К корпусу аппарата

В зависимости от диаметра аппарата такие тарелки бывают одно- и многосливными. Характерная особенность этих тарелок состоит в том, что пар выходит из контактных элементов в направлении движения жидкости

Это способствует уменьшению разностей уровней жидкости на тарелке у сливной и переливной перегородок.

Металлоемкость тарелок с S-образными элементами почти вдвое меньше, а производительность на 20–30% больше по сравнению с тарелками с капсульными колпачками. Эффективность сравниваемых тарелок примерно одинаковая (КПД равен 0,60–0,80). Оптимальная нагрузка по газу для этой тарелки на 10–25% меньше, чем для колпачковой.

Жидкость по тарелке движется под напором пара, выходящего из прорезей колпачковых частей, направленных в одну сторону. Взаимное движение паров и жидкостей по тарелке обеспечивает ее устойчивую работу при различных нагрузках и повышенную производительность по сравнению с другими колпачковыми тарелками. В то же время потери напора на тарелках из S-образных элементов значительны, поэтому применение их в вакуумных колоннах нецелесообразно.

Для повышения диапазона устойчивой работы и производительности таких тарелок S-образные элементы 2 (рисунок 2.19 а) снабжают прямоточными клапанами 1 прямоугольной формы, размещенными на верхней площадке S-образных элементов. Для увеличения жесткости тарелки устанавливают пластины 3. По производительности эти тарелки примерно на 10 % превосходят клапанные прямоточные.

а) тарелка с S-образными элементами и клапанами	б) клапанная тарелка с прямоугольными клапанами

Рисунок 2.19 Типы клапанных тарелок

Клапанные тарелки

Клапанные тарелки также широко применяют в нефтехимической промышленности. Основные преимущества этих тарелок – способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость.

Разработано множество разновидностей клапанных тарелок различной геометрической формы (дисковые, прямоугольные и т.д. – рисунки 2.19 б, 2.20), с балластом или без него, с отбойными элементами или без них и т.д.

а) колонна с клапанной тарелкой с прямоугольными клапанами	б) прямоугольный клапан

Рисунок 2.20 – Тарелка клапанная с прямоугольными клапанами

Клапанные тарелки работают в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. В отечественной промышленности наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной прямоточной тарелке (рисунок 2.21) в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6–8 мм.

а) б)

Рисунок 2.21 – Клапанно-прямоточная тарелка (а)

И дисковый клапан (б)

Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°, две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой; это исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке (рисунок 2.21, положение Ι). При небольшой производительности по пару поднимается легкая часть клапана (положение ΙΙ) и пар выходит через щель между клапаном и полотном тарелки в направлении, противоположном направлению движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над тарелкой (положение ΙΙΙ); теперь пар барботирует в жидкость через кольцевую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости, уменьшая разность уровней жидкости на тарелке (положение IV). При этом короткая направляющая фиксируется в специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его подъеме.

В зависимости от напора паров клапаны поднимаются на различную высоту в пределах, определяемой высотой удерживающих скоб. На некоторых тарелках клапаны не накрываются скобами, а снабжаются рожками (направляющими), которые при подъеме клапана упираются в нижнюю поверхность тарелки.

В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т.е. при неизменном расстоянии между конструктивными элементами (например, между желобом и колпачком), клапанные тарелки работают в динамическом режиме.

В зависимости от напора восходящих по колонне паров клапаны поднимаются на соответствующую величину (обычно на 4–20 мм), регулируя тем самым площадь свободного сечения тарелки. Это позволяет поддерживать скорость паров примерно постоянной при изменении общей нагрузки на колонну, т.е. осуществлять наилучший режим массопередачи. Конструкция удерживающих скоб и клапанов такова, что обеспечивает их подъем с наклоном к поверхности тарелки и, следовательно, лучший баработаж паров через жидкость на тарелке.

Для большего повышения эффективности массообмена клапаны можно снабжать тангенциально расположенными щелями. При этом выходящие через них пары могут вращать клапан.

