RU2114675C1

RU2114675C1 - Tray for running heat-mass-transfer processes

Info

Publication number: RU2114675C1
Application number: RU94020357A
Authority: RU
Inventors: Иван Петрович Слободяник
Original assignee: Иван Петрович Слободяник
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1998-07-10
Also published as: RU94020357A

Abstract

FIELD: processes of absorption, rectification, gas scrubbing under conditions of low specific loads in liquid; may be used in chemical, petrochemical, gas, food and other allied industries. SUBSTANCE: trays for running heat-mass-transfer processes include plates installed one above another in vertical cylindrical column. Plate is horizontal, round in cross-section and provided with central steam round cap having perforations in its side walls. Tray has vertical discharge pipe tightly mounted in plate of upper tray between column wall and cap. Upper edge of discharge pipe is located above plate of upper tray. Tray has also vertical overflow pipe installed in plate of tray between column wall and cap so that upper edge is located at some distance from tray plate. Discharge and overflow pipes are located nearby. Located diametrically between discharge and overflow pipes, between column wall and cap is vertical partition with width spreading to opposite side wall of cap and with height equalling the distance between trays in vertical plane. Lower edge of discharge pipe is spaced from plate for a value equalling 1/4 of inner diameter of discharge pipe. Lower edge of overflow pipe is spaced from plate of underlying tray for a value of 1/4 of its diameter. Cap lower edges are tightly attached to tray plate. Made in tray plate between column walls and cap side walls and between discharge and overflow pipes are perforations in the form of arched slots with convexity upward and located over concentric circumferences round cap center with their axes directed at an acute angle to tangent of circumferences towards one and the same side of location of tray plate center. Perforations in cap side walls are made in the form of arched slots with convexity outside and with their axes directed vertically down. EFFECT: higher efficiency of mass transfer by Murphy due to more close contact of phases gas(vapor)-liquid and reduced longitudinal mixing of liquid on tray. 6 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям массообменных тарелок для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов в условиях малых удельных нагрузок по жидкости, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой, пищевой и других смежных отраслях промышленности. The invention relates to designs of mass transfer plates for gas (steam) - liquid systems, designed for processes of absorption, rectification, gas flushing at low specific liquid loads, and can find application in chemical, petrochemical, gas, food and other related industries.

Известна колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости, включающая диск с диаметрально расположенными приемным и переливным карманами, снабженным сливными и переливными трубами, паровыми патрубками и колпачками, расположенными на плите тарелки (Касаткин А.Г. Основные процессы химической технологии. М.: Химия, 1971, с. 477). Known cap plate with a diametric overflow of liquid, including a disk with diametrically located receiving and overflow pockets, equipped with drain and overflow pipes, steam pipes and caps located on the plate plate (Kasatkin A.G. Basic processes of chemical technology. M .: Chemistry, 1971 , p. 477).

Недостатком известной колпачковой тарелки является низкая эффективность массообмена по Мерфи вследствие продольного перемешивания жидкости, близкого к модели полного перемешивания жидкости на тарелке. A disadvantage of the known cap plate is the low Murphy mass transfer efficiency due to longitudinal mixing of the liquid, close to the model of complete mixing of the liquid on the plate.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является тарелка для тепломассообменных процессов, включающая устанавливаемую одну над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмонтированную в плиту верней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки (Климовский Д.Н., Стабников В.Н. Технология спирта. 3 изд. доп. и перераб. /Под ред. А.Л. Мальченко. М.: Пищепромиздат, 1960, с. 358). The closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a plate for heat and mass transfer processes, including a horizontal circular plate mounted one above the other in a vertical cylindrical column with a central steam round cap with perforations in its side walls, a vertical drain pipe tightly mounted in the upper plate plates between the column wall and the cap, the upper edge of which is located above the plate of the upper plate, and a vertical overflow pipe, in inserted into the plate of the plate between the wall of the column and the cap so that the upper edge is separated from the plate of the plate (Klimovsky D.N., Stabnikov V.N. Alcohol technology. 3rd ed. add. and revised / Edited by A.L. Malchenko M.: Pishchepromizdat, 1960, p. 358).

