RU2602113C1

RU2602113C1 - Bubble cap tray

Info

Publication number: RU2602113C1
Application number: RU2015140398/05A
Authority: RU
Inventors: Рамиль Назифович Бахтизин; Николай Константинович Криони; Аскар Джамилевич Мингажев; Искандер Рустемович Кузеев; Марат Ихсанович Баязитов
Original assignee: Рамиль Назифович Бахтизин; Николай Константинович Криони; Аскар Джамилевич Мингажев; Искандер Рустемович Кузеев; Марат Ихсанович Баязитов
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-11-10

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to mass-exchange plates for gas (steam)-fluid systems, intended for absorption, rectification and can be used in chemical, petrochemical and other related industries. Bubble cap plate consists of a base in form of a disc, bubbling caps, made in form of cylindrical or conical shells with slots in their lower part, overflow pipes and hydraulic lock. On caps there are plate-like ribs arranged in horizontal plane, wherein ribs of adjacent caps overlap each other and are located in different planes to form during mutual overlapping labyrinth passages for product being processed in apparatus, and ribs of adjacent caps do not touch surfaces of other caps. Each plate cap has at least one plate rib, made in form of a ring or hexagon, fitted through its central hole on cup cap, wherein diameter of central hole of ring corresponds to outer diameter of cap cup in place of its fixation on cap, and outer diameter of ring does not exceed distance to adjacent contact element of cap plate.

EFFECT: higher intensity of interaction between gas (steam) and liquid due to increase in contact element of length of path of mixture and use a more developed surface of phase contact.

16 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям массообменных тарелок для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической и других смежных отраслях промышленности.The invention relates to designs of mass transfer plates for gas (steam) - liquid systems intended for absorption, rectification processes and can find application in chemical, petrochemical and other related industries.

Известны колпачковые тарелки, используемые для осуществления массообменных процессов для систем «жидкость-пар», описанные в книгах: [А.Г. Касаткин. «Основные процессы технической технологии». М.: Химия, 1971, с. 452].Known cap plates used for mass transfer processes for liquid-vapor systems, described in books: [A.G. Kasatkin. "The main processes of technical technology." M .: Chemistry, 1971, p. 452].

Эти массообменные многоколпачковые тарелки выполнены с паровыми патрубками, колпачками с зубчатыми краями или арочными прорезями и сливными патрубками.These mass transfer multi-cap plates are made with steam nozzles, caps with serrated edges or arched slots and drain nozzles.

Известен также контактный элемент колпачковой тарелки, включающий паровой патрубок, колпачок, выполненный в виде цилиндрического стакана с прорезями [Патент США №4146950, МПК B01D 3/20. Methods for forming bubble cap assemblies for a gas and liquid contact apparatus. Texaco Inc., 1979].Also known is the contact element of the cap plate, including a steam nozzle, a cap made in the form of a cylindrical glass with slots [US Patent No. 4146950, IPC B01D 3/20. Methods for forming bubble cap assemblies for a gas and liquid contact apparatus. Texaco Inc., 1979].

Упомянутые контактные элементы колпачковой тарелки известных конструкций недостаточно эффективны для обеспечения надежного протекания массообменного процесса при разделении смеси на жидкую и паровую фазу. Это связано с незначительной величиной кромок прорезей колпачков, через которые происходит барботирование паров длиной пути смеси и соответственно временем контакта пара с жидкостью. Известные конструкции колпачков не позволяют увеличить суммарную длину упомянутых кромок и время контакта пара с жидкостью, т.е. увеличить время и поверхность межфазового контакта, которая непосредственно зависит от длины кромок, прорезей колпачков, через которые происходит барботирование паровой фракции.Mentioned contact elements of the cap plate of known designs are not effective enough to ensure reliable flow of the mass transfer process when the mixture is separated into a liquid and vapor phase. This is due to the insignificant size of the edges of the slots of the caps through which the bubbling of vapors occurs along the length of the mixture path and, accordingly, the contact time of the vapor with the liquid. Known cap designs do not allow to increase the total length of the mentioned edges and the contact time of the vapor with the liquid, i.e. increase the time and surface of the interphase contact, which directly depends on the length of the edges, the slots of the caps through which the vapor fraction is bubbled.

