Brevet FR2284353A1 — publié le 19760409

L'invention concerne les équipements servant à réaliser des processus d'échange de matière et de chaleur entre un liquide et un gaz, notamment les plateaux à soupapes des échangeurs de matière. De préférence, le plateau à soupapes proposé peut trouver des applications dans les appareils à colonnes pour la mise en oeuvre de procédés de distillation, de rectification, d'absorbtion dans les indqstries chimique, pétrochimique et dans d'autres branches de l'industrie. On connaît des plateaux à soupapes pour échangeurs de matière, comportant une embase avec des trous de forme rectangulaire au-dessus desquels sont montées des soupapes à lamelle ayant la même forme et pourvues de limiteurs de levée. Le plateau est doté de dispositifs de déversement recevant le liquide arrivant d'un plateau placé plus haut et son évacuation vers un plateau placé plus bas. Le centre de gravité de la soupape est décalé par rapport au centre du trou du plateau de façon que l'ouverture de la soupape s'effectue vers le dispositif de déversement pour l'évacuation du liquide. Ce plateau à soupapes fonctionne de la façon suivante. Sous l'action du courant ascendant du gaz (de la vapeur), la soupape s'ouvre. Etant donné que le centre de gravité de la soupape est décalé par rapport au centre du trou de l'embase de plateau, il se produit, dans un premier temps, une ouverture unilatérale de la soupape. Sous l'action de la pression du courant de gaz, la soupape tourne autour de sa grande arête jusqu'à ce que les limiteurs butent contre l'embase du plateau. Le courant de gaz (de vapeur) sortant d'en dessous la soupape est dirigé dans le sens d'évacuation du liquide et pousse le liquide arrivant sur le plateau depuis le dispositif de déversement, en contribuant ainsi à son déplacement plus intense le long du plateau. lors de l'accroissement ultérieur de la quantité de gaz (de vapeur), la soupape s'élève au-dessus du plateau et prend une position horizontale. le gaz (la vapeur) sortant des fentes formées des deux côtés de la soupape barbote à travers la couche de liquide se déplaçant le long du plateau. On connaît aussi des plateaux à soupapes à courant direct, dont les soupapes ne s'ouvent que d'un côté. Ces plateaux possèdent, eux-aussi, une embase avec des trous de forme rectangulaire obturés par des soupapes rectangulaires à lamelle. La soupape à lamelle a un axe de rotation qui coïncide avec sa grande arête et qui est fixée sur l'embase du plateau ; de ce fait, la soupape s'ouvre d'un seul côté. les deux constructions considérées des soupapes se caractérisent par le fait que, leur ouverture étant unilatérale, le couple de fermeture de la soupape, déterminé par son poids, décroît au fur et à mesure de son ouverture d'une valeur proportionnelle à cos i , où X est l'angle de rotation de la soupape à son ouverture. Il en résulte que la soupape s'ouvre avec une perte presque constante de la pression qui lui est appliquée. Un tel caractère de la vafiation de la perte de pression conduit à une ouverture graduelle de la soulane. La soupape n'occupe que deux positions extrêmes : ouverte ou fermée. Tout cela réduit l'aptitude des soupapes à la régulation. En cas de faibles charges de gaz (de vapeur), ou bien en cas de charges importantes de liquide, une partie des soupapes du plateau, principalement à l'endroit où le liquide arrive sur le plateau, reste en position fermée, ce qui diminue la surface active et réduit l'efficacité du plateau. Cet inconvénient est partiellement supprimé dans les plateaux à soupapes à ballast. Ces plateaux à soupapes comportent une embase dans laquelle sont pratiqués des trous ronds disposés en quinconce et au-dessus desquels sont disposées, dans les limiteurs de levée, les soupapes fermant les orifices du plateau. Les soupapes sont en forme de lamelle. Au-dessus des soupapes, à une certaine distance de chaque soupape, est disposée, dans les limiteurs de levée, une plaquette - ballast qui peut, elle aussi, se déplacer librement vers le haut. L'accroissement de l'effort de fermeture s'appliquant sur ces soupapes se réalise par accroissement du poids de la soupape au fur et à mesure de son ouverture. Au début, sous la pression du courant de gaz, la lamelle de soupape s'élève au-dessus de l'embase de plateau et vient buter contre la plaquette - ballast.Ensuite la soupape s'ouvre conjointement avec la plaquette - ballast, cette ouverture de la soupape se produisant avec une perte considérablement plus grande de pression, car le poids de la soupape s'accroît. les soupapes prennent d'abord, sur le plateau, une position où elle se trouvent en appui sur la plaquette - ballast ; ensuite, au fur et à mesure de l'accroissement