Brevet FR2350124A1 — publié le 19771202

La présente invention concerne un appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide, qui est utilisé à titre de colonne verticale de rectification, d'absorption, de lavage ou de contact dans laquelle le liquide se déplace de haut en bas en venant en contact avec des gaz qui remontent le long de la colonne. L'appareil à colonne, suivant l'invention, pourra être utilisé avec le maximum d'efficacité pour la séparation des mélanges instables à l'action de la chaleur, polymérisables et contenant des produits solides de polymérisation, ou bien pour la séparation de mélanges pouvant être sièges de réactions chimiques parasites, c'est-à-dire dans les cas où il s'agit de réaliser de brefs temps de séjour d'un liquide dans l'appareil et de prévenir la formation de zones de stagnation ainsi que le colmatage des joints hydrauliques utilisés dans lesdites colonnes par des particules solides ou par des produits de polymérisation. L'appareil à colonne, suivant l'invention, peut être utilisé de même avec succès pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses dans le cas de charges de liquides très élevées (comme dans le cas de la rectification extractive). On connaît déjà un appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide, qui comporte des plateaux de contact superposés dans un corps, lesdits plateaux se présentant sous forme d'une partie plane horizontale avec des échancrures destinées au passage des gaz, le sens de la sortie des gaz par les échancrures et le mouvement du liquide sur les plateaux voisins alternant et étant soit centrifugés (allant du centre vers la périphérie), soit centripètes(allant de la périphérie vers le centre), ce qui s'obtient grace à des déflecteurs-guides prévus au-dessus des échancrures.Ces déflecteurs-guides permettent d'obtenir la direction requise des écoulements de gaz qui remontent la colonne et qui sortent par les échancrures du plateau de contact entraînant le liquide qui descend le long de l'appareil de haut en bas et parvient tantot au centre du plateau de contact, tantôt à sa périphérie. Les plateaux de contact sont entourés de poches annulaires périphériques qui servent à l'évacuation du liquide sur les plateaux de contact, le liquide étant animé d'un mouvement centrifuge, et à la réception du liquide arrivant du plateau de contact disposé au-dessus, sur les plateaux de contact à mouvement centrifuge du liquide. Pour le transvasement du liquide d'un plateau de contact supérieur à mouvement centripète du liquide vers le plateau de contact inférieur à mouvement centrifuge du liquide on utilise un tuyau d'évacuation central dont l'extrémité supérieure communique avec un gobelet d'évacuation central sur le plateau de contact supérieur et dont l'extrémité inférieure est engagée dans le gobelet récepteur central sur le plateau de contact inférieur rempli de liquide et formant un joint hydraulique.Pour le transversement du liquide depuis un plateau de contact supérieur à mouvement centrifuge du liquide vers le plateau de contact inférieur à mouvement centripète du liquide on utilise un tuyau d'évacuation périphérique annulaire dont l'extrémité supérieure communique avec la poche annulaire périphérique du plateau de contact supérieur et dont l'extrémité inférieure pénètre dans la poche annulaire périphérique sur le plateau de contact inférieur garni de liquide et format joint hydraulique. L'appareil à colonne connu peut fonctionner sous de hautes charges de liquide et de gaz, tout en assurant un contact intime entre les phases ainsi que des échanges de chaleur et de masses hautement efficaces entre les phases. Toutefois cet appareil et d'une façon générale les appareils à colonne connus ne permettent pas de réaliser une répartition uniforme du liquide suivant la section des plateaux de contact, ce qui entralne naturellement une répartition irrégulière des gaz ainsi qu'une baisse rapide de l'efficacité des échelons de contact. En outre, dans les joints hydrauliques des plateaux de contact desdits appareils à colonne il se forme des zones de stagnation, ce qui détériore aussi l'efficacité des échanges de masses, entraîne la polymérisation des produits séparés et le colmatage des éléments du joint hydraulique par des particules solides. Ces inconvénients des appareils à colonne connus s'accentuent au fur et à mesure qu'augmentent les diamètres desdits appareils à colonne. Tous ces inconvénients desdits appareils à colonne les empêchant de trouver de larges applications industrielles. On s'est donc proposé de créer un appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide, permettant d'assurer une distribution plus uniforme de la couche liquide suivant le plateau de contact, contribuant également à une répartition uniforme des gaz suivant la section du plateau de contact et à une meilleure efficacité des échanges de chaleur et de masses de l'appareil à colonne, excluant la formation de zones de stagnation aux joint hydrauliques des tuyaux d'évacuation et assurant un passage libre aux particules solides et aux produits de polymérisation des mélanges à séparer à travers le système des joints hydrauliques, en prévenant ainsi le colmatage de ces derniers. Ce problème est résolu du fait que dans un appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide, comprenant: des plateaux de contact superposés dans un corps, lesdits plateaux formant des plans horizontaux avec des échancrures ou ouvertures pour le passage des gaz, des poches annulaires disposées autour desdits plateaux de contact et destinées à la réception du liquide s'écoulant des plateaux de contact, des systèmes de tuyaux d'évacuation pour le transvasement du liquide depuis les poches annulaires des plateaux de contact supérieurs sur les plateaux inférieurs (sousjacents), suivant l'invention les extrémités inférieures des tuyaux