Известна также массообменная тарелка с перфорацией в боковых стенках парового колпачка, выполнена в виде арочных прорезей выпуклостью наружу с входными отверстиями, направленными под острым углом к вертикали вниз в одну и ту же сторону, противоположную расположению сливной трубы на тарелке [патент РФ №2097093, МПК B01D 3/20. Массообменная тарелка. Опубликовано 27.11.1997]. Основной функцией рассматриваемой конструкции колпачка массообменной тарелки является направление парожидкостного потока. Недостатком такого контактного устройства тарелки является незначительная поверхность межфазового контакта.A mass transfer plate with perforation in the side walls of the steam cap is also known, made in the form of arched slots convex outward with inlet openings directed at an acute angle to the vertical down to the same side opposite to the location of the drain pipe on the plate [RF patent No. 2097093, IPC B01D 3/20. Mass transfer plate. Published 11/27/1997]. The main function of the design of the cap of the mass transfer plate under consideration is the direction of the vapor-liquid flow. The disadvantage of this contact plate device is the small surface of the interphase contact.

Известны также колпачковые тарелки [патент РФ 2214852, МПК B01D 3/18, B01D 3/32. «Аппарат колонный с колпачковыми тарелками», опубл. 27.10.2003], состоящие из оснований в форме диска, барботажных колпачков, переливных труб и гидрозатвора. Недостатком описанного аппарата является низкая эффективность тепломассообмена.Also known are cap plates [RF patent 2214852, IPC B01D 3/18, B01D 3/32. “Columned apparatus with cap plates”, publ. 10.27.2003], consisting of disk-shaped bases, bubble caps, overflow pipes and a water seal. The disadvantage of the described apparatus is the low efficiency of heat and mass transfer.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является колпачковая тарелка, состоящая из основания в форме диска, барботажных колпачков, выполненных в виде цилиндрических или конических стаканов с прорезями в их нижней части, переливных труб и гидрозатвора [патент РФ №2500452, МПК В01D 3/16. Колонна ректификационная с колпачковыми тарелками. Бюл. 34, 2013 г.].The closest technical solution, selected as a prototype, is a cap plate consisting of a base in the form of a disk, bubbled caps made in the form of cylindrical or conical glasses with slots in their lower part, overflow pipes and a water seal [RF patent No. 2500002, IPC B01D 3/16. Distillation column with cap plates. Bull. 34, 2013].

Недостатком известного контактного элемента колпачковой тарелки является невысокая эффективность массообменого процесса из-за недостаточно интенсивного взаимодействия газа (пара) и жидкости, поскольку конструкция колпачкого элемента не позволяет в достаточной степени увеличить длину пути смеси и развить поверхность фазового контакта.A disadvantage of the known contact element of the cap plate is the low efficiency of the mass transfer process due to the insufficiently intense interaction of gas (vapor) and liquid, since the design of the cap element does not sufficiently extend the mixture path length and develop a phase contact surface.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности массообменого процесса.The task of the invention is to increase the efficiency of the mass transfer process.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является повышение интенсивности взаимодействия газа (пара) и жидкости за счет увеличения в контактном элементе длины пути смеси и использования более развитой поверхности фазового контакта.The technical effect of the invention is to increase the intensity of interaction of gas (vapor) and liquid by increasing the length of the mixture path in the contact element and using a more developed phase contact surface.

Поставленная задача решается за счет того, что в колпачковой тарелке, состоящей из основания в форме диска, барботажных колпачков, выполненных в виде цилиндрических или конических стаканов с прорезями в их нижней части, переливных труб и гидрозатвора, в отличие от прототипа на колпачках выполнены расположенные в горизонтальной плоскости пластинчатые ребра, причем ребра соседних колпачков перекрывают друг друга и расположены в различных плоскостях, образуя, при взаимном перекрытии, лабиринтные ходы для обрабатываемого в аппарате продукта, а ребра соседних колпачков не касаются поверхностей других колпачков.The problem is solved due to the fact that in the cap plate, consisting of a base in the form of a disk, bubbled caps made in the form of cylindrical or conical glasses with slots in their lower part, overflow pipes and a water seal, in contrast to the prototype on the caps are located located in the horizontal plane of the plate ribs, and the ribs of adjacent caps overlap each other and are located in different planes, forming, with mutual overlap, labyrinth passages for the product processed in the apparatus That, and the edges of adjacent caps do not touch the surfaces of other caps.

