Brevet FR2334394A1 — publié le 19770708

L'invention concerne ltéquipement pour la réalisation des processus d'échange thermique et de masse entre gaz et liquide et, notamment, les plateaux de contact utilisés dans les colonnes verticales de rectification d'absorption, de lavage et de contact dans lesquelles le liquide se déplace de haut en bas et# se met en contact avec le gaz ascendant dans la colonne. Le plateau de contact proposé peut etre utilisé d'une façon la plus avantageuse dans les colonnes d'échange de masse destinées à séparer des mélanges qui sont thermiquement instables, des mélanges polymérisables ou des mélanges qui tendent à entrer en réactions chimiques indésirables > c' est-a-dire lorsqu'il est nécessaire- d'assurer un séjour de courte durée du liquîde#dans l'appareil. On connaît un plateau de contact pour les appareils à colonne. destinés à réaliser- les processus d'échange thermique et de masse entre le gaz et le liquide, et réalisé. sous forme d'un disque rond percé des ouvertures servant à laisser passer le gaz et dont les bords ont des visières en arc disposées de sorte à faire diriger les courants de gaz passant à travers les ouvertures tangentiellement et sous un certain angle par rapport au disque et d'un catie. (voir brevet des Etats-Unis d'Amérique na 3.045.989). Ce plateau de contact se différencie par la simplicité de sa construction, par une faible résistance hydraulique et n'exige que peu de métal pour sa fabrication. Les plateaux dans l'appareil à colonne sont montés les uns au-dessus des autres et le liquide arrivant dans la cuve de réception centrale de plateau, depuis le plateau superposé; se trouve entraîné par les courants de gaz tangentiels montant vers le haut dans l'appareil- à colonne et passant à travers les-ouvertures des plateaux, et est animé, par suite de l'interaction avec le gaz, d'un mouvement radial circulaire depuis le centre vers la périphérie où il est versé dans une poche annulaire prévue sur la partie périphérique du plateau pour être renvoyé de cette dernière sur le plateau monté plus bas, et ainsi de suite. Ledit plateau de contact permet d'utiliser de hautes charges en liquide et en gaz en assurant avec cela, un contact intime des phases et une haute efficacité dtéchange thermique et de masse entre les phases. Cependant, les plateaux de contact connus n'assurent le fonctionnement efficace et stable que dans une étroite plage de charges en liquide et en gaz et ne permettent pas une répartition uniforme des courants de liquide et de gaz suivant la section du plateau, ce qui provoque la formation d'ondes dans le courant de liquide en rotation et, par conséquent, la réduction brusque de l'efficacité de l'échange de masse. Les inconvénients constatés des plateaux de contact en question se voient s'aggraver, surtout avec l'accroissement du diamètre de la colonne. A causa des inconvénients cités, les plateaux de contact mentionnés ci-dessus n'ont pas trouvé de large application à l'industrie. L'invention a pour objet de mettre au point un tel plateau de contact pour les appareils a colonne destinés à réaliser les processus d'échange thermique et de masse entre le liquide et le gaz qui assurerait un fonctionnement stable et efficace de l'appareil dans une large plage des charges en liquide et en gaz, une répartition uniforme des courants de liquide et de gaz suivant la section du plateau, ce qui augmenterait l'efficacité de l'échange de masse, et un accroissement de l'efficacité de l'échange thermique et de masse avec l'augmentation du diamètre de la colonne. On arrive à résoudra ce problème du fait que, dans le plateau de contact pour Les appareils å colonne destinés à réaliser les processus d'échange thermique et de masse entre gaz et liquide, réalisé sous forme d'un disque rond percé d'ouvertures servant a laisser passer le gaz, dont les bords ont les visières en arc disposées de sorte à diriger les courants de gaz passant å travers les ouvertures tangentiellement par rapport au disque et sous un certain angle a sa surface d'un côte, selon l'invention, sur la surface du disque destinée a recevoir le liquide, sont fixés les déflecteurs courbés en forme de spirale d'Archimède, divergeant depuis le centre du