Парожидкостные контактные тарелки и способ их применения - RU2331453C2

Чертежи

Описание

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Предлагаемое изобретение относится к массо- и теплообменным колоннам, в частности - к парожидкостным контактным тарелкам, используемым в массо- и теплообменных колоннах.

Для обеспечения более эффективного контакта между восходящими паровыми потоками и нисходящими жидкостными потоками в массо- и теплообменных колоннах, которые обычно имеют форму вертикально ориентированного цилиндра, разработаны парожидкостные контактные тарелки различных типов. Такие парожидкостные контактные тарелки, которые обычно используются в наборе, располагаются в открытом внутреннем пространстве массо- и теплообменной колонны одна над другой на некотором расстоянии друг от друга по вертикали, при этом каждая контактная тарелка ориентирована в горизонтальной плоскости. Парожидкостные контактные тарелки имеют контактную или активную площадку, в которой с возможностью прохождения сквозь них восходящих паровых потоков выполнены отверстия, предназначенные для обеспечения взаимодействия между этими восходящими паровыми потоками и жидкостью, протекающей по верхней поверхности активной площадки парожидкостной контактной тарелки. Взаимодействие между паром и жидкостью, которое имеет место над активной площадкой парожидкостной контактной тарелки, приводит к образованию пены, что обеспечивает повышение эффективности желаемого массо- и/или теплообмена. В большинстве типов парожидкостных контактных тарелок в активных площадках имеются также отверстия большего размера, с которыми связаны конструкционные элементы, обеспечивающие переточные полости и называемые, в частности, переточными трубками, с помощью которых обеспечена возможность отведения жидкости с активной площадки парожидкостной контактной тарелки после взаимодействия с восходящими паровыми потоками. По этим переточным трубкам жидкость направляется вниз в приемную область (которая обычно не имеет отверстий) нижележащей парожидкостной контактной тарелки.

В парожидкостных контактных тарелках, известных как однопроходные парожидкостные контактные тарелки с поперечным течением жидкости, приемная область обычно расположена на одном конце тарелки, и поступившая жидкость затем течет по поверхности тарелки к другому ее концу, где жидкость попадает в переточную трубку, через которую поступает на нижележащую тарелку. Существуют также парожидкостные контактные тарелки, называемые многопроходными контактными тарелками с поперечным течением жидкости - такие тарелки (если не все, то, по меньшей мере, некоторые тарелки из набора) снабжены двумя или более переточными трубками, и в них обеспечивается разделение жидкостного потока на два или более жидкостных потока, протекающих по поверхности тарелки в противоположных направлениях.

Одна из проблем, связанных с использованием таких парожидкостных контактных тарелок с поперечным течением жидкости, состоит в том, что в них трудно обеспечить равномерное протекание жидкости от приемной области до переточной трубки. Тарелки имеют круглую форму в плане, поэтому жидкость, протекающая по периферийным областям парожидкостной контактной тарелки, проходит большее расстояние, чем жидкость, протекающая через ее центральную область. В результате могут образоваться области застоя жидкости с пониженной эффективностью взаимодействия между паром и жидкостью, что приводит к снижению эффективности работы массообменной колонны.

В парожидкостных контактных тарелках, раскрытых в патенте США № 3.045.989, выданном на имя Киттел (Kittel), используются с чередованием по смежным по вертикали тарелкам обеспечивающие переточные полости конструкционные элементы двух типов: центральные переточные трубки и кольцеобразные в плане периферийные переточные рубашки. В результате такого технического решения обеспечивается протекание жидкости по радиусам либо по спирали от центра к периферии по поверхности одних тарелок и от периферии к центру по поверхности других тарелок с чередованием, благодаря чему обеспечивается более равномерное течение жидкости, увеличение эффективности и повышение производительности колонны. Парожидкостные контактные тарелки, раскрытые в патенте, выданном на имя Киттел, представляют собой значительный прогресс по сравнению с другими типами парожидкостных контактных тарелок, однако остается потребность в дальнейшем усовершенствовании.