Кроме того, могут использоваться следующие варианты колпачковой тарелки: каждый колпачок имеет по крайней мере одно пластинчатое ребро, выполненное в виде кольца, насаженного через его центральное отверстие на стакан колпачка, причем диаметр центрального отверстия кольца соответствует внешнему диаметру стакана колпачка в месте его закрепления на колпачке, а внешний диаметр кольца не превышает расстояния до соседнего контактного элемента колпачковой тарелки; каждый колпачок имеет по крайней мере одно пластинчатое ребро, выполненное в виде шестигранника с центральным кольцевым отверстием, причем упомянутое ребро насаженно через его центральное отверстие на стакан колпачка, а диаметр центрального отверстия кольца соответствует внешнему диаметру стакана колпачка в месте его закрепления на колпачке, а внешний диаметр кольца не превышает расстояния до соседнего контактного элемента колпачковой тарелки; по кромке центрального отверстия пластинчатого кольцевого ребра выполнен буртик; кольцевое ребро закреплено на внешней поверхности колпачка за счет посадки с натягом, или контактной сваркой, или пайкой; лабиринтные ходы, обеспечивают повышение гидросопротивления тарелки не более чем на 5% от гидросопротивления тарелки без упомянутых пластинчатых ребер; в пластинчатых ребрах выполнены перфорации в виде арочных прорезей выпуклостью наверх с выходными отверстиями, направленными под острым углом в радиальном направлении от центра колпачка; в периферийной части пластинчатых ребер выполнены зубчики, которые равномерно согнуты вниз на одинаковый угол в диапазоне от 75° до 90° от горизонтали.In addition, the following cap-plate options can be used: each cap has at least one plate-shaped rib made in the form of a ring inserted through its central hole onto the cap glass, the diameter of the central hole of the ring corresponding to the outer diameter of the cap glass in the place of its fastening to the cap and the outer diameter of the ring does not exceed the distance to the adjacent contact element of the cap plate; each cap has at least one lamellar rib made in the form of a hexagon with a central annular hole, and said rib is inserted through its central hole onto the cap glass, and the diameter of the central hole of the ring corresponds to the outer diameter of the cap glass in the place of its fastening on the cap, and the outer the diameter of the ring does not exceed the distance to the adjacent contact element of the cap plate; a flange is made along the edge of the central hole of the plate annular rib; an annular rib is fixed on the outer surface of the cap due to interference fit, or resistance welding, or soldering; labyrinth moves, provide an increase in the plate's hydroresistance by not more than 5% of the plate's hydroresistance without the said plate ribs; perforations in the form of arched slots are made in the form of arched slots with a convexity upward with outlet openings directed at an acute angle in the radial direction from the center of the cap; in the peripheral part of the plate ribs are made teeth that are evenly bent down at the same angle in the range from 75 ° to 90 ° from the horizontal.

На фиг. 1 изображена колпачковая тарелка с кольцевыми ребрами (в разрезе и вид сверху), а на фиг. 2 колпачковая тарелка с ребрами в виде шестигранника (в разрезе и вид сверху).In FIG. 1 shows a cap plate with annular ribs (in section and top view), and in FIG. 2 cap plate with ribs in the form of a hexagon (in a section and a top view).

Колпачковая тарелка включает (фиг. 1) основание 1 в форме диска с паровыми патрубками 2, на которых закреплены барботажные колпачки 3, выполненные в виде цилиндрических или конических стаканов с зубчиками 4. На стакан колпачка 3 насажено пластинчатое ребро 5 или 6 (5 - верхнее ребро тарелки, 6 - нижнее ребро тарелки), закрепленное к стакану колпачка через буртик ребра 7. Ребра 5 и 6 могут быть выполнены кольцевыми (фиг. 1) или в виде шестигранника (фиг. 2). Паровой патрубок 2 раструбом насажен на отбортованное вверх отверстие основания тарелки 1 и закреплен изнутри по торцу отбортовки.The cap plate includes (Fig. 1) a base 1 in the form of a disk with steam nozzles 2 on which bubble caps 3 are mounted, made in the form of cylindrical or conical glasses with teeth 4. A plate rib 5 or 6 is mounted on the glass of the cap 3 (5 is the upper plate rib, 6 — lower plate rib) fixed to the cap glass through the flange of rib 7. Ribs 5 and 6 can be made circular (Fig. 1) or in the form of a hexagon (Fig. 2). The steam pipe 2 is fitted with a socket on the flanged up hole of the base of the plate 1 and is fixed from the inside along the flange end.