disque et dans la direction correspondant a celle des courants de gaz imposée par les visières en arc. Grâce à l'utilisation des déflecteurs dans le plateau de contact proposé on obtient un tourbillonnement supplémentaire du gaz et du liquide, une dispersion du liquide, une augmentation et un renouvellement à plusieurs reprises de la surface interphase > ca qui aboutit a l'intensification d'échange thermique et de masse entre les phases et å l'élévation de l'efficacité de l'échange thermique et de masse entre les phases. En plus, grâce a l'effet produit par les déflecteurs on arriva à supprimer la formation d'ondes dans le courant de liquide en rotation. L'exécution des déflecteurs sous forme de spirales d'Archi- mède assure une largeur constante du front du courant de liquide en rotation entre les déflecteurs voisins, ce qui contribue a la répartition uniforme des courants de liquide et de gaz suivant la section du plateau de contact et amène à l'élévation de l'efficacité du processus. Grâce aux variations des paramètres de la spirale d'Archi-- mède et de la hauteur des déflecteurs, on peut prévoir l'efficacité acquise d'échange thermique et de masse entre les phases en fonction du rapport des charges en gaz et en liquide. Ainsi, par exemple, pour le cas de très faibles charges en liquide et de très hautes vitesses du gaz (dans les conditions de la rectification sous vide) on peut augmenter l'efficacité de l'échange de masse du plateau de contact (efficacité Merfri) de 1,3 a 1,5 fois par rapport à la version sans déflecteurs, par suite de l'utilisation des déflecteurs sous forme de spirale d'Archimède ayant certains paramètres. De plus, au cas où-les charges spécifiques en liquide sont très grandes et les vitesses du gaz très faibles (dans les conditions de rectification d'extraction), lorsque l'énergie cinétique du gaz est insuffisante pour la mise en rotation du liquide, I'utilisationdes desdéflecteurs sous forme de spirales d'Archimède, ayant des paramètres appropriés, assure la mise en rotation supplémentaire du liquide dans le plan horizontal ce qui contribue à sa répartition uniforme suivant la section du plateau de contact et a l'élévation de l'efficacité de l'échange thermique et de masse entre le gaz et le liquide. Dans l'exposé qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples de réalisation, et du dessin annexé dont - la figure 1 représente vu , en coupe longitudinale, le plateau de contact, selon l'invention, monté dans l'appareil à colonne; - la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure I; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne 111-111 de la figure 2J à échelle agrandie; et - la figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 2, à échelle agrandie. Le plateau de contact pour les appareils a colonne} destinés -A réaliser des processus d'échange thermique et de masse entre le gaz et le liquide, est réalisé sous forme d'un disque rond 1 (figure 1, 2) percé d'ouvertutas servant à laisser passer le gaz et dont les bords ont des visières en arc 2 (figuresl, 2, 3, 4).Les visières en arc 2 sont disposées de façon b diriger les courants de gaz passant à travers les ouvertures, en direction tangentielle par rapport au disque 1 (figure 2) et sous un certain angle à la surface et d'un catie. Dans ce cas, pour les raisons #de commodité de fabrication par procédé d'estampage, il est utile de disposer les ouvertures avec des visières en arc 2 sur le disque rond 1 suivant des circonférences concentriques, En outre, les ouvertures peuvent être disposées autrement, par exemple, an 'quinconce, mais toujours de sorte à faire diriger les courants de gaz passant a travers les ouvertures, an direction tangentielle par rapport au disque 1 et sous un certain angle a sa surface. Cependant > quelle que soit la disposition des ouvertures avec les visières en arc 2 sur le disque rond 1, on doit respecter les distances égales entre les ouvertures suivant le rayon, aussi bien que suivant les circonférences du disque afin d'assurer la répartition uniforme du gaz suivant la section du plateau de contact et la symétrie des courants de gaz et de liquide sur le disque rond 1. Le disque rond 1 est fixé aux bagues d'appui 3 et 4 (figure 