de la vitesse du gaz, elles viennent occuper leur position extrême haute, où la plaquette ballast bute contre les limiteurs de levée. Rout cela permet de régler plus progressivement la section libre du plateau et améliore son fonctionnement. Cependant, la variation discrète (graduelle) de la perte de la pression appliquée sur la soupape conduit à un réglage aussi discret (graduel) de la section libre du plateau. L'accroissement du nombre de ballasts se traduit évidemment par une amélioration de l'aptitude des soupapes au réglage, mais il rend leur construction plus complexe. En outre, ces plateaux provoquent une perte considérable de pression, ce qui ne permet pas de les utiliser dans les techniques du vide. On s'est donc proposé de mettre au point un plateau å soupapes pour échangeur de matière, dans lequel le couple de fermeture des soupapes s'accrottrait au fur et à mesure de leur ouverture, ce qui contribuerait au fonctionnement plus stable et plus efficace du plateau à soupape dans une large gamme de charges du liquide et du gaz (de la vapeur) et réduirait également la perte de pression à la soupape tant au moment initial de son ouverture que dans sa position ouverte, en assurant ainsi une réduction des pertes de pression au plateau à soupapes et en permettant de larges applications de ce dernier dans les techniques du vide. Ce problème est résolu du fait que dans un plateau à soupapes pour échangeur de matière, constitué par une embase percée de trous pour le passage d'un courant de gaz et obturés par des soupapes dotées de limiteurs de levée de celle-ci, suivant l'invention, chaque soupape comporte une semelle d'appui faisant saillie, d'un côté, au-delà du trou à obturer correspondant, et courbée de façon que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers l'embase, à la suite de quoi la phase initiale d'ouverture de la soupape se réalise par roulement de la semelle d'appui sur 1' embase. Il est avantageux que la soupape soit exécutée en forme de lamelle et que celle-ci soit courbée de façon que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers l'embase. Il est aussi avantageux de replier d'un certain angleH3sle has,lapSede embase, coopérant avec la semelle d'appui de la soupape de façon que ladite partie ait, au point de son contact avec la soupape en position fermée, une tangente commune avec cette dernière. La partie repliée de l'embase coopérant avec la semelle d'appui peut avoir des trous pour le passage du gaz. la partie de l'embase coopérant avec la semelle d'appui de la soupape peut entre enfoncée par rapport au reste de l'embase de manière que la semelle ne fasse pas saillie au-delà de l'embase du plateau lorsque la soupape est fermée Le plateau à soupapes proposé est hautement efficace dans une large gamme de charges de liquide et de gaz, et hautement fiable. Il permet en outre une large plage de réglage de la section libre du plateau. Le plateau à soupapes assure de faibles pertes hydrauliques de la pression de gaz (de vapeur). Du fait que l'axe initial de rotation de chacune des lamelles de soupape est situé près du centre de la soupape, le plateau donne lieu à de faibles pertes initiales de pression, quelle que soit la charge pondérale spécifique sur la soupape, ce qui permet de l'utiliser dans les techniques du vide. lors de l'ouverture ultérieure de la soupape, gråce au fait que dans la partie de l'embase coopérant avec la semelle d'appui sont prévus des trous favorisant la levée de la soupape, les pertes de pression diminuent également, ce qui permet d'appliquer le plateau à soupapes de l'invention dans les techniques du vide. La construction proposée du plateau à soupapes permet d'obtenir une variation de la perte de pression sur ledit plateau suivant n'importe quelle loi prédéterminée, et ce en modifiant la courbure de la semelle d'appui des soupapes du plateau. les soupapes du plateau proposé assurent un réglage progressif de la section libre du plateau. Plus loin, l'invention est expliquée par la description d'exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annelés qui représentent - la figure 1, une vue schématique en coupe longitudinale du plateau à soupapes selon l'invention, monté dans un échangeur de matière - la figure 2, une vue an coupe longitudinale d'une soupape de plateau à soupapes de contact conforme à l'invention, en position fermée - la figure 3, une vue en coupe longitudinale d'une soupape de plateau à soupapes de contact conforme à l'invention, en position ouverte - les figures 4 et 5, des variantes de réalisation d'une soupape de plateau à soupapes de contact conforme à l'invention - la figure 6, une vue d'ensemble d'une soupape à lamelle à semelle d'appui cylindrique selon