Краткое описание предлагаемого изобретения

В одном из аспектов осуществления предлагаемое изобретение направлено на создание массообменной колонны, имеющей наружный корпус, которым ограничено некоторое открытое внутреннее пространство. В этом открытом внутреннем пространстве массообменной колонны с распределением по вертикали отдельно друг от друга расположены с чередованием парожидкостные контактные тарелки двух типов, которые условно можно назвать центростремительными парожидкостными контактными тарелками и центробежными парожидкостными контактными тарелками. Каждая центростремительная парожидкостная контактная тарелка имеет активную площадку, которая снабжена, по меньшей мере, одним отверстием, предназначенным для отведения жидкости с верхней поверхности этой активной площадки парожидкостной контактной тарелки, и совокупностью паропропускных каналов, предназначенных для пропускания сквозь эту активную площадку парожидкостной контактной тарелки восходящих паровых потоков с целью обеспечения их взаимодействия с жидкостью на верхней поверхности этой активной площадки парожидкостной контактной тарелки. Каждая центробежная парожидкостная контактная тарелка также имеет активную площадку с верхней поверхностью, периферией и совокупностью паропропускных каналов, предназначенных для пропускания сквозь эту активную площадку парожидкостной контактной тарелки восходящих паровых потоков с целью обеспечения их взаимодействия с жидкостью на верхней поверхности этой активной площадки парожидкостной контактной тарелки. В каждой центростремительной парожидкостной контактной тарелке имеется, по меньшей мере, одна центральная переточная трубка, расположенная с простиранием книзу и имеющая нижнее разгрузочное отверстие, расположенное выше верхней поверхности активной площадки нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки и предназначенное для излияния жидкости на эту активную площадку нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки. По периферии активной площадки каждой центробежной парожидкостной контактной тарелки выполнена, по меньшей мере, одна кольцеобразная в плане периферийная переточная рубашка, расположенная с простиранием книзу и имеющая нижний разгрузочный проем, расположенный выше верхней поверхности активной площадки нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки и предназначенный для излияния жидкости на эту активную площадку нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки. В одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, по меньшей мере, одна центробежная парожидкостная контактная тарелка расположена относительно непосредственно нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки на удалении большем, нежели, по меньшей мере, одна центростремительная парожидкостная контактная тарелка относительно непосредственно нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки. Упоминавшиеся выше паропропускные каналы, имеющиеся в активных площадках парожидкостных контактных тарелок, по предлагаемому изобретению могут быть выполнены на основе клапанов, на основе жалюзи, на основе образующих решетку отверстий, на основе образующих решетку скошенных отверстий, или же на основе других средств, обеспечивающих пропускание пара сквозь активные площадки парожидкостных контактных тарелок. Кроме того, в центробежных парожидкостных контактных тарелках, или же в центростремительных парожидкостных контактных тарелках, или же в парожидкостных контактных тарелках обоих типов с целью предотвращения попадания в паропропускные каналы жидкости паропропускные клапаны могут быть прикрыты с помощью крышек, выполненных с наклоном под некоторым углом к плоскости активных площадок. Еще в одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения поддержание каждой пары, состоящей из одной центростремительной парожидкостной контактной тарелки и одной центробежной парожидкостной контактной тарелки, обеспечивается с помощью единственного опорного кольца. Еще в одном варианте осуществления предлагаемого изобретения выше центростремительной парожидкостной контактной тарелки расположены один или более отклоняющих элементов, назначением которых является препятствование перескакиванию жидкости через центральную переточную трубку.

В другом аспекте осуществления предлагаемое изобретение направлено на создание способа перемешивания паровых и жидкостных потоков в массообменной колонне с использованием парожидкостных контактных тарелок, описанных выше. Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на создание конструкционных узлов, содержащих такие парожидкостные контактные тарелки.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Прилагаемые чертежи составляют неотъемлемую часть описания предлагаемого изобретения и должны читаться вместе с ним. На прилагаемых чертежах одинаковые обозначения относятся к одинаковым или сходным частям на разных видах.

На фиг.1 на виде сбоку в вертикальном разрезе схематично показана массообменная колонна, в открытом внутреннем пространстве которой находятся парожидкостные контактные тарелки по предлагаемому изобретению.

На фиг.2 на виде сверху в сечении по линии A-A (см. фиг.1) показана центробежная парожидкостная контактная тарелка по предлагаемому изобретению.

На фиг.3 на виде сбоку в сечении по линии B-B (см. фиг.2) показана часть кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки, относящейся к центробежной парожидкостной контактной тарелке по предлагаемому изобретению.

На фиг.4 на виде сверху в сечении по линии C-C (см. фиг.1) показана центростремительная парожидкостная контактная тарелка по предлагаемому изобретению.

На фиг.5 на виде сбоку в сечении по линии D-D (см. фиг.4) показана центральная переточная трубка, относящаяся к центростремительной парожидкостной контактной тарелке по предлагаемому изобретению.

На фиг.6 изображена центральная переточная трубка, вид сверху в перспективе.

На фиг.7 массообменная колонна с целью иллюстрации различных конструкционных элементов схематично показана на виде сбоку в вертикальном разрезе.