Недостатком известной тарелки является недостаточно высокая эффективность массообмена по Мерфи вследствие недостаточно тесного контакта газа (пара) и жидкости и значительного обратного перемешивания жидкости на тарелке в условиях малых удельных нагрузок по жидкости, так как перфорации для прохода газа (пара) в барботажный слой жидкости на тарелке выполнены только в боковых стенках колпачка и имеют большие линейные размеры для обеспечения и необходимого сечения для прохода газа (пара), составляющего в среднем около 10% от полного поперечного сечения колонны, в результате чего не обеспечивается высокая степень диспергирования газа (пара) в жидкости, кроме того, часть жидкости, расположенная в периферийной части плиты тарелки у стенок колонны, не взаимодействует с газом (паром), так как не подвергается барботажу. A disadvantage of the known plate is the insufficiently high Murphy mass transfer efficiency due to insufficiently close contact of gas (vapor) and liquid and significant back-mixing of the liquid on the plate under conditions of low specific liquid loads, since there are perforations for the gas (steam) to pass into the bubble layer of liquid on the plate made only in the side walls of the cap and have large linear dimensions to provide and the necessary cross-section for the passage of gas (steam), which averages about 10% of the total cross cross section of the column, resulting in not a high degree of dispersion of gas (steam) in the liquid, in addition, part of the liquid located in the peripheral portion of the tray plate near the column wall, does not react with a gas (vapor), as is not exposed to bubbling.

С целью повышения эффективности массообмена тарелки по Мерфи за счет более тесного контакта газа (пара) и жидкости и за счет снижения продольного перемешивания жидкости на тарелке, включающей устанавливаемую одну над другой в вертикальной цилиндрической колонне горизонтальную плиту круглого сечения с центральным паровым круглым колпачком, с перфорациями в его боковых стенках, вертикальную сливную трубу, плотно вмонтированную в плиту верхней тарелки между стенкой колонны и колпачком, верхняя кромка которой расположена над плитой верхней тарелки, и вертикальную переливную трубу, вмонтированную в плиту тарелки между стенкой колонны и колпачком так, что верхняя кромка отстоит от плиты тарелки, сливная и переливная трубы расположены рядом, между ними и между стенкой колонны и колпачком диаметрально распложена вертикальная перегородка шириной до противоположной боковой стенки колпачка и высотой, равной расстоянию между тарелками по вертикали, нижняя кромка сливной трубы отстоит от плиты на величину, равную одной четверти внутреннего диаметра сливной трубы, нижняя кромка переливной трубы отстоит от плиты нижерасположенной тарелки на величину одной четверти внутреннего ее диаметра, нижние кромки колпачка плотно прикреплены к плите тарелки, в плите тарелки между стенками колонны и боковыми стенками колпачка и между сливной и переливной трубами выполнены перфорации в виде арочных прорезей выпуклостями вверх, расположенных по концентрическим окружностям вокруг центра колпачка, с осями, направленными под острым углом к касательным окружностей в одну и ту же сторону расположения центра плиты тарелки, перфорации в боковых стенках колпачка выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу с осями, направленными вертикально вниз. In order to increase the efficiency of mass transfer of the plate according to Murphy due to closer contact of gas (steam) and liquid and by reducing the longitudinal mixing of the liquid on the plate, including a horizontal circular plate mounted one above the other in a vertical cylindrical column with a central steam round cap, with perforations in its side walls, a vertical drain pipe tightly mounted in the plate of the upper plate between the wall of the column and the cap, the upper edge of which is located above the stove top plates, and a vertical overflow pipe mounted in the plate of the plate between the wall of the column and the cap so that the upper edge is separated from the plate of the plate, the drain and overflow pipes are located next to each other, and between them and between the wall of the column and the cap, a vertical partition is diametrically distributed with a width up to the opposite side the wall of the cap and a height equal to the distance between the plates vertically, the lower edge of the drain pipe is separated from the plate by an amount equal to one quarter of the inner diameter of the drain pipe, the lower edge and the overflow pipe is separated from the plate of the downstream plate by one quarter of its inner diameter, the lower edges of the cap are tightly attached to the plate of the plate, in the plate of the plate between the walls of the column and the side walls of the cap and between the drain and overflow pipes, perforations are made in the form of arched slots with bulges upward, located in concentric circles around the center of the cap, with axes pointing at an acute angle to the tangent circles to the same side of the center plate position of the plate, per orations in the side walls of the cap are formed as arched slots bulge outward with axes directed vertically downwards.

