Контактная тарелка для тепло-массообменных аппаратов

 

КОНТАКТНАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ, имеющая перфорированное основание. отличающаяся тем, что, с целью увеличения ее производительности, снижения гидравлического сопротивления и повышения эффективности массообмена, отверстия тарелки снабжены коаксиальными кольцевыми ребрами или выступами внутреннем диаметром входного сечения, большим диаметра отверстия, установленными со стороны входа газа (пара) на тарелку, при этом отношение внутреннего диаметра коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия 1,1 -1,6, а отношение величины высоты коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия 0,2-1,0. сл to сл

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ей В 01 0 3/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3618400/23-26 (22) 11.07.83 (46) 23.04.85. Бюл. № 15 (72) В. Ф. Олексиюк, Н. А. Кочергин, В. N. Олевский, И. И. Бельцер, А. Б. Тютюнников и Л. Б. Ханицкий (53) 66.015.23.05 (088.8) (56) 1. Патент Франции № 1497321, кл. В 01 D, 1966.

2. Рамм В; М. Абсорбция газов, М., «Химия», 1966, с. 768 (прототип). (54) (57) КОНТАКТНАЯ ТАРЕЛ КА ДЛЯ

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ, имеющая перфорированное основание, „„SU„„1151257 д отличающаяся тем, что, с целью увеличения ее производительности, снижения гидравлического сопротивления и повышения эффективности массообмена, отверстия тарелки снабжены коаксиальными кольцевыми ребрами или выступами внутренним диаметром входного сечения, большим диаметра отверстия, установленными со стороны входа газа (пара) на тарелку, при этом отношение внутреннего диаметра коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия 1,1 — 1,6, а отношение величины высоты коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия 0,2 — 1,0.

1151257

Изобретение относится к тарельчатым устройствам для тепло-и массообменных колонн, которые используются при абсорбции, ректификации, экстракции, в особ енности работающих под вакуумом.

Известны аппараты для смешения газа с жидкостью с трубами, направленными вниз. Трубы выполнены в виде цилиндров или усеченных конусов и выходят из отверстий в тарелках (1).

На таких тарелках происходит взаимодействие газа (пара) с тонкой пленкой жидкости, стекающей по цилиндрическим или коническим трубам вследствие сил гравитации и адгезии. При том контакт газа (пара) с жидкостью происходит на фиксированной поверхности, приближенно равной сумме внутренних поверхностей труб.

Увеличение конусности труб приводит к увеличению контакта фаз, а также увеличению нагрузки по жидости, но в то же время под действием силы тяжести часть стекающей жидкости отрывается в виде струй от стенок труб без контакта с газом, что снижает эффективность работы тарелки. Уменьшение конусности труб приводит к увеличению гидравлического сопротивления из-за перекрытия части площади сечения трубы стекающей жидкостью. К недостаткам этих тарелок следует также отнести относительно малую поверхность контакта фаз по сравнению с поверхностью контакта фаз, развиваемой в газожидкостном слое на барботажных тарелках.

Известна также ситчатая тарелка, состоящая из перфорированного основания и переливных устройств (2J.

Недостатками ситчатой тарелки являются относительно низкая производительность и узкий диапазон устойчивой работы, Эти недостатки обусловлены следующими причинами. Начало вступления тарелки в работу происходит при высоких скоростях (в атмосферных колоннах W =0,4 — 0,7 м/с в зависимости от свободного сечения тарелки и диаметра отверстия, при этом большие значения скорости соответствуют большим значениям величин свободного сечения и диаметров отверстий), что связано с провалом жидкости, отрицательно влияющим на эффективность тарелки, конец устойчивой работы наступает при переходе к струйному (факельному) режиму работы тарелки (скорость газа W= 1,2—

1,6 м/с), когда струи газа (пара) прорываются сквозь слой жидкости и выходят на ее поверхность, при этом наступает резкое падение эффективности вследствие снижения поверхности контакта фаз и возникновения интенсивного уноса жидкости газом (паром).

