RU228801U1

RU228801U1 - Mass transfer column plate

Info

Publication number: RU228801U1
Application number: RU2024116412U
Authority: RU
Inventors: Елена Борисовна Федорова; Сергей Сергеевич Круглов; Вячеслав Борисович Мельников; мобарак Хаидар Аль
Filing date: 2024-06-14
Publication date: 2024-09-11

Abstract

Полезная модель относится к контактным устройствам для тепломассообмена между паровой и жидкой фазами в ректификационных или абсорбционных колоннах и может найти применение в различных отраслях промышленности, включая нефтяную, газовую, химическую, пищевую и другие. Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности массообменного процесса. Указанная техническая проблема решается тем, что тарелка массообменной колонны включает размещенное внутри корпуса массообменной колонны горизонтальное полотно с размещенной на нем переливной планкой и с последовательно выполненными отверстиями, над каждым из которых установлен ограничитель, выполненный в виде перфорированного колпачка цилиндрической формы, в полости которого размещен клапан, причем суммарная площадь перфорационных отверстий каждого перфорированного колпачка больше, чем площадь каждого отверстия горизонтального полотна, отличающаяся тем, что клапан выполнен в виде размещенного по оси колпачка стержня, на нижнем конце которого установлены по меньшей мере три лопасти, а на верхнем торце колпачка выполнено отверстие для размещения верхнего конца стержня, при этом на выходной части горизонтального полотна установлена сливная планка, высота которой превышает высоту перфорированного колпачка. Достигаемый технический результат заключается в увеличении поверхности контакта жидкой и газовой (паровой) фаз за счет уменьшения диаметра паровых пузырей, барботирующих через жидкость, и увеличения их количества. 5 ил.The utility model relates to contact devices for heat and mass exchange between the vapor and liquid phases in rectification or absorption columns and can find application in various industries, including oil, gas, chemical, food and others. The technical problem, the solution of which is aimed at the proposed utility model, is to increase the efficiency of the mass exchange process. The said technical problem is solved in that the mass-exchange column tray includes a horizontal web placed inside the body of the mass-exchange column with an overflow bar placed thereon and with successively made holes, above each of which a limiter is installed, made in the form of a perforated cap of a cylindrical shape, in the cavity of which a valve is placed, wherein the total area of the perforated holes of each perforated cap is greater than the area of each hole of the horizontal web, characterized in that the valve is made in the form of a rod placed along the axis of the cap, on the lower end of which at least three blades are installed, and on the upper end of the cap an opening is made for placing the upper end of the rod, wherein a drain bar is installed on the outlet part of the horizontal web, the height of which exceeds the height of the perforated cap. The technical result achieved consists in increasing the contact surface of the liquid and gas (vapor) phases due to a decrease in the diameter of the vapor bubbles bubbling through the liquid and an increase in their number. 5 fig.

Description

Полезная модель относится к контактным устройствам для тепломассообмена между паровой и жидкой фазами в ректификационных или абсорбционных колоннах и может найти применение в различных отраслях промышленности, включая нефтяную, газовую, химическую, пищевую и другие.The utility model relates to contact devices for heat and mass exchange between the vapor and liquid phases in rectification or absorption columns and can find application in various industries, including oil, gas, chemical, food and others.

Известна контактная тарелка для массообменной колонны (RU 2572961 С2, 2014), которая содержит полотно для приема на нем потока жидкости, при этом указанное полотно тарелки имеет множество отверстий для прохождения сквозь них поднимающегося пара и множество клапанных крышек, при этом каждая указанная клапанная крышка установлена над соответствующим одним из указанных отверстий и имеет центральный участок, расположенный на расстоянии от указанного полотна тарелки и над соответствующим отверстием, и по меньшей мере одну направляющую лопатку, проходящую в боковом направлении и вниз от указанного центрального участка к указанному полотну тарелки для отклонения по меньшей мере части пара, поднимающегося сквозь соответствующее отверстие, к указанному полотну тарелки. По меньшей мере некоторые из указанных клапанных крышек имеют пару ножек, проходящих от противоположных концов указанного центрального участка к указанному полотну тарелки, и пару панелей. Каждая указанная панель проходит между соответствующей одной из указанной пары ножек и указанной направляющей лопаткой для отклонения части пара, поднимающегося сквозь соответствующее отверстие, в направлении указанного полотна тарелки.A contact tray for a mass transfer column is known (RU 2572961 C2, 2014), which comprises a web for receiving a liquid flow on it, wherein said web of the tray has a plurality of openings for rising vapor to pass through them and a plurality of valve covers, wherein each said valve cover is installed above a corresponding one of said openings and has a central section located at a distance from said web of the tray and above the corresponding opening, and at least one guide vane extending laterally and downwards from said central section to said web of the tray for deflecting at least a portion of the vapor rising through the corresponding opening to said web of the tray. At least some of said valve covers have a pair of legs extending from opposite ends of said central section to said web of the tray, and a pair of panels. Each said panel extends between a corresponding one of said pair of legs and said guide vane for deflecting a portion of the steam rising through the corresponding opening in the direction of said plate web.

