Brevet FR2152512A1 — publié le 19730427

La présente invention se rapporte à un procéda d'acroissement de la vitesse de transfert de masse et de transmision de la chaleur dans un traitement comportant un transfert de masse ou une transmission de chaleur dans un système liquide-liquide, liquide-gaz et solide-liquide-gaz ou dans une réaction produite dans un système fluide à phases multiples, et elle se rapporte également à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. les caractéristiques qu'on cherche à obtenir dans tous les appareils échangeurs de matière sont d'assurer une grande efficacité de l'échange, une faible perte de charge et une grande capacité d'adaptation aux variations des conditions de fonctionnement. Les éléments intérieurs ou garnissages des colonnes à pla teaux ou des colonnes garnies, dans lesquels il se produit une interpénétration mutuelle des phases, provoquent une perte de charge relativement élevée et nécessitent l'emploi de colonnes d'une hauteur considérable pour supprimer les inconvénients de itentrainement du liquide et de la forte formation de mousse qu'on observe dans de nombreux cas. Les colonnes à ruissellement du liquide en pellicule, qui possèdent l'avantage d'une faible perte de charge et d'un entrat- nement réduit sont très sensibles aux fluctuations des conditions de fonctionnement. On connait également des plateaux pour colonnes dans lesquels le liquide s'écoule sur le plateau tandis que la vapeur lèche le liquide à contre-courant et peut éventuellement etre animée d'un mouvement tourbillonnaire par des chicanes en nageoire. Ces plateaux permettent d'obtenir une faible perte de charge avec une bonne souplesse de guidage du liquide mais ils ne donnent jamais une très grande efficacité d'échange. Dans les procédés connus jusqu'à présent pour le transfert de masse et la transmission de la chaleur dans un système fluide à deux phases, on ne considère l'interface séparant les deux phases et les couches limites adjacentes à cette interface que comme des zones passives et on ne les utilise pas pour assurer un transfert de masse ni la transmission de la saleur ou d'impul sion.Toutefois, il est bien connu que la transmission à travers l'interface et les couches limites adjacentes à cette interface constitue le stade du transfert de masse qui détermine la vitesse du traitement. F,n outre, dans de nombreuses réactions qui se proc duisent à l'interface entre les deux phases d'un système à deux phases fluides ou à proximité de cette interface, l'évacuation des produits de la réaction engendrés dans la région de l'interface, ou l'acheminement de la matière de départ à cette interface constitue fréquemment le stade le plus lent de l'ensemble du processus de la réaction. Tout accroissement des processus de transport dans la région de l'interface et des couches limites adjacentes à cette interface serait de nature à accélérer l'ensemble du phénomène. On ne connaissait jusqu'à présent aucun procédé ni appareil d'échange de masses qui tire sciemment parti des microprocessus spécifiques du système qui sont décrits dans la suite et qui déterminent le transfert de masse ou la transmission de chaleur ou d'impulsion au niveau des interfaces pour accélérer le transfert de masse et la transmission de la chaleur. L'invention a pour but de réaliser un procédé d'échange de masse et un appareil échangeur de masse au moyen desquels il soit possible de mettre à profit les mécanismes physico-chimiques particuliers de transfert de masse qui sont définis ci-dessous à cet effet on impose à l'interface des sollicitations locales et concentrées par lesquels 1. on engendre des gradients locaux de concentration ou de température le long de l'interface et perpendiculairement à cette dernière ces gradients déclenchant ou renforçant la turbulence et la convection régnant à l'interface, ce qui accélère les transferts dans la région de l'interface 2. on accroit les gradients de concentration existant des deux côtés de l'interface 3.On détermine une désintégration des couches limites, qui sont déterminantes pour la vitesse de manière à assurer dans tous les cas une accélération du transfert de masse et de la transmission de la chaleur. La demanderesse a inventé un procédé d'accroissement de la vitesse du transfert de