RU175544U1

RU175544U1 - MASS EXCHANGE PLATE

Info

Publication number: RU175544U1
Application number: RU2017116491U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Ольга Александровна Залипаева; Павел Павлович Залипаев; Александр Александрович Коберник; Сергей Евгеньевич Каширин; Юлия Андреевна Самофалова
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности. Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной тарелки является увеличение производительности за счет саморегулирования уровня жидкости и времени ее пребывания на тарелке при изменении температуры.Поставленный технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, включающая перфорированное полотно с плавающим переливным порогом, состоящим из вертикальной перегородки, снабженной в верхней части полым элементом, и расположенный на полотне теплообменник из труб, имеющих отверстия с ниппелями, при этом вертикальная перегородка выполнена из материала, обладающего эффектом памяти.The proposed technical solution relates to the hardware design of mass transfer processes in a gas (steam) - liquid system and can be used in chemical, petrochemical, oil refining and some other industries. The technical result of the proposed design of the mass transfer plate is an increase in productivity due to self-regulation of the liquid level and its residence time on the plate when the temperature changes. The technical result is achieved in that the mass transfer plate, including a perforated sheet with a floating overflow threshold, consisting of a vertical partition provided with a top parts with a hollow element, and a heat exchanger located on the canvas from pipes having holes with nipples, while The vertical partition is made of a material with a memory effect.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к аппаратному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и ряде других отраслей промышленности.The proposed technical solution relates to the hardware design of mass transfer processes in a gas (steam) - liquid system and can be used in chemical, petrochemical, oil refining and some other industries.

Известны конструкции массообменных тарелок, состоящие из рабочей зоны, на площади которой расположены колпачки, отверстия или клапаны приемного кармана, куда поступает жидкость с вышележащей тарелки. Сливной карман снабжен переливной планкой, обеспечивающей определенный слой жидкости на тарелке. Для регулирования высоты установки сливная планка снабжена продольными вырезами, в пределах которых она может перемещаться по высоте относительно осей болтов (винтов), которыми она крепится к сливному месту («Машины и аппараты химических производств» под общей ред. А.С. Тимошина. - Калуга, Ноосфера, 2014, с. 546 и с. 563).Known design of mass transfer plates, consisting of a working area, the area of which is located caps, holes or valves of the receiving pocket, which receives the liquid from the overlying plate. The drain pocket is equipped with an overflow bar providing a certain layer of liquid on the plate. To regulate the installation height, the drain bar is provided with longitudinal cutouts, within which it can be moved in height relative to the axes of the bolts (screws) with which it is attached to the drain place ("Machines and apparatuses of chemical production" under the general editorship of AS Timoshin. - Kaluga, Noosphere, 2014, p. 546 and p. 563).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования уровня жидкости и времени ее пребывания на тарелке при изменении температуры жидкости, что ухудшает массообменный процесс и приводит к снижению производительности колонны.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the inability to control the liquid level and its residence time on the plate when the temperature of the liquid changes, which worsens the mass transfer process and reduces the performance of the column.