l'invention - la figure 7, une vue d'ensemble d'encore une variante de réalisation d'une soupape conforme à l'invention, à l'état désassemblé - les figures 8, 9 et 10, une succession de positions illustrant le fonctionnement de la soupape montrée sur la figure 7. Le plateau à soupapes de contact de l'échangeur de matière est constitué par une embase 1 (figure 1) avec des trous 2 pour le passage du gaz (de la vapeur). Les trous 2 peuvent centre de forme rectangulaire, ronde ou de toute autre forme appropriée. les trous 2 pratiqués dans l'embase 1 sont obturés par des soupapes 3, dont la forme en plan correspond à celle des trous 2. La soupape 3 comporte une semelle d'appui 4 faisant saillie d'un côté du trou 2 et courbée de façon que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers l'embase 1, de manière que la phase initiale d'ouverture de la soupape 3 se réalise par roulement de la semelle d'appui 4 sur l'embase 1. La soupape 3 est dotée d'un limiteur de levée 5. La section de la soupape 3 peut avoir différentes formes, en fonction des conditions auxquelles doit satisfaire la construction de la soupape 3. Par modification de la forme et de la courbure de la soupape et de la semelle d'appui, on peut obtenir différentes relations entre l'ouverture de la soupape et la vitesse du gaz (de la vapeur). Pour assurer un mouvement orienté du mélange gaz-liquide le long de l'embase 1, il est rationnel d'employer la soupape 6 illustrée sur les figures 2 et 3. Pour obtenir de meilleures conditions d'orientation du courant gaz-liquide le long de l'embase 1, il est rationnel de prévoir une soupape 7 (figure 4), qui outre le bombement de la semelle d'appui 4, présente encore une surface bombée 9 s'élevant au-dessus de l'embase 1. Toute la lamelle de la soupape, y compris sa semelle d'appui, peut être courbée de manière que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers l'embase 1, comme c'est le cas pour la soupape 8 (figure 5). L'avantage de la soupape 8 consiste en ce qu'au moment initial de son ouverture, son axe de rotation se déplace vers le centre de la soupape, ce qui assure de faibles pertes hydrauliques sur le plateau au moment initial d'ouverture des soupapes F. En outre, la soupape 8 est d'une réalisation aczle. Pour que la semelle d'appui 4 de la soupape 7 (figure 4) ne fasse pas saillie au-delà du plan de l'embase 1 du plateau et n'eêche pas le mouverent du mélange gaz-liquide le long de l'embase 1, la partie 10 de l'embase, qui coopère avec la semelle d'appui 4 e la soupape 7, est enfoncée par rapport au reste de l'embase I de façon que la semelle d'appui 4 ne dépasse pas au-delà de l'embase 1 du plateau lorsque la soupape 7 est fermée. En vue d'assurer un roulement str de la soupape 8 (figure 5) sur l'embase 1 du plateau, la partie il de l'embase 1, qui coopère avec la semelle d'appui 7, est repliée sous un certain angle vers le bas de manière qu'elle ait une tangente commune avec la soupape 8 au point de son contact avec ladite soupape 8 quand celle-ci est fermée. zanis ce cas, la soupape peut étre réalisée sous forme d'une partie dé cylindre. Tout cela assure un grand angle d'inclinaison du courant de gaz, sortant d'en dessous de la soupape 8, par rapport au plan de l'embase 1 du plateau, et contribue à améliorer l'efficacité du plateau lors de son fonctionnement en régime de barbotage. Afin de diminuer les pertes de pression, le bord 12 (du trou 2, figure 6) opposé à la semelle d'appui t3 sur laquelle roule la soupape 14 est replié vers le bas. Dans le même but, les deux bords mutuellement opposés du trou fermé par la soupape, peuvent titre repliés vers le bas, comme les bords 15 et 16 (figure 7) du trou fermé par la soupape 17. Vus en section longitudinale, les bords 15 et 16 ainsi repliés forment un convergent servant à diminuer les pertes de pression sur la soupape 17. Pour diminuer les pertes de pression et faciliter l'ouverture de la soupape 17, sur la partie repliée 18 (de l'embase) coopérant avec la semelle d'appui 19 de la soupape 17, sont réalisés des trous 20. En passant par ces trous, le gaz (la vapeur) soulève la soupape 17 en assurant son ouverture de deux côtés, comme le montrent les figures 8 à 10. En variant les surfaces de section des trous 20, on peut changer la caractéristique de la soupape 17. Grâce à sa faible résistance hydraulique, une telle conception de soupape peut centre utilisée pour les plateaux à soupapes combinés à crépine. Dans ce cas, les trous pour les soupapes 17 sont pratiqués dans l'embase perforé 21 du plateau. Pour augmenter la section libre du plateau et accroître son efficacité en éliminant les zones de stagnation, les soupapes 17 sont également réalisées avec des perforations 