Brevet FR2096775A1 — publié le 19720225

La présente invention porte sur une installation pour le transfert de matière et de chaleur. La colonne à garnissage est un des types de dispositif les plus répandus dans les installations pour le transfert de matière 5 et de chaleur entre une phase liquide et une phase gazeuse, par exemple pour la rectification et l'absorption, ou entre deux phases liquides non miscibles, par exemple dans l'extraction de liquide. Dans les installations de ce type il se produit un contact 10 intensif entre les phases en question par suite de la circulation du corps fluide sur la surface d'un corps de garnissage de forme appropriée de sorte que doit se former une surface inter-phase aussi grande que possible. Les garnissages les plus courants sont réalisés par déversement de matériau en morceaux de dimensions et 15 formes diverses, tels que billes, anneaux, perles, etc. Un inconvénient d^/èes genres de garnissage réside dans leur résistance notable à la circulation des phases à travers eux et également dans le fait que seule une petite fraction de la surface totale du garnissage est efficace. 20 Le premier de ces inconvénients est éliminé par une garni ture qui se compose de paquets de plaques verticales à faces planes et parallèles qui remplissent la totalité du volume de la colonne. Le deuxième inconvénient n'est pratiquement pas supprimé ou n'est supprimé qu'en partie avec les modes de ruissellement 25 utilisés jusqu'à maintenante Le liquide qui doit former sur les surfaces verticales un film continu est vaporisé sur la partie supérieure de la garniture au moyen d'une douche de ruissellement de sorte que les gouttelettes séparées ou les jets fins sur les surfaces verticales ne se réunissent pas pour former un film 30 cohérent mais donnent en général uniquement une série de petits courants de liquide (ruisselets) qui ne se réunissent que dans certains cas pour former un film recouvrant toute la surface. De plus, on n'a même pas l'assurance d'obtenir après un temps suffisant l'homogénéisation du liquide, avec en conséquence, une dimi-35 nution des gradients de concentration et de température et, par suite, la formation de nouvelles surfaces inter-phase. Ces inconvénients disparaissent avec une installation pour le transfert de matière et de chaleur entre deux phases fluides non miscibles dont l'une au moins est un liquide susceptible de 40 former des gouttes, installation constituée par des sections de 71 20438 2 2096775 plaques verticales ou presque verticales avec un distributeur de liquide, dont la caractéristique consiste en ce que son fond est formé par les arêtes supérieures des plaques et par des éléments d'écartement plats ; les éléments d1écartement plats sont 5 munis des deux cotés de nervures pour former des orifices en forme de fente pour laisser passer le liquide. Si on utilise comme garnitures des plaques en métal déployé, les éléments d'écartement peuvent être réalisés sans saillies en forme de nervures car celles-ci sont remplacées par les nervures formées latéralement 10 dans le métal déployé. Le distributeur de liquide qui est monté au-dessus de chaque section sert en même temps à assurer l'homogénéisation répétée du liquide et par conséquent à équilibrer les gradients de concentration et de température. Comme saillie on peut utiliser par exemple entre autres des nervures alignées dans 15 le sens d'écoulement ou des garnitures par exemple en fil métallique d'épaisseur appropriée. Le distributeur de liquide est essentiellement un récipient dont le fond est formé en partie par les arêtes supérieures des plaques, en partie par les éléments d'écartement plats. Les arêtes 20 supérieures des plaques et les éléments d1écartement plats sont énergiquement maintenus serrés les uns contre les autres de telle sorte qu'en disposant alternativement un élément d'écartement plat et une plaque, il se forme entre chaque plaque et chaque élément d'écartement une fente ou une série d'orifices en forme 25 de fente . L'avantage majeur de l'invention réside dans le fait que, lorsque le liquide s'écoule sur les plaques, il se forme un film de liquide cohérent ou une série de filets de liquide qui, immédiatement après la sortie, sont obligés inéluctablement de se 30 réunir en un film cohérent. Dès que le film de liquide a terminé le parcours imposé par la longueur des plaques, ou bien il sort de l'installation, ou bien il pénètre dans le distributeur de la section suivante vers le bas. Dans le distributeur s'effectuent l'homogénéisation du 35 liquide, l'équilibrage des gradients de concentration et de température et, à la sortie, également la formation d'une nouvelle surface inter-phase. Dans le cas de faibles intensités de ruissellement, il est avantageux d'augmenter au préalable la densité de ruissellement, ce qui permet d'obtenir un mouillage parfait 40 de la surface qui continue à se manifester encore après diminution 71 20438 3 2096775 du ruissellement. On constate au cours d'expériences que, même avec une faible épaisseur de la couche de liquide on obtient une augmentation importante du coefficient de transfert de matière et de chaleur 5 dans le cas où, en traitant de façon appropriée la surface de la garniture (en la rendant rugueuse ou en la perforant) ou bien par agitation mécanique, on peut obtenir un mélange complet du liquide dans la couche pendant son écoulement le long de la garniture et une diminution des gradients de concentration et de température, 10 ce qui entraîne une augmentation de la chute de concentration et de la chute de température et par conséquent une augmentation de la force agissante du procédé. On a constaté de plus expérimentalement que l'on peut utiliser de façon particulièrement avantageuse du métal déployé comme 15 matériau