Результат интеллектуальной деятельности: МАССООБМЕННАЯ ТАРЕЛКА

Изобретение относится к конструкции элемента пакетной насадки (массообменной тарелки) для массообменных аппаратов и может быть использовано в различных отраслях промышленности для контакта и перемешивания фаз в экстракционных пульсационных колоннах большой единичной мощности и, в частности в колоннах, используемых для очистки фосфорной кислоты трибутилфосфатом методом жидкостной экстракции.

Известна насадка для пульсационных экстракционных колонн, выполненная в виде пакета горизонтальных дисков с отверстиями, которые снабжены двумя направляющими лопатками, расположенными с обеих сторон диска параллельно друг другу и наклонно к поверхности диска. Отверстия в дисках расположены по концентрическим окружностям. Угол наклона лопатки к поверхности диска (α) составляет 10-60°. Тарелки устанавливаются попарно или пакетом, так что на одной из них наклон лопаток организует вращение потока по часовой стрелке, а на следующей - против. За счет вращательного движения ликвидируется неравномерность в движении фаз по сечению. Необходимое для экстракционного процесса дробление жидкостей происходит при ударе о ребристую поверхность. Конструкция пакета насадки и элемента насадки уменьшает возможность канального движения, ликвидирует застойные зоны и снижает продольное перемешивание. Большое проходное сечение элемента насадки обеспечивает большую производительность. Такие тарелки (так называемые тарелки типа КРИМЗ) с успехом используются в различных отраслях промышленности в колоннах диаметром до 1,5 м. Главным недостатком описанной конструкции элемента насадки является ее недостаточная жесткость (прочность) при увеличении диаметра (более 1,5 м), которая при работе колонны в пульсационном режиме приводит к разрушению тарелки. Повышение ресурса работы такой массообменной тарелки достигается только увеличением толщины горизонтального основания, что увеличивает металлоемкость и удорожает стоимость (а.с. СССР №175489, В01D 11/04, В01J 19/32, 1961 г.).

Частично недостатки аналога устранены в другой известной конструкции массообменной тарелки, которая является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой. Описанная конструкция включает горизонтальное основание с отверстиями и коаксиальные кольца жесткости. Основание представляет собой круглый диск, изготовленный из цельного листа металла. На круглом диске по концентрическим окружностям выполнены прямоугольные отверстия, снабженные направляющими лопатками, которые расположены с обеих сторон основания параллельно друг другу и наклонены под углом 10-60° по отношению к поверхности основания. Для придания прочности самому диску тарелки при минимально возможной его толщине к нему привариваются коаксиальные кольца, толщина и высота которых выбирается из конструктивных соображений. Кроме того, для гарантированного достижения жесткости тарелки она закрепляется в пакеты с помощью большого количества стержней с разделительными втулками.

Описанная конструкция массообменной тарелки имеет следующие недостатки. Обеспечивая относительно высокую прочность, большое количество стержней и втулок, используемых для крепления тарелки, нарушают гидродинамическую обстановку в реакционной зоне, что приводит к снижению эффективности массопередачи, увеличению продольного перемешивания. Кроме того, при увеличении диаметра массообменной тарелки более 2,0 м механическая прочность известной конструкции является недостаточной (Разработка и применение пульсационной аппаратуры. Сб. статей. М.: Атомиздат, 1974, с.108-109).

Нами поставлена задача создания массообменной тарелки для пакетной насадки, используемой в пульсационных экстракционных колоннах большого диаметра (более 1,5 м), которая при сохранении удельных энергозатрат на пульсацию позволит обеспечить высокую эффективность массообмена, а также обеспечить механическую прочность конструкции.

Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции, включающей горизонтальное основание с отверстиями, направляющие лопатки которых отогнуты по обе стороны основания навстречу друг другу, и коаксиальные кольца жесткости, тем что горизонтальное основание массообменной тарелки представляет собой сварную конструкцию, состоящую из отдельных частей, причем центральная часть выполнена в виде круглого диска диаметром, равным 0,2-0,6 общего диаметра основания, и снабжена радиальными перегородками, делящими эту часть на четыре равных сектора и закрепленными между коаксиальными ребрами жесткости. Периферийные части выполнены в виде колец с установленными на них радиальными перегородками, прикрепленными к поверхности горизонтального основания и коаксиальным кольцам жесткости и делящими кольцевую часть на несколько секторов. Высота радиальных и коаксиальных перегородок составляет 0,5-0,6 длины отверстия.

Количество секторов на кольцевых частях тарелки составляет 6-12 в зависимости от площади тарелки, а площадь отверстия составляет 0,004-0,006 от площади тарелки. Количество кольцевых частей 1-4.

На чертеже представлена массообменная тарелка. Тарелка состоит из горизонтального основания 1, центральной части 2, кольцевых частей 3, коаксиальных колец 4, радиальных перегородок 5, отверстий 6, направляющих лопаток 7.

Массообменная тарелка работает следующим образом. Во время работы в пульсирующем режиме водная и органическая фазы, проходя через отверстия 6 (чертеж), расположенные по всему горизонтальному основанию 1 по концентрическим окружностям, выбрасываются в виде эмульсионных струй с размером капель дисперсной фазы, обусловленным площадью отверстия и углом наклона направляющих лопаток 7. Оптимизация размера капель дисперсной фазы и равномерное распределение по сечению тарелки контактирующих фаз, а следовательно, интенсификация процесса массопередачи в пульсационном режиме дополнительно обеспечивается за счет того, что сечение тарелки разбивается на несколько отдельных многовихревых потоков, обладающих большой кинетической энергией и наибольшей турбулизацией, с помощью радиальных перегородок 5 и коаксиальных колец 4. Радиальные перегородки и коаксиальные кольца уменьшают длину действия струй из отверстий в продольном направлении, а следовательно, увеличивают движущую силу процесса массопередачи, в связи с этим высота коаксиальных колец и радиальных перегородок определяется размером отверстий и углом наклона направляющих лопаток. Она выбирается из гидродинамических испытаний контактируемых сред и должна находиться в пределах 0,5-0,6 длины отверстия. Для соблюдения идентичности гидродинамической обстановки по всей поверхности тарелки центральная ее часть 2 выполнена в виде круглого диска диаметром, равным 0,2-0,6 диаметра тарелки. Кроме того, центральная часть 2 разделена радиальными перегородками на четыре равные части, что необходимо для увеличения взаимодействия ее турбулентного потока с периферийными частями (количество 1-4), выполненными в виде колец 3, разделенных радиальными перегородками на сектора (количество 6-12) таким образом, чтобы площади всех частей тарелки были равновеликими. Равенство площадей секторов обеспечивает высокую механическую прочность предлагаемой конструкции.

Таким образом, массообменная тарелка для экстракционных пульсационных колонн большой единичной мощности отличается простотой конструкции, небольшой металлоемкостью, высокой механической прочностью и обеспечивает эффективность массообменных технологических процессов разделения и очистки в результате увеличения отношения коэффициента радиального перемешивания к коэффициенту продольного перемешивания. Кроме того, использование предлагаемых конструкционных элементов (радиальных перегородок, деление общей площади тарелки на равные по площади части) позволит увеличить ресурс работы тарелки, а следовательно, и работы экстракционной колонны, без капитального ремонта до 8-10 лет.