Недостатком данного изобретения является недостаточная гибкость при паровых и жидкостных нагрузках, которая при малых паровых нагрузках приводит к провалу, а при высоких паровых нагрузках к возникновению уноса, особенно с отверстием в центральном участке клапанной крышки, а также низкая эффективность процесса массообмена в результате недостаточного диспергирования паровой фазы в жидкой фазе.The disadvantage of this invention is insufficient flexibility under steam and liquid loads, which at low steam loads leads to failure, and at high steam loads to the occurrence of entrainment, especially with a hole in the central section of the valve cover, as well as low efficiency of the mass transfer process as a result of insufficient dispersion of the steam phase in the liquid phase.

Известна также клапанно-ситчатая тарелка (RU 87638 U1, 2009), содержащая распределительную и переливную планки, приемный и сливной карманы и горизонтальное перфорированное полотно, на котором установлены перфорированные клапаны с разновеликими ножками, при этом свободное сечение клапанов меньше свободного сечения полотна, отличающаяся тем, что центр тяжести каждого клапана смещен в сторону длинных ножек, смещение центра тяжести каждого клапана выполнено за счет соотношения масс длинной и короткой ножек 1,1-5,0.Also known is a valve-sieve tray (RU 87638 U1, 2009), containing a distribution and overflow strip, a receiving and drain pockets and a horizontal perforated web on which perforated valves with different-sized legs are installed, wherein the free cross-section of the valves is smaller than the free cross-section of the web, characterized in that the center of gravity of each valve is shifted toward the long legs, the shift of the center of gravity of each valve is achieved due to the ratio of the masses of the long and short legs of 1.1-5.0.

Недостатками данного технического решения являются узкий диапазон нагрузки по пару и жидкости, возникновение провала и/или уноса. Кроме того, при малых расходах пара клапаны будут закрывать отверстия в перфорированном полотне, что может привести к увеличению сопротивления потоку пара и, следовательно, к увеличению перепада давления на тарелке.The disadvantages of this technical solution are a narrow range of steam and liquid loads, the occurrence of a dip and/or carryover. In addition, at low steam flow rates, the valves will close the holes in the perforated sheet, which can lead to an increase in the resistance to steam flow and, consequently, to an increase in the pressure drop on the tray.

Известна клапанная тарелка (RU 133430 U1, 2013) для процессов массообмена, клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъем клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, отличающаяся тем, что опорный элемент выполнен в виде цилиндра из пористого материала.A valve plate (RU 133430 U1, 2013) is known for mass transfer processes, the valves of which are equipped with a support element with ledges that limit the valve lift, ensuring that the valve is seated with a gap relative to the plane of the plate, characterized in that the support element is made in the form of a cylinder made of porous material.

Недостатком упомянутой полезной модели является то, что опорный элемент в виде цилиндра, изготавливаемый из пористых материалов, сильно подвержен засорению, а большой поток жидкости может создавать давление на эти поры, что приводит к повышению давления внутри клапана, а значит, к увеличению падения давления массообменной колонны.The disadvantage of the mentioned utility model is that the supporting element in the form of a cylinder, made of porous materials, is highly susceptible to clogging, and a large flow of liquid can create pressure on these pores, which leads to an increase in pressure inside the valve, and therefore to an increase in the pressure drop of the mass transfer column.

Близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является тарелка клапанная (BY 10370, 2014), включающая основание с отверстиями для прохода пара (газа), на котором установлены клапаны под ограничителями, выполненными в виде перфорированных колпачков, приемный карман, перегородку приемного кармана, сливную перегородку, сливной карман.Close in technical essence to the claimed utility model is a valve plate (BY 10370, 2014), including a base with openings for the passage of steam (gas), on which valves are installed under limiters made in the form of perforated caps, a receiving pocket, a partition of the receiving pocket, a drain partition, a drain pocket.