masse et de la transmission de la chaleur dans lequel les phases fluides ne sont pas divisées en particules mais l'interface peut être sollicitée, d'un côté ou des deux cités par une ou plusieurs des phases fluides, à l'aide d'éléments appropriés, par des actions concentrées localement, l'interface étant attaquée des deux cOtés aux mêmes points ou attaqués d'un côté en des points décalés par rapport aux points d'attaque de l'autre côté lorsqu'elle est attaquée des deux côtés simultanément. Par ailleurs, suivant une utre caractéristique du procédé suivant l'invention, celle des deux phases fluides qui possède le poids spécifique le plus élevé, c'est-à-dire la phase lourde, a) peut être guidée sur une surface horizontale, inclinée et/ou verticale ou b) peut être guidée de manière à s'écouler en une pellicule le long d'une surface semi-perméable, la majeure partie de cette phase ruisselant le long de la face inférieure de ladite surface. Suivant une autre caractéristique, la matière de la phase légère est projetée contre l'interface avec une vitesse suffisamment élevée pour que, aux endroits où cette interface subit des attaques locales et concentrées, l'autre phase soit en partie entravée jusqu'au support sur lequel elle est guidée, sans autre brassage des deux phases. Cette dernière variante du procédé est particulièrement appropriée pour améliorer la transmission de chaleur dans des processus de vaporisation et de condensntion par le fait qu'elle évite dans une grande mesure la vaporisation ou la condensation pelliculaire. Le procédé suivant l'invention et les appareils échangeurs de masse construits suivant l'invention pour la mise en oeuvre de ce procédé présentent, en dehors de l'utilisation volontaire de mécanismes physico-chimiques de transmission pour l'élévation de la vitesse du transfert de masse et de la transmissIon de la chaleur, les avantages suivants I) la phase gazeuse ne traverse pas le liquide ; on n'a donc à surmonter que les "pertes de charge sèches". 2) Les garnîssagês de colonnes, réalisées sous la forme deplateaux sont très peu sensibles aux variations de la charge, notamment de la charge de matière liquide, du fait qu'ils pos sèdent un guidage positif de la phase liquide. 3) Le procédé peut également être mis en oeuvre dans le cas de très faibles charges liquides. 4) Le mode spécial de guidage des phases supprime pratiquement aussi bien l'entrainement de la phase liquide que la formation de mousse, qui est très gênante dans de nombreux cas. De meme, on peut éviter la formation d'une émulsion dans les systèmes liquide-liquide, par exemple dans le cas d'une extraction. 5) Le procédé permet de réduire la hauteur des échangeurs. 6) La concentration de l'attaque de l'interface en des points localisés apporte des possibilités avantageuses d'évaluation et de calcul, ce qui permet d'améliorer la conception et l'optimalisation des échangeurs de masse. La description qui va suivre, en référence aux dessins annexés, donnés surtout à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces dessins, la figure i représente en coupe verticale un détail d'un appareil échangeur de matières, muni d'un plateau à courant transversal flèches en traits interrompus et à trop plein, et avec attaque locale par la phase vapeur et la phase liquide (flèches en traits pleins); la figure 2 représente en coupe verticale un détail d'un appareil échangeur de matières à éléments intérieurs en parallèlogramme, avec attaque locale par la phase vapeur la figure 3a repréaente par une coupe verticale un détail d'un appareil échangeur de matières muni de plateaux inclinés, plats, semi-perméables, disposés en plusieurs couches superposées, avec attaque locale par la phase vapeur ; ; la figure 3b est une vue de détail à grande échelle de l'appareil de la figure 3a la figure 3c est une vue en coupe horizontale de l'appareil échangeur de masse de la figure 3a la figure 4 représente en coupe verticale un détail d'un appareil échangeur de masse comprenant des éléments intérieurs à profil plié, formés de plateaux semi-perméables, avec attaque locale par la phase vapeur. Le principe du procédé suivant l'invention sera décrit dans la suite en regard de le figure 1. ta phase 3 à faible poids spécifique ou phase légère est amenée à un côté de la