Важным эксплуатационным показателем клапанных тарелок является вес каждого клапана, который подбирают таким образом, чтобы при возможных колебаниях нагрузок клапан работал в заданном диапазоне подъема. В тех случаях, когда возможны очень большие изменения нагрузок, тарелки снабжают одновременно клапанами различного веса. В таких тарелках при малых нагрузках открываются легкие клапаны, а затем, по мере нарастания нагрузок, – более тяжелые.

Эффективность клапанных прямоточных тарелок (КПД) 0,70–0,85. В области саморегулируемой работы тарелки обладают относительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

В настоящее время активно продолжаются работы по разработке новых конструкций клапанных тарелок. В частности, известны тарелки FLEXITRAY, которые могут быть применены для всех процессов с парожидкостным контактом (рисунок 2.22).

Рисунок 2.22 – Клапанные тарелки FLEXITRAY

Тарелки состоят из перфорированных панелей из металла с круглыми подвижными или фиксированными клапанами. Ряды клапанов в шахматном порядке расположены параллельно переливной планке. В тарелке осуществляется горизонтальное движение паров вдоль полотна тарелки.

Преимущества данных тарелок:

• высокая эффективность – полноценный контакт паров и жидкости;

• производительность до 10% выше, чем для ситчатых тарелок;

• равномерное распределение паров;

• малый перепад давления;

• широкий рабочий диапазон;

• малое флегмовое число при заданном диаметре колонны;

• возможность уменьшения диаметра колонны при заданном расходе сырья;

• экономическая эффективность: низкая стоимость, простой монтаж, несложный ремонт;

• универсальность.

Фирмой KOCH-GLITSCH также разработаны различные разновидности клапанов, некоторые из которых приведены на рисунке 2.23

клапаны подвижные

Рисунок 2.23 – Конструкции клапанов фирмы KOCH-GLITSCH

Для применения в процессах разделения под вакуумом и умеренным давлением весьма перспективны клапанные балластные тарелки прямоугольной формы с общим для всех клапанов подвижным балластом. Наличие подвижного балласта обеспечивает равномерное открытие всех клапанов при минимальных нагрузках по пару и регулируемый переход от перекрестного движения фаз к прямоточному при больших нагрузках. В результате клапанная балластная тарелка по сравнению с клапанной безбалластной имеет на 15–20% более высокую эффективность разделения во всем диапазоне нагрузок и на 10–15% меньше.

Использование клапанов прямоугольной формы вместо круглых позволяет примерно на 30% снизить расход металла при их изготовлении, а благодаря большим размерам клапанов (один прямоугольный клапан эквивалентен восьми круглым) – на 25% уменьшить трудовые затраты на сборку тарелки.

Над отверстием тарелки 1 (рисунок 2.24) на специальных ножках установлены ограничители подъема 4, а внутри их – на ножках 7 легкий клапан 5 и балласт 2. Для исключения прилипания клапана к балласту имеются упоры 3 и 6. При малой производительности по газу тарелка работает как обычная с дисковыми клапанами меньшей массы; при увеличении нагрузки клапан 5 упирается в балласт и работает совместно с ним как один утяжеленный клапан.

Рисунок 2.24 – Клапанная балластная тарелка

Балластные клапанные тарелки можно выполнять как с индивидуальным, так и с групповым балластом. Примером последнего варианта могут служить балластные тарелки ректификационных колонн (рисунок 2.25). Такая тарелка 1 имеет расположенные в несколько рядов прямоугольные вырезы, закрытые клапанами 2 прямоугольной формы.

Большие размеры клапанов (154×45 мм) позволяют уменьшить их число по сравнению с дисковыми клапанами в 2–4 раза. Над клапанами расположен общий подвижный балласт 3, выполненный из прутка диаметром 8 мм.

Рисунок 2.25 – Тарелка с групповым балластом

При работе таких тарелок вначале поднимается пластина клапана, затем она упирается в балласт и поднимается вместе с ним до упора в головку винта 4.