1). Au centre du plateau de contact se trouve une cuve de réception 5 dans laquelle arrive le liquide venant du plateau -de contact disposé plus haut. Dans la partie périphérique du plateau de contact est prévue une poche annulaire d'évacuation 6 dans laquelle coule le liquide du plateau de contact et #d'où il est dirigé vers le centre du plateau de contact disposé plus bas. Du côté du disque 1 destiné å recevoir le liquide sont fixés des déflecteurs 7 (figure 1, 2) en spirales d'Archimède, divergeant depuis le centre du disque et courbés vers le côté correspondant au sans du mouvement des courants de gaz imposé par les visières en arc 2 (figure 2) et, par conséquent, dans le sens du courant en rotation sur le plateau de contact. Le plateau de contact est monté dans L'appareil à colonne 8 (figure 1), aux parois duquel sont fixées une poche annulaire 6, destinée à l'évacuation du liquide, et des poutres d'appui servant a fixer le disque rond 1 et les bagues d'appui 3 et 4 (ne sont pas montrées sur la figure). Du côté destiné à recevoir le liquide sur le disque rond 1 peuvent être montés un ou plusieurs déflecteurs 7 en forme de spirales d'Archimède. En cas de montage de plusieurs déflecteurs 7, ils doivent être placés d'une manière symétrique afin d'assurer la répartition uniforme du courant de liquide divergeant depuis le centre vers.# périphérie du disque 1. Dans ce cas, la largeur de front du courant de liquide divergeant depuis le centre du plateau de contact vers sa périphérie, pour chacune des sections transversales formées entre les déflectaurs voisins 7, sera égale et constante depuis le centre vers la périphérie, ce qui est assuré grâce aux déflecteurs 7 réalisés sous forme de spirales d'Archimède. Cette particularité importante des spirales d'Archimède est utilisée dans le cadre de la présente invention pour assurer la répartition uniforme des courants de liquide et de gaz sur le plateau de contact. Le plateau de contact proposé monté dans l'appareil à colonne 8 destiné à réaliser les processus d'échange thermique et de masse entre le gaz et le liquide fonctionne de la façon suivante Le gaz (ou la vapeur) arrivant dans l'appareil colonne 8 d'an bas passa à travers les ouvertures munies de visières en arc 2 pour former, par conséquent, un courant de gaz (de vapeur) en tourhiilon régulier, qui entraîne le liquide arrivant du haut dans la cuve de réception centrale 5 et s'écoulant de cette dernière sur le plateau de contact. C'est ainsi qu'il se forme un courant de deux phases en rotation régulière.Dans ce cas, le liquide sur le disque rond 1 se trouve animé d'un mouvement radial circulaire dans le plan horizontal depuis le centre vers la périphérie du disque 1 et s'écoule dans la poche annulaire d'évacuation 6, tandis que le gaz (ou la vapeur), en mouvement hélicoïdal, se dirige vers le haut sous le plateau disposé au-dessus, et ainsi de suite.Le courant de deux phases an rotation se trouve renvoyé par les déflecteurs 7 courbés en forme de spirales d'Archimède, il en résulte un tourbillonnement supplémentaire des courants de gaz (de vapeur) et de liquide, une dispersion du liquide, -un renouvellement a plusieurs reprises et un accroissement de la surface interphase, ce qui provoque une intensification de l'échange thermique et de masse dans les phases et une élevation de l'efficacité de l'échange de massa du plateau de contact (effi cacité Merfri).Du fait que le sans de la courbure des déflecteurs 7 réalisés sous forme de spirales d'Archimède coïncide avec la direction du courant divergeant de dehl-phases depuis le centre vers la périphérie et animé d'un mouvement de rotation régulier, le liquide se déplace sans subir un brassage longitudinal, ce qui contribue à l'accroissement des gradients de concentra tions- dans- la phase liquide et de la force- motrice du processus d'échange de masse an provoquant, par conséquent, l'élévation de l'efficacité de l'échange de masse du plateau de contact.La largeur constante de front du courant de liquide, divergeant entre les déflecteurs voisins 7 et depuis le centre vers la périphérie du disque rond 1 favorise la répartition transversale uniforme du courant de liquide suivant la section du plateau de contact