Подробное описание предлагаемого изобретения

Рассмотрим прилагаемые чертежи более подробно, начиная с фиг.1, на которой в целом показана массообменная колонна 1, пригодная для осуществления процессов массо- и теплопереноса. Массообменная колонна 1 имеет вертикальный наружный корпус 2, который в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения имеет в целом цилиндрическую форму, что не является, однако, существенным признаком, и без выхода за объем предлагаемого изобретения наружному корпусу 2 может быть придана другая форма, например, он может иметь в сечении форму многоугольника. Наружный корпус 2 может иметь любые подходящие размеры диаметра и высоты и изготовлен из одного или более видов подходящих твердых материалов, которые в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения инертны к жидкостям, находящимся во внутреннем пространстве массообменной колонны 1, или же, в альтернативном варианте, совместимы с ними, и способны выдерживать условия, имеющие место внутри массообменной колонны 1.

Массообменная колонна 1 выполнена с возможностью осуществления в ее внутреннем пространстве процессов с участием потоков, обычно жидкостных и паровых потоков, для получения продуктов ректификации и/или обеспечения массо- или теплообмена между потоками. Наружным корпусом 2 массообменной колонны 1 ограничивается открытое внутреннее пространство 3, в пределах которого осуществляются желаемые процессы массо- и/или теплообмена между потоками. Обычно потоки - это один или более нисходящих жидкостных потоков и один или более восходящих паровых потоков. В альтернативных вариантах все потоки могут быть жидкостными или же могут быть газовые потоки и жидкостные потоки.

Потоки могут направляться в массообменную колонну 1 через посредство любого подходящего количества питающих линий, расположенных в подходящих местах по высоте массообменной колонны 1. Следует заметить также, что один или более паровых потоков могут генерироваться внутри массообменной колонны 1, а не вводиться внутрь массообменной колонны 1 через одну из питающих линий. Массообменная колонна 1 обычно содержит также верхнюю отводную линию, предназначенную для удаления парообразного основного или побочного продукта, и нижнюю отводную линию, предназначенную для удаления жидкого основного или побочного продукта из массообменной колонны 1. Массообменная колонна 1 снабжена различными питающими и отводными линиями, а также другими компонентами, обычно имеющимися в подобных колоннах, такими как трубопроводы возврата флегмы, ребойлеры, конденсоры, паровые рожки и т.д., которые не показаны на прилагаемых чертежах, так как они стандартны, и авторы не считают, что они необходимы для понимания предлагаемого изобретения.

Во внутреннем пространстве 3 массообменной колонны 1 расположены одна над другой на некотором расстоянии друг от друга по вертикали ориентированные в горизонтальных плоскостях являющиеся предметом предлагаемого изобретения центробежные парожидкостные контактные тарелки 4 (или парожидкостные контактные тарелки первого типа) и центростремительные парожидкостные контактные тарелки 5 (или парожидкостные контактные тарелки второго типа). В составе каждой центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 и каждой центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5 имеется активная площадка 6, выполненная на основе совокупности отдельных панелей 7, соединенных между собой с помощью подходящих крепежных средств. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения активные площадки 6 центробежных парожидкостных контактных тарелок 4 имеют в плане в целом круговую форму или форму многоугольника, например восьмиугольника, как показано на фиг.2. Что же касается активных площадок 6, относящихся к центростремительным парожидкостным контактным тарелкам 5, то в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения они имеют в плане форму круга для теснейшего согласования с формой поперечного сечения наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, как показано на фиг.4. В каждой активной площадке 6 парожидкостных контактных тарелок обоих типов выполнены паропропускные каналы 8, обеспечивающие возможность прохождения пара вверх сквозь активные площадки 6 для взаимодействия с жидкостными потоками, протекающими по верхней поверхности данной активной площадки 6. Как будет более подробно объяснено в последующем изложении, паропропускные каналы 8 выполнены таким образом, что обеспечивается истечение выходящего из них парового потока в предварительно выбранном направлении с обеспечением, тем самым, подталкивания жидкостного потока к протеканию в желаемом направлению по верхней поверхности активной площадки 6. В центробежных парожидкостных контактных тарелках 4 в направлении выходящего из паропропускных каналов 8 парового потока с обеспечением преимущества преобладает тангенциальная составляющая, в результате чего обеспечивается побуждение жидкости, находящейся на верхней поверхности активной площадки 6, к течению вовне от центра к периферии активной площадки 6. В случае центростремительных парожидкостных контактных тарелок 5 направление выходящего из паропропускных каналов 8 парового потока таково, что обеспечивается побуждение жидкости, находящейся на верхней поверхности активной площадки 6, к течению внутрь - от периферийных областей к центральной области активной площадки 6.

