Brevet FR2295770A1 — publié le 19760723

L'invention concerne une colonne réalisant le contact phase liquide - phase vapeur ou gazeuse en vue d'un transfert de matière lors d'opérations ayant pour but un échange de matière entre ces phases comme la distillation, la rectification, l'absorption et la désorption, le transfert de matière s'effectuant sous des vitesses de vapeur ou de gaz élevées. Les colonnes à plateaux connues jusqu'^a présent fonctionnent surtout en mettant en contact, sur un plateau, liquide et vapeur. Dans cette opération les plateaux que l'on a lthabi- tude de placer horizontalement, les uns au-dessus des autres, et qui occupent toute. la section droite de la colonne, ne permettent pas de réaliser l'écoulement dans le mdme sens du liquide et de la vapeur ou du gaz sous des vitesses de vape#ur élevées. Etant donné la nécessité de faire en sorte que la vapeur ascendante n'entrain que le moins possible de liquide en passant d'un plateau à l'autre, seules sont utilisables des vitesses de vapeur très moyennes si l'on veut éviter d'abaisser le rendement de 11 échange de matière et de l'échange calorifique. Le brevet de la République Fédérale d'Allemagne NO 2220868 décrit comment on peut parvenir, en montant entre deux plateaux un garnissage fait de paquets de fils métalliques, à une augmentation de 70 ,' de la vitesse de la vapeur par rapport à la vitesse obtenue avec les plateaux connus à cloche de barbotage ou à tamis. Ces paquets métalliques de garnissage, qui se combinent simplement avec les plateaux d'échange usuels, sont suspendus à des barres montées croisées dans la colonne de façon telle que le tissu métallique descende vers le bas en différents points ou suivant différentes lignes. Avec des plateaux équipés de cette sorte, on obtient une augmentation de la puissance de séparation, car ltentrainement de liquide d'un plateau au plateau situé immédiatement au-dessus de lui se réduit alors considérablement. Un inconvénient majeur présenté par ce système est toutefois que le liquide séparé dans les paquets métalliques de garnissage s'écoule vers le bas, c'est-à-dire en sens contraire de la vapeur ascendante. Avec cette solution, il n'est pas possible de réaliser, surtout aux vitesses de vapeur élevées, un cycle fermé vapeur-liquide dans une zone déterminée sans subir l'influence négative d'effets perturbateurs, l'égouttage de la vapeur par exemple. Il en résulte une réduction de la puissance de séparation ainsi qu'une limitation de la vitesse de la vapeur. On connatt aussi dans leur principe d'autres solutions où liquide et vapeur s'écoulent dans le même sens à vitesse élevée, le mélange vapeur-liquide étant amené à des dispositifs de contact de forme tubulaire disposés sur les plateaux. A l'intérieur de ces dispositifs de contact, sont montés à demeure des roues à ailettes, jouant le rdle de déflecteurs et qui, en fonctionnement, ont un effet de centrifugation. Amenées mélangées au dispositif de contact, phase liquide et phase vapeur s'y séparent de façon appropriée sous l'action de la force centrifuge. Des dispositifs de ce genre font l'objet, par exemple, du brevet des Etats-Unis 2 808 897 ainsi que des brevets néerlandais 6 407 227 et 6 502 450.Ils n'ont pas toutefois jusqu'à présent trouvé une utilisation économique à l'échelon industriel, les réalisations techniques requises pour cette opération de séparation étant trop onéreuses. Autre élément défavorable à l'échange de matière : du fait de la surface réduite des ailettes des roues, l'équilibre des phases se réalise rapidement, rendant impossible un échange intensif. L'invention a pour but la création d'un dispositif de contact avec lequel on obtient aux vitesses de vapeur élevées un débit par unité de surface largement supérieur à celui des dispositifs connus, un transfert de matière important entre phase liquide et phase vapeur, ainsi qu'une diminution des pertes de charge dues aux changements de direction trop accentués de la vapeur. L'invention se propose de réaliser la dispersion à grande vitesse de vapeur de la phase-liquide et de la phase vapeur par le montage de dispositifs appropriés, les deux phases s'écoulant d'abord dans le même sens, puis étant séparées l'une de l'autre par des moyens adaptés au but recherché, le liquide sans revenir en contact avec les phases ascendantes, étant alors dirigé vers le bas, cependant que la vapeur se dirige vers le haut sans déviation d'écoulement notable. Ce résultat est obtenu du fait que les dispositifs de dispersion, qui s'étendent horizontalement sur toute la section de la colonne, n'ont aucune communication avec les cheminées de reflux liquide disposées perpendiculairement à la section droite de la colonne, et du fait que seuls les paquets de fils métalliques disposés en pente au-dessus des dispositifs de dispersion sont raccordés par leur bord inférieur à ces cheminées pour permettre le reflux liquide. Les perforations des dispositifs de dispersion occupent 15 à 50 % de leur surface. Une caractéristique de construction essentielle de l'invention est que les cheminées de reflux liquide traversent non seulement