Клапанные балластные тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа, и постепенно вытесняют старые конструкции контактных устройств.

Клапанные тарелки массообменные колонных аппаратов отличаются широким диапазоном нагрузки по газу (пару) при сохранении стабильной эффективности массообмена. Вместе с тем традиционные конструкции клапанных контактных цементов (круглой, прямоугольной, трапециевидной формы) имеют недостатки в организации гидродинамического процесса взаимодействия фаз.

В этих конструкциях газ выходит из-под диска клапана в основном в виде сплошной утолщенной струи, что приводит к ограничению площади поверхности контакта фаз из-за проскока части газа без взаимодействия с жидкостью и повышению уноса жидкости с тарелки из-за большой скорости локального выхода газовых струй с поверхности газожидкостного слоя. Кроме этого, газовый поток формируется непосредственно под верхней плоскостью клапана, в результате чего нижний, прилегающий к полотну тарелки слой жидкости практически исключается из взаимодействия с газом. В этом случае возможно течение жидкости от входа на тарелку до переливного порога без явного участия в массообмене.

Таким образом, формирование газового потока в виде сплошной струи, выходящей из-под диска клапана, ограничивает площадь поверхности контакта фаз и снижает эффективность массообмена.

Кроме того, для всех клапанов характерен общий недостаток – возможность засорения или закоксования клапанов, в результате чего они «прихватываются» и не работают в динамическом режиме.

Тарелки провального типа

К тарелкам провального типа относят обычно ситчатые и решетчатые тарелки.

Ситчатые тарелки со сливным устройством применяют в колонных аппаратах диаметром 400–4000 мм при расстоянии между тарелками от 200 мм и более. Основной элемент таких тарелок – металлический диск с отверстиями диаметром 2–6 мм, расположенными по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2.26).

элемент ситчатой тарелки	ситчатая тарелка с переливными трубами

Рисунок 2.26 – Ситчатая тарелка

В колоннах диаметром более 800 мм тарелки состоят из отдельных секций. По креплению секций тарелки к корпусу и устройству переливов такие колонны аналогичны аппаратам с колпачковыми и клапанными тарелками.

Преимущество ситчатой тарелки – большое свободное (т.е. занятое отверстиями) сечение тарелки, а, следовательно, и высокая производительность по пару, простота изготовления, малая металлоемкость. По производительности по пару (газу) эти тарелки на 30–40% превосходят колпачковые. Недостаток – высокая чувствительность к точности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных средах; это может вызвать забивание отверстий.

Для уменьшения гидравлического сопротивления и расширения диапазона устойчивой работы ситчатых тарелок их комбинируют с клапанными устройствами (рисунок 2.27), в результате повышается эффективность работы тарелки при малой и большой производительности по пару. При малых нагрузках тарелка работает как обычная ситчатая, с увеличением нагрузки открывается клапан 2 и между клапаном и тарелкой 1 образуется щель, откуда под некоторым углом к горизонтали выходит пар, обеспечивая перемещение жидкости по тарелке в направлении слива и уменьшая разность уровней жидкости на тарелке.

Рисунок 2.27 – Элемент ситчато-клапанной тарелки

Ситчато-клапанная тарелка обеспечивает большой диапазон устойчивой работы при небольшом гидравлическом сопротивлении, что делает ее пригодной для процессов, протекающих под вакуумом.

Ситчатые тарелки с просечно-вытяжными отверстиями (рисунок 2.28) используют в колонных аппаратах диаметром 1200–4000 мм. Такие тарелки состоят из отдельных секций, изготовляемых из листа толщиной 2–3 мм с просечно-вытяжными отверстиями. Тарелка работает как струйная прямоточная. Для уменьшения брызгоуноса над тарелкой устанавливают отбойные элементы 2 под углом 60°.

а) ситчатая тарелка с просечно-вытяжными отверстиями и отбойными элементами	б) ситчатая тарелка с просечными элементами (выштампованные просечки) с перфорированными вертикальными перегородками

Рисунок 2.28 – Различные типы ситчатых тарелок