Как наилучшим образом показано на фиг.2, фиг.3 и фиг.6, каждая центробежная парожидкостная тарелка 4 имеет центральную приемную область 9 в форме круга или многоугольника и внешнюю кольцеобразную в плане периферийную переточную рубашку 10, которая образована по периферии активной площадки 6. Как можно видеть на фиг.4 и фиг.5, каждая центростремительная парожидкостная контактная тарелка 5 имеет периферийную, обычно кольцеобразную по форме, приемную область 11, которая расположена под кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашкой 10 вышележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4, и центральную переточную трубку 12, которая расположена над центральной приемной областью 9 нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4. В результате такого технического решения обеспечивается протекание жидкости вовне от центральной приемной области 9 самой верхней центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 к периферии по верхней поверхности активной площадки 6 по радиусам или по спиральным траекториям к кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашке 10. По полости кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10 жидкость затем изливается вниз на периферийную кольцеобразную приемную область 11 нижележащей центростремительной парожидкостной тарелки 5, откуда по верхней поверхности 6 жидкость течет к центральной переточной трубке 12 этой центростремительной парожидкостной тарелки 5. Втекающая в эту центральную переточную трубку 12 жидкость изливается вниз на центральную приемную область 9 нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4. Далее описанное выше поведение жидкости повторяется на следующей паре тарелок, состоящей из центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 и центростремительной парожидкостной тарелки 5.

В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения центральная приемная область 9 центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 и периферийная кольцеобразная приемная область 11 центростремительной парожидкостной тарелки 5 для предотвращения утечки сквозь них изливающейся сверху жидкости выполнены не имеющими отверстий. Вместо этого технического решения (неперфорированные приемные области 9 и 11) или в дополнение к нему для предотвращения утечки жидкости или препятствования такой утечке могут быть применены и другие средства. Например, центральная приемная область 9 центробежной парожидкостной контактной тарелки 4, или периферийная кольцеобразная приемная область 11 центростремительной парожидкостной тарелки 5, или же обе эти приемные области могут быть выполнены приподнятыми выше плоскости, в которой ориентированы активные площадки 6, так чтобы на участках активных площадок 6, находящихся под приемными областями 9 и 11, была обеспечена возможность прохождения восходящих паровых потоков. В альтернативных вариантах осуществления предлагаемого изобретения центральная приемная область 9 центробежной парожидкостной контактной тарелки 4, или периферийная кольцеобразная приемная область 11 центростремительной парожидкостной тарелки 5, или же обе эти приемные области могут быть выполнены опущенными ниже плоскости, в которой ориентированы активные площадки 6, с образованием накопителей жидкости.

Кольцеобразная в плане периферийная переточная рубашка 10, имеющаяся в составе каждой центробежной парожидкостной контактной тарелки 4, имеет вертикально ориентированную приемную стенку 13, которая выполнена с простиранием вниз от периферии активной площадки 6. Приемная стенка 13 может быть выполнена как единая имеющая в плане форму круга или многоугольника стенка, или же она может быть выполнена из отдельных сегментов плоской или изогнутой формы. Во всяком случае, в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения приемная стенка 13 по форме в плане согласуется с периферией активной площадки 6 и расположена на предварительно выбранном расстоянии от внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1. Зазор между приемной стенкой 13 и внутренней поверхностью наружного корпуса 2 массообменной колонны 1 образует кольцеобразный или многосегментный в сечении переточный канал 14 кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10.

С простиранием книзу от нижней кромки приемной стенки 13 расположена нижняя юбка 15, ориентированная под углом к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, при этом нижняя кромка юбки 15 расположена на предварительно выбранном расстоянии выше верхней поверхности активной площадки 6 нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5, и ею ограничен выходной проем 16 кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10. Юбка 15 может выглядеть в плане как единая плоская кольцеобразная фигура или же как фигура, состоящая из совокупности соединенных или разъединенных сегментов. В представленном на прилагаемых чертежах варианте осуществления предлагаемого изобретения юбка 15 образована из отдельных сегментов, каждый из которых имеет выгнутую наружу, в сторону внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, форму, так что центральная часть каждого из этих сегментов расположена на меньшем расстоянии от внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, чем обе его концевые части. Возможны и другие конфигурации юбки 15, при соблюдении условия, что расстояние (в плане) между всеми частями или большинством частей нижней кромки юбки 15 и внутренней поверхностью наружного корпуса 2 массообменной колонны 1 меньше, чем расстояние (в плане) между приемной стенкой 13 и внутренней поверхностью наружного корпуса 2 массообменной колонны 1. Результатом такого конструкционного решения юбки 15 является то, что площадь кольцеобразного сечения периферийной переточной рубашки 10, по которому обеспечена возможность протекания жидкости, в нижних частях кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10 меньше, чем в ее верхних частях. Такое конструктивное решение кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10 способствует образованию в выходном проеме 16 кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10 динамического жидкостного затвора, благодаря чему предотвращается попадание пара в кольцеобразную в плане периферийную переточную рубашку 10. При более широком сечении переточного канала 14 обеспечиваются также лучшие условия для того, чтобы пар, образующийся при испарении жидкости, втекающей в кольцеобразную в плане периферийную переточную рубашку 10, уходил вверх, а не увлекался через проем кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10, где он представлял бы помеху для жидкостного потока. Конструктивное решение, состоящее в том, что юбка 15 ориентирована под углом к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, служит увеличению площади активной площадки 6 нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5, пригодной для размещения паропропускных каналов 8, благодаря чему обеспечивается увеличение "активной площади" этой активной площадки 6, на которой имеет место желаемое взаимодействие пара и жидкости и образование пены.