le dispositif de dispersion situé immédiatement au-dessous des paquets métalliques, mais aussi, au niveau de leur crête, les paquets métalliques de l'étage situé immédiatement au-dessous, ces cheminées débouchant ensuite dans une gouttière de retenue montée sur le dispositif de dispersion du dernier étage nommé. Les cheminées de reflux liquide occupent donc des positions décalées par rapport à la verticale d'un étage à un autre. Les cheminées de reflux liquide peuvent de plus, si on le désire, dtre raccordées à des sections annulaires fixées à la paroi de la colonne. Les perçages dont sont dotés les dispositifs de dispersion peuvent recevoir une forme quelconque appropriée au cas d'emploi et être disposés en pente. Ils peuvent aussi dtre recouverts d'éléments montés à demeure ou amovibles. Grâce à la disposition particulière des dispositifs de dispersion, des paquets de fils métalliques et des cheminées de reflux liquide, il est possible de réaliser l'échange de matière entre la vapeur et le liquide sous de hautes vitesses de vapeur en flux continu. Le liquide, séparé dans les paquets de fils métalliques par effet de chicanes, reflue vers le bas en utilisant les cheminées et, du fait de la disposition réciproque particulière des paquets et des cheminées, ne revient plus en contact avec le flux établi entre paquet et dispositif de dispersion. La phase vapeur s'écoule sans déflexion vers le dispositif de dispersion suivant et gagne la tête de colonne au travers du système. L'invention sera maintenant expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution illustré par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une coupe longitudinale de la colonne de contact avec 4 dispositifs de dispersion, - la figure 2 est une vue en plan de la colonne de la figure 1, plans de coupe A-A et B-B, sans représentation d'un dispositif de raccordement des cheminées de reflux liquide, - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un dispositif de dispersion à perforations inclinées, - la figure 4 est une coupe en plan de la colonne de la figure 1, plan de coupe B-B, avec représentation d'un dispositif possible de raccordement des cheminées de reflux liquide aux segments annulaires, et - la figure 5 est une coupe de la colonne de la figure 1 selon le plan C-C avec représentation d'un dispositif possible de raccordement des cheminées de reflux liquide aux segments annulaires. La colonne de contact comporte pour l'essentiel un certain nombre de dispositifs de dispersion 1 fixés dans une colonne, dispositif de dispersion présentant un fort pourcentage de perforations, de préférence de 15 à 50 %, horizontalement réparties et de la forme géométrique désirée, celle d'une lumière de 3 à 6 mm de largeur par exemple, ou une forme circulaire. Suivant le cas d'emploi, ces perforations peuvent dtre partiellement recouvertes d'éléments montés à demeure ou amovibles. Une pente peut également être donnée à la perforation (fig. 5). Parallèlement aux dispositifs de dispersion 1 est monté, à une distance déterminée, un garnissage de paquets de fils métalliques, chaque paquet faisant avec l'horizontale un angle alpha de 30 à 750 et ayant une hauteur de 10 à 150 mm, de préférence de 30 à 80 mm. Un paquet comporte plusieurs couches de fils se chevauchant en général à une distance de 1 à 3 mm. Chaque paquet de fils métalliques est en liaison par son bord inférieur 3 avec une cheminée de reflux liquide 5, laquelle traverse sans aucun débouché sur eux, le dispositif de dispersion 1 situé au-dessous du paquet de fils métalliques 2 et le paquet 2 de l'étage du dessous (traversé à sa partie supérieure 4). Pour permettre au reflux liquide (rétrogradation) de s'effectuer, les cheminées ne débouchent pas, vers le bas, sur le dispositif de dispersion situé un étage plus bas, et dans une gouttière de retenue 6, d'où le liquide de reflux gagne le dispositif de dispersion par le déversoir 7. Ce déversoir peut présenter un bord supérieur dentelé. Pour un meilleur brassage du liquide, il est apparu utile de raccorder lestcheminées de reflux liquide 5 aux segments annulaires 8 (fig. 4 et 5) fixés directement à la paroi de la colonne. Le fonctionnement de la colonne de contact résulte de la disposition spéciale des éléments décrits plus haut : dispositif de dispersion 1, paquet de fils métalliques 2 et cheminée de reflux liquide 5. Pour une vitesse de vapeur élevée et prédéterminée (de préférence de 3 à 15 m/s) dans la section de passage de la colonne, on obtient, à la pression atmosphérique et pour un taux de perforation des dispositifs de dispersion 1 de 15 à 50 5', une dispersion de la vapeur et du liquide. Le mouvement de même sens des phases liquide et vapeur qui s'établit d'abord (à des vitesses élevées) et la répartition favorable des gouttelettes qui en résulte dans l'écoulement permettent l'obtention d'un bon transfert de matière. Dans les paquets de fils métalliques 2 équipant les dispositifs de dispersion 1, les gouttelettes de liquide subissent dans leur mouvement ascendant l'effet séparateur du système de fils et la disposition en pente des paquets 2 favorise l'écou- lement des gouttelettes vers le bord inférieur de ces paquets. Etant donné que pour chaque cas d'utilisation, chaque paquet 2 amène par son bord inférieur 3 du liquide à une cheminée de reflux liquide 5, ce liquide, après avoir quitté le bord infé- rieur 3 du paquet 2, traverse par la cheminée le dispositif de dispersion 2 immédiatement inférieur ainsi que le paquet se trouvant sous ce dernier pour parvenir à une coupelle de retenue 6 installée sur le dispositif de dispersion de l'étage immédiatement inférieur. Du fait de cette disposition spéciale des cheminées de reflux liquide 5, le liquide de rétrogradation ne vient plus en contact avec le flux établi entre les dispositifs de dispersion 1 et les paquets de fils métalliques 2. Il est utile de monter, aux emplacements où débouchent (vers le bas) les cheminées de reflux liquide 5, des gouttières de retenue à bord droit ou dentelé pour assurer une répartition uniforme du liquide sur tout le dispositif de dispersion 1. La phase vapeur sortant suivant cette technique, de chaque paquet de fils métalliques 2, s'écoule en mouvement ascendant sans subir de déflexion important et est amenée au dispositif de dispersion 1 placé immédiatement au-dessus du paquet 2, ou à la tête de colonne. En évitant de dévier le flux de vapeur, on ramène les pertes de charge aux grandes vitesses à un niveau relativement bas. En utilisant une autre possibilité de construction, on parvient à donner au reflux liquide, avec l'aide de la vapeur, une direction déterminée. A cet effet, les perforations des dispositifs de dispersion 1 (fig. 3) reçoivent une position inclinée. De telles perforations inclinées guident le liquide dès sa sortie du déversoir et permettent la séparation d'une portion plus forte de liquide dans les paquets 2 au voisinage des cheminées de reflux liquide 5. Lorsque l'on utilise une disposition parallèle de plusieurs cheminées de reflux liquide (analogue à celle des figures 1 et 2), le liquide peut par exemple, en vue du soutirage d'un courant latéral, n'être que partiellement mélangé sur le dispositif de dispersion 1. Un effet supplémentaire de mélange sur le dispositif de dispersion 1 se réalise facilement en raccordant la cheminée de reflux liquide 5 avec les segments annulaires 8 (fig. 4) montés directement sur la paroi de la colonne. De façon analogue, d'autres cheminées 5 disposées parallèlement (fig. 5) peuvent être raccordées aux segments annulaires 8. L'exemple d'utilisation suivant confirme l'avantage que présente l'utilisation de la solution conforme à l'invention. Dans une colonne réalisant la distillation atmosphérique de pétroles bruts, il est possible d'obtenir, dans la section de passage de la colonne, une vitesse de vapeur maximale de 1 à 1,5 m/s en prenant le cas d'une densité de vapeur égale à 6 kg/m3. Avec la colonne proposée par l'invention, on peut obtenir dans la section de passage des vitesses maximales de 4 à 8 m/s suivant les pertes de charge admissibles. Cela signifie que dans une installation de raffinage d'huiles brutes d'une capacité annuelle de 6 millions de tonnes, la colonne de distillation atmosphérique classique doit avoir 8 m de diamètre, alors qu'avec le dispositif conforme à ltinvention, une colonne de 3,6 i de diamètre suffit. REVENDICATIONS 1. Colonne réalisant le contact phase liquide - phase vapeur ou phase gazeuse en vue d'un transfert de matière sous des vitesses de vapeur ou de gaz élevées, dans laquelle sont montés dans des plans horizontaux, les uns au-dessus des autres, des dispositifs de dispersion s'étendant sur toute la section de la colonne et, entre ces dispositifs de dispersion, en certains points ou suivant certaines lignes; des séparateurs de liquide constitués par des paquets de fils métalliques, paquets disposés dans des plans inclinés, caractérisée par le fait que les paquets métalliques (2), qui s'étendent sur la totalité de la section de la colonne, sont équipés de cheminées de reflux liquide (5) disposées perpendiculairement à la section droite de la colonne, cheminées pouvant recueillir le liquide sur le bord inférieur (3) des paquets métalliques (2) à travers le dispositif de dispersion (1) situé immédiatement au-dessous du bord précité et à travers la partie supérieure (4) du paquet métallique (2) de l'étage immédiatement inférieur et débouchant vers le bas dans une gouttière de retenue (6). 2. Colonne de contact selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les paquets métalliques (2), dont les couches de fils sont séparées d'une distance moyenne de 1 à 3 mm, ont une hauteur de 10 à 150 mm, de préférence de 30 à 80 mm et un angle d'inclinaison alpha par rapport à l'horizontale de 30 à 750. 3. Colonne de contact selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les cheminées de reflux liquide (5) disposées perpendiculairement à la section droite de la colonne, débouchent dans des sections annulaires (8) fixées à la paroi de la colonne. 4. Colonne de contact selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le dispositif de dispersion (1) présente des perforations sur 15 à 50 5' de sa surface.