Тарелки клапанные, сетчатые, колпачковые, балластные

Основные конструкции тарелок

Сетчатые тарелки.

Колонна с сетчатыми тарелками (рис. 1) представляет собой вертикальный цилиндр с закрепленными на опорных балках горизонтальными пластинами, в которых равномерно по всей поверхности просверлено большое количество отверстий диаметром от 2 до 8 мм. Иногда трафареты могут иметь разные размеры отверстий в зависимости от типа продукта, который обрабатывается на доске. Поэтому для трубопроводов слабой азотной кислоты выпускают башенные устройства, оснащенные сетчатыми пластинами с отверстиями 0,8 мм.

Рис. 1 - Колонна с сетчатыми тарелками

а - строение колонны; б - строение сетчатой тарелки Потоки: А - вход жидкости; Б - выход жидкости; В -вход газа; Г - выход газа 1 - корпус; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - тарелка сетчатая; 5 - переливная стенка; 6 - полотно тарелки; 7 - планка переливная; 8 - брызгоуловитель; 9 - люк - лаз; 10 - опора

Газ проходит через отверстия в пластине и распределяется в жидкости в виде небольших струй и пузырьков. Газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь достаточное давление, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на пластину и предотвратить вытекание жидкости через отверстия пластины.

При нормальных рабочих условиях жидкость не проходит через отверстие, поскольку она поддерживается давлением газа внизу. При малых газовых нагрузках давление газа не в состоянии поддерживать слой жидкости на тарелке, соответствующий высоте перелива. При этом уровень жидкости устанавливается ниже переливного порта и жидкость проходит через те же отверстия, что и газ, то есть пластина работает в режиме отказа. Это нерабочий режим работы для указанной тарелки.

Сетчатые тарелки в основном используется для дистилляции спирта и жидкого воздуха. Его допустимая нагрузка жидкости и газа (пара) невелика, а режим работы трудно регулировать. Передача массы и тепла между паром и жидкостью происходит в основном через слой пены и брызг на некотором расстоянии от дна тарелки.

Экранные панели характеризуются простотой и легкостью монтажа, осмотра и обслуживания. Ширина отдельных секций панелей позволяет устанавливать или снимать их через люки колонн. Эти тарелки имеют очень малое гидравлическое сопротивление. Сетчатые тарелки стабильно работают в достаточно широком диапазоне скоростей газа, а в определенном диапазоне нагрузок газ-жидкость имеют высокую эффективность.

В то же время сетчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и отложениям, которые забивают поры пластин. Если подача газа внезапно прекратится, вся жидкость будет слита из сети, и башню нужно будет перезапустить, чтобы возобновить работу.

Сетчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально, чтобы пар проходил через все отверстия сетки и не проходила через них жидкость.

Колпачковые тарелки.

Основной составной частью колонны с колпачковыми тарелками является вертикальный цилиндр 1, который полностью сваривается или собирается отдельными зонами (царгами) (рис. 2). При этом на определенном расстоянии друг от друга устанавливают переливные многоколпачковые тарелки 4. Расстояние между тарелками определяется параметрами рабочего процесса и диаметром колонны.

Рис. 2 - Колонна с колпачковыми тарелками

а - строение колонны; б - строение тарелки колпачковой с сегментными переливами;
Потоки: А - подача исходной смеси; Б - отвод пара; В - подача жидкости;
Г - отвод кубовой жидкости; Д - подача пара из испарителя;
1 - корпус колонны; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - тарелка колпачковая с сегментными переливами;
5 - люк - лаз; 6 - опора; 7 - полотно тарелки; 8 - карман приемный; 9 - переливная планка;
10 - колпачок капсульный; 11 - паровой патрубок; 12 - сливная планка; 13 - сливной лист

Колпачковые тарелки представляют собой полотно с насадкой, закрывающейся сверху крышкой. Жидкость течет от тарелки к тарелке через перелив, а уровень на тарелке устанавливается на верхней кромке чуть выше дренажного порога. Нижняя часть переливного устройства находится ниже уровня жидкости, образуя гидравлический клапан, который препятствует прохождению газа через переливное отверстие (рис. 2).

Жидкость, переливаемая с верхней тарелки на нижнюю, движется горизонтально вдоль тарелки. Чтобы жидкость вытекала только из перелива, а не из выпускного отверстия, верхний край выпускного отверстия должен быть выше уровня жидкости на тарелке.

Колпачок погружается в жидкость своим нижним концом. Газ попадает в пространство под колпачком через сопло, проходит через слой жидкости и выходит в виде пузырьков из-под колпачка.

Основное отличие между конструкциями колпачковых тарелок заключается в дизайне колпачка. Колпачки могут быть круглыми, прямоугольными или туннелевидными. На нижнем конце колпачка имеется треугольная, прямоугольная или трапециевидная прорезь высотой 20-30 мм. Основное назначение прорезей - устранить односторонний поток газа из-под колпака, если плоскость нижнего торца сместится от горизонтали из-за несоосности при монтаже.

Во время работы колонны щели в насадке должны быть полностью погружены в жидкость на глубину 10-20 мм ниже поверхности жидкости на тарелке, что обеспечивает диспергирование газового потока и барботирование через слой жидкости.

Колпачок устанавливается с определенным зазором по отношению к плоскости тарелки.

Размеры паровой насадки и колпачка стандартизированы и подбираются в соответствии с диаметром колонны. Стандартные диаметры насадок зависят от диаметра паровой насадки и составляют 60, 80, 120 и 150мм соответственно. На тарелке может быть большое количество колпачков, так называемые многоколпачковые тарелки.