Кроме того, тарелка 1 предназначена для работы в условиях очень малых соотношений жидкость — газ (Z/(Ü-" 0;01) и не может быть использована при соотноше5

1О

55 ниях жидкость —. газ, обычно используемых в колоннах с барботажными тарелками (/,= 0,1 — 10) .

Целью изобретения является увеличение производительности тарелки, снижение гидравлического сопротивления и повышение эффективности массообмена.

Цель достигается тем, что в контактной тарелке, имеющей перфорированное основание, отверстия снабжены коаксиальными кольцевыми ребрами или выступами внутренним диаметром входного сечения, большим диаметра отверстия, установленными со стороны входа газа (пара) на тарелку, при этом отношение внутреннего диаметра коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия равно 1,1 — 1,6, а отношение величины высоты коаксиального кольцевого ребра или выступа к диаметру отверстия равно 0,2 — 1,0.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая тарелка, на фиг. 2 — узел I на фиг. 1; на фиг. 3 — узел II на фиг. 1; на фиг. 4 — схема истечения газовой (паровой) струи через отверстие ситчатой тарелки (известной); на фиг. 5 — то же, через отверстия тарелок с коаксиальным ребром; на фиг. 6 — то же, с выступом; на фиг. 7 — график экспериментальных исследований гидродинамики одиночных элементов ситчатых тарелок с коаксиальными кольцевыми ребрами (с соотношением геометрических параметров, находящимся в интервале предлагаемых значений) на расстоянии от отверстия 0,5 др при постбянной скорости; на фиг. 8 — то же, на расстоянии от отверстия 1,0 d .

Контактная тарелка включает основание 1, отверстие 2, кольцевое ребро 3, выступ 4.

Тарелка работает следующим образом.

Газ (пар) поступает на тарелку через отверстия 2, снабженные коаксиальными кольцевыми ребрами, при этом газовая струя получает такое предварительное поджатие, что полностью заполняет собой сечение отверстия, препятствуя провалу жидкости. Далее газовая струя, получившая предварительное поджатие и имеющая за счет этого более высокую равномерность распределения локальных скоростей по сечению струи, взаимодействует с жидкостью, поступающей на тарелку. После контакта с жидкостью газовый (паровой) поток выходит в сепарационное пространство над тарелкой и постунает на вышележащую тарелку, а жидкость — на нижележащую Фврелку.

Таким образом, за счет предаарительнаго поджатия струи газа тарелка ранее вступает в устойчивый режим работы без прова ла, а газовый факел, истекающий из отверстия, имеет меньшую высоту. Поэтому переход к струйному режиму работы та1! 51257

3 релки (при котором происходит инверсия фаз и резкое падение эффективности вследствие уменьшения величины поверхности контакта фаз) происходит позже, а следовательно, диапазон устойчивой эффективной работы тарелки расширяется.

Предлагаемое соотношение геометрических размеров выбрано из следующих соображений.

При увеличении отношения Р/0 1,7 коэффициент сопротивления возрастает 10 за счет того, что поджатие струи таким ребром (выступом) недостаточно, и струя газа (пара), минуя кромку отверстия, продолжает сужаться за отверстием. Таким образом, не устраняются потери энер гии стоуи, связанные с расширением ее. При уменьшении D/dp< 1,1 коэффициент возрастает, что связано с тем, что кромка отверстия попадает в расширяющуюся струю газа (пара) и тем самым увеличивает сопротивление. 20

При увеличении отношения $/do>1 коэффициент возрастает, так как входная кромка отверстия попадает в расширяющийся участок струи и поток вынужден огибать ее, что приводит к некоторому сжатию струи за отверстием и соответствующему увеличению сопротивления. При уменьшении в,/do<1,1 наблюдается резкий рост, связанный с продолжающимся сжатием струи за отверстием.

