аппарат колонный с колпачковыми тарелками

Формула изобретения

1. Аппарат колонный с колпачковыми тарелками, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, выполненный из царг, разделенных по высоте горизонтальными элементами, оборудованными барботажными колпачками и переливными трубами с гидрозатвором, крышку, днище и патрубки для подвода и отвода парообразных и жидких материалов, отличающийся тем, что горизонтальный элемент выполнен в виде плоского кольца, наружный край которого зажат между основаниями соседних царг, а на внутренний его край сверху опирается своим наружным краем основание тарелки посредством эластичного уплотнительного элемента, размещенного в кольцевой проточке, выполненной на нижней поверхности тарелки и имеющей сечение в форме обратной трапеции или "ласточкина хвоста", на днище колонны и основании каждой тарелки, кроме верхней, установлены одна над другой вертикальные опоры, причем между нижней поверхностью основания тарелки и верхним торцом опоры предусмотрен температурный зазор.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что основания тарелок выполнены выпуклыми со стрелой прогиба, направленного вверх, 0,8-1,2% от диаметра основания тарелки.

3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что между периферийной поверхностью основания тарелки и внутренней поверхностью царги размещено дополнительное эластичное уплотнение.

4. Аппарат по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренняя полость аппарата и расположенные внутри элементы выполнены из коррозионно-стойкого пластического материала типа фторопласт-4 или фторопласт-4М.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к массообменному оборудованию и может быть использовано в химической и смежных с ней отраслях промышленности при изготовлении колонных аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов (ректификация, дистилляция, абсорбция, десорбция) с коррозионно-активными средами.

Известна ректификационная колонна для получения веществ высокой чистоты, например, для очистки паров азотной кислоты [авт. св. СССР 456439, кл. В 01 D 3/32, 1977], содержащая вертикальный цилиндрический корпус, выполненный из царг, футерованных слоем фторопласта. Корпус разделен по высоте перфорированными тарелками из фторопласта, края которых зажаты между основаниями царг, на отдельные секции, в которых размещены насадочные элементы, оросители, змеевиковые теплообменники и распределительные патрубки. Тарелка колонны представляет собой перфорированный диск (основание) с кольцевым пазом для установки распределительного цилиндра и центральным отверстием, в которое вставлен конус с гидрозатвором для перелива жидкости. Насадочные элементы изготовлены из кварца или другого материала.

Известная колонна недостаточно эффективна, так как по существу является колонной насадочного типа, такие колонны характеризуются значительным перемешиванием по вертикали. Кроме того, используемый для изготовления тарелок материал - фторопласт - при повышенных температурах ведет себя непредсказуемо, подвержен неравномерным температурным деформациям, что может привести к разгерметизации колонны. Все это не позволяет создать высокопроизводительную колонну большого диаметра для обработки коррозионно-активных сред.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является колонный аппарат с колпачковыми тарелками [Колонные аппараты. Каталог. М. : ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1987, с.3-5: Колонный аппарат тарельчатый царговый диаметром от 400 до 800 мм]. Известный аппарат представляет собой вертикальный цилиндрический корпус, выполненный из царг, разделенных по высоте тарелками (ОСТ 26-01-66-86), оборудованными барботажными колпачками и переливными трубами с гидрозатвором. Аппарат имеет крышку, днище и патрубки для подвода и отвода парообразных и жидких материалов и установки необходимых приборов. Данный аппарат частично устраняет недостатки предыдущего, поскольку аппараты с колпачковыми тарелками характеризуются меньшим перемешиванием.

Однако известная конструкция колонного аппарата непригодна для создания колонн из фторопласта большой производительности, а именно с диаметром свыше 800-1000 мм, для термообработки агрессивных сред, поскольку при жестком закреплении тарелок последние, как указано выше, подвержены значительным температурным деформациям, а также деформации от нагрузки рабочей жидкости ("провисают"), что нарушает их горизонтальность, а это приводит к неравномерности потока паров по сечению колонны, и в итоге к вертикальному перемешиванию и снижению эффективности колонны. Кроме того, разборка и сборка колонного аппарата для периодического осмотра и чистки трудоемка и сопровождается потерями обрабатываемой жидкости.

Технической задачей настоящего изобретения является создание такого колонного аппарата с колпачковыми тарелками для тепловой обработки коррозионно-активной среды, который обеспечил бы высокую производительность, эффективность и надежность работы, легкость разборки с минимальными потерями жидкости путем создания колонны большого диаметра из коррозионно-стойкого материала с надежным уплотнением и минимумом нежелательных деформаций.