Предлагаемая конструкция тарелки за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение эффективности массообмена тарелки между газом (паром) и жидкостью. The proposed design of the plate due to its distinctive features provides a solution to the technical problem - increasing the efficiency of mass transfer of the plate between gas (steam) and liquid.

На фиг. 1 представлен продольный разрез колонны с колпачковыми тарелками; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показано сечение на В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 2; на фиг. 6 - сечение Д-Д на фиг. 2. In FIG. 1 is a longitudinal section through a column with cap plates; in FIG. 2 is a section AA in FIG. one; in FIG. 3 - section BB in FIG. one; in FIG. 4 shows a section on BB in FIG. 2; in FIG. 5 is a section GG in FIG. 2; in FIG. 6 is a section DD in FIG. 2.

Тарелка для тепломассообменных процессов содержит расположенную в вертикальной цилиндрической колонне 1 горизонтальную круглую плиту 2, в центре которой выполнено осесимметрично отверстие, в которое над плитой 2 плотно установлен паровой колпачок 3 с перфорациями 4 в нижней части боковых стенок. Плиты 2 тарелок поярусно распложены в колонне 1 по высоте. На плиту 2 тарелки сверху опущена сливная труба 5 для слива жидкости, устанавливаемая между стенками колонны 1 и колпачка 3 так, что нижняя кромка отстоит от плиты 2 на величину, равную не менее четверти внутреннего диаметра трубы 5. В плите 2 тарелки между стенками колонны 1 и колпачка 3 выполнено отверстие, в которое плотно вмонтирована переливная труба 6, верхняя кромка которой расположена выше верхних кромок перфорации 4 в боковых стенках колпачка 3. Сливная труба 5 и переливная труба 6 распложены рядом, а между ними и между стенками колонны 1 и стенками колпачка 3 установлена диаметрально вертикальная перегородка 7, касающаяся плотно крышки колпачка 3 и доходящая по ширине до противоположной боковой стенки колпачка 3, а по высоте перегородка 7 равна расстоянию между плитами 2 тарелок по вертикали. В плите 2 тарелки выполнены перфорации 8 в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными под острым углом к тангенциальным направлениям и в одну и ту же сторону расположения центра плиты, по концентрическим окружностям вокруг, противоположную расположению сливной трубы 5. Перфорации 4 в боковых стенках колпачка 3 также выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью наружу колпачка 3 и с осями, направленными вертикально вниз. Сливная труба 5 нижерасположенной тарелки является переливной трубой 6 вышерасположенной тарелки. The plate for heat and mass transfer processes contains a horizontal circular plate 2 located in a vertical cylindrical column 1, in the center of which an axisymmetric hole is made, in which a steam cap 3 with perforations 4 in the lower part of the side walls is tightly mounted above the plate 2. The plates of 2 plates are tiered arranged in a column 1 in height. On the plate 2 of the plate, a drain pipe 5 for draining the liquid is inserted from above, installed between the walls of the column 1 and the cap 3 so that the lower edge is separated from the plate 2 by an amount equal to at least a quarter of the inner diameter of the pipe 5. In the plate 2, the plates between the walls of the column 1 and a cap 3 a hole is made in which the overflow pipe 6 is tightly mounted, the upper edge of which is located above the upper perforation edges 4 in the side walls of the cap 3. The drain pipe 5 and the overflow pipe 6 are located side by side, and between them between the walls of the column 1 and Tenkai cap 3 is mounted diametrically vertical partition 7 relating to tightly cover cap 3 and reaching up to the width of the opposite side wall of the cap 3 and the baffle plate 7 in height equal to the distance between the plates 2 plates vertically. In the plate 2, the plates are made of perforations 8 in the form of arched slots convex upward with axes directed at an acute angle to the tangential directions and in the same direction of the center of the plate, in concentric circles around, opposite to the location of the drain pipe 5. Perforations 4 in the side walls the cap 3 is also made in the form of arched slots with a bulge outward of the cap 3 and with axes directed vertically downward. The drain pipe 5 of the downstream tray is an overflow pipe 6 of the upstream tray.

Тарелка для теплообменных процессов работает следующим образом. Plate for heat transfer processes works as follows.