Одноколпачковые тарелки с одним колпачком большого диаметра (около 2м) используются, например, при работе с загрязненными жидкостями (содовая промышленность).

Одноколпачковые тарелки менее подвержены загрязнению и имеют более долгий срок службы. Их особенностью является то, что при внезапном прекращении подачи газа с тарелки не сливается жидкость, и она снова начинает работать, когда подача газа возобновляется. Сначала на тарелки подается жидкость, что приводит к постепенному накоплению жидкости на всех тарелках сверху вниз. Это создает водяной затвор в переливном кармане. Затем подается газ. Сначала на нижней тарелке появляется слой пузырьков, затем на второй тарелке снизу, и постепенно вся колонна начинает работать.

Это самые распространенные тарелки, которые широко используются как в процессах дистилляции, так и абсорбции.

Принципиальная схема тарелки-капсулы показана на рис. 3.

Рис. 3 - Схема работы колпачковой тарелки

1 - тарелка; 2 - газовые патрубки; 3 - колпачки; 4 - сливные трубки

Тарелка имеет положительную противоположную дренажную систему (трубку). Газ (пар) проходит через газовое сопло, отражается от внутренней поверхности колпачка, возвращает вниз, через желобки попадает в слой жидкости и разбивается на многочисленные струи, которые вспенивают жидкость.

Высота слоя газового пенообразования зависит от размера насадки, глубины погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке и физических свойств жидкости.

Клапанные тарелки.

Основной сборочной единицей колонны с клапанными тарелками является вертикальный цилиндрический корпус 1, изготовленный цельносварным или разъемным способом (рис.4). Переливные тарелки 4 установлены в корпусе через равные промежутки друг от друга. Расстояние между тарелками определяется в зависимости от технических параметров работы и диаметра колонны.

Рис. 4 - Строение и принцип работы колонны с клапанными тарелками

Потоки: А - подача жидкости; Б - отвод жидкости; В - подача газовой смеси; Г - отвод газа;
а - строение подъемно-поворотного клапана; б, в, г - положение клапана при минимальной, средней и максимальной нагрузках соответственно;
1 - корпус колонны; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - тарелка клапанная; 5 люк - лаз; 6 - опора; 7 - диск клапана; 8 - ножка ограничительная короткая; 9 - ножка ограничительная длинная

Тарелка клапана - это лист с отверстиями, каждое из которых закрыто подвижной пластиной. Под собственным весом тарелка закрывает отверстия и препятствует свободному прохождению пара. При запуске таких тарелок, как и в случае с колпачковой тарелкой, сначала подается жидкость для образования слоя на тарелке. Затем подается пар. Паровой поток создает давление под тарелкой, и колпачок поднимается, создавая канал для выхода газа. В зависимости от нагрузки клапан перемешивается в вертикальной плоскости, изменяя активную площадь сечения, через которую проходит газ, причем максимальная площадь сечения определяется высотой ножек, которые ограничивают поднимание клапана. Газ проникает сквозь слой жидкости, создавая на тарелке слой пузырьков.

Чем больше поток газа, тем выше поднимается клапан. Поэтому эти тарелки эффективно работают в широком диапазоне газовых нагрузок и устойчивы к колебаниям газовой нагрузки. Они также доказали свою высокую эффективность даже при длительных интервалах нагрузки благодаря функции саморегулирования.

Принцип работы тарелки заключается в том, что клапан, свободно свисающий над отверстиями в тарелке, под действием собственного веса автоматически регулирует размер зазора между клапаном и поверхностью тарелки в ответ на изменение расхода газа, поддерживая скорость потока газа, поступающего в барботажный слой, на постоянном уровне. Это приводит к незначительному увеличению гидравлического сопротивления тарелки клапана. Высота подъема клапана обычно не превышает 8 мм.

Активная площадь поперечного сечения газового отверстия составляет 10-15% от площади поперечного сечения колонны. Скорость газового потока достигает 1,2 м/с. Клапан может быть расположен с верхней стороны (рис.-слева) или снизу (рис.-справа) в виде круглой или прямоугольной тарелки с ограничителем подъема.

Рис. 5 - Конструкция клапанов

Можно сказать, что клапанные тарелки являются видоизменением сетчатых, приспособленных для работы при сильно переменных газовых нагрузках.

Клапанная тарелка является усовершенствованной версией сетчатой тарелки, которая, можно сказать, способна справиться с очень переменными газовыми нагрузками.

Балластные клапанные тарелки.

Балластные клапанные тарелки являются разновидностью клапанных (рис. 6, г)

Рис. 6 - Виды клапанов

а, б - с круглыми клапанами; в - с пластинчатым клапаном; г - с балластным клапаном
1 - клапан; 2 - кронштейн-ограничитель; 3- балласт

Эти тарелки отличаются от клапанных тем, что между легким клапаном и ограничительным кронштейном установлен тяжелый клапан, а еще один тяжелый клапан - на короткой стойке на пластине. Клапан начинает подниматься при низкой скорости газа. При дальнейшем увеличении скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним.

Балластная тарелка работает в два этапа. Благодаря небольшому весу клапан открывается при низких газовых нагрузках. При больших нагрузках клапан упирается в балласт и поднимается вместе с ним.

Балластные тарелки характеризуются более равномерной работой и полным отсутствием капель во всем диапазоне скоростей газа.

Преимущества клапанов и балластных тарелок: относительно высокая пропускная способность и гидродинамическая стабильность, постоянная и высокая эффективность в широком диапазоне газовой нагрузки. Это является отличительной чертой по сравнению со всеми другими тарелками.

Испытания балластных тарелок показали стабильную работу даже при изменении газовой нагрузки в 10 раз.