Известна конструкция массообменной тарелки, включающая горизонтальное полотно с контактными элементами и переливное устройство, состоящее из переливной планки, боковой стенки и основания кармана, при этом основание кармана снабжено прикрепленной к нему пластиной, имеющей сливное отверстие с патрубком, установленным ниже пластины, верхняя кромка которого перекрывается клапаном с расположенным на нем стаканом с отверстием в нижней и стопорным винтом в верхней частях, и размещенным в нем тубусом, связанным с лотком, причем стакан шарнирно соединен с кулисой. на противоположном конце которой закреплен уравновешивающий груз, а кулиса шарнирно опирается на стойку, соединенную с пластиной (Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1465064, B01D 3/22, 1989 г.).A known design of a mass transfer plate including a horizontal web with contact elements and an overflow device consisting of an overflow bar, a side wall and a base of the pocket, the base of the pocket being provided with a plate attached to it having a drain hole with a pipe installed below the plate, the upper edge of which overlaps a valve with a glass located on it with a hole in the bottom and a locking screw in the upper parts, and a tube connected to the tray placed in it, the glass being a hinge of connected scenes. on the opposite end of which a balancing load is fixed, and the link is pivotally supported on a rack connected to the plate (Description of the invention to the USSR copyright certificate No. 1465064, B01D 3/22, 1989).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулировать уровень жидкой фазы на тарелке и время ее пребывания в зависимости от температуры, что снижает эффективность массообменного процесса на каждой тарелке и приводит к уменьшению производительности.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the inability to control the level of the liquid phase on the plate and its residence time depending on temperature, which reduces the efficiency of the mass transfer process on each plate and leads to a decrease in productivity.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и выбранному за прототип является конструкция массообменной тарелки, включающей перфорированное полотно с переливным порогом и расположенный на полотне теплообменник из труб, при этом трубы имеют отверстия с ниппелями, а переливной порог выполнен плавающим, состоящим из вертикальной перегородки, снабженной в верхней части полым элементом, обеспечивающим его плавучесть (Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1741844, B01D 3/20, B01D 3/22, 1989 г.).The closest technical solution for the totality of features to the claimed object and selected for the prototype is the design of the mass transfer plate, including a perforated sheet with an overflow threshold and a pipe heat exchanger located on the canvas, while the pipes have openings with nipples, and the overflow threshold is made floating, consisting of a vertical partitions equipped in the upper part with a hollow element, ensuring its buoyancy (Description of the invention to the USSR copyright certificate No. 1741844, B01D 3/20, B01D 3/22, 1989).

К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится сложность регулирования высоты и времени пребывания жидкости на тарелке в зависимости от температуры жидкости. Так, с ростом температуры жидкости ее плотность падает, подъемная сила Архимеда уменьшается, что приводит к погружению полого элемента переливного порога в жидкость, уменьшению высоты вертикальной перегородки, а вместе с ней и уровня жидкости на тарелке, а значит уменьшению объема и времени пребывания жидкости на тарелке, что приводит к ухудшению массообмена и, как следствие, к снижению производительности.The reasons that impede the achievement of the technical result include the difficulty of regulating the height and residence time of the liquid on the plate depending on the temperature of the liquid. So, with increasing temperature of the liquid, its density decreases, the lifting force of Archimedes decreases, which leads to the immersion of the hollow element of the overflow threshold in the liquid, a decrease in the height of the vertical partition, and with it the level of the liquid on the plate, which means a decrease in the volume and residence time of the liquid by plate, which leads to a deterioration in mass transfer and, as a result, to a decrease in productivity.

Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной тарелки является увеличение производительности за счет саморегулирования уровня жидкости и времени ее пребывания на тарелке при изменении температуры.The technical result of the proposed design of the mass transfer plate is to increase productivity due to self-regulation of the liquid level and its residence time on the plate with a change in temperature.

Поставленный технический результат достигается тем, что массообменная тарелка, включающая перфорированное полотно с плавающим переливным порогом, состоящим из вертикальной перегородки, снабженной в верхней части полым элементом, и расположенный на полотне теплообменник из труб, имеющих отверстия с ниппелями, при этом вертикальная перегородка выполнена из материала, обладающего эффектом памяти.The technical result is achieved in that the mass transfer plate, including a perforated sheet with a floating overflow threshold, consisting of a vertical partition provided with a hollow element in the upper part, and a heat exchanger located on the sheet of pipes having holes with nipples, while the vertical partition is made of material having a memory effect.