surface limite ou interface I snparant la pnase a # grand poids spécifique ou phase lourde et La phase Ç > 3 tells manière qu'elle frappe cette interface en des points s . très limites localement et détermine de cette façon urie attaque concentrée en un grand nombre de points très localisés. L'attaque localisée de l'interface 1, sur l'autre côté de cette interface, est assurés par la phase lourde 2 d'une façon analogue, les points des attaques localisées exercées respectivement par les deux phases pouvant être décalés ou non entre eux. le principe du procédé suivant l'invention peut être modifié de manière que l'attaque localisée de l'interface se produise. 1. Uniquement sur le côté de la phase légère 3, 2. Uniquement sur le côté de la phase lourde 2, 3. Avec une vitesse élevée sur le cOté de la phase légère 3, la matière de la phase lourde 2 étant partiellement évacuée du support 2. La figure 1 représente un appareil échangeur de masse muni d'un plateau à courant transversal unidirectionnel et à trop plein destiné à la rectification, avec attaques locales et concentrées de l'interface par la phase liquide et par la phase gazeuse. Le plateau à courant transversal agencé dans le volume intérieur 6 de l'appareil, et qui est muni de conduits d'arrivée 7 et 9 et de conduits de départ 8 et 10 pour l'écoulement des matières des phases, se compose de plateaux plats il et 12 disposés par ,aires horizontalement dans le même sens et superposés verticalement, ces plateaux présentant des ouvertures 13 et 14 respectivement destinées à assurer l'attaque localisée de l'interface 1 par la phase vapeur 15 et par la phase liquide 16. Les plateaux 11 et 1 sont interposés entre les plateaux plats horizontaux 17 servant à conduire les matières des deux phases. Les ouvertures 13 et 14 sont disposées à écartement régulier dans les plateaux plats Il et 12, qui sont disposés par paires dans le m# e sente et directement superposés, et elles sont aoit opposés directement entre elles, soit oPposées avec un certain d écolage La phase liquide 1; tombe, par le conduit d'arrivée 7, sur le plateau 17 et, et, #e là, elle traverse les ouvertures 14 qui la dirigent perpendiculairement à l'interface 1, suivant la direction d'écoulement 18. La phase liquide 16 est évacuée par le conduit de départ 8, et tombe sur le plateau 17 immédiatement inférieur. En même temps, la phase vapeur 15 est amenée, par le conduit d'arrivée 9, dans le volume de vapeur 19 et, de là elle traverse les ouvertures 13 qui la dirigent égalément perpendiculairement vers l'interface1. le conduit de départ 10 mène la phase vapeur 15 au volume de v-peur 19 immédiatement supérieur. Si l'on supprime le plateau plat il intercalé dans 1a phase vapeur 15, ou le plateau plat 12 intercalé dans la phase liquide 16, on obtient un type de plateau dans lequel l'attaque localement concentrée de l'interface 1 se produit uniquement sur un côté de cctte interface. Ces types d'appareil peuvent être également réalisés par exemple sous la forme de colonnes à ruissellement de pellicule, de colonnes horizontales ou de colonnes en cascade. La figure 2 représente un exemple d'un appareil échangeur de matières muni d'éléments intérieurs en parallèlogramme, empilables, avec attaque localisée de l'interface par la phase vapeur. Les éléments intérieurs de cet appareil sont formés de plateaux inclinés 20 et de plateaux plats horizontaux 21 et 22 qui servent à guider la matière des phases, ainsi que de plateaux inclinés il percés d'ouvertures 13 qui sont destinés à assurer l'attaque concentrée de l'interface 1 sur le côté de la phase vapeur 15. Chacun des plateaux 11 est prolongé par un plateau 21 raccordé à angle aigu et muni d'une languette 23 et par un plateau 22 également raccordé à angle aigu et muni d'une rigole 24. Par ailleurs, le lc;- > d'un bord, chacun des plateaux inclinés 20 présente une languette 25 tandis que son autre bord est relié à une rigole 24 dans laquelle plongent les languettes 23 et 25 des plateaux 20 et 21 des éléments intérieurs suivants. Les ouvertures 13 des lateaux sont pro'vues à intervalles réguliers. Il n'est pas nécessaire de prévoir des élénle La figure 3a représente un appareil échangeur de masse composé de deux sections et muni de plateaux plats, semi- perméables 26, inclinés, superposés