Недостатком данной тарелки является то, что наличие клапана под ограничителями ведет к образованию в колпачке мертвой зоны, высота которой равна высоте клапана при его полном поднятии, и также при малых расходах пара, отверстия в ограничителях над клапаном не участвуют в процессе массообмена. Также, поскольку клапан закрыт сверху, дополнительная энергия пара, необходимая для подъема клапана, увеличивает гидродинамическое сопротивление.The disadvantage of this plate is that the presence of a valve under the limiters leads to the formation of a dead zone in the cap, the height of which is equal to the height of the valve when it is fully lifted, and also at low steam flow rates, the holes in the limiters above the valve do not participate in the mass exchange process. Also, since the valve is closed from above, the additional steam energy required to lift the valve increases the hydrodynamic resistance.

Наиболее близка по технической сущности к предлагаемой полезной модели клапанная тарелка (RU 218568 U1, 2022), содержащая основание с отверстиями для прохода пара/газа, установленные на них клапаны под ограничителями в виде перфорированного колпачка, приемный карман, перегородку приемного кармана, сливную перегородку, сливной карман, отличающаяся тем, что клапаны выполнены перфорированными, с отверстиями, равномерно расположенными на боковых стенках клапанов, отличающаяся тем, что отверстия в клапанах имеют меньший размер, чем отверстия в ограничителях.The closest in technical essence to the proposed utility model is a valve plate (RU 218568 U1, 2022), comprising a base with openings for the passage of steam/gas, valves installed thereon under limiters in the form of a perforated cap, a receiving pocket, a partition of the receiving pocket, a drain partition, a drain pocket, characterized in that the valves are made perforated, with openings evenly distributed on the side walls of the valves, characterized in that the openings in the valves are smaller in size than the openings in the limiters.

Помимо упомянутых недостатков предыдущей конструкции клапанной тарелки, в данной модификации следует отметить, что часть боковых отверстий клапана может быть направлена к стенке ограничителя, а не к его отверстиям, что приводит к закрытию боковых отверстий клапана и может препятствовать выходу пара.In addition to the aforementioned shortcomings of the previous design of the valve plate, it should be noted in this modification that some of the side openings of the valve may be directed towards the wall of the limiter, rather than towards its openings, which leads to the closure of the side openings of the valve and may prevent the release of steam.

Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности массообменного процесса.The technical problem that the proposed utility model is aimed at solving is increasing the efficiency of the mass transfer process.

Указанная техническая проблема решается тем, что тарелка массообменной колонны включает горизонтальное полотно с последовательно расположенными отверстиями, над каждым из которых установлен ограничитель, выполненный в виде перфорированного колпачка цилиндрической формы, в полости которого размещен клапан, причем суммарная площадь перфорационных отверстий каждого перфорированного колпачка больше, чем площадь каждого отверстия горизонтального полотна, отличающаяся тем, что клапан выполнен в виде размещенного по оси колпачка стержня, на нижнем конце которого установлены по меньшей мере три лопасти, а на верхнем торце колпачка выполнено отверстие для размещения верхнего конца стержня.The said technical problem is solved in that the plate of the mass-exchange column includes a horizontal web with sequentially arranged holes, above each of which a limiter is installed, made in the form of a perforated cap of cylindrical shape, in the cavity of which a valve is placed, wherein the total area of the perforation holes of each perforated cap is greater than the area of each hole of the horizontal web, characterized in that the valve is made in the form of a rod placed along the axis of the cap, on the lower end of which at least three blades are installed, and on the upper end of the cap an opening is made for placing the upper end of the rod.

Достигаемый технический результат заключается в увеличении поверхности контакта жидкой и газовой (паровой) фаз за счет уменьшения диаметра паровых пузырей, барботирующих через жидкость, и увеличения их количества.The achieved technical result consists of increasing the contact surface of the liquid and gas (vapor) phases by reducing the diameter of the vapor bubbles bubbling through the liquid and increasing their number.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами:The essence of the proposed utility model is explained by drawings:

фиг. 1 - принципиальная схема массообменной тарелки, установленной в массообменной колонне;Fig. 1 - schematic diagram of a mass transfer plate installed in a mass transfer column;

фиг. 2 - тарелка массообменной колонны (сечение трехмерной модели);Fig. 2 - mass transfer column plate (section of a three-dimensional model);

фиг. 3 - трехмерная модель клапана внутри перфорированного колпачка цилиндрической формы;Fig. 3 - three-dimensional model of the valve inside a perforated cylindrical cap;

фиг. 4 - изометрический и фронтальный виды клапана;Fig. 4 - isometric and frontal views of the valve;

фиг. 5 - изометрический вид перфорированного колпачка цилиндрической формы.Fig. 5 - isometric view of a perforated cylindrical cap.