При увеличении температуры жидкости и соответственно уменьшения ее плотности, а значит снижении подъемной силы Архимеда, переливной порог опускается, но одновременно вертикальная перегородка с ростом температуры увеличивает свою высоту, так как выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным вертикальной перегородкой, что в свою очередь уменьшает расход жидкости через гидрозатвор, а значит увеличивает ее высоту, объем и время пребывания на тарелке. Увеличение времени пребывания жидкости на тарелке увеличивает время ее контакта с пузырьками газа (пара), что интенсифицирует скорость массообмена между жидкой и газовой фазами и приводит к росту производительности.With an increase in the temperature of the liquid and, accordingly, a decrease in its density, which means a decrease in the lifting force of Archimedes, the overflow threshold lowers, but at the same time, the vertical partition increases its height, as it is made of a material with a memory effect, which leads to an increase in hydraulic resistance in the hydraulic seal formed by a vertical partition, which in turn reduces the flow rate of the fluid through the water seal, and therefore increases its height, volume and residence time on tar Christmas tree. An increase in the residence time of a liquid on a plate increases the time of its contact with gas (vapor) bubbles, which intensifies the rate of mass transfer between the liquid and gas phases and leads to an increase in productivity.

При снижении температуры жидкости на тарелке плотность жидкости возрастает, подъемная сила Архимеда также растет, что приводит к подъему вертикальной перегородки, увеличению высоты жидкости и росту ее гидравлического сопротивления для пузырьков газа (пара), а значит увеличение размера пузырьков газа (пара), выходящих из отверстий с ниппелями. Это снижает время контакта пузырьков газа (пара) с жидкостью, скорость массопередачи между газовой (паровой) и жидкой фазами, ухудшает массообменный процесс и уменьшает производительность. Однако снижение температуры жидкости приводит к уменьшению высоты сливной перегородки, что увеличивает расход жидкости через переливной порог, снижает ее уровень на тарелке и компенсирует его увеличение за счет роста плотности жидкости.With a decrease in the temperature of the liquid on the plate, the density of the liquid increases, the lifting force of Archimedes also increases, which leads to a rise in the vertical partition, an increase in the height of the liquid and an increase in its hydraulic resistance for gas bubbles (steam), which means an increase in the size of gas bubbles (steam) exiting holes with nipples. This reduces the contact time of the gas (vapor) bubbles with the liquid, the mass transfer rate between the gas (vapor) and liquid phases, worsens the mass transfer process and reduces productivity. However, lowering the temperature of the liquid leads to a decrease in the height of the drain wall, which increases the flow rate of the liquid through the overflow threshold, reduces its level on the plate and compensates for its increase due to the increase in the density of the liquid.

Таким образом, выполнение вертикальной перегородки из материала, обладающего эффектом памяти, нивелирует уменьшение подъемной силы Архимеда, которая могла бы привести к снижению высоты переливного порога с плавающим элементом при повышении температуры жидкости, и наоборот, увеличение подъемной силы Архимеда, которое приводит к увеличению высоты жидкости на тарелке сверх номинального значения, что могло бы привести к чрезмерному увеличению уровня жидкости на тарелке, росту гидравлического сопротивления, а значит снижению производительности.Thus, the implementation of a vertical partition made of a material with a memory effect eliminates a decrease in the lift force of Archimedes, which could lead to a decrease in the height of the overflow threshold with a floating element with an increase in the temperature of the liquid, and vice versa, an increase in the lift force of Archimedes, which leads to an increase in the height of the liquid on a plate over the nominal value, which could lead to an excessive increase in the liquid level on the plate, an increase in hydraulic resistance, and therefore a decrease nosti.

На фиг. 1 изображена колонна, в которой расположены по высоте массообменные тарелки. На фиг. 2 - вид сверху массообменной тарелки. На фиг. 3 - переливной порог.In FIG. 1 shows a column in which the mass transfer plates are arranged in height. In FIG. 2 is a plan view of a mass transfer plate. In FIG. 3 - overflow threshold.

Тарелка состоит из перфорированного полотна 1, на котором установлены направляющие 2 для плавающего переливного порога, состоящего из вертикальной перегородки 3, снабженной в верхней части полым элементом 4, обеспечивающим его плавучесть, а также плоский теплообменник 5, трубы которого снабжены отверстиями с ниппелями 6. Кроме того, сама вертикальная перегородка выполнена из материала, обладающего эффектом памяти. Возможность вертикального перемещения плавающего переливного порога вместе с уровнем жидкости на тарелке в направляющих 2 позволяет увеличивать (или уменьшать) объем жидкости на тарелке при увеличении (уменьшении) ее расхода, чем обеспечивается стабильность необходимого времени τ.The plate consists of a perforated web 1, on which guides 2 for a floating overflow threshold are installed, consisting of a vertical partition 3, equipped with a hollow element 4 in the upper part, which ensures its buoyancy, and also a flat heat exchanger 5, the pipes of which are provided with holes with nipples 6. In addition Moreover, the vertical partition itself is made of a material with a memory effect. The possibility of vertical movement of the floating overflow threshold together with the liquid level on the plate in the guides 2 allows you to increase (or decrease) the volume of liquid on the plate with an increase (decrease) in its flow rate, which ensures the stability of the required time τ.