pour obtenir des effets de turbulence sur la couche de métal. Le tableau I donne des valeurs du coefficient de transfert P de matière en m/s (pour 1 m de garniture) qui ont été mesurées pour le système COg - HgO sur des installations avec différents 20 types de plaques de garniture. La largeur des plaques mouillées sur les deux faces était de 100 mm et leur longueur de 750 mm. Le tableau en question permet de voir que, toutes conditions restant égales par ailleurs, le coefficient de transfert de matière pour le métal déployé est huit fois plus grand qu'avec des 25 plaques lisses avec des tôles perforées ayant des ouvertures circulaires qui se sont révélées le plus efficaces parmi les garnitures perforées essayées, l'augmentation est en moyenne d'environ 30 %. Non seulement l'utilisation de métal déployé comme matériau 30 de garniture par rapport à celle de tôles perforées permet d'augmenter l'efficacité, mais elle offre encore l'avantage de ne pas entraîner de pertes de matériau à la fabrication, bien au contraire, on peut tirer d'une unité de surface de tôle, une surface plusieurs fois supérieure de métal déployé. Compte tenu de ce que, 35 lorsqu'on produit du métal déployé, il se forme un déversement latéral de ses nervures, on peut utiliser pour sa fabrication des tôles très minces sans porter atteinte à la stabilité de la garniture. Le déversement latéral des nervures entraîne un mélange du film de liquide plus complet que celui que donnent les 40 intervalles pleins dans les tôles perforées. Les meilleurs résul 71 20438 4 2096775 tats ont été obtenus avec un dispositif dans lequel le liquide s'écoule dans le sens des entailles dans la tôle. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre 5 d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une vue axonométrique d'une section de garniture, y compris le distributeur de liquide ; la figure 2 représente schématiquement la circulation des gaz dans l'installation ; 10 les figures 3 et 4 représentent deux modes de réalisation différents des éléments d'écartement ; la figure 5 représente schématiquement le métal déployé ; la figure 6 est un autre mode de réalisation de la pièce d1écartement. 15 La figure 1 montre les garnitures planes 1 qui sont séparées les unes des autres dans leur partie supérieure par des pièces d'écartement 2 munies de nervures 3« La partie supérieure des garnitures planes 1 et des pièces d'écartement 2 forme le fond du récipient 4 qui est muni sur ses cotés de barres 5 servant à 20 accrocher et à supporter les garnitures planes 1 et les pièces d'écartement 2. La figure 2 représénte schématiquement la partie 6 d'une installation avec des garnitures planes 1, le récipient 4 du distributeur et la partie élargie 7 qui permet au liquide de 25 circuler autour du récipient 4 du distributeur. On a représenté aux figures J et 4 des éléments d'éearteraent 2 qui sont munis de types différents de saillies en forme de nervures 3» La figure 6 montre un mode de réalisation de pièce d'écarte-30 ment avec des orifices 8 qui se trouvent au-dessus du niveau du liquide dans le distributeur et qui permettent la circulation de la phase la plus légère (gaz) sans l'élargissement 7 représenté à la figure 2. Le liquide pénétrant dans le récipient 4 du distributeur 35 s'écoule par les orifices en forme de fente ménagés dans son fond et forme un film sur les garnitures planes 1. Ensuite le deuxième fluide qui se présente sous forme de gaz, de vapeur ou d'un deuxième liquide non miscible avec le liquide s'écoulant le long des garnitures planes 1, circule à contre-courant par rapport à celui-40 ci. 71 20436 5 2096775 L'utilisation de plaques planes permet de monter une surface inter-phase de dimensions notables qui peut être entièrement utilisée pour le transfert de matière et de chaleur. En utilisant du métal déployé on réalise un mélange continu du liquide à l'intérieur du film qui s'écoule et par conséquent un renouvellement et de la surface inter-phase/une augmentation de la force active pour le transfert de matière et de chaleur. D'une façon analogue, on peut également réaliser des installations à section transversale circulaire. 10 TABLEAU I Type de garniture Débit d'i eau en 1/min. 0,1 0,5 1,0 5,0 Plaques lisses 6,4.10~5 9,0.10"5 -4 1,5.10 * Tôle perforée diamètre : 8 mm —4 1,7-10 _4 3,0.10 8,0.10"^ Tôle perforée 4 x 4 mm de diamètre 4,0.10 -4 2,0.10 * -4 2,9.10 -4 5,3.10 * Tôle perforée 6,75 x 6,75 mm de diamètre -4 1,0.10 * -4 2,2.10 5,4.10~4 Métal déployé 16 x 4 mm >-4 -4 5,0.10":> 2,2.10 3,6.10 9,0.10 ,-4 Métal déployé 15 15 x 5 mm 4,2.10"5 2,4.10"4 ^ô.lO-4 1,2.10~5 71 20438 6 2096775 REVENDICATIONS 1. Installation pour le transfert de matière et de chaleur entre deux phases fluides non miscibles dont l'une au moins est un liquide ou un fluide susceptible de former des gouttes, qui se compose de sections de plaques verticales ou presque verticales avec un distributeur de liquide, caractérisée en ce que le fond du récipient du distributeur de liquide est formé par les bords supérieurs des plaques accrochées sur des barres et par des éléments d1écartement plats, les éléments d'écartement plats étant munis des deux côtés de saillies en forme de nervures pour former des fentes pour le passage du liquide et le fluide qui circule à contre-courant par le corps central du récipient du distributeur, passant à travers une partie élargie de l'installation, ou sortant par des orifices prévus dans les pièces d'écartement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un distributeur de liquide est monté au-dessus de chaque section. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau de garniture du métal déployé dont les nervures latéralement orientées remplacent les saillies en forme de nervure des éléments d'écartement.