verticalement en plusieurs couches et qui forment des éléments intérieurs empilables et interchangeables. Dans cet appareil, l'interface 1 est attaqué en des points localement concentrés, par le côté de la phase vapeur 15. la figure 3c est une coupe horizontale de la colonne ainsi formée. Les élérents intérieurs de la colonne qui sont montés dans les sections 31 et 32, sont composés de plateaux 26 semiperméables, plats, inclinés, superposés verticalement en plusieurs couches. Les plateaux 26, qui sont disposés à intervalles réguliers, sont munis d'ouvertures 27 qui forment des buses ou ajutages sur l'une des faces de ces plateaux Les ouvertures 27 d'un plateau 26 sont décalées par rapport à celles du plateau 26 qui lui est superposé. Par ailleurs, les sections 31 et 32 présentent des conduits d'arrivée 7 et des conduits de départ 8, ainsi qu'une cloison 33 de séparation de phases. La section 32 est décalée de 180C autour d'un axe vertical par rapport à la section 31. La phase liquide 16 ruisselle le long de la face inférieure d'un plateau 26 de la section 31 puis, au point extrême inférieur 28, elle est à nouveau répartie, par un trop-plein 29, sur le point extrême supérieur 30 d'un autre plateau 6 de la section 32 puis parvient au point le plus bas 28 de ce plateau et il est à nouveau réparti par un trop-plein 29 sur un plateau 26 sousjacent de la section 31. Le guidage de la phase vapeur 15 est assuré par la cloison 33 qui sépare la section 32 de la section 31. La figure 3b montre nettement, par une vue à plus grande échelle, que les plateaux 26 sont composés d'une matière semiperméable, par exemple d'une toile métallique à mailles ouvertes dans laquelle sont formées en supplément des ouvertures 27 présentant la forme de buses. la figure 4 représente un appareil échangeur de masses équipé d'éléments intérieurs qui sont composés de plateaux 26 semi-perméables ou partiellement percés, et qui sont superposés en plusieurs couches en formant des parallèlogrammes. Les ouvertures 27 sont réparties sur les plateaux 26 en un ou plusieurs plans. La phase vapeur 15 traverse les ouvertures ou buses 27, elle frappe l'interface 1 et traverse ensuite les buses 27 du plateau 26 immédiatement suzérieure. La phase liquide 16 est répartie régulièrement, au point 30, entre les plateaux 26 qui descendent dans les deux directions et, dans le cas où les plateaux 26 sont semi-perméables, elle ruiselle principalement le long de la face inférieure de ces derniers. Dans le cas de plateaux 26 imperméables, le point le plus élevé 30 doit de préférence être percé afin que le liquide 16 puisse ruisseler le long de la face inférieure des plateaux 26. .EVNDlCAnI()ITS 1. Procédé pour accroftre la vitesse de transfert de muasse et de transmission de la chaÎet#r dans r traitement comportant un transfert de masse ou ire tr ensmission de chaleur dans un système liquide-liquide, liquide-gaz ou solide-liquide-gaz ou dans une réaction conduite dans un système fluide à phases multiples. ce procédé étant caractérisé en ce que les phases fluides ne sont pas divisées en particules et que l'interface est attaqué par une ou plusieurs des phases fluides sur l'un ou chacun de ses deux côtés en des points concentrés et nombreux et en ce que celle des phases fluides qui présentent le poids spécifique le plus élevé, ou phase lourde, est guidée sur une surface ininterrompue ou s'écoule sous la forme d'une pellicule le long d'une surface semi-perméable. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase possédant le poids spécifique le plus faible, ou phase légère, frappe l'interface avec une vitesse élevée, la phase lourde étant partiellement éloignée de la surface ininterrompue ou de la surface semi-perméable. 3. Appareil échangeur de matières pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qutil comprend des plateaux percés d'ouvertures et interposés entre deux plateaux plats qui sont munis d'un ou plusieurs conduits d'arrivée et/ou de départ pour l'écoulement de la matière. 4. Appareil échangeur de matières suivant larevendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte à la place des plateaux percés d'ouvertures et des plateaux, plats, des plateaux semiperméables qui sont munis d'ouvertures à assurer l'attaque locale de l'interface.