Сходным образом центральная переточная трубка 12, имеющаяся в составе каждой центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5, имеет приемную стенку 17, которой образован переточный канал 18, начинающийся в плоскости активной площадки 6, и которая выполнена с уклоном к центральной оси массообменной колонны 1 с образованием сужающегося книзу канала для пропускания жидкости. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения в целях повышения удобства при изготовлении и/или установке приемной стенке 17 придается конфигурация опрокинутого меньшим основанием вниз усеченного конуса, образованного совокупностью плоских панелей, соединенных между собой краями вдоль швов, при этом нижней кромкой входной стенки 17 образовано выгрузное отверстие 19, которое находится на предварительно выбранном расстоянии выше верхней поверхности активной площадки 6 нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4. В альтернативных вариантах осуществления предлагаемого изобретения возможно такое конструктивное решение, при котором с нижней кромкой приемной стенки 17 соединена ориентированная вертикально юбка цилиндрической или другой конфигурации, которая и образует в своей нижней части выгрузное отверстие 19, или же, вместо этого или одновременно с этим, входное отверстие переточного канала 18 может быть выполнено начинающимся с верхней части вертикальной стенки, а промежуточный или нижний участок центральной переточной трубки 12 при этом образован стенкой, выполненной с уклоном. Как и в случае кольцеобразных в плане периферийных переточных рубашек 10, конструкция центральных переточных трубок 12 предназначена для обеспечения благоприятных условий для испарения с поверхности жидкости и для образования динамического жидкостного затвора (для предотвращения попадания пара в центральную переточную трубку 12), а также для увеличения "активной площади" (на которой имеет место желаемое взаимодействие пара и жидкости и образование пены) активной площадки 6 нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4. Специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что возможны и находятся в объеме притязаний настоящей патентной заявки любые другие конфигурации кольцеобразных в плане периферийных переточных рубашек 10 и центральных переточных трубок 12, при которых обеспечивается достижение вышеуказанных целей.

Каждая центробежная парожидкостная контактная тарелка 4 установлена с опорой на опорное кольцо 20, прикрепленное к центральной опорной трубке 21, установленной с простиранием по вертикали вдоль центральной оси массообменной колонны 1 с опорой своим нижним концом на балку или другое подходящее опорное средство. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения приемная стенка 13 и юбка 15 кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашки 10 каждой центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 с помощью болтовых соединений прикреплены к стержням 22, которые установлены по кругу на некотором расстоянии от внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1 и приварены или иным способом прикреплены к этому наружному корпусу 2 массообменной колонны 1. Для юбки 15 обеспечена дополнительная опора на опорные элементы 23, которые на некотором расстоянии друг от друга распределены по периферии активной площадки 6 нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5 и прикреплены к этой активной площадке 6. В дополнение к задаче обеспечения опоры для юбки 15 с помощью опорных элементов 23 обеспечено также позиционирование нижней кромки юбки 15 на предварительно выбранных расстояниях от верхней поверхности активной площадки 6 нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5 и от внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1.

Каждая центростремительная парожидкостная контактная тарелка 5 установлена с опорой на опорное кольцо 24, приваренное или иным способом прикрепленное к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1. Для обеспечения опоры центральных переточных трубок 12 на верхнюю поверхность активных площадок 6 нижележащих центробежных парожидкостных контактных тарелок 4 и позиционирования выгрузного отверстия 19 на предварительно выбранном расстоянии выше верхней поверхности активной площадки 6 нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 используются также чашеобразные подпорки 25. Дополнительная опора для центробежных парожидкостных контактных тарелок 4 и центростремительных парожидкостных контактных тарелок 5 может быть обеспечена с помощью опорных балок (на прилагаемых чертежах не показаны), которые могут быть выполнены заодно с панелями 7, или же в виде отдельных элементов конструкции. Следует заметить, что при использовании опорных колец 20, прикрепленных к центральной опорной трубке 21, в сочетании с различными стержнями 22, опорными элементами 23 и чашеобразными подпорками 25 обеспечивается возможность обойтись для поддержания каждой пары парожидкостных контактных тарелок (одна центробежная парожидкостная контактная тарелка 4 и одна непосредственно нижележащая центростремительная парожидкостная контактная тарелка 5) единственным опорным кольцом 24, приваренным к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1. Опорные кольца 20, приваренные к центральной опорной трубке 21, имеют намного меньшую длину свариваемой периферии, чем опорное кольцо 24, приваренное к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, поэтому при использовании для поддержания пары парожидкостных контактных тарелок (одна центробежная парожидкостная контактная тарелка 4 и одна непосредственно нижележащая центростремительная парожидкостная контактная тарелка 5) только одного опорного кольца 24, приваренного к внутренней поверхности наружного корпуса 2 массообменной колонны 1, обеспечивается существенная экономия времени и расходов при установке массообменной колонны 1.

