Brevet FR2056883A1 — publié le 19710507

L'invention a pour objet d'operer,avec des taux de transfert élevés ,des échanges entre deux phases, l'une etant liquide (et pouvant comporter une phase solide en suspension),l'autre étant constituée d'un gaz ou d'une vapeur condensable. La procédé ,qui va etre- décrit,fait appel à la cavitation qui,on le sait,apparait lorsque le liquide prend l'etat d'un systéme à deux phases ,avec formation,dans le liquide,de cavités façilitée par la présence de gaz ,soit introduits dans le liquide,ou bien s'y trouvant dissous. Le régime perturbé qui apparait alors soumet les bulles de gaz à une alternance rapide de compression et de dépression particuliérement propre à élever le taux des échanges. Les cavités disparaissent si la pression du liquide augmente ou si la temperature diminue,par exemple. La cavitation de gaz,ou pseudo-cavitation ,qui intervient dans le procédé décrit plus loin,forme au sein du liquida en mouvement, à l'aide d'une cloche dite "de cavitation" ,des bulles de gaz soumises à' des séquences rapides de surpression et dc dépression. La Fig. I ,Planche I représente le schéma d'un échangeur à cloche. On a représenté en I une cloche de cavitation ,alimentée en 2 par une source de gaz dont la pression a eté réglée à ne pression constante appropriée reliée à une bougie poreuse 3 liberant le gaz dans le fond de la cloche. La cloche st enfermée dans une tubulure bullaire de révolution 4 dont l'axe est commun à celui de la cloche;elle est parcouru@ par le fluide liquide arrivant en 5. Les bulles de gaz libérées forment un vortex dans la cloche,et se dispersent.,au niveau 6 , dans le seinde l'anneau liquide 8 limité. - '-' car le bulbe et la cloche. @ous décrirons successivement commuent sont réalisés,dans la pratique l'écoulement gazeux et l'écoulement liquide. Ecoulement gazeux : L'organe generateur de la cavitation est une cloche de révolution dont la forme exerce une incidence détermi- nante sur la naissance et le developpement de la cavitation ,et, par voie de conséquence,sur le taux des échanges. L'experience montre,en effet, que si elle. est évasée à l'excés,la cloche donne naissance à une cavitation tumultueuse,et il n'y a pas formation de bulles mono-aispersées de diametre réduit,comme on le souhaite. La cloche de cavitation,selon une premiére disposition de l'invention ,représentée à la Fig. 2 de la Planche I,affecte la forme d'un paraboloide de révolution dont la parabole generatrice est définie experimentalement par l'expression Y = 0,I7 x Dans une deuxiéme disposition,figurée daos le croquis côté de la Fig. 3 de la Planche I, la cloche est cylindrique ,le fond etant bombé et affectant la forme paraboloïdique définie ci-dessu à la disposition I.La jupe cylindrique,selon une-experience acquise,a 1a meme profondeur que le fond bombé. L'emplaçement de la sortie de gaz dans la cloche présente également une trés grande importance ,l'experience ayant montré dans le cas concrêt de l'hydrogenarion d'un triglyceride,que le. rendement de la réduction catalytique pouvait etre doublé quand on faisait varier de 70 mm dans le sens de son axe la position de la bougie d' admission d'hydrogéne. En principe,on peut admettre que ,dans la disposition I, l'arri- vée de gaz doit se situer au voisinage du foyer du paraboloïde. Dans le dispositif 2 ,le croquis coté de la Fig.3 définit ùn cas d'application industrielle où l'experience définit que la bougie poreuse doit être fixée au fond même de la cloche pour obtenir une absorption optima. La pression du gaz d'admission exercé aussi une incidence importa- te sur la- formation de la cavitation.Il est recommandable de pouvoir la faire varier ,eu égard aux cnangements de temperature et de viscosité de la phase liquide,de telle