Пар (газ) движется в колонне 1 снизу вверх, проходит через арочные прорези 8 в плите 2 и через арочные прорези 4 в нижней части боковых стенок парового колпачка 3 барботирует через слой жидкости и увлекает жидкость в направлении от сливной трубы 5 по кольцевому пространству плиты 2 между стенками колонны 1 и боковыми стенками колпачка 3 в сторону переливной трубы 6, при этом жидкость в состоянии пены, струй и капель жидкости совершает кольцевое движение от сливной трубы 5 до переливной трубы 6, расположенных рядом и отгороженных одна от другой диаметральной перегородкой 7 так, что жидкость совершает движение, близкое к модели идеального вытеснения, при котором, как известно, достигаются максимальная движущая сила процесса массообмена между газом (паром) и жидкостью и максимальная эффективность массообмена. Для предупреждения неравномерного распределения жидкости на плите тарелки 2 за счет перемещения жидкости к стенкам колонны 1 под действием центробежных сил при тангенциальном направлении ввода газа (пара) в жидкость в условиях малых удельных нагрузок по жидкости оси арочных прорезей 8 на плитах 2 тарелки направлены под острым углом к тангенциальным направлениям и в сторону расположения центра плиты 2, как и оси арочных прорезей 4 в боковых стенках парового колпачка 3 направлены вертикально вниз, в результате чего газ (пар) при выходе из арочных прорезей 4 в боковых стенках парового колпачка 3 барботирует в слой жидкости, набегающей под действием струй газа (пара), выходящих из арочных прорезей 8 в плите 2, направленных под острым углом к стенкам патрубка 3, что обеспечивает тесный контакт между газом (паром) и жидкостью и высокую эффективность тепломассообмена между ними. Жидкость на тарелку в сливную трубу 5 поступает с вышерасположенной тарелки через верхние кромки переливной трубы 6, нижняя часть которой является сливной трубой 5. На самую верхнюю тарелку жидкость подается насосом в виде абсорбента (при абсорбции) или в виде флегмы (при ректификации). Steam (gas) moves in the column 1 from the bottom up, passes through the arched slots 8 in the plate 2 and through the arched slots 4 in the lower part of the side walls of the steam cap 3 sparges through the liquid layer and entrains the liquid in the direction from the drain pipe 5 along the annular space of the plate 2 between the walls of the column 1 and the side walls of the cap 3 in the direction of the overflow pipe 6, while the liquid in the state of foam, jets and drops of liquid makes a circular motion from the drain pipe 5 to the overflow pipe 6 located next to and fenced off from one another etralnoy partition 7 so that the fluid is in motion close to a plug flow pattern in which, as is known, achieved maximum driving force mass transfer between the gas (steam) and a liquid mass transfer and maximum efficiency. To prevent uneven distribution of liquid on the plate of the plate 2 due to the movement of the liquid to the walls of the column 1 under the action of centrifugal forces with the tangential direction of gas (vapor) injection into the liquid under low specific fluid loads, the axis of the arched slots 8 on the plates 2 of the plate are directed at an acute angle to the tangential directions and towards the location of the center of the plate 2, as well as the axis of the arched slots 4 in the side walls of the steam cap 3 are directed vertically downward, as a result of which the gas (steam) exits the arches of slots 4 in the side walls of the steam cap 3 sparges into a layer of liquid running under the action of jets of gas (steam) emerging from the arched slots 8 in the plate 2, directed at an acute angle to the walls of the pipe 3, which ensures close contact between the gas (steam) and liquid and high heat and mass transfer between them. The liquid on the plate in the drain pipe 5 comes from the upstream plate through the upper edges of the overflow pipe 6, the lower part of which is the drain pipe 5. The liquid is supplied to the uppermost plate by the pump in the form of absorbent material (during absorption) or in the form of reflux (during rectification).

Вследствие однонаправленного движения жидкости на тарелке под действием однонаправленного движения газа (пара) из арочных прорезей 8 и 4 в одну и ту же сторону от сливной 5 к переливной 6 трубе обратное перемешивание жидкости на тарелке резко снижается, кроме того, диаметральная перегородка 7 также способствует снижению обратного перемешивания жидкости, что обеспечивает, как отмечалось, повышение эффективности массообмена тарелки для тепломассообменных процессов. Due to the unidirectional movement of the liquid on the plate under the influence of the unidirectional movement of gas (steam) from the arched slots 8 and 4 to the same side from the drain 5 to the overflow 6 pipe, the reverse mixing of the liquid on the plate decreases sharply, in addition, the diametrical partition 7 also helps to reduce back mixing of the liquid, which provides, as noted, increasing the efficiency of mass transfer of the plate for heat and mass transfer processes.