Как наилучшим образом показано на фиг.1, где проиллюстрирован один из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, каждая центробежная парожидкостная контактная тарелка 4 находится на большем расстоянии выше непосредственно нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5, чем каждая центростремительная парожидкостная контактная тарелка 5 выше непосредственно нижележащей центробежной парожидкостной контактной тарелки 4. При таком распределении центробежных парожидкостных контактных тарелок 4 и центростремительных парожидкостных контактных тарелок 5 по высоте над центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 получается больший объем открытого пространства, чем над центробежными парожидкостными контактными тарелками 4, в результате чего обеспечивается возможность размещения в пространстве над центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 образующегося на них большего по толщине слоя пены. А больший по толщине слой пены над центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 образуется по той причине, что по мере стекания жидкости по радиусам от периферии активной площадки 6 к ее центру в направлении центральной переточной трубки 12 имеет место сужение русла жидкостного потока. Для удовлетворения требований конкретных применений разница расстояний по высоте между центробежными парожидкостными контактными тарелками 4 и центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 может надлежащим образом регулироваться. Например, вместо одинакового расстояния в 45,72 см (18 дюймов) от каждой центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 или центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5 как до вышележащей, так и до нижележащей центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5 или центробежной парожидкостной контактной тарелки 4, соответственно, центробежные парожидкостные контактные тарелки 4 могут располагаться выше непосредственно нижележащих центростремительных парожидкостных тарелок на 55,88 см (18 дюймов), а центростремительные парожидкостные контактные тарелки 5, в свою очередь, могут располагаться выше непосредственно нижележащих центробежных парожидкостных тарелок на 35,56 см (18 дюймов). При таком техническом решении, когда над центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 обеспечен больший объем свободного пространства, чем над центробежными парожидкостными контактными тарелками 4, обеспечивается возможность увеличения производительности и повышения эффективности работы массообменной колонны 1 без увеличения количества размещаемых внутри нее центробежных парожидкостных контактных тарелок 4 и центростремительных парожидкостных контактных тарелок 5 и без увеличения общей площади активных площадок 6.

Эффективность работы массообменной колонны 1 можно повысить и ее производительность увеличить также путем введения в пространство над центробежными парожидкостными контактными тарелками 4 и/или над центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 определенных конструктивных элементов, обеспечивающих повышение эффективности отделения пара от жидкости и способствование поступлению жидкости в кольцеобразные в плане периферийные переточные рубашки 10 и центральные переточные трубки 12. Например, как можно видеть на фиг.7, возможно техническое решение, заключающееся в размещении над одной или более центростремительными парожидкостными контактными тарелками 5 одного или более отклоняющих элементов 26, которые, в целях повышения эффективности разделения пара и жидкости, выполнены с возможностью воспрепятствования или недопущения выбрасывания жидкости выше центральной переточной трубки 12 и обеспечения отбойной поверхности. Эти отклоняющие элементы 26 могут иметь разную конфигурацию, например, они могут быть реализованы в виде совокупности вертикальных пластин 27, ориентированных по радиусам от центральной опорной трубки 21 и расположенных под самой верхней центробежной парожидкостной контактной тарелкой 4, или же они могут быть реализованы в виде опрокинутого вершиной вниз конусообразного элемента 28, имеющего центральное отверстие, охватывающее центральную опорную трубку 21, и расположенного, как можно видеть на фиг.7, под центробежной парожидкостной контактной тарелкой 4. Этот конусообразный элемент 28 образован линейной или искривленной боковой поверхностью 29 и в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения, в целях облегчения установки и закрепления с охватом центральной опорной трубки 21, составлен из двух или более секций. В альтернативном варианте осуществления предлагаемого изобретения, который проиллюстрирован в нижней части фиг.7, отклоняющие элементы 26 реализованы в виде отдельных пенособирающих пластин 30, которые ориентированы под углом с уклоном нижнего конца в сторону центральной оси массообменной колонны 1, так что обеспечивается отклонение выбрасываемой вверх жидкости книзу. Эти пенособирающие пластины 30 могут быть выполнены проницаемыми для пара, но непроницаемыми для жидкости, или же проницаемыми и для пара, и для жидкости, или же непроницаемыми ни для пара, ни для жидкости.