sorte que les bulles mono-aispersées soient aussi petites que possible. A titre d'exem ple,l'experience montr-e que la pression d'admission optima- est de 4-5 bars ,si la phase gazeuse est l'hydrogéne,et si le liquide est une huile de r-için à I500C ,portant-en suspension I% en poids de poussiéres de nickel ré-duit. On constate alors que les bulles dispersées ont un diametre moyen de 2-4 mm- et resistent bien à la coalescence. Seion l'invention,on peut accroître le rendement des échanges en disposant dans le circuit de cyclage liquide,non pas une seule cloche ,comme il est représenté dans la Fig,.I de la Planche I mais un ensemble de cloches en série alimentées par une arrivée axiale de gaz,distribuant celui-ci dans chacune des cloches par des trous percés au voisinage de leur foyer,ainsi qu'il a eté décrit plus haut. La Fig.4.Planche I représente cette disposition -Selon l'invention,le régime d'admission du gaz,au lieu d'etre continu,pcut-etre pulsé.On sait en effet qu'une arrivée intermittente favorise la cavitation et accroît le taux des échanges en activant la circulation interne des bulles gazeuses)en donnant naissance à des ondes acoustiques intenses. - Dans le cadre de l'invention, le procédé d'échange par cavitatio@ se prête aisément à une régulation du débit gazeux,permettant de maîtriser constamment les processus chimiques,thermiques ou cryogeniques. A titre d'exemple,on a figuré,à la Planche II ,Fig. 5, un schéma de montage c regulation thermique applicable à une réaction exothermique ,comme l'hydrogénation d'un tri@lyceride, le rôle du dispositif de régulation etant de maintenir la temperature de marche dans des limites compatibles avec la nature du produit traité et le rendement optimum de la réduction @ Dans ce schléma,on désigne en I le réacteur d'hydrogenation qui est muni a'un thermocoupe 2 relié à un comparateur 3 à tension de réference.Le signal ,amplifié en 4,est transmis par le réseau correcteur 5 à un amplificateur à thyratrons 6,qui est relié,d'un part au disjoncteur 7 du réseau,d'autre part au moteur 8 d'une servo-vanne 9 d'alimentation d'hydrogéne du réacteur I.Enfin, un comparateur-manostat IO,relié au dôme du réacteur,s'oppose au dépassement de la pression maxima de marche. Dans le cas ou l'admission de l'hydrogéne est,non pas continue comme ci-dessus,nais pulsée,on peut operer la régulation du débit par modulation de la fréquence d'injection. On suDs-tutue ,à cet effet,à la servo-vanne 9 du schéma représenté à la Fig.5 , un dispositif comme la minuterie type 252 du constructeur Crouzet permettant de transmettre des tops à fréquence réglable à une électrovanne "tout ou rien d'admission d'hydrogéne. -Ecoulement liquide Le mouvement du liquide est obtenu par une différence de pressicn amont-aval suffisante pour que la vitesse des filets liquides aonne naissance à la cavitation . L'experience montre qu'en hydro- genation,dans les conditions operatoires précisée; ci-dessus, la phase liquide etant une huile de ricin chauffée à I50 C véhiculant I% en poids de poussiéres de nickel réduit,le gaz admis à 4-5 bars de pression etant l'hydrogéne,la cavitation intervient de façon satisfaisante quand la vitesse des filets liquides est de l'ordre de 30 m/sec. Le mouvement du liquide participant à la cavitation peut etre obtenu en exerçant ,par exemple,une surpression appropriée dans le réservoir amont contenant le liquide à écouler. La surpression amont peut etre obtenue aussi à l'aide d'une pompe de refoulement sous pression,comme une pompe à engrénage. I1 est possible aussi d'animer le liquide d'une vitesse appropriée à l'aide d'une pompe centrifuge non-volu-etrique plaçée à l'aval de la cloche. L'experience montre alors qu'il y a avantage à la disposer " en charge' et qu'elle n'est