Из сказанного следует, что использование величины соотношений внутреннего диаметра входного сечения ребра (выступа) к диаметру отверстия или высоты ребра (выступа) к диаметру отверстия, больших или меньших предлагаемых интервалов значений, приводит либо к недостаточ- 35 ному поджатию струи газа (пара), т. е. сжатие струи продолжается за сечением отверстия, либо к поджатию струи таким образом, что сжатое сечение находится перед сечением отверстия и расширяющийся поток газа (пара) взаимодействует с кром40 кой отверстия. 06а эти случая приводят к повышению коэффициента сопротивления отверстия.

Оптимальными величинами соотношений с точки зрения поставленных авторамы 45 целей для величин свободных сечений барботаж ных тарелок в диапазоне, обычно применяемом в промышленности (3 — 10О/z), являются D/de — — 1,2 — 1,5 иЬ с1,=0,2 — 0,7.

Сравнение работы предлагаемой тарелки с работой широко применяемой в промышленности высокопроизводительной круп иоды рчатой ситчатой тарелки, показывает явные преимущества новой конструкции. Результаты сравнения представлены в таблице.

Данные получены при сопоставительных исследованиях на стенде с колонной Ду

400 мм на системе воздух †во в диапазоне рабочих параметров: нагрузки по жидкости и скорости газа 10 — 50 м /ч и 0,1 — 2,7 м/с соответственно. Интервалы значений приведенных в таблице величин соответствуют изменению свободных сечений тарелок в диапазоне от 3 до 10О/о

Применение предлагаемой тарелки с коаксиальными кольцевыми ребрами или выступами при предлагаемых геометрических соотношениях позволяет получить уменьшение потерь струи газа (пара), связанное с процессами сужения ее и последующего расширения при прохождении газа (пара) через отверстие, что позволяет значительно уменьшить коэффициент сопротивления отверстия, вследствие чего значительно уменьшается сопротивление тарелки. Кроме того, достигаются повышение производительности и расширение диапазона устойчивой работы за счет уменьшения нижнего и увеличения верхнего пределов работы тарелки, а также повышение эффективности, обусловленное, во-первых, расширением диапазона работы тарелки в пенном режиме, при котором создается более высокая по сравнению со струйным режимом поверхность контакта фаз и происходит значительно меньшиЙ унос жидкости газовым (паровым) потоком, во-вторых, повышением величины и интенсивности обновления поверхности контакта фаз за счет получения однородной газо-жидкостной системы с пузырями малого диаметра как следствие улучшения структуры газовых струй, т. е. равномерности распределения локальных скоростей по сечению струи.

Таким образом, в отличие от других типов барботажных тарелок применение предлагаемой тарелки приводит к повышению производительности и расширению диапазона устойчивой работы при высоких показателях эффективности.

1151257

Тарелка

Параметры

Известная

12

Диаметр отверстия, мм

Коэффициент сопротивления тарелки

1,6- 1,8

1,2 — 1,4

Скорость, соответствующая началу вступления в работу (конец провала), м/с 0,4 — 0,7

0,2 - 0 5

Скорость, соответствующая переходу к струйному режиму,м/с

1,6- 2,5

1,2-1,8

Фиг.2

Фиг.6

2,2 г,а

7,8

1,б

7,ц

1,2

1,0 а 0,1 О,2 03 а,Ц ОУ О,6 0,7 0,8 7,а 1,2 /1У/

Коэцхри/ииенпа сопротиВления сухой тарети 6 забиси/иос/пи от деличинь!

Фиг. 7

2,0

1,8

7,8

7,9

1,2

1,О 1,1 1,2 1,З И 1, f Ы 1,7 1,8 19 ГО 22 ИЛа

Фиг.8

Составитель А. Сондор

Редактор Н. Лазаренко Техред И. Верес Корректор О. Тигор

Заказ 2201/2 Тираж-669 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП сПатентэ, г. Ужгород, ул. Проектная, 4