Увеличение производительности массообменной колонны 1 может быть достигнуто также использованием паропропускных каналов 8 другого типа, нежели те, которые обычно используются в данной отрасли (выполненные из металлических ячеек) и которые описаны в упоминавшемся выше патенте на имя Киттел. Паропропускные каналы 8, как можно видеть на фиг.2 и фиг.4, могут быть реализованы, например, в виде жалюзи (не показано), или же в виде паропропускных клапанов 31, которые могут быть как стационарными, так и подвижными, и ориентированы таким образом, чтобы выходящими из них паровыми потоками было обеспечено воздействие на находящуюся на верхней поверхности активной площадки 6 жидкость в желательном направлении. Таким образом, жалюзи или паропропускные клапаны 31 на центробежных парожидкостных контактных тарелках 4 ориентированы на выпускание паровых потоков по касательной или под некоторым углом к начальному радиальному направлению течения жидкости, текущей от центральной приемной области 9. Это подталкивание жидкости паровым потоком, выходящим по касательной, вызывает ее отклонение от течения по радиусу и заставляет течь по спиральному пути, что приводит к увеличению времени пребывания жидкости на поверхности активной площадки 6 и более полному взаимодействию жидкости с паром, а также к повышению эффективности отделения пара от жидкости и облегчению втекания жидкости в кольцеобразную в плане периферийную переточную рубашку 10. Спиральный путь течения жидкости от центральной области к периферийным областям по поверхности активной площадки 6 центробежной парожидкостной контактной тарелки 4 представляется предпочтительным, однако при желании путем надлежащего ориентирования жалюзи или паропропускных клапанов 31 для течения жидкости может быть обеспечен радиальный путь или путь другой формы. Для обеспечения нужного направления паровых и жидкостных потоков вместо паропропускных клапанов 31 или в сочетании с ними могут быть использованы также наклонные ориентированные по радиусам лопатки. Паропропускными клапанами 31 могут быть снабжены также центростремительные парожидкостные контактные тарелки 5, на которых эти паропропускные клапаны 31 ориентированы таким образом, чтобы выходящие из них паровые потоки подталкивали жидкость по радиусам от периферии к центру активной площадки 6.

Следует заметить, что такое направленное подталкивание жидкости, обеспечиваемое с помощью жалюзи или паропропускных клапанов 31, может осуществляться по разным направлениям на разных участках активной площадки 6, что обеспечивается разной ориентацией жалюзи или паропропускных клапанов 31 на разных участках активной площадки 6. Например, как можно видеть на фиг.2, паропропускные клапаны 31, расположенные в наибольшей близости к центральной приемной области 9, принимают на себя радиальные жидкостные потоки, и может возникнуть необходимость в том, чтобы для предотвращения попадания жидкости в паропропускные клапаны и просачивания ее через них вниз ориентация основного вектора выходящего из каждого из таких паропропускных каналов 31 парового потока была ближе к радиальной. Что же касается тех паропропускных клапанов 31, которые расположены дальше от центральной приемной области 9, то они принимают на себя жидкостные потоки, текущие по спиральным траекториям, поэтому эти паропропускные клапаны 31 ориентированы таким образом, чтобы обеспечивалась ориентация основного вектора выходящего из каждого из таких паропропускных каналов 31 парового потока в направлении по касательной. На фиг.2 показаны только две разные ориентации паропропускных клапанов 31, однако специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что в некоторых конкретных применениях может оказаться предпочтительным использование в дополнение к показанным также и других направлений ориентации паропропускных клапанов 31.

Что касается типов паропропускных клапанов 31, которые могут быть использованы исключительно или в комбинации с другими типами на активной площадке 6, то это могут быть стационарные паропропускные клапаны, известные под марками VG0 и VG9, или подвижные паропропускные клапаны, известные под марками MV1 и MV9. Паропропускные клапаны 31 этих типов обеспечивают более широкую пневмоподдержку, что препятствует проникновению жидкости в паропропускные клапаны 31. Вместо этого или в дополнение к этому может быть применено техническое решение, состоящее в том, что крышки паропропускных клапанов 31 выполняются с наклоном под некоторым углом к плоскости активной площадки 6, так чтобы было обеспечено прикрытие от проникновения в паропропускные клапаны 31 жидкости и увеличение воздействия направленного подталкивания жидкости. При необходимости угол наклона крышек паропропускных клапанов 31 к плоскости активной площадки 6 может быть сделан разным на разных участках активной площадки 6. Может быть применено также техническое решение, при котором используются в сочетании жалюзи и паропропускные клапаны 31, например, на участках активной площадки 6, примыкающих к центральной приемной области 9, могут быть использованы жалюзи, а на остальных участках активной площадки 6 - паропропускные клапаны 31. Кроме того, вместо жалюзи и/или паропропускных клапанов 31 или в сочетании с ними могут быть использованы образующие решетку отверстия, выполненные в активной площадке 6, при этом в предпочтительных вариантах осуществления канал каждого из этих отверстий выполнен с надлежащим наклоном.