pas désamorçée, meme si le débit gazeux est trés important,par la dispersion des bulles de gaz mono-dispersées dans le liquide en mouvement. L'experience montre aussi que l'entrainement de la dispersion par la turbine de la pompe est avantageux pour prolonger la #ûrée des contacts des deux phases ,un procédé d'échange,déjà connu, consistant à injecter directe@ent le gaz dans la pompe qui assure le cyclage de la phase liquide. Selon l'invention,on améliore sensiblement legrendement des échanges en inserant,dans le cours du cyclage liquide, des serpentins parcourus du haut vers le bas. Dans de tels dispositifs,les bulles de gaz ,incitées par leur faiblie densité à se déplaçer de bas en haut,et,d'autre part,sollicitées par le liquide les entrainant de haut en bas du serpentin,se livrent à des mouvements désordonnés accroissant leur circulation terne ,retardant leur coalescence et activant les échanges. En consideration des conditions d'écoulement gazeux et d'écou leent liquide qui viennent d'etre définies, le procédé peut etre mis en oeuvre,non seulement en marche discontinue,comme c'est le cas d'un cyclage dont on a fourni un exemple, mais aussi en marcha @@continue ,qui permet des rendements industriels plus élevés .On dispose alors de plusieurs colonnes d'échange,parcourues en serie par la phase liquide et disposant chacune de leur dispositif automome de régulation de débit de gaz; leur nombre etant suffisant pour que la phase liquide admise à l'amont ait subi les transferts désirés à la sortie de la derniére colonne aval Le gaz récupéré ,et,éventuellenent épuré , est repris à la compression. RESUME - Le procédé d'échange en phases liquide-gaz se distingue par sa grande simplicité d'emploi ,par ses frais d'investissement réduits,en raison des faibles pressions statiques que supporte l'appareillage et de l'absence de dispositifs d'étanchéité coûteux et peu sûrs que l'on trouve generalement dans les échangeurs classiques à agitateurs. Ce qui singularise particuliérement les échangeurs à cavitation, c'est leur efficacité,ainsi qu'en témoignent les résultats concernant l'hydrogenation d'un triglyceride,où l'on a figuré,à titre comparitif,les conditions operatoires pratiquées traditionnell@@ent en stéarinerie, à l'aide d'hdrogenateurs "À agitation nécanique, agitateur cavitation Temperatures 275 C 125 C Pression(bars) 25 4 Dûrée (heures) 6 1,30 De plus,l'analyse révèle la présence ,dans la stéarine obtenue par cavitation,d'une quantité appréciable d'alcools,ce oui témoigne de l'efficacité remarquable du procédé par cavitation,la production d'alcools necessitant les conditions operatoires suivantes : Pression : 300 bars Temperature : 350 C Durée de l'operation: 10 à I2 heures. -REVENDICATIONS L'invention a pour objet de mettre un gaz en contact avec un liquide,en vue d'operer des transferts chimiques,biologiques, thermiques ou cryogéniques. I1 est connu q'à cet effet,on diffuse généralement la phase gazeuse dans la phase liquide que l'on a soumise à un régime perturbé à l'aide d'agitateurs mécaniques. Le procédé préconisé par l'invention se particularise par son caractére statique ,les agitateurs mécaniques étant remplaçés par des "cloches de cavitation" dans-- lesque-lles s'opére la diffusion de la phase gazeuse. L'invention revendique I ) - La dispersion ,à l'aide d'une cloche de cavitation ,du gaz dans un fluide qui a eté animé d'une vitesse suffisante par l'un des ioyens suivants ,ou par la combinaison de certains d'entre eux: - surpession,en amont de la cloche,de la phase liquide à l'aide d'un compresseur, ou d'une pompe à pression, comme celle dite "à engrènages"; - établissement en aval de la cloche d'une dépression ,par une pompe à vide ou par aspiration en charte d'une pompe non-volu métrique ,du type centrifuge 20) - la mise en oeuvre de séries de cloches de cavitation à alimentation axiale gazeuse commune,en vue d'accroître les taux de transfert;; 30) - La réalisation d'échangeurs multiples en série permettait d'operer et de poursuivne les transferts en continu jusqu'à leur fin; 40) - L'alinentation des cloches de cavitation en débit gazeux coitinu ou pulsé; 50) - L'insertion en série avec le débit du cyclage liquide de serpentins descendanta ; 6 ) - Un mode de régulation de l'admission gazeuse,qu'elle soit continue ou pulsée, basé sur une valeur de réference approprie: temperature,pression,pH,conductibilité,indice de réfraction,etc. L'emploi du procédé,défini par les revendications I-2-3-4-5-6 dans les processus d'échanges en phases liquide-gaz,en vue d'opé rer des transferts chimiques ,la phase gazeuse pouvait être un gaz non-condensable à la temperature ambiante,comme l'hydrogène, ou une vapeur condensable,comme la vapeur d'eau;;la phase liquide, d'autre part, etant ou non le véhicule d'une phase solide, comme c'est le cas d'un catalyseur colloidal dans une réduction, par exemple ,ou de suspension3 de microorganismes intervenant en fermentation 80) - L'échangeur défini par les revendications I-2-3-4-5-6 pour le transfert d'énergie calorique,qu'il stagisse de réchauf fer un liquide par un gaz ou inversement,avec ou sans intervention de récuperateur de chaleur et(ou)de collecteur de buées; ; 9 )- Le procédé et les dispositifs définis ci-dessus par les re vendications I-2-3-4-5-6 pour échanges cryogéniques en vue de réa liser la liquéfaction des gaz ,le gaz liquéfié constituant la phase liquide,le gaz à liquéfier la phase gazeuse,avac interventie d'ua génerateur cryogeniquelcompensant les pertes par liquéfaction Les réqultats obtenus en hydrogenation à l'aide du procédé décrit illustre-nt bien l'efficacité qu'on en peut attendre dans d'autres problémes chimiques ,comme il s'en présente notamment en petrochimie. I1 en sera de même dans les échanges thermiques,qu'il s'agisse de refroidir un gaz par un liquide ou inversement,ou de condenser une vapeur,par exemple. Enfin, le procédé d'échange par cavitation offre des moyens nouveaux en cryogénie,pour la liquéfaction des gaz. Une installation de liquéfaction comportera une série d'échangeurs à cavitation où le gaz liquéfié constituera la phase liquide,qu sera cyclée comme il a eté dacrit plus haut. Le gaz à liquéfier constituant la phase gazeuse ,dont les débit sera continu ou pulsé, alimentera successivement dans chacune des colonnes disposées en série,au moyen de séries de cloches de cavitation ,telles qu'elles eté décrites à la Fig. 4 de la Planche I. Que les échanges soient chimiques,thermiques ou cryogeniques, le procédé peut faire l'objet d'une régulation efficace de la phase gazeuse ,qu'elle soit admise en régime continu ou pulsé, le comparateur émettant des signaux à partir de données de temperature,de pression, de conductibilité,de pE,d'indice de refrac tionjetc... -REVENDICATIONS IO) - L dispersion,à l'aide d'une cloche de cavitation dans pn fluide~quiS a eté animé d'une vitesseR(uffisante par l'un des moyens suivants ou par la combiJaAQons de certains d'entre eux :: - surpression,en"~mont de 1aioche,de la phase liquide à l'aide d'un co-mpres-seur,ousd' pom-pe à pression,eomme celle dite"à engrenages"; - établissement,e H val de lä -oloche d'une dépression ,par pompage d'un dispose de vide,ou par \spiration on charge d'une pompe non-volumeHrique,du type centrifugb . 2 - > La 2 )L m en oeuvre d-e séries de cloché de cavitation -à ali ment fion axiale commune ,en vue d'accroitre e-s taux de transfert 30, la réalisatibn d'échangeurs multiples en serin permettant ~ & osrer et de poursuivre en continu les transferts jusqu'à leur fin