На отбортованные вверх отверстия основания тарелки 1 раструбом насаживают паровые патрубки 2 и закрепляются изнутри по торцу отбортовки, например, точечной сваркой. Монтируют к тарелке колпачок 3, выполненный в виде цилиндрического или слегка конического зубчатого стакана. Слегка коническая форма стакана, получаемая в процессе штамповки колпачка, позволяет закрепить кольцевое ребро 5 за счет натяга.On the flanged up openings of the base of the plate 1, the steam nozzles 2 are inserted in the socket and fixed from the inside along the flange end, for example, by spot welding. Cap 3 is mounted to the plate, made in the form of a cylindrical or slightly conical gear cup. The slightly conical shape of the cup obtained in the process of stamping the cap allows you to fix the annular rib 5 due to interference.

В вертикальном корпусе тепломассообменного колонного аппарата устанавливают одну над другой колпачковые тарелки, имеющие один или несколько переливных патрубков. С верха тепломассообменного колонного аппарата подают жидкость, которая перетекает с одной колпачковой тарелки на другую, сверху вниз по переливным патрубкам. При этом уровень жидкости на тарелке должен быть выше уровня прорезей зубьев колпачка, но ниже верхнего торца парового патрубка. Газ (либо пар) направляют с низа колонного аппарата вверх, он проходит через паровые патрубки 2, дробится зубьями 4 колпачков 3 и барботирует через слой жидкости на тарелке. При этом происходит тепломассообмен между газом (либо паром) и жидкостью.In the vertical casing of the heat and mass transfer column apparatus, cap plates having one or more overflow nozzles are installed one above the other. From the top of the heat and mass transfer column apparatus, liquid is supplied, which flows from one cap plate to another, from top to bottom along overflow pipes. In this case, the liquid level on the plate should be higher than the level of the slots of the teeth of the cap, but below the upper end of the steam pipe. Gas (or steam) is directed upward from the bottom of the column apparatus, it passes through the steam nozzles 2, is crushed by the teeth of the 4 caps 3 and sparges through a layer of liquid on the plate. In this case, heat and mass transfer occurs between the gas (or steam) and the liquid.

Предлагаемые колпачковые тарелки в составе тепломассообменной колонны работают следующим образом. Исходная парожидкостная смесь через штуцер подается в колонну. Пары через паровые патрубки поступают в полость колпачков 3, вытесняют из них жидкость через щели между зубчиками 4 колпачков 3. Далее паровая смесь начинает барботировать в слой жидкости за пределами колпачков 3, и более легкая парогазовая смесь, задерживаясь в жидкости кольцевыми ребрами 5 и 6, образующими при их взаимном перекрытии лабиринтные ходы 8, поступает на вышележащую тарелку, а тяжелая фракция конденсируется в этой жидкости на тарелке (фиг. 1 и фиг. 2).The proposed cap plates in the composition of the heat and mass transfer columns operate as follows. The initial vapor-liquid mixture through the nozzle is fed into the column. Vapors through the steam nozzles enter the cavity of the caps 3, displace the liquid from them through the gaps between the teeth of the 4 caps 3. Next, the vapor mixture begins to sparge into the liquid layer outside the caps 3, and the lighter vapor-gas mixture, delayed in the liquid by the annular ribs 5 and 6, forming when they overlap the labyrinth passages 8, enters the overlying plate, and the heavy fraction condenses in this liquid on the plate (Fig. 1 and Fig. 2).

Особенностью работы предлагаемых колпачковых тарелок является то, что парожидкостная смесь, выходя из-под колпачка, проходит определенный путь под кольцевыми ребрами 5 и 6, а также проходя лабиринтные ходы 8, образованные взаимным перекрытием пластинчатых ребер 5 и 6. Далее парожидкостная смесь барбатирует в жидкость вне колпачка по всей рабочей поверхности пластинчатых ребер 5 и 6, позволяющих увеличить время взаимодействия паровой и жидкой фаз и, как следствие, повысить эффективность процесса масообмена в ректификационной колонне в целом.A feature of the work of the proposed cap plates is that the vapor-liquid mixture, coming out from under the cap, passes a certain path under the annular ribs 5 and 6, as well as passing labyrinth passages 8 formed by the mutual overlapping of the plate ribs 5 and 6. Further, the vapor-liquid mixture sparges into the liquid outside the cap over the entire working surface of the plate ribs 5 and 6, which allows to increase the interaction time of the vapor and liquid phases and, as a result, increase the efficiency of the process of mass transfer in the distillation column as a whole .