В варианте центростремительной парожидкостной контактной тарелки 5, проиллюстрированном на фиг.4, придание жидкостному потоку, изливающемуся из центральной переточной трубки 12, вращательного движения может быть обеспечено размещением в центральной переточной трубке 12 или в ее выгрузном отверстии 19 некоторой закручивающей структуры. В качестве примера такой закручивающей структуры может служить совокупность ориентированных по радиусам направляющих лопаток, установленных в выгрузном отверстии 19 центральной переточной трубки 12. Эти направляющие лопатки могут иметь как плоскую, так и изогнутую форму, при этом все направляющие лопатки или, по меньшей мере, часть из них ориентированы под некоторым углом к вертикали.

Дальше по потоку в переточных каналах 14 кольцеобразных в плане периферийных переточных рубашек 10 и переточных каналах 18 центральных переточных трубок 12 могут быть по выбору установлены пороги 32. Пороги 32 могут иметь разную высоту, при этом в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения высота порогов 32, относящихся к кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашке 10, больше, чем высота любого из порогов, относящихся к центральной переточной трубке 12. По той причине, что на центростремительных парожидкостных контактных тарелках 5 гидравлический градиент жидкостных потоков является отрицательным, в общем случае представляется предпочтительным, чтобы пороги 32 на центростремительных парожидкостных контактных тарелках 5 не применялись.

Как следует из вышеизложенного, предлагаемым изобретением должным образом обеспечивается достижение всех целей, которые были указаны выше, а также другие преимущества, присущие предлагаемому техническому решению.

Среднему специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что некоторые признаки и некоторые подмножества признаков предлагаемого изобретения представляют пользу и могут быть использованы независимо от других признаков и подмножеств признаков предлагаемого изобретения. С учетом этого обстоятельства составлена формула изобретения, и это следует иметь в виду при определении объема предлагаемого изобретения.

Без выхода за пределы предлагаемого изобретения возможно создание большого количества вариантов его осуществления, поэтому среднему специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что описание конкретных вариантов осуществления предлагаемого изобретения и их представление на прилагаемых чертежах носят только иллюстративный характер, и этими вариантами объем предлагаемого изобретения не ограничивается.

Реферат

Изобретение относится к массо- и теплообменным колоннам, в частности к парожидкостным контактным тарелкам, используемым в массо- и теплообменных колоннах. Массообменная колонна (1) включает корпус (2), в открытом внутреннем пространстве (3) которого установлены с чередованием по вертикали и отдельно друг от друга парожидкостные контактные тарелки двух типов: центробежные тарелки (4) и центростремительные тарелки (5). Каждая из тарелок (4, 5) имеет активную площадку (6), снабженную совокупностью паропропускных каналов, обеспечивающих возможность прохождения пара вверх, сквозь активные площадки (6) для взаимодействия с жидкостными потоками, протекающими по их верхним поверхностям. Активная площадка (6) каждой центростремительной тарелки (4) снабжена, по меньшей мере, одной центральной переточной трубкой (12), установленной книзу от отверстия, выполненного в площадке (6), предназначенного для отвода жидкости с верхней поверхности активной площадки (6), и имеющей нижнее выгрузное отверстие, расположенное выше верхней поверхности площадки (6) нижележащей тарелки (4). Внутри центральной переточной трубки (12) может быть размещена структура, закручивающая поток, изливающийся из центральной переточной трубки (12). Активная площадка (6) каждой центробежной тарелки (5) снабжена также, по меньшей мере, одной кольцеобразной в плане периферийной переточной рубашкой (10), выполненной книзу от периферии активной площадки (6) и предназначенной для отведения жидкости с верхней поверхности активной площадки (6), и имеющей нижний выгрузной проем, расположенный выше верхней поверхности активной площадки (6) нижележащей центростремительной тарелки (5). Массообменная колонна (1) может дополнительно включать опорные кольца (24) для каждой пары тарелок (4, 5), или же один или более отклоняющих элементов (26), или же и то, и другое. Изобретение обеспечивает более эффективный контакт между восходящими паровыми потоками и нисходящими жидкостными потоками в массо- и теплообменных колоннах. 10 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула