Brevet FR2088354A1 — publié le 19720107

La présente invention concerne un dispositif pour la mise en contact intime de fluides de densité différente, telle que la mise en contact de gaz et de liquides. On sait que l'on améliore la mise en contact de fluides différents ayant des densités di?férentes en augmentant d'une part la surface de contact ou la surface-limite des phases et d'autre part la turbulence par un apport d'énergie mécanique extérieure. l'énergie mécanique peut être fournie par des impulsions ou en utilisant un arbre tournant ayant des aubes ou des disques. I1 est déjà connu de réaliser cette mise en contact dans un boîtier cylindrique vertical dont la paroi intérieure est munie d'anneaux horizontaux (anneaux de stater). Dans ce 'cylindre on-a prévu un arbre murii -d'un certain nombre de disques horizontaux qui projettent, par rotation, le fluide vers l'extérieur. I1 est également connu que l'écart entre les disques par rapport au diamètre du bolier ne doit pas être inférieur à une'certaine valeur, car sinon l'écoulement entre les disques et les anneaux de stator ne serait pas stable. I1 en résulte, notamment dans le cas de dispositifs ayant des grands diamètres9 que les écarts entre les disques deviennent si grande que l'appareil présente une hauteur considérable lorsqu'il y a un nombre déterminé d'étages de mise en contact. le rendement d'un tel dispositif est de ce fait problématique. On sait en outre réaliser les disques tournants horizontaux sous forme de disques percés, les orifices étant repartis concentriquement autour de 'l'arbre du dispositif. Par rapport aux dispositifs classiques décrits ci-dessus9 ces perfectionnements permettent d'obtenir une amélioration du rendement de 20 à 30 %, car on obtient une mise en contact plus intense par une turbulence plus grande et des surfaces limites également s plus grandes. L'utilisation de disques tournants percés permet certes d'augmenter le rendement du dispositif par une division des-veines de fluide en créant des surfaces d'échange plus grandes et une turbulence plus importante. Toutefois, il se forme; notamment pour les vitesses périphériques faibles, au niveau du diamètre de perforation des disques, c'est-à-dire pour des vitesses de rotation faibles du rotor, un guidage de fluide non contrôlé. Cela signifie que la phase légère passe par les perçages de la face inférieure des disques en rotation vers la face supérieure alors que le fluide le plus lourd descend à travers ces perçages. Le rendement du dispositif n1 est pas optimal. Pour des vitesses périphériques ou pour des vitesses de rotation très élevées, l'efficacité des per çages est complètement annulée car du fait de l'inertie des fluides, aucune veine ne peut passer à travers les orifices. On a également dans ce cas une chute très importante du rendement. En outre, il faut que les perçages présentent un certain diamètre minium afin qu'on ait une amélioration du rendement. Conditionnée par les dimensions des orifices, la phase dispersée ne peut autre injectée dans la phase continue sous forme finement dispersée. Enfin par la répartition des perçages suivant un cercle centré sur l'axe du rotor, on n'aboutit à aucune division régulière de la phase dispersée sur la section des disques tournants. En particulier, danse cas d'une mise en contact de phases gazeuse et liquide dans des colonnes munies de diverses structures fixes, on obtient la turbulence par la dispersion d'une phase en utilisant les densités différentes des deux phases. Dans ce contexte, il est également connu d'amplifier latirbulence par agitation lors de la mise en contact des fluides. Pour des rapports faibles de la quantité de gaz à celle des liquides, on aboutit à une répartition irrégulière de la phase dispersée, dans le cas de colonnes ayant des organes fixes. Cela se traduit défavorablement sur la mise en contact et le rendement. les agitateurs utilisés pour augmenter la turbulence entraient par ailleurs l'apparition de mélanges second daires qui s'opposent à une régulation convenable de l'écoulement. La présenté invention a pour but d'intensifier efficacement l'échange de matières, de chaleur, et d'impulsions lors de la mise en contact de fluides de densité différente, et de -créer un dispositif, qui, par l'apport d'énergie mécanique, par l'intermédiaire d'un arbre tournant muni de disques tournants, permet d'obtenir même avec un grand diamètre, un guidage précis de l'écoulement avec un échange intensif de matières, de chaleur et ?'iulsions, en éliminant très largement les mélanges secondaires de façon à assurer à la fois un rendement élevé de la mise en contact et un débit maximal du dispositif. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif pour amener en contact intime des fluides de densité différente, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un boitier cylindrique vertical, avec des anneaux de stator faisant un angle par rapport à l'axe du boitier, un arbre muni de disques tournants en rotation dans ce boiter, les anneaux de stator et les disques tournants étantréalisés en tôle perforée qui comporte des orifices de passage orientés en direction, la répartition des orifices de passage dans la t81e perforée étant choisie de fa çon que les orifices des disques tournants soient dirigés dans le sens de rotation de ces disques et que les orifices de passage des anneaux de stator soient dirigés dans le sens contraire au sens de rotation des disques. Comme ttle perforée avec des orifices de passage orientés, on peut utiliser un métal déployé. Les orifices de passage orientés en direction des disques tournants et des anneaux de stator peuvent se trouver au choix soit sur le côté supérieur ou sur le côté inférieur des tôles. Pour améliorer le rendement, il est avantageus de munir le bord des disques tournante d'une cage en tôle perforée et mise en forme, ayant des orifices de passage orientés, ces cages faisant un certain angle par rapport au plan des disques tournants et les orifices, dirigés dans le sens de rotation des disques tournants, étant situés sur le côté de la cage tourné vers l'axe du rotor Il est également prévu que des canaux directeurs passent du côté inférieur des anneaux de stator vers le milieu du bottier au voisinage de la face inférieure des disques tournants situés au-dessus de la face supérieure des anneaux de stator vers le milieu du bottier et au voisinage de la face supérieure des disques tournants se trouvant en-dessous. L'effet technique de l'invention réside dans le fait qu'à l'aide des dispositifs directeurs à la fois des disques tournants et des anneaux de stator, que ferment les orifices de passage orientés, il est possible d'utiliser très complètement la pression statique de sorte que le fluide dispersé est finement divisé. Cela se traduit par une augmentation de la turbulence et de l'intensité d'échange, ainsi que par un écoulement contrôlé et une réduction des mélanges secondaires. Be résultat de la mise en contact intime se traduit parune augmentation de l'échange et du débit du dispositif pour des dimensions identiques à celles des appareils connus. En outre, on améliore la sensibilité à la charge et à la vitesse de rotation par rapport aux dispositifs connus. Leffet technique de l'invention notamment lors de la mise en contact de fluides gazeux et liquides, résulte dans le fait que par la déviation continue et le répartition nouvelle de la phase gazeuse dispersée, on obtient d'une part une mise en contact intime et d'autre part meme pour de faibles quanti- tés de gaz, un temps de séjour maximal du gaz dans le liquide. De cette façon, on obtient des résultats d'échange excellents, notamment lorsqu'il y a simultanément une réaction entre le gaz et le liquide réaction dans laquelle l'équilibre chimique -ne s'établit en général que très lentement. A titre d'exemple ce dispositif peut convenir pour des procédés tels que la formation de C02 et la fermentation. Des modes de réalisation de ltin- vention sont représentés schématiquement, à titre d'exemples non limitatifs sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure t est une vue de face d'un dispositif suivant l'invention. - la figure 2 est une coupe selon A-A de la figure 1. - la figure 3 représente le détail C de la figure 2. - la figure 4 représente le détail D de la figure 2, en vue en coupe. - lesfigures 5 et 6 représentent un second mode de réalisation d'un dispositif suivant l'invention. - la figure 5 est une vue de face du dispositif. - la figure 6 est une coupe selon A-A de la figure 5. - la figure 7 est une vue de face d'une autre variante d'un dispositif suivant l'invention. - la figure 8 est une coupe selon A-A de la figure 7. - la figure 9 représente le détail B de la figure 8. - la figure 10 représente le dé tail C de la figure 7 en vue en coupe. Dans le dispositif selon l'invention, les veines du composant fluide le plus lourd sont introduites dans la partie supérieure du dispositif et se déplacent vers le bas alors que le constituant fluide le plus léger, qui est introduit au centre du dispositif ou dans la partie inférieure de celui-ci, se déplace vers le haut. Pour mieux démontrer le fonctionnement de l'invention, on a représenté la veine de fluide lourd par cles lignes minces continues et la veine de fluide de la phase légè- re par des lignes en tiretés, dans les deux moitiés de la figure 1. Le dispositif représenté dans les figures 1 à 4 comporte des anneaux de stator et des disques tournants en métal déployé. Dans la figure 2, on a. dessiné des flèches qui représentent la direction des orifices de passage 5 existants dana le métal déployé. Une coupe dans la direction de la flêche, transversalement par rapport au métal déployé a été représentée dans les figures 3 et 4. Be dispositif est constitué du bottier 1 comportant des anneaux de stator 2 et4'arbre 3 muni de disques tournants 4. 'les anneaux de stator 2 et les disques tournants 3 sont réalisés en métal déployé. Ces éléments sont répartis comme cela. a été indiqué par les flèches, dans la coupe selon la figure 2, ainsi que dans la représentation des détails C et D dans les figures 3 et 4 et la représentation des orifices à orientation dirigée selon la figure 1. Be dispositif selon les figures 1 à 4 fonctionne comme suit Le constituant léger du fluide, qui se déplace de bas en haut arrive sur le disque tournant 3 en métal déployéete3tfinement réparti par l'effet directionnel des orifices de passage orientés, prévus sur la face inférieure du disque tournant 3. Ce fluide est envoyé avec une vitesse élevée sous forme de phase dispersée dans le fluide continu, se trouvant audessus du disque tournant 3. L'autre partie du fluide léger est projetée par le disque tournant 4 vers l'extérieur. I1 est ainsi amené en contact avec les composants lourds et il s'accumule sous l'anneau de stator 2.Comme par suite de la rotation de l'arbre muni de disques, le fluide est constamment mis en rotation, les composants légers du fluide sont également finement répartis grâce à l'anneau de stator 2, fixe9 également réalisé en un métal déployé. Cette répartition est de à 11 effet directeur des orifices de passage 5 orientés, réalisés dans le métal déployé. Ces orifices se trouvent sur la face inférieure de l'anneau de stator 2. Le fluide léger est ainsi envoyé avec une vitesse élevée dans le fluide lourd, se trouvant au-dessus de l'anneau de stator 2. Une partie restante du fluide léger arrive enfin par suite de l'effet d'aspiration créé entre les disques tournants 3, au centre de l'appareil sous le disque tournant 3 supérieur-. A c-et endroit, par suite de la force centrifuge ce fluide est envoyé vers leestérieur et traverse ainsi le composant lourd sous forme finement divisée.. Le composant lourd, en phase dispersée est envoyé dans la phase légère sous le disque tournant 3 du fait de la disposition des orifices de passage orientés en direction, prévus sur le côté supérieur du disque tournant 3 et sous l'effet de la pression statique. Be composant léger poussé vers-l'extéreur sur le disque tournant 3 supérieur, s'accumule sous l'anneau de stator 2.Ce composant est aspiré au centre du dispositif. Be composant- lourd s'écoule à son tour du fait de l'effet directeur des orifices de passage 5 orientés en direction, et qui se trouvent sur la face supérieure de l'anneau de stator 2. Ce composant lourd, passe de nouveau sous forme finement divisée à travers la couche de composant léger se trouvant sous l'anneau de stator 2. On décrira ci-après la construction et le fonctionnement du second mode de réalisation de l'invention tel que représenté dans les figures 5 et 6. Le dispositif est constitué d'un bottier cylindrique 1 muni d'anneaux de stator 2 en métal déployé, fixés suivant un angle aigu par rapport à l'axe du bottier. Un arbre 3 muni de disques tournants 4, tourne dans le bottier 1. les disques 4 sont également réalisés en métal déployé et leur bord est limité par une cage en métal déployé perpendiculaire aux disques correspondants ou faisant un angle par rapport à celui-ci. En outre des canaux directeurs 6 sont prévus pour le composant léger du fluide. Ces canaux conduisent des anneaux de stator 2 au centre du dispositif sous les disques tournants 4 inférieurs. Une partie de la phase légère arrive sous les disques tournants 4 et est introduite sous l'effet directeur des orifices de passage 5 dirigés, qui se trouvent sous la face inférieure des disques tour nants9 en étant finement répartis9 dans la phase lourde. Cette phase lourde est répartie sous forme de phase continue sur les disques tournants 4. L'autre partie du composant léger est projetée vers l'extérieur par les disques tournants 4, sous les anneaux de stator 2 en étant finement répartie par les cages 7 prévues sur le bord extérieur des disques tournants 4. 'les composants légers de fluide qui s'accumuXrisous l'anneau de stator 2 sont de nouveau finement divisés par suite de l'orientation directionnelle des orifices de passage 5 qui sont prévus sur la face inférieure de l'anneau de stator 2. Cette phase légère est ainsi envoyée dans le composant lourd du fluide se trouvant sur l'anneau de stator 2. Une partie restante du composant léger est envoyée par les canaux directeurs 6. au centre des dispositifs sous le disque tournant 4 supérieur où l'opération décrite ci-dessus se répète. Si les composants lourds constituaient la phase dispersée, l'ensemble du montage des canaux et des parties en métal déployé serait réalisé de façon opposée. Comme dans les premier et second modes de réalisation, dans le dispositif selon le troisième mode de réalisation -figures 7 à 10), il se crée un écoulement de fluide sous forme de phase continue qui passe de haut en bas et est représenté par des lignes pleines. Dans ce fluides on injecte à l'aide des orifices 5 des stators 2 et des disques tournants 4, réalisés en métal déployé, la phase gazeuse qui arrive de bas en haut du fait de la pression statique. Cette phase gazeuse est fine ment divisée et la pression statique est créée par la rotation de l'arbre 3 muni des disques 4 en métal déployé. Les aubes 8 qui sont par exemple fixées sur un anneau 9 de fixation d'autres directrices9 permettent d'amener le veine de fluide plus intensément au centre du dispositif de sorte que l'on améliore l'écoulement en contre-courant croisé des fluides. Bien entendu9 lBinvention nsest pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés9 à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention. REVENDICATI~ONS 10) Dispositif pour amener en contact intime des fluides de densité différente,dispositif caractéri sé en ce qu'il comprend un boîtier cylindrique vertical9 avec des anneaux de stator faisant un angle par rapport à l'axe du bottier, un arbre muni de disques tournants en rotation dans ce boitier, les anneaux de stator et les disques tournants étant réalisés en tôle perforés qui comporte des orifices de passage orientés en direction9 la répartition des orifices de passage dans la tôle perforée étant choisie de façon que les orifices des disques tournants soient dirigés dans le sens de rotation de ces disques et que les orifices de passage des anneaux de stator soient dirigés dans le sens contraire au sens de rotation des disques. 20) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tôle perforée, comportant des ori- fices de passage orientés en direction9 est un métal deployé. 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les orifices de passage orientés en direction9 des disques tournants et des anneaux de stator se trouvent sur l'une des faces de la tôle perforée. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le bord des disques tournants est muni d'une cage en tôle perforée ayant des orifices de passage orientés, cette cage faisant un certain angle par rapport au plan des disques tournants9 les orifices de passage étant dirigés dans le sens de rotation des disques et se trouvant sur le côté de la cage tourné vers l'arbre. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que des canaux di- recteurs passent du côté inférieur des anneaux de stator vers le milieu du boiter au voisinage de la face inférieure des disques tournants situés au-dessus ou du côté supérieur des anneaux de stator vers le milieu du boftier et au voisinage de la face supérieure des disques tournants se trouvant en-dessous. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'à la hauteur des anneaux de stator on a prévu des aubes directrices autour de l'arbre de rotor, les orifices extérieurs des aubes étant dirigés dans le sens de rotation de l'arbre de rotor.