22. les soupapes 17 sont dotées de limiteurs de rotation 23. Il est rationnel d'appliquer les plateaux décrits à soupapes et à crépine dans les appareils à vide à colonnes, qui doivent satisfaire principalement à des exigences de grande section libre du plateau et de faibles pertes hydrauliques. Le plateau à soupapes proposé, installé dans un échangeur de matière, fonctionne de la manière suivante. Aux faibles valeurs de charge de gaz, les soupapes 3 (figure 1) sont fermées et le gaz passe par les jeux formés entre les bords des trous 2 et les soupapes 3. Le liquide arrivant sur lPembase-1 du plateau passe le long de l'embase t sous forme d'un courant faiblement aéré. les soupapes 3 commencent à s'ouvrir quand le moment des forces de pression sur la soupape 3 dépasse le moment du poids de la soupape 3. Au fur et à mesure de son ouverture, la soupape 3 roule sur l'embase 1 du plateau. De ce fait, l'axe de rotation de la soupape 3 s'éloigne du centre de ladite soupape vers sa périphérie, et le couple de fermeture s'accroit. Ainsi, grtce la forme courbée de la semelle d'appui 4, la soupape 3 possède un aie de rotation qui se déplace et un couple de fermeture variable, la perte de pression sur la soupape 3 augmentant au fur et à mesure de son ouverture. les soupapes 17 (figures 8 à 10) à ouverture bilatérale fonctionnent comme les soupapes à courant direct sous de faibles charges de gaz. leur ouverture unilatérale se produit d'une façon identique. Avec l'augmentation de la charge de gaz, la soupape 17 s'ouvre sous l'effet de la pression du gaz en roulant sur l'embase 21 du plateau jusqu'à ce que ses limiteurs de rotation 23 butent contre l'embase 21, comme le montre la figure 9. Ensuite, lors de l'augnentation subséquente de la vitesse du gaz, il se produit une rotation de la soupape 17 dans le sens inverse et la soupape 17, occupe une position horizontale comme le montre la figure 10. lors d'une telle ouverture bilaterale, le gaz passant sous la soupape 17 sort des deux côtés de celle-ci, et les courants de gaz se dirigent dtes des sens opposés. La résultante des vitesses de ces courants est dirigée dans le sens assurant l'évacuation du liquide de dessus l'embase 1 du plateau. Du point de vue construction, à partir d'une position initiale donnée de l'axe de rotation de la soupape, d'une surface donnée des trous sous la semelle d'appui, et d'un poids donné de la soupape, on peut obtenir une loi prédéterminée de variation de la perte de pression sur la soupape, assurant de faibles pertes hydrauliques de pression sur le plateau et une large gae de fonctionnement stable de ce dernier. En outre, la forme cylindrique de la section transversale de la soupape, qui influe sur l'angle d'inclinaison (pr rapport à l'embase du plateau) du premier courant du gaz sortant par la soupape, permet de régler la vitesse du mouvement du mélange gaz-liquide se déplaçant le long du plateau, sans modifier le nombre de soupapes sur celui-ci Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dqns le cadre des révendications qui suivent. R-n ICATIQ. > tS 1. Plateau à soupapes pour échangeur de matière, constitué par une embase percée de trous pour le passage d'un gaz et obturés par des soupapes dotées d'éléments de limitation de leur levée, et caractérisé en ce que chaque soupape possède une semelle d'appui faisant saillie d'un côté au-delà du trou à obturer correspondant, et courbée de façon que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers embase, de manière que la phase initiale d'ouverture de la soupape se réalise par roulement de sa semelle d'appui sur l'embase. 2. Plateau à soupapes conformément à la revendication 1, caractérisé en ce que chaque soupape est réalisée en forme d'une lamelle, et en ce que toute la lamelle de la soupape est courbée de façon que sa section transversale ait une forme cylindrique dont le côté bombé est orienté vers l'embase. 3. Plateau à soupapes conformément à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie de l'embase coopérant avec la semelle d'appui de la soupape est repliée sous un certain ongle vers le bas de façon qu'elle ait, au point de son contact avec la soupape en position fermée, une tangente commune avec cette dernière. 4. Plateau à soupapes conforrérent à la revendication 3 caractérisé en ce que ladite partie repliée de l'embase, coopérant avec ladite semelle d'appui, est percée de trous pour le passage du gaz. 5. Plateau a soupapes conformément à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de embase coopérant avec la semelle d'appui de la soupape est enfoncée par rapport au reste de l'embase de façon que la semelle d'appui ne dépasse pas au-delà de l'embase du plateau, lorsque la soupape est fermée.