Отверстия с ниппелями 6 в трубах теплообменника 5 позволяют получить пузырьки горячего газа (пара) в объеме жидкости, которые ускоряют транспортировку к поверхности пузырьков низкокипящего компонента, интенсифицируя тем самым процесс разделения, а наличие теплообменника 5 непосредственно на поверхности тарелки позволяет повысить качество разделения за счет поддержания строго необходимой температуры на каждой конкретной тарелке и позволяет экономно расходовать газ.Holes with nipples 6 in the tubes of the heat exchanger 5 make it possible to obtain hot gas (steam) bubbles in the liquid volume, which accelerate the transportation of the low-boiling component to the surface of the bubbles, thereby intensifying the separation process, and the presence of the heat exchanger 5 directly on the plate surface improves the quality of separation by maintaining strictly necessary temperature on each specific plate and allows you to save gas.

Массообменная тарелка работает следующим образом.Mass transfer plate works as follows.

Жидкая фаза поступает с вышележащей тарелки на нижележащую, движется равномерным фронтам к переливному порогу и, переливаясь через него, стекает на следующую тарелку. При колебаниях ее расхода q, например увеличении, уровень жидкости на тарелке V_ж повышается и вместе с ним поднимается на плаву переливной порог 3, так, что объем жидкости на тарелке увеличивается. Благодаря этому величина необходимого времени пребывания τ не изменяется. В противном случае, если при увеличении расхода переливной порог не изменяет своей высоты, объем жидкости на тарелке остается постоянным, то есть не увеличивается, следовательно, временя пребывания жидкости на тарелке τ, необходимое для осуществления качественного массообмена, не выдерживается, оно уменьшается по сравнению с необходимым, так какThe liquid phase enters from the overlying plate to the underlying one, moves uniform fronts to the overflow threshold and, overflowing through it, flows to the next plate. With fluctuations in its flow rate q, for example, an increase, the liquid level on the plate V _w rises and the overflow threshold 3 rises afloat, so that the volume of liquid on the plate increases. Due to this, the value of the required residence time τ does not change. Otherwise, if with an increase in flow rate the overflow threshold does not change its height, the volume of liquid on the plate remains constant, that is, does not increase, therefore, the residence time of the liquid on the plate τ, necessary for the implementation of high-quality mass transfer, is not maintained, it decreases compared to necessary since

τ=V_ж/qτ = V _w / q

Подогрев вязкой жидкости на тарелке для осуществления разделения жидкости на компоненты осуществляется горячим паром, поступающим в теплообменник 5 на каждую тарелку индивидуально, что обеспечивает значительную его экономию. Проходя по трубам теплообменника, часть газа (пара) под давлением выходит через отверстия с ниппелями 5 и, поднимаясь в виде пузырьков, захватывает и выносит на поверхность пузырьки низкокипящей жидкости. В результате, благодаря флотации одних пузырьков другими, процесс разделения многокомпонентной жидкости значительно интенсифицируется. Ниппели в отверстиях препятствуют проникновению в трубы теплообменника разделяемой жидкости.The viscous liquid on the plate is heated to separate the liquid into components by hot steam entering the heat exchanger 5 individually for each plate, which provides significant savings. Passing through the pipes of the heat exchanger, part of the gas (steam) under pressure exits through openings with nipples 5 and, rising in the form of bubbles, captures and carries out bubbles of low-boiling liquid to the surface. As a result, due to the flotation of some bubbles by others, the process of separation of a multicomponent liquid is significantly intensified. The nipples in the openings prevent the separable liquid from entering the heat exchanger tubes.