Сравнение функциональных характеристик тарелок, выполненных с контактными колпачковыми элементами по предлагаемому техническому решению по сравнению с прототипом [патент РФ №2500452] показало на повышение к.п.д. тарелки в среднем с 0,76 до 0,86.A comparison of the functional characteristics of the plates made with contact cap elements according to the proposed technical solution compared to the prototype [RF patent No. 2500002] showed an increase in efficiency plates on average from 0.76 to 0.86.

Таким образом, совокупность признаков заявляемого объекта позволяет повысить эффективность массообменого процесса за счет интенсификации взаимодействия газа (пара) и жидкости при увеличении в контактном элементе длины пути смеси и использования более развитой поверхности фазового контакта.Thus, the combination of features of the claimed object allows to increase the efficiency of the mass transfer process due to the intensification of the interaction of gas (vapor) and liquid with an increase in the contact element of the mixture path length and the use of a more developed phase contact surface.

Claims

1. The cap plate, consisting of a base in the form of a disk, bubbled caps made in the form of cylindrical or conical glasses with slots in their lower part, overflow pipes and a water seal, characterized in that on the caps plate-shaped ribs are made in a horizontal plane, and the ribs adjacent caps overlap and are located in different planes, forming with mutual overlap labyrinth passages for the product processed in the apparatus, and the edges of adjacent caps do not touch over other caps.

2. The cap plate according to claim 1, characterized in that each cap has at least one lamellar rib made in the form of a ring, inserted through its central opening onto the cap glass, the diameter of the central opening of the ring corresponding to the outer diameter of the cap glass at its place fixing on the cap, and the outer diameter of the ring does not exceed the distance to the adjacent contact element of the cap plate.

3. The cap plate according to claim 1, characterized in that each cap has at least one plate-shaped rib made in the form of a hexagon with a central annular hole, said rib being inserted through its central opening onto the cap glass, and the diameter of the central opening of the ring corresponds to the outer diameter of the cap glass in the place of its attachment to the cap, and the outer diameter of the ring does not exceed the distance to the adjacent contact element of the cap plate.

4. Cap plate according to any one of paragraphs. 1-2, characterized in that a flange is made along the edge of the central hole of the plate-shaped annular rib.

5. The cap plate according to claim 4, characterized in that the annular rib is fixed to the outer surface of the cap due to interference fit.

6. The cap plate according to claim 4, characterized in that the annular rib is fixed to the outer surface of the cap by contact welding.

7. The cap plate according to claim 4, characterized in that the annular rib is fixed to the outer surface of the cap by soldering.

8. Cap plate according to any one of paragraphs. 1-3, 5-7, characterized in that the said labyrinth passages provide an increase in the hydroresistance of the plate by no more than 5% of the hydroresistance of the plate without the said plate ribs.

9. The cap plate according to claim 4, characterized in that said labyrinth passages provide an increase in the plate's hydroresistance by not more than 5% from the plate's hydroresistance without said plate ribs.

10. Cap plate according to any one of paragraphs. 1-3, 5-7, 9, characterized in that in the aforementioned plate ribs made perforations in the form of arched slots convex upward with outlet holes directed at an acute angle in the radial direction from the center of the cap.

11. The cap plate according to claim 4, characterized in that the aforementioned plate ribs are made of perforations in the form of arched slots convex upward with outlet holes directed at an acute angle in the radial direction from the center of the cap.

12. The cap plate according to claim 8, characterized in that the aforementioned plate ribs are made of perforations in the form of arched slots convex upward with outlet holes directed at an acute angle in the radial direction from the center of the cap.

13. Cap plate according to any one of paragraphs. 1-3, 5-7, 9, 11-12, characterized in that in the peripheral part of the aforementioned plate ribs, teeth are made that are uniformly bent downward at the same angle in the range from 75 ° to 90 ° from the horizontal.

14. The cap plate according to claim 4, characterized in that in the peripheral part of the aforementioned plate ribs are made teeth that are evenly bent down at the same angle in the range from 75 ° to 90 ° from the horizontal.

15. The cap plate according to claim 8, characterized in that in the peripheral part of the aforementioned plate ribs are made teeth that are evenly bent down at the same angle in the range from 75 ° to 90 ° from the horizontal.

16. The cap plate according to claim 10, characterized in that in the peripheral part of the said plate ribs are made teeth that are evenly bent downward at the same angle in the range from 75 ° to 90 ° from the horizontal.