Тарелка массообменной колонны включает в себя размещенное внутри корпуса массообменной колонны 1 горизонтальное полотно 2 с размещенной на нем переливной планкой 3, формирующей гидравлический затвор для жидкой фазы, стекающей со стенки сливного кармана вышележащей тарелки, и последовательно выполненными отверстиями 4, где над каждым отверстием 4 установлен ограничитель в виде перфорированного колпачка цилиндрической формы 5, причем площадь боковых отверстий каждого перфорированного колпачка 5 больше, чем площадь каждого отверстия на горизонтальном полотне 2, а в полости перфорированного колпачка цилиндрической формы 5 размещен клапан 6, выполненный в виде расположенного по оси колпачка 5 стержня 7 в нижней части которого размещены минимум три лопасти 8, а на верхнем торце колпачка 5 выполнено отверстие для размещения верхнего конца стержня 7, при этом на выходной части горизонтального полотна 2 установлена сливная планка 9, высота которой превышает высоту перфорированного колпачка 5.The mass-exchange column tray includes a horizontal web 2 placed inside the body of the mass-exchange column 1 with an overflow bar 3 placed thereon, forming a hydraulic seal for the liquid phase flowing down from the wall of the drain pocket of the overlying tray, and sequentially made openings 4, where a limiter in the form of a perforated cap of cylindrical shape 5 is installed above each opening 4, wherein the area of the side openings of each perforated cap 5 is greater than the area of each opening on the horizontal web 2, and in the cavity of the perforated cap of cylindrical shape 5 a valve 6 is placed, made in the form of a rod 7 located along the axis of the cap 5, in the lower part of which at least three blades 8 are placed, and on the upper end of the cap 5 an opening is made for placing the upper end of the rod 7, wherein a drain bar 9 is installed on the outlet part of the horizontal web 2, the height of which exceeds the height of the perforated cap 5.

Тарелка массообменной колонны работает следующим образом.The mass transfer column plate operates as follows.

Жидкая фаза с вышележащей тарелки поступает по стенке сливного кармана в приемный карман, затем через переливную планку 3 на горизонтальное полотно 2, где над каждым отверстием 4 установлен ограничитель в виде перфорированного колпачка цилиндрической формы 5, а внутри перфорированного колпачка цилиндрической формы 5 размещен клапан 6. Установленный ограничитель в виде перфорированного колпачка, направляющего пар горизонтально, снижает унос, улучшает дисперсию пара в жидкой фазе. Далее жидкость стекает через сливную планку 9 и стенку сливного кармана в сливной карман и затем на нижележащую тарелку. Суммарная площадь отверстий в колпачке больше, чем площадь отверстий в горизонтальном полотне, на котором расположен колпачок, что приводит к повышению производительности, также установленные перфорированные колпачки помогают уменьшить размер пузырьков пара и, таким образом, увеличить поверхность контакта между паром и жидкостью на поверхности тарелки.The liquid phase from the overlying tray enters along the wall of the downcomer pocket into the receiving pocket, then through the overflow bar 3 onto the horizontal web 2, where a limiter in the form of a perforated cap of cylindrical shape 5 is installed above each hole 4, and a valve 6 is located inside the perforated cap of cylindrical shape 5. The installed limiter in the form of a perforated cap directing the steam horizontally reduces carryover, improves the dispersion of steam in the liquid phase. Then the liquid flows through the downcomer bar 9 and the wall of the downcomer pocket into the downcomer pocket and then onto the underlying tray. The total area of the holes in the cap is greater than the area of the holes in the horizontal web on which the cap is located, which leads to an increase in productivity, also the installed perforated caps help to reduce the size of the steam bubbles and, thus, increase the contact surface between the steam and the liquid on the surface of the tray.

Поток пара, проходящий через отверстия 4 в горизонтальном полотне тарелки 2 под клапаном 6 и затем через лопасти 8 клапана 6, поступает в слой жидкости через отверстия в перфорационном колпачке 5, образуя большое количество мелких газовых (паровых) пузырьков с большой поверхностью контакта с жидкостью на горизонтальном полотне 2, что приводит к интенсивному массообмену между газовой (паровой) и жидкой фазами. Затем пар уходит на вышележащую тарелку.The steam flow passing through the holes 4 in the horizontal web of the plate 2 under the valve 6 and then through the blades 8 of the valve 6 enters the liquid layer through the holes in the perforation cap 5, forming a large number of small gas (steam) bubbles with a large contact surface with the liquid on the horizontal web 2, which leads to intensive mass exchange between the gas (steam) and liquid phases. Then the steam goes to the overlying plate.