Кроме того, при повышении температуры жидкости на тарелке ее плотность уменьшается, что приводит к снижению подъемной силы Архимеда, опускания вниз переливного порога, что могло бы привести к уменьшению объема жидкости на тарелке и ее времени пребывания на ней, а значит снижению эффективности массообмена и производительности. Однако то, что вертикальная перегородка 3 плавающий переливной порог выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, приводит к тому, что с ростом температуры его высота увеличивается, что в свою очередь приводит к росту гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным этим переливным порогом в направляющих 2. Увеличение гидравлического сопротивления вызывает рост уровня жидкости на тарелке, что нивелирует его уменьшение при снижении подъемной силы Архимеда от снижения плотности жидкости на тарелке. Наоборот, уменьшение температуры жидкости на тарелке приводит к росту плотности и подъемной силы Архимеда, что вызывает подъем плавающего переливного порога, увеличение уровня жидкости на тарелке, рост гидравлического сопротивления для газовой (паровой) фазы, снижению скорости массообмена и производительности. Этот рост плотности с уменьшением температуры нивелируется уменьшением высоты плавающего переливного порога, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления в гидрозатворе, образованным плавающим переливным порогом в направляющих 2.In addition, as the temperature of the liquid on the plate increases, its density decreases, which leads to a decrease in the Archimedes lift force, lowering of the overflow threshold, which could lead to a decrease in the volume of liquid on the plate and its residence time on it, which means a decrease in mass transfer efficiency and productivity . However, the fact that the vertical partition 3 floating overflow threshold is made of a material with a memory effect, leads to the fact that its height increases with increasing temperature, which in turn leads to an increase in hydraulic resistance in the hydraulic seal formed by this overflow threshold in the guides 2. An increase in hydraulic resistance causes an increase in the liquid level on the plate, which eliminates its decrease with a decrease in the lifting force of Archimedes from a decrease in the density of the liquid on the plate. On the contrary, a decrease in the temperature of the liquid on the plate leads to an increase in the density and lift of Archimedes, which causes a rise in the floating overflow threshold, an increase in the liquid level on the plate, an increase in hydraulic resistance for the gas (vapor) phase, and a decrease in the mass transfer rate and productivity. This increase in density with decreasing temperature is offset by a decrease in the height of the floating overflow threshold, which leads to a decrease in the hydraulic resistance in the hydraulic lock formed by the floating overflow threshold in the guides 2.

Материалы, обладающие эффектом памяти, широко используют в конструкциях узлов и деталей. Так, известен титаноникелевый сплав TiNi, обладающий эффектом памяти при температурах от -196C до +120C (Физические эффекты в машиностроении: справочник под ред. В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.: под общ. ред. В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение. 1993. - С. 149-152).Materials with a memory effect are widely used in the construction of assemblies and parts. Thus, TiNi titanium-nickel alloy is known, which has a memory effect at temperatures from -196C to + 120C (Physical effects in mechanical engineering: a reference book edited by V.A. Lukyanets, Z.I. Almazova, N.P. Burmistrova and others: under General ed.V.A. Lukyanets. - M.: Mechanical Engineering. 1993. - S. 149-152).

Таким образом, выполнение вертикальной перегородки переливного порога из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет обеспечить саморегулирование уровня жидкости и ее время пребывания в зависимости от температуры жидкости, что повышает интенсивность массопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и производительность процесса.Thus, the implementation of the vertical partition of the overflow threshold from a material with a memory effect allows self-regulation of the liquid level and its residence time depending on the temperature of the liquid, which increases the intensity of mass transfer between the liquid and gas (vapor) phases and the productivity of the process.

Claims

Mass transfer plate, including a perforated sheet with a floating overflow threshold, consisting of a vertical partition provided with a hollow element in the upper part, and a heat exchanger located on the canvas made of pipes having openings with nipples, characterized in that the vertical partition is made of a material with a memory effect.