et, donc, la répartition uniforme du courant de gaz (de vapeur) suivant la section du plateau de contact, ce qui aussi, comme il est contenu, aboutit a l'élévation de l'efficacité de l'échange de masse du plateau de contact. On arriva a obtenir une efficacité optimale du plateau de contact en augmentant le nombre de déflecteurs 7 montés sur le disque rond 1 et en choisissant convenablement les paramètres des spir#ales d'Archimède en fonction des débits concrets du gaz (de vapeur) et du liquide. Avec cela, il faut tenir compte de ce que le grand nombre de déflecteurs 7 nécessita plus de métal pour la fabrication du plateau de contact et entraîna la diminution de sa section libre, d'ou il résulta l'augmentation de la résistance hydraulique.Alors, les déflecteurs 7 préviennent la formation des ondes dans le courant de liquide en rotation sur le plateau de contact, surtout propre aux plateaux de contact de grands diamètres, ce qui contribue aussi à la répartition uniforme d'écoulement des phases sur le plateau de contact et augmente l'efficacité de l'échange de masse du plateau de contact (efficacité Merfri). Du fait que, pour le courant de deux phases en rotation régulière, divergeant depuis le centre vers la périphérie du plateau de contact, le périmètre d'écoulement du liquide est plus grand que dans le cas des plateaux de contact avec mouvement transversal du liquide, il n, arrive pas de surcharge du déversement et on assure la répartition uniforme du gaz (de la vapeur) et du liquide suivant la section du plateau de contact, on prévirent le brassage longitudinal du liquide, ce qui permet d'augmenter réellement les gradients des concentrations, on crée les conditions pour le tourbillonnement supplémentaire des phases, pour la dispersion du liquide, pour l'augmentation et le renouvellement a plusieurs reprises de la surface interphase, ce qui aboutit, en fin de compte, a l'élévation de ltefficacité de l'échange de masse des plateaux de contact (de l'efficacité Merfri). Dans ce cas, l'augmentation du diamètre des installations à colonne augmente l'efficacité réelle des plateaux de contact (efficacité Merfri), ce qui permet à juste raison de les recommander pour l'utilisation dans les appareils a colonne de grande puissance unitaire. Le plateau de contact proposé fonctionne d'une façon efficace tant dans les conditions des faibles charges spécifiques en liquide et des grandes vitesses du gaz (dans les conditions de la rectification sous vide), grâce a l'effet des déflecteurs 7 réalisés sous forme de spirales d'Archimbde ayant des paramètres appropriés contribuant dans les conditions hydrodynamiques données a l'augmentation du volume de liquide retenu sur le plateau de contact et, par conséquent, d l'augmentation du temps moyen de séjour du liquide en contact avec le gaz, que dans les conditions des hautes charges spécifiques en liquide et des faibles charges en gaz (dans les conditions de la rectifi -cation d'extraction) ce qui est aussi du à l'effet des déflecteurs 7 réalisés sous forme des spirales d'Archimède ayant des paramètres appropriés contribuant dans les conditions hydrodynamiques données à la mise en vitesse du courant de liquide en rotation régulière divergeant depuis le centre vers la périphérie car dans ces conditions la quantité de l'énergie cinétique des courants de gaz sortant par les ouvertures munies de visières en arc 2~est insuffisante pour le tourbillonnement intense du liquide, R E V E N D I C A T I O N Plateau de contact pour les appareils à colonne destinés a réaliser les processus d'échange thermique et de masse entre le gaz et la liquide, réalisé sous forme d'un disque rond percé d'ouvertures servant laisser passer le gaz et dont les bords sont munis de visières #en arc disposées de façon faire diriger les courants de gaz passant a travers les ouvertures en direction tangentielle par rapport au disque et sous un certain angle A sa surface et d'un côté, ce plateau étant caractérisé en ce que du côté du disque destiné a recevoir le liquide sont fixés des déflecteurs réalisés sous forme de spirales d'Archimède divergeant depuis le centre du disque et courbés du côté correspondant a la direction des courants de gaz imposée par les visières en arc.