С увеличением скорости потока пара клапан 6 поднимается над горизонтальным полотном 2, и часть пара выходит через боковые отверстия перфорированного колпачка 5 ниже клапана 6 в перфорированном колпачке 5 и поступает в слой жидкости. Другая часть пара проходит через лопасти 8 клапана 6, что приводит к его вращению. В результате увеличивается турбулентность потока пара, затем пар выходит через боковые отверстия перфорированного колпачка 5 над лопастями 8 клапана 6 в перфорированном колпачке 5 и поступает в слой жидкости.With the increase of the steam flow rate, the valve 6 rises above the horizontal web 2, and some of the steam exits through the side openings of the perforated cap 5 below the valve 6 in the perforated cap 5 and enters the liquid layer. Another part of the steam passes through the blades 8 of the valve 6, which causes it to rotate. As a result, the turbulence of the steam flow increases, then the steam exits through the side openings of the perforated cap 5 above the blades 8 of the valve 6 in the perforated cap 5 and enters the liquid layer.

Наличие клапана под ограничительным перфорированным колпачком 5 значительно снижает провал жидкостной фазы, а конструкция клапана 6, состоящего из трех или четырех лопастей 8, позволяет тарелке работать в условиях малых скоростей пара, где поток пара проходит через лопасти 8 клапанов и затем через боковые отверстия перфорированного колпачка 5, с увеличением скорости потока пара клапан 6 поднимается над горизонтальным полотном 2, и часть пара проходит через боковые отверстия перфорированного колпачка 5 ниже клапана 6, в то время как другая часть пара проходит через боковые отверстия перфорированного колпачка 5 над клапаном 6 после пересечения лопастей 8 клапана 6. Это обеспечивает распределение пара в жидкости на полотне тарелки по всей высоте перфорированного колпачка 5 при любой скорости пара. Также клапан 6 вращается за счет прохождения части пара через лопасти 8, что увеличивает турбулентность и скорость потока пара. Это приводит к уменьшению диаметра паровых пузырей, барботирующих через жидкость, и увеличению их количества, соответственно к увеличению поверхности контакта между паром и жидкости и повышению эффективности тарелки.The presence of a valve under the restrictive perforated cap 5 significantly reduces the drop in the liquid phase, and the design of the valve 6, consisting of three or four blades 8, allows the tray to operate under conditions of low steam velocities, where the steam flow passes through the blades 8 of the valves and then through the side openings of the perforated cap 5, with an increase in the steam flow velocity, the valve 6 rises above the horizontal web 2, and part of the steam passes through the side openings of the perforated cap 5 below the valve 6, while another part of the steam passes through the side openings of the perforated cap 5 above the valve 6 after crossing the blades 8 of the valve 6. This ensures the distribution of steam in the liquid on the tray web along the entire height of the perforated cap 5 at any steam velocity. Also, the valve 6 rotates due to the passage of part of the steam through the blades 8, which increases the turbulence and speed of the steam flow. This leads to a decrease in the diameter of the steam bubbles bubbling through the liquid and an increase in their number, respectively, to an increase in the contact surface between the steam and the liquid and an increase in the efficiency of the tray.

Таким образом, предлагаемая конструкция тарелки массообменной колонны позволяет повысить производительность, снизить унос и провал, а также улучшить эффективность массообменного процесса за счет увеличения поверхности контакта жидкой и газовой (паровой) фаз путем увеличения числа пузырьков и уменьшения их размеров на выходе из каждого перфорированного колпачка.Thus, the proposed design of the mass transfer column tray allows to increase productivity, reduce carryover and sag, and improve the efficiency of the mass transfer process by increasing the contact surface of the liquid and gas (vapor) phases by increasing the number of bubbles and reducing their sizes at the outlet of each perforated cap.

Claims

A mass-exchange column tray comprising a horizontal web placed inside the body of the mass-exchange column with an overflow bar placed thereon and with successively made holes, above each of which a limiter is installed, made in the form of a perforated cap of a cylindrical shape, in the cavity of which a valve is placed, wherein the total area of the perforated holes of each perforated cap is greater than the area of each hole of the horizontal web, characterized in that the valve is made in the form of a rod placed along the axis of the cap, on the lower end of which at least three blades are installed, and on the upper end of the cap an opening is made for placing the upper end of the rod, wherein a drain bar is installed on the outlet part of the horizontal web, the height of which exceeds the height of the perforated cap.