Для сравнения следует отметить, что для модели полного перемешивания жидкости на тарелке эффективность массообмена тарелки по Мерфи будет равна локальной (точечной) эффективности массообмена, которая будет вместе с тем и теоретически минимально возможной эффективностью для данных условий. Для модели идеального вытеснения жидкости на тарелке для тех же условий эффективность массообмена тарелки по Мерфи будет теоретически максимально возможной. Для реальных условий частичного обратного перемешивания жидкости на тарелке реальная эффективность массообмена тарелки по Мерфи принимает значение, которое будет больше теоретически минимально возможного значения и меньше теоретически максимально возможного значения. For comparison, it should be noted that for the model of complete mixing of the liquid on the plate, the efficiency of mass transfer of the plate according to Murphy will be equal to the local (point) efficiency of mass transfer, which will be at the same time and theoretically the minimum possible efficiency for these conditions. For a model of ideal displacement of liquid on a plate for the same conditions, the efficiency of mass transfer of the plate according to Murphy will be theoretically the maximum possible. For the real conditions of partial back mixing of the liquid on the plate, the real efficiency of mass transfer of the plate according to Murphy takes a value that will be greater than the theoretically minimum possible value and less than the theoretically maximum possible value.

Технические преимущества изобретения заключаются в резком снижении обратного перемешивания жидкости на тарелке, обеспечении тесного контакта между газом (паром) и жидкостью и увеличении за счет этого движущей силы процесса и повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью в условиях малых удельных нагрузок по жидкости. При этом повышается разделяющая способность колонны, обеспечивающая более высокую частоту продуктов разделения в условиях вакуумной ректификации при очень малых удельных нагрузках по жидкости или меньшее рабочее флегмовое отношение, требующее соответственно меньший удельный расход тепла (греющего пара) на разделение ректификацией, кроме того, обеспечиваются более высокая чистота и качество целевых продуктов разделения, что в конечном итоге приводит к повышению качества и к снижению себестоимости продуктов разделения ректификацией или абсорбцией в сочетании с ректификацией. The technical advantages of the invention are a sharp decrease in the back mixing of the liquid on the plate, ensuring close contact between the gas (vapor) and the liquid, and due to this, the driving force of the process and increasing the efficiency of mass transfer between the gas (steam) and the liquid under low specific liquid loads. At the same time, the separation ability of the column is increased, which ensures a higher frequency of separation products under vacuum distillation at very low specific liquid loads or a lower working reflux ratio, which requires correspondingly lower specific heat consumption (heating steam) for separation by distillation, in addition, a higher purity and quality of the target separation products, which ultimately leads to higher quality and lower cost of separation products by distillation or absorption combined with distillation.

Ожидаемый экономический эффект от использования изобретения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего греющего водяного пара из котельной, в результате более высокой эффективности массообмена тарелок колонны. The expected economic effect from the use of the invention can be achieved by reducing the reflux ratio and the corresponding heating water vapor from the boiler room, as a result of higher mass transfer efficiency of the columns of the column.

Claims

Plate for heat and mass transfer processes, including a horizontal circular cross-section plate mounted one above the other in a vertical cylindrical column with a central steam round cap with perforations in its side walls, a vertical drain pipe tightly mounted in the plate of the upper plate between the column wall and the cap, the upper edge of which is located above the plate of the upper plate, and a vertical overflow pipe mounted in the plate of the plate between the wall of the column and the cap so that the upper edge It is located from the plate of the plate, characterized in that the drain and overflow pipes are located next to each other, between them and between the column wall and the cap, a vertical partition is diametrically wide to the opposite side wall of the cap and a height equal to the vertical distance between the plates, the lower edge of the drain pipe is separated from slab by 1/4 of the inner diameter of the drain pipe, the lower edge of the overflow pipe is 1/4 of the diameter of the lower plate of its bottom plate, the lower edges of the cap are flat The plates are tightly attached to the plate; in the plate of the plate, between the walls of the column and the side walls and between the drain and overflow pipes, perforations are made in the form of arched slots with bulges upward, arranged in concentric circles around the center of the cap, with axes directed at an acute angle to the tangent circles of one and the same side of the center plate position of the plate, the perforations in the side walls of the cap are made in the form of arched slots with a convexity outward with axes pointing vertically downward.