикально между выпускными отверстиями 107 сливного стакана 102, чтобы позволить выпускаемой из них жидкости 13 разбрызгиваться между соседними выпускными камерами 51a. Далее, при этой конструкции ослабляется поток жидкости, стекающей из сливного стакана 102, и поглощается энергия из него. Кроме того, при такой организации потока жидкости 33 он непосредственно не препятствует потоку пара 15, поднимающемуся из отверстий 122.

Ссылаясь по-прежнему на фиг. 6, на которой каждая из выпускных камер 15a предпочтительно сделана в виде металлической коробки, имеющей крышку 150, противоположные торцевые стенки 151 и 152, боковую стенку 153 и противоположную боковую стенку /не показана на этом виде/. Как описывалось выше, дно 155 выпускной камеры 51a - открытое и непосредственно приварено к краю отверстия 140a, образованному в дне 140 желоба 104. Боковая стенка 153 срезана под углом в месте расположения установленной под углом передней стенки 141 и также приварена к прилегающей стенке желоба. При такой конструкции пар 15 может выпускаться непосредственно из зоны под желобом 104 прямо в жидкость 13, стекающую из сливного стакана 102, для прохождения оттуда через туннель для пара 103a. Как описывалось здесь, сочетание туннеля для пара 103a и выпускных камер 51a обеспечивает улучшений КПД тарелки со сливным стаканом.

Таким образом, способ и устройство по настоящему изобретению будут очевидными из предшествующего описания. Хотя показанные или описанные способ и устройство охарактеризованы как предпочтительные, ясно, что в них могут быть сделаны различные изменения и модификации без отступления от идеи и пределов изобретения, как это определено в следующей формуле изобретения.

Реферат

Тарелка со сливным стаканом колонны для контактирования пара и жидкости. Сливной стакан образован, по существу, полуконическими стенками, образующими туннель для пара относительно нижележащей выпускной зоны. Выпускная зона образована желобом и выступающими от него выпускными камерами для улучшения эффективности массопередачи. Выпускаемый пар выборочно направляется в жидкость, сливаемую из сливочного стакана, и может проходить через туннель для пара. При этом способе можно эффективно высвобождать как унесенную жидкость, так и унесенный газ для обеспечения стабильного режима потока пара и жидкости. 4 с. и 36 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула