Brevet FR2267812A1 — publié le 19751114

La présente invention concerne un nouveau plateau pour colonne de contact entre des liquides et des gaz ou vapeurs dans lesquelles des liquides et des gaz circulent à contre-courant. On a développe différents types de colonnes dites à plateaux. Ces plateaux peuvent se présenter sous plusieurs formes. Par exemple ils peuvent être constitués par un plateau perforé ou pår une grille comportant un certain nombre de barreaux parallèles. Ce dernier type de plateaux permet le traitement d'importants débits de matière et il présente en outre l'avantage d'une grande simplicité. De plus, de tels plateaux sont aisés à fabriquer, robustes et s encrassent peu. Mblheuregsement ces plateaux présentent certains inconvénientX L'un de ceux-ci résulte du fait que pour obtenir un bon fonctionnement de la colonne on a intérêt à retenir le liquide sur Ie.pla- teau tout en autorisant le gaz à pénétrer au maximum afin d1obte- nir un meilleur contact. Or lton a observé en particulier que si les dimensions des orifices par lesquels passent le liquide et le gaz sont trop im portantes,#le contact entre les deux phases liquide et gazeuse est très mauvais En outre le liquide a tendance à s1 écouler par places, le plateau se vidant brusquement sans raison apparente. Pour éviter cet inconvénient on a songé à utiliser des onfi- ces de faibles dimensions mais alors on encourt le double risque d'une augmentation de la perte de charge et dlun engorgement de la colonne. Par ailleurs la fabrication de ces orifices est particulièrement délicate. On a aussi proposé, dans le brevet français 885.545, pour des plateaux pourvus d'ouvertures pour le passage des gaz et des vapeurs, à travers le plateau, dans la couche de liquide ruisselant sur le plateau, des ouvertures en forme de fente allant ou se re- trécissant dans la direction de 1 T entree des vapeurs de gaz et en s1 élargissant dans la direction de sortie. Une telle solution s'applique à des plateaux pour colonnes dans lesquelles le liquide s1 écoule par une extrémité prévue à cet effet, c'est-à-dire pour des plateaux à déversoir, pour lesquels la surface libre est faible, et pour lesquels il nty a pas de circulation à contre-courant du liquide et des gaz en vapeurs dans lesdites ouvertures. Mais de tels plateaux sont d'une capacité plus faible et sont difficiles à fabriquer. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait ltobjet de la présente invention que lton pouvait pallier ces divers inconvénients grâce à un plateau présentant des ouvertures de passage dans lesquelles circulent à la fois et à contre-courant, le liquide et le gaz ou la vapeur, de plus grande section dans sa partie inférieure que dans sa partie supérieure, caractérisé par le fait que lesdites ouvertures de passage comportent au moins à leur partie supérieure, une zone de passage à paroi sensiblement verticale, suivie dans sa partie inférieure d'une zone d'élargissement. Par la suite, pour la commodité du langage, on appellera "zone active" la zone de passage à paroi sensiblement verticale. Les dimensions de la zone active et de la zone d1élargisse- ment dépendent en partie des dimensions du plateau et de la nature du liquide considéré. Mais l'on a observé que de façon inattendue sa présence en amont de la zone d'élargissement permet d'augmenter la plage de fonctionnement de la colonne, d'éviter les risques de siphonaWge accidentels du plateau dûs à I1 évacuation inopinée du liquide par une ouverture de passage et de diminuer de façon appréciable la perte de charge par plateau. Par plage de fonctionnement on entend la plage à laquelle il se produit une rétention du liquide sans qu'il y ait engorgement de la colonne, point pour lequel le liquide d'un plateau est empêché de s'écouler sur le plateau suivant. Par ailleurs une longueur suffisante de la zone active permet de rendre négligeables les effets de la corrosion et de l'abrasion. De façon générale cette zone active doit avoir une longueur comprise entre 1 et 15 mm, et avantageusement comprise entre 2 et 7 mm. De préférence le diamètre équivalent de la zone active doit etre compris entre 4 et 20 mm. Par diamètre équivalent-on entend le rapport de quatre fois la surface d'une section au périmètre de ladite section. La surface libre du plateau doit être de l'ordre de 5 à 25 %. La zone d'élargissement doit présenter une longueur suffisante pour permettre une accéRtation progressive du gaz en lui faisant subir une perte de charge aussi réduite que possible. De plus sa configuration doit être telle qu'elle favorise l'écoulement du gaz dans la zone active. Le plateau peut être en toute matière connue telle que métal, plastique, carbone, céramique, etc... De façon avantageuse la présente invention, qui permet d'éliminer la plupart des risques de corrosion, autorise l'emploi de matériaux tels que le graphite. Dans ce cas on peut usiner le plateau d'un seul bloc ou en quelques modules ce qui présente encore l'avantage de minimiser les problèmes de pose, de dépose et d'étanchéité des plateaux sur la colonne. Comme déjà dit, les ouvertures peuvent être constituées par les espacements ménagés entre des barreaux de formes telles qu'ils répondent aux caractéristiques de l'invention. Ces espacements peuvent en particulier être constitués par des barreaux prismatiques. Lesdites ouvertures peuvent aussi être constituées par des trous, de formes géométriques simples, telles que cylindriques. Mais la présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants donnés à titre illustratif 5 mais non limitatif. La figure I est une représentation schématique d'une colonne de contact munie de plateaux. La figure 2 est une vue de dessus d'un plateau à fentes. La figure 3 est une vue de dessus d'un plateau perforé. Les figures 4, 5, 6 et 7 représentent en coupe diverses configurations d'ouvertures selon la présente invention. La figure 8 représente une vue d'une configuration en grille. La figure 9 illustre un mode de réalisation sans zone active. La figure 10 schématise une maquette représentant un élément différentiel de colonne. La figure 1 représente une colonne (I) munie de plateaux tels que (2). Par exemple dans le cas d'un fonctionnement en distillation en continu, l'alimentation se fait en phase liquide ou vapeur par un conduit (4). Les vapeurs proviennent par un conduit (6)d'un bouilleur non représenté, elles s'échappent en tête par un conduit (5) vers un condenseur également non représenté. Le liquide de reflux est introduit par un répartiteur (3). Distillat et résidu sont soutirés respectivement du condenseur et du bouilleur. Un hublot (7) permet d'observer la marche de la colonne. La figure 2 représente en vue de dessus un plateau circuBEMe (8) pourvu d'ouvertures en forme de fentes telles que (9) et (10) espacées par une plage (11). La figure 3 schématise une autre forme de réalisation selon laquelle les ouvertures sont constituées par des orifices sensiblement circulaires tels que (12) et (13), répartis uniformément. La figure 4 donne une vue en coupe d'un mode de réalisation de ces ouvertures selon laquelle l'ouverture est constituée par une zone active (14) à paroi verticale laquelle est suivie d'une zone d'élargissement comprenant une partie supérieure (15)tronconique et une partie cylindrique (16). La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'une ouverture comprenant une zone active (17) suivie d'une zone d'élargissement à élargissement progressif cintrée (18). La figure 6 est une vue en coupe d'un mode de réalisation selon lequel une zone active (19) est suivie d'une zone d'élargissement (20) à paroi oblique. La figure 7 illustre un mode de réalisation d'ouvertureasymé- trique comprenant une zone active (21) dont une partie de la paroi (22) présente un angle supérieur (23) légèrement arrondi. Par ailleurs la zone d'élargissement présente une paroi (24) plus oblique que la paroi opposée (25). La figure 8 schématise une forme de réalisation en forme de fentes telles que (26) constituées par l'espace compris entre deux barreaux, soit rapportés, soit taillés dans la masse, dont la section correspond à celle représentée par la figure 6. Bien évidemment une telle section peut également être conforme à l'une des figures 4 ou 5. La figure 9 illustre un plateau non conforme à l'invention utilisé pour faire des essais-témoins et dont l'ouverture est constituée par une zone d'élargissement (27) non précédée par une zone active. La figure 10 illustre une maquette représentant un élément différentiel de colonne Celle-ci présente une colonne (28) munie d'un plateau (29) pourvu de fentes (30). Le gaz est alimenté à partir d'un réservoir (31) par un conduit 82) et son débit est réglé par un débimètre (33). Le liquide provenant d'une source non représentée voit son débit réglo par un débimètre (34) jusqu'à un réservoir (35) d'où il s'échappe pour pénétrer dans la colonne. Les exemples suivants ont pour but d'aider à la compréhension de l'invention-et d'en illustrer les avantages. EXEMPLE 1 On réalise un essai au moyen d'une colonne selon la figure 1, équipée de cinq plateaux à fentes selon la figure 2 de section correspondant à la figure 4, d'un diamètre de 480 mm, présentant une surface libre de 18,50 %, de largeur de fentes égale à 3,5 mm et de longueur de zone active égale à 5 mm. Ltépasseur totale du plateau est de 60 mm. Les conditions opératoires sont les suivantes : le bouilleur de la colonne (1) est chargé en trichloroéthylène liquide. L'on porte la colonne à un régime à reflux total soit un rapport massique liquide/gaz (L/G) = 1, le débit liquide étant fixé à 1 m3/heure. On remarque par le hublot (7) qu'il y a accumulation du liquide et formation d'une bonne émulsion. La rétention a lieu lorsque la vitesse des gaz dans le fût vide est éga-le à 0,41 m/seconde. La perte de charge correspondante est de 27 mm d'eau par plateau. Cette perte de charge croit régulièrement jusqu'à ce que se produise l'engorgement qui a lieu pour une vitesse du gaz égale à 1,45 m/s. et la perte de charge correspondante est égale à 48mm d'eau On observe que la capacité du plateau est de 0,93 m/s. et sa souplesse de 3,53. Par capacité on entend la vitesse du gaz ramende à la surface totale de la section de la colonne au point nominal ; lequel est défini comme le milieu de la plage de fonctionnement pour une valeur du rapport L/G constante. Par souplesse on entend le rapport entre les vitesses UE des gaz à l'engorgement, et UR des gaz à la rétention, ramenée à la surface totale de la section de la colonne. EXEMPLE 2 Le dispositif employé est identique à celui décrit dans l'exemple 1. Les conditions opératoires sont également les mêmes sauf que le trichloroéthylène est alimenté par le conduit (4), et que le taux de reflux est égal à 0,5, le rapport massique liquide/ gaz est égal à 0,66, le débit liquide est de 0,5 m3/h. La rétention a- lieu pour une valeur de la vitesse des gaz égale à 0,45 m/seconde. La perte de charge correspondante est de 23 mm d'eau. L'engorgement se manifeste pour une valeur de la vitesse des gaz égale à 1,71 m/s. La perte de charge correspondante est égale à 47 mm d'eau. La capacité est de 1, 08 m/s. La souplesse de 3,8. EXEMPLE 3 Le dispositif employé est identique à celui décrit dans l'exemple 1. Mais on utilise comme liquide de l'eau, et comme gaz de l'air. Le rapport massique L/G est égal à 1. Le débit liquide est égal à 1,8 m3/heure. La rétention a lieu pour une valeur de 1,62 m/s. La perte de charge correspondante est de 16 mm d'eau. L'engorgement a lieu pour une valeur de la vitesse des gaz égale à 2,65 m/s. La perte de charge correspondante est de 41 mm d'eau. La capacité est de 2,14 m/s. La souplesse est de 1,63. EXEMPLE 4 Cet exemple est identique au précédent sauf que le rapport massique L/G est égal à 10 Le débit liquide est égal i 8,8 m3/h. Les résultats obtenus sont les suivants - rétention : 0,8 m/s, - perte de charge : 10 mm d'eàu, - engorgement : 1,3 m/so, - perte de charge correspondante : 53 mm d'eau, - capacité : 1,05 m/s, - souplesse : 1,62. EXEMPLE 5 Afin de montrer is avantages apportés par la présente invention, on a effectué le test suivant qui met en évidence les facteurs de -souplesse et de capacité, facteurs essentiels au bon fonctionnement d'une colonne. Ce test est effectué au moyen du dispositif illustré figure 10. La colonne (28) est un colonne prismatique à section rectangulaire de 117 mm sur 20 mm et est munie d'un plateau (29) pourvu de trois fentes telles que (30). Le test est effectué en prenant comme liquide l'eau et comme gaz l'air. Afin de bien montrer la représentativité du test, on renouvelle les conditions de l'exemple 3 ; y compris le type de plateau L'on observe que la rétention a lieu pour une valeur de -vi tesse du gaz de 1,66 m/s. et l'engorgement pour une vitesse du gaz de 2,77 m/s. Le facteur de capacité est égal à 2,22 m/s et le facteur de souplesse est de 1,66 On voit donc que les écarts avec un fonctionnement dans une colonne industrielle sont faibles et que l'on peut considérer les résultats obtenus, en valeur relative, comme parfaitement représentatifs. On effectue alors deux séries d'essais l'une avec un plateau muni de fentes telles que dans les exemples 3 et 4, c'est-à-dire selon 11 invention, et l'autre avec un plateau muni de fentes non conformes à l'invention et illustrées figure 9, présentant la meme surface libre. Les résultats obtenus avec le plateau selon l'invention sont résumés par le tableau 1 suivant TABLEAU 1 B L E AU 1 L/G UR UR en m/s UE en m/s Capacité en:#Soupl m/s et 0,5 1,94 3,33 2,63 : 1,71 ( 1 : 1,66 : 2,77 : 2,22 : 1,66 ) ( : : : : ) Les résultats obtenus avec un plateau non conforme à l'invention sont résumés par le tableau Il suivant TABLEAU 2 L/G UR UE Capacité Souplesse E . ) en m/s : en m/s en m/s ) ( 0,5 1,66 2,77 2,22 1,66 3 t 1 : 1,59 : 2,40 : 2,# 1,51 Ces essais montrent donc clairement l'intérêt de la présente invention qui améliore sensiblement la capacité et la souplesse des colonnes et permet donc des gains non négligeables. De plus, ce type de plateau autorise une utilisation aussibien en colonnes à distiller qu'en colonnes à absorption. Enfin la concePtion simple de ces plateaux permet une réalisation économiquement intéressante. REVENDICATIONS 1. Plateau pour colonnes de contact présentant des ouverturesx de passage dans lesquelles le liquide et le gaz circulent à contrecourant,de plus grande section dans sa partie inférieure que dans sa partie supérieure, caractérisé par le fait que lesdites ouvertures de passage comportent au moins, à leur partie supérieure, une zone de passage à paroi sensiblement verticale, suivie dans leur partie inférieure d'une zone d'élargissement. 2. Plateau selon la revendication 1,caractérisé etbe que la zone de passage à paroi verticale a une longueur comprise entre 1 et 15 mm et avantageusement entre 2 et 7 mm. 3. Plateau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sa surface libre est comprise entre 5 et 25 % de sa surface totale. 4. Plateau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone de passage à paroi sensiblement verticale présente un diamètre équivalent compris entre 4 et 20 min. 5. Plateau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ouvertures de passage sont constituées par des fentes. 6. Plateau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ouvertures de passage sont constituées par des perforations ménagées dans l'épaisseur du plateau. 7. Plateau selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est en carbone. 8. Plateau selon la revendication 7,caractérisé en ce que les ouvertures de passage sont constituées par des# conduits usinés dans sa masse