Поставленная задача решается тем, что в аппарате колонном с колпачковыми тарелками, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, выполненный из царг, разделенных по высоте горизонтальными элементами, оборудованными барботажными колпачками и переливными трубами с гидрозатвором, крышку, днище и патрубки для подвода и отвода парообразных и жидких материалов, согласно изобретению горизонтальный элемент выполнен в виде плоского кольца, наружный край которого зажат между основаниями соседних царг, а на внутренний его край сверху опирается своим наружным краем основание тарелки посредством эластичного уплотнительного элемента, размещенного в кольцевой проточке, выполненной на нижней поверхности тарелки и имеющей сечение в форме обратной трапеции (т.е. трапеции с верхним более широким основанием) или "ласточкина хвоста", на днище колонны и основании каждой тарелки, кроме верхней, установлены одна над другой вертикальные опоры, причем между нижней поверхностью основания тарелки и верхним торцом опоры предусмотрен температурный зазор, соответствующий коэффициенту линейного теплового расширения материала и рабочей температуре. При этом основания тарелок выполнены выпуклыми, со стрелой прогиба, направленного вверх, в пределах предпочтительно 0,8-1,2% от диаметра основания тарелки. Кроме того, между периферийной поверхностью основания тарелки и внутренней поверхностью царги размещено дополнительное эластичное уплотнение. Вся внутренняя полость аппарата, включая патрубки, и расположенные внутри элементы выполнены из коррозионно-стойкого пластического материала типа фторопласт-4 или фторопласт-4М (политетрафторэтилен или сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом). Для уплотнения использован фторопластовый уплотнительный материал (ФУМ) и пористый экспандированный фторопласт-4. Опоры могут быть выполнены из наполненного фторопласта и иметь форму полого цилиндра с отверстиями в верхней и нижней части боковой стенки для обеспечения стока жидкости, центральная опора снабжена фиксатором, укрепленным в центре тарелки для предотвращения горизонтального смещения последней. Фиксатор может быть выполнен в виде короткого стержня, установленного на резьбе в центральном отверстии тарелки. На верхний конец стержня с натягом установлена центральная опора. Нижний конец стержня свободно сопрягается с внутренней поверхностью нижележащей опоры и для удобства монтажа имеет конусную фаску.

На фиг.1 изображен предлагаемый колонный аппарат, продольный разрез; на фиг. 2 - узел А на фиг.1 с изображением фрагмента колпачковой тарелки; на фиг. 3 - узел Б на фиг.1 с изображением узла уплотнения тарелки; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1 с размещением опор в плане.

Корпус колонного аппарата выполнен из металлических царг 1, имеющих футеровку 2 из фторопласта-4. Аппарат имеет крышку 3 и днище 4, футерованные фторопластом-4М и имеющие штуцеры 5 и 6, выполненные из фторопласта-4М и приваренные к футеровке. Между царгами 1 расположены опорные кольца 7, выполненные из стали и защищенные фторопластом-4. Опорные кольца зажаты своим наружным краем между фланцами царг через прокладки 8 и 9, выполненные из экспандированного фторопласта-4. На каждом опорном кольце установлена колпачковая тарелка. Количество тарелок в аппарате может быть различным. Описываемый аппарат имеет 15 тарелок.

Основание 10 тарелки выполнено в виде сплошного диска из пластмассы типа фторопласт-4 или фторопласт-4М, имеет резьбовые отверстия, в которые ввернуты барботажные колпачки 11 и переливные трубы 12. Основание тарелки имеет куполообразную форму со стрелой прогиба "f", равной 0,8-1,2% от наружного диаметра тарелки, что обеспечивает дополнительную устойчивость тарелки в рабочих условиях. Толщина основания тарелки "S1" рассчитана таким образом, что тарелка может сохранять работоспособность практически без дополнительных опор. Наружный диаметр тарелки меньше внутреннего диаметра фторопластовой футеровки царг на величину 2t, т.е.предусмотрен зазор, который учитывает температурные деформации тарелки при пуске, во время работы и при остановке аппарата. Для монтажной строповки на цилиндрической поверхности основания тарелки выполнена проточка 13. Верхняя поверхность основания тарелки после обработки имеет плоский горизонтальный участок "Д" диаметром 0,8-0,85 от наружного диаметра тарелки, что позволяет обеспечить вертикальность вворачиваемых барботажных колпачков 11 при сборке. Вертикальность колпачков, расположенных на периферии тарелки, т.е. вне участка "Д", достигается путем применения шайб 14 толщиной "S", устанавливаемых в предварительно проточенные углубления с горизонтальным дном.

