Brevet FR2125506A1 — publié le 19720929

i 212SS06 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour le mélange d'un gaz et d'un liquide, dans un réacteur tubu-laire. Dans de nombreuses réactions chimiques entre gaz et liquides, 5 le processus de mélange joue un rôle déterminant. Dans l'industrie, on utilise pour le mélange généralement des agitateurs des types les plus divers qui sont entraînés mécaniquement. C'est en particulier avec les réactions se déroulant sous pression qu'on ne peut éviter des défauts d'étanchéité sur l'arbre d'agitateur. Pour cet-10 te raison, on a avantageusement recours aux dispositifs ne comportant pas de pièces mobiles. C'est ainsi, par exemple, qu'il est connu de mélanger un gas et un liquide en faisant pénétrer un jet de liquide coaxialement dans un tube mélangeur qui est cylindrique sur toute sa longueur ou qui présente un col cylindrique de courte 15 longueur suivi d'un tube s'élargissant en cône,le jet de liquide propulsif se mélangeant dans ledit tube avec un courant gazeux que l'on a amené dans l'espace annulaire compris entre le jet propulsif et la paroi du tube mélangeur. Dans l'industrie chimique, les réacteurs dits éjecteurs ou à buse d'injection de ce type sont 20 connus, par exemple, sous le nom d'absorbeurs à 7enturi. 11 est souvent nécessaire de monter à la suite de ces réacteurs relativement petits une chambre de réaction plus grande pour la post-réaction, cette chambre pouvant être i ornée, par exemple, par une coxonne à barbotage. Or pour de nombreuses réactions entre gas et 25 liquide, l'effet de mélange atteint dans les réacteurs éjecteurs ne suffit pas pour aboutir à des rendements et des taux de conversion satisfaisants. Or on a trouvé qu'on peut opérer avantageusement le mélange d'un gaz avec aes liquides aans un réacteur tubuiaire, par amenée j0 du gaz et des liquides à une zone de mélange, en introduisant dans la zone de mélange un courant de liquide à travers une ou plusieurs buses dont les axes sont orientés en direction de l'axe de la zone de mélange, le liquide injecté ayant une vitesse comprise entre 5 et ÎC'O m/s, en introduisant un deuxième courant de liquide à vi-j>5 tesse sensiblement plus faible dans la zone d'alimentation du réacteur tubuiaire, entourant les buses, et en amenant le gaz à la zone ue mélange à travers un ou plusieurs orifices d'admission ménagés à proximité des orifices des buses à liquide, la surface de section moyenne de la zone de mélange représentant 5 à 500 fois 40 la surface de section de l'orifice de la buse à liquide ou de la 72 05151 2 2125506 somme des surfaces de section des orifices des buses à liquide, et la longueur de la zone de mélange représentant 2 à 30 fois son diamètre hydraulique. Selon une forme de mise en oeuvre avantageuse du présent procé-5 dé, on imprime au liquide injecté à travers les buses un mouvement giratoire avant qu'il ne sorte de l'orifice de buse et/ou l'on imprime un mouvement giratoire au mélange liquide-gaz dans la zone de mélange. Le présent procédé permet d'obtenir, non seulement, des rende-10 ments par rapport à la théorie élevés mais, en mSme temps, des rendements par rapport à l'espace et au temps élevés. Etant donné qu'on peut se servir de plus petits réacteurs tubulaires qu'avec les procédés connus, par exemple dans le cas de réactions se déroulant dans des colonnes à barbotage, le procédé selon la présen-15 te invention est nettement moins onéreux que les procédés traditionnels. Le nouveau procédé est approprié d'une façon générale pour le mélange de gaz et de liquides, qu'il s'agisse d'un processus d'échange de substances ou d'une réaction entre le gaz et le li-20 quide. Il convient tout particulièrement pour effectuer des réactions chimiques entre des gaz et des liquides exigeant un mélange rapide et intensif. On peut bien entendu utiliser non seulement des substances pures comme gaz et comme liquide, mais également des mélanges de substances quelconques. Le présent procédé permet 25 également de mélanger un gaz avec deux liquides différents, un liquide étant alors introduit à travers une buse alors que l'autre est amené à la zone d'alimentation du réacteur tubuiaire, entourant les buses. De façon avantageuse, le procédé selon l'invention sera appliqué à des réactions entre tin gaz et un liquide où le 30 produit de la réaction ne doit plus entrer en contact avec les matières de départ. On utilise le présent procédé, par exemple, pour l'absorption de chlore dans l'eau ou pour la réaction de propylène avec une solution de chlore aqueuse pour l'obtention de propylène-chlorhydrine. En appliquant le nouveau procédé aux réactions pré-35 citées, les conditions de réaction générales classiques, telles que catalyseur, pression et température, ne sont pas affectées. Le mélange plus rapide et plus intensif assuré par le nouveau procédé augmente cependant la vitesse de réaction et, partant, le taux de conversion. Aussi peut-il être indiqué d'optimaliser à 40 nouveau, en fonction de la vitesse de réaction plus élevée, les 72 05151 3 2125506 paramètres opératoires qui se sont avérés les plus avantageux pour un mode de travail à l'échelle industrielle, tels que séjour moyen, pression, température et quantité de catalyseur. Le nouveau procédé permet souvent d'effectuer des réactions entre un gaz et 5 un liquide à des températures un peu plus basses et fournit alors souvent des rendements plus élevés en produits de réaction. De façon avantageuse, on l'applique à l'oxydation de composés organiques et inorganiques par l'oxygène ou des gaz oxygénés, tels que l'air, par exemple à l'oxydation par l'air de sulfite de sodium en solu-10 tion aqueuse avec obtention de sulfate de sodium. Le nouveau procédé se prête aussi avantageusement à la mise en oeuvre de processus d'échange de substances, par exemple à l'absorption de chlore dans l'eau ou l'absorption de phosgène dans des solvants organiques, comme le chlorure de méthylène. 15 Une caractéristique essentielle du nouveau procédé réside dans le fait qu'un courant de liquide, de préférence assez faible, est injecté à travers des buses à une vitesse comprise entre 5 et 100 m/s, avantageusement entre 10 et 30 m/s, et qu'un deuxième courant de liquide, avantageusement plus fort, est amené à la zone 20 d'alimentation entourant les buses à une vitesse sensiblement inférieure à celle du liquide injecté à travers la buse. En général, le rapport entre le liquide injecté à travers les buses et le liquide amené à la zone d'alimentation entourant les buses est compris entre l/l et 1/50, de préférence entre l/l et l/lO. De façon 25 avantageuse, la vitesse du liquide amené à la zone d'alimentation entourant les buses s'élève à 0,1 à 20 m/s, de préférence à 0,5 à 5 m/s. L'amenée du liquide à la zone d'alimentation du réacteur tubuiaire entourant les buses peut se faire par un ou plusieurs eon-30 duits; le nombre des conduits n'est pas critique. La surface de section moyenne de la zone de mélange doit représenter 5 à 500 fois, de préférence 10 à 100 fois la surface de section de la buse à liquide ou de la somme des surfaces de section des buses à liquide, et la longueur de la zone de mélange doit 35 être égale à 2-30 fois son diamètre hydraulique. La longueur et le diamètre hydraulique de la zone d'alimentation peuvent varier entre de larges limites. La zone de mélange présente généralement une section constante ou allant en augmentant dans le sens d'écoulement et peut avoir différentes foimes. En général, on utilisera 40 des tubes cylindriques ou un tube mélangeur comportant un col 72 05151 4 2125506 cylindrique de courte longueur suivi d'un tube allant en s'élargissant en forme de cône. La zone d'alimentation peut, elle aussi, se présenter sous différentes formes. En général, on utilisera des tubes cylindriques comme zone d'alimentation. 5 Par diamètre hydraulique d'une zone, on entend le diamètre d'un tube cylindrique qui, pour un même débit et une même longueur, accuse la même perte de charge que la zone considérée. On peut prévoir une ou plusieurs buses à liquide, par exemple 2 à 10, pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente inven-10 tion. En employant plusieurs buses, ces dernières peuvent être assemblées, par exemple, sous forme de couronne ou de touffes. Le gaz est introduit, lui aussi, à travers une ou plusieurs buses, par exemple 2 à 10, le nombre des buses à gaz pouvant être le même que celui des buses à liquide ou en différer. Le gaz est générale-15 ment amené à proximité des orifices des buses à liquide. Conviennent comme buses, par exemple, des buses à trous, des buses plates ou des fentes annulaires. Le sens d'entrée du gaz correspondra en général à celui des jets de liquide et la vitesse du gaz ne sera avantageusement pas supérieure à la vitesse de ces derniers. En 20 général, la vitesse du gaz sera de 5 à 50 m/s. De préférence, le gaz et le liquide à injecter seront introduits à travers une buse à deux composants, le jet de liquide étant amené de préférence à travers l'orifice intérieur et le gaz à travers la buse annulaire entourant coaxialement la buse à liquide. 25 Selon une forme de mise en oeuvre préférée du présent procédé, on imprime un mouvement giratoire au liquide injecté avant qu'il ne sorte des buses, et/ou on imprime un tel mouvement au mélange liquide-gaz dans la zone de mélange. Pour imprimer un mouvement giratoire au liquide injecté, on peut monter dans le conduit d'ame-30 née vers la buse à liquide, en amont de l'orifice de base, un corps approprié, par.exemple une vis sans fin à un ou plusieurs filets, ou bien on amène le liquide tangentiellement dans le conduit d'amenée vers la buse. On peut, par exemple, imprimer le mouvement giratoire au mélange liquide-gaz se trouvant dans la zone 35 de mélange en conférant également, de façon connue, un mouvement giratoire au courant extérieur plus lent, par exemple en prévoyant un orifice d'admission spécialement agencé à cet effet. Il est particulièrement avantageux de maintenir une contre-pression à l'extrémité de la zone de mélange. On peut atteindre ce but, par 40 exemple, par une colonne à barbotage suffisamment longue, faisant 72 05151 5 2125506 suite à la zone de mélange. On peut toutefois aussi faire suivre la zone de mélange d'un dispositif absorbant de lfénergie, par exemple de chicanes ou de séparateurs centrifuges® Il est également possible de maintenir la contre-pression par un clapet de sûreté# 5 3n général, les zones de mélange seront disposées verticalement, le gaz et les liquides étant amenés de bas en haut® Il est toutefois aussi possible d'amener les liquides et le gaz de haut en bas dans des zones de mélange disposées verticalement. La zone de mélange peut tout aussi bien être placée horizontalement ou en posi-10 tion inclinée. A titre indicatif, nullement limitatif, on décrira dans les exemples ci-après le mode opératoire selon cette invention en se référant au dessin annexé. Sur la figure 1, 1 désigne la zone de mélange, 2 est 1'orifice 15 de la buse à gaz, 3 est l'orifice de la buse à liquide, 4 et 5 sont les conduits d'admission du liquide et du gaz vers les buses, 6 est le conduit d'admission du liquide vers la zone d'alimentation 7» Le passage de la zone d'alimentation à la zone de mélange s'effectue avantageusement progressivement pour éviter des pertur-20 bâtions dans l'écoulement du liquide affluant de la zone d'alimentation vers la zone de mélange. La figure 2 représente la cosibiiiaison d'un réacteur tubuiaire à jet avec une chicane 8 montée à la suite et 1 "'insertion, dans le conduit d'amenée de la buse, d'un corps provoquant le mouvement 25 giratoire. La figure 3 représente la combinaison d'un réacteur tubuiaire à jet avec une colonne 10 à barfcotage classique avsc évacuation du gaz en 11 et écoulement du liquide an 12. Le réacteur tubuiaire à jet fait dans ce cas office de dispositif de gazage de la colonne 30 à barbotage. Exemple 1 On utilise pour la réaction un réacteur tubuiaire de 20 mm de diamètre (cf. fig. 1). La longueur de la zone de mélange est de 150 mm. Le diamètre de la buse à liquide est de 5 mm» La buse à 35 liquide est entourée coaxialement d'une buse annulaire à gaz. A travers la buse à liquide on fait passer, à une vitesse de 20 m/s, 1,4 m^/heure d'une solution aqueuse de sulfite de sodium d'une concentration de 600 moles/m^ de sulfite de sodium et de 0,27 mole/m^ de sulfate de cobalt comme catalyseur. La température 40 de réaction est réglée à 20°C et la valeur du pH à 9. A travers 72 05151 6 2125506 la buse annulaire, on amène 2 npN/h d'air. On introduit en outre dans la zone dfalimentation,par l'intermédiaire d'un autre conduit d'admission, 2,0 nr/h d'une solution de sulfite de sodium aqueuse présentant la concentration précitée. Le courant de liquide lent 5 a une vitesse de 2,2 m/s. Le taux de conversion, lors de l'oxydation du sulfite de sodium avec formation de sxilfate de sodium, est de 52 % rapporté à l'oxygène atmosphérique. En effectuant la réaction comme décrit ci-dessus, sans toutefois amener de liquide dans la zone d'alimentation, le taux de conver-10 sion,rapporté à l'oxygène atmosphérique, n'atteint que 15 %» Exemple 2 On effectue la réaction comme décrit au premier alinéa de l'exemple 1, mais en imprimant au jet de liquide un mouvement giratoire par une vis sans fin montée dans le conduit d'amenée vers 15 la buse. Le taux de conversion de sulfite de sodium en sulfate de sodium représente 70 $ rapporté à l'oxygène atmosphérique {en comparant le rendement de l'exemple 2 avec celui de l'exemple 1, il faut tenir compte du fait que l'impulsion totale du jet giratoire suivant l'exemple 2 est 1,32 fois inférieure à celle du jet non gi-20 ratoire suivant l'exemple 1). Exemple 3 On effectue la réaction comme décrit à l'exemple 1, premier alinéa, mais en montant une chicane à une distance de 20 mm de l'extrémité de la zone de mélange. Le taux de conversion, lors de la 25 transformation du sïilfite de sodium en sulfate de sodium, s'élève à 80 <>/ Exemple 4 On utilise pour la réaction un réacteur tubuiaire de 20 mm de diamètre. La longueur de la zone de mélange est de 200 mm. Le dia-30 mètre de la buse à liquide est de 3 La buse à liquide est entourée coaxialement d'une buse annulaire à gaz. On fait passer par la buse à liquide, à une vitesse de 15 m/s, 333 l/h d'eau, l'eau injectée étant dirigée au centre du tube mélangeur. Par un autre conduit d'amenée, on fait arriver à la zone 35 d'alimentation du réacteur tubuiaire, entourant la buse, 667 l/h d'eau à faible vitesse. A travers la buse annulaire à gaz, on amène 1,5 nP N de chlore/h. Le chlore est complètement absorbé à l'intérieur du tube de mélange et l'on obtient une saturation de l'eau à 70 72 05151 7 2125506 BBvaaroi cations 1 — Procédé pour mélanger un gaz avec des liquides rigna ion réacteur tubuiaire par amenée du gaz et des liquides à une zone de mélange, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il introduit un courant de liquide dans la zone de mélange à travers une ou plu— 5 sieurs buses à liquide dont les axes sont orientés en direction de l'axe de la zone de mélange, le liquide injecté présentant une vitesse de 5 à 100 m/s, on introduit un deuxième courant de liquide, à une vitesse nettement plus faible, dans la zone d'alimentation du réacteur tubuiaire entourant les btises, et on amène le gaz flana 10 la zone de mélange par un ou plusieurs conduits d'admission prévus à proximité des _orifices des buses à liquide, la surface moyenne de section de la zone de mélange représentant 5 à 500 fois la surface de section de l'orifice de la buse à liquide ou. de la somme des surfaces de section des orifices des buses à liquide et la lon-15 gueur de la zone de mélange représentant 2 à 30 fois son diamètre hydraulique. 2 - Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on imprime un mouvement giratoire au liquide injecté avant qu'il ne sorte des orifices de buses. 20 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, flâna lequel on imprime un mouvement giratoire au mélange liquide-gaz se trouvant dans la zone de mélange. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, à la suite de la zone de mélange, est prévu un dispositif engen- 25 drant une contre-pression. 5 - Dispositif pour mélanger un gaz avec des liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend une ou plusieurs buses à liquide et un ou plusieurs conduits d'admission de gaz prévus à proximité des orifices des buses à liquide, une zone de mélange et une zone 30 d'alimentation située en amont de la zone de mélange, zones dont les axes sont orientés en direction de l'axe des btises à liquide, la zone d'alimentation présentant un ou plusieurs conduits d'amenée de liquide et les buses étant prévues dans la zone initiale, la surface de section moyenne de la zone de mélange représentant 35 5 à 500 fois la surface de section de l'orifice de la buse à liquide ou de la somme des surfaces de section des orifices des buses à liquide et la longueur de la zone de mélange représentant 2 à 30 fois son diamètre hydraulique.