В отличие от тарелок колпачковых по ОСТ 26-01-66-86, где уплотнение тарелок выполнено сальниковой набивкой, в предлагаемом аппарате уплотнение тарелки, препятствующее протеканию жидкости или байпасированию газа между тарелкой и корпусом аппарата, выполнено следующим образом. На периферии нижней плоскости основания тарелки имеется обработанная горизонтальная поверхность "Е", на которой выполнена кольцевая проточка "Ж" с поперечным сечением в виде так называемого "ласточкина хвоста" или трапеции с верхним широким основанием. В эту проточку помещают прокладку 15 из фторопластового уплотнительного материала (ФУМ), имеющего особенные свойства, а именно твердость и пористость, позволяющие выбрать все неровности при укладке тарелки на опорное кольцо. Указанная форма проточки позволяет удерживать прокладку в проточке при монтаже. Уплотнение прокладки 15 осуществляется за счет силы тяжести тарелки, которая позволяет обжать прокладку с описанными выше характеристиками. Для увеличения надежности работы уплотнительного узла пространство между периферийной поверхностью основания тарелки и внутренней поверхностью футеровки царги уплотняется набивкой 15 из пористого экспандированного фторопласта-4 производства фирмы "ЭКОФЛОН" г. С-Петербург.

Для надежности работы тарелок (во избежание прогиба выше допустимых норм и потери устойчивости при температуре в интервале 80-100^oC и выше) в аппарате предусмотрены семь опор: одна центральная (основная) 17 и шесть боковых (вспомогательных) 18. Опоры расположены под каждой тарелкой по всей высоте аппарата и рассчитаны на нагрузку от вышележащих тарелок вместе с находящимся на них слоем жидкости. Опоры 17 и 16 выполнены в виде пустотелых цилиндров из пластического материала типа фторопласт-4 или композиции Ф4К20 (фторопласт с наполнителями в виде кокса и грашита). Для предотвращения разгерметизации уплотнительного узла тарелок, поднятия их опорами из-за температурного удлинения, высота опор принята с зазором "" между нижней поверхностью основания тарелки и верхним торцом опоры. Центральная опора 17 на каждой тарелке закреплена на верхнем конце фиксатора 19, жестко (на резьбе) установленного в отверстии, выполненном по центру основания тарелки. Нижний конец фиксатора 18 входит в полость нижележащей центральной опоры 17.

Сборка колонного аппарата осуществляется путем последовательного закрепления на днище с установленными опорами сначала нижней царги, затем опорного кольца и следующей царги, после чего на опорное кольцо предварительно собранную из деталей нижнюю тарелку с заполненной уплотнительным материалом кольцевой проточкой "Ж", при этом нижний конец фиксатора 19 должен войти в полость центральной опоры 17. Закладывают дополнительное эластичное уплотнение 16 по периферии тарелки. Далее закрепляют следующее опорное кольцо и царгу, устанавливают следующую тарелку и т.д. Разборку колонного аппарата осуществляют в обратном порядке. При снятии каждой тарелки с опорного кольца остатки жидкости перетекают на нижележащую тарелку, чем обеспечивается отсутствие розливов жидкости вне аппарата.

Колонный аппарат работает в соответствии с выполняемой функцией, как обычная колонна с колпачковыми тарелками. Особенностью является то, что при температурном расширении основания тарелки края ее равномерно смещаются к периферии, уплотнительный элемент 15 скользит по поверхности опорного кольца 7 без нарушения герметичности. Вертикальные деформации ("провисание") основания тарелки 10 предотвращаются благодаря опорам 17 и 18, температурный зазор при установке которых предусмотрен в соответствии с рабочей температурой осуществляемого процесса. Дополнительная устойчивость от вертикальных деформаций достигается за счет куполообразной формы основания тарелки. Фиксаторы 19 обеспечивают сохранение соосного расположения тарелок несмотря на температурные деформации и возможную вибрацию при работе.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить надежность конструкции колонного аппарата большого диаметра (1000-2000 мм и выше) при изготовлении последнего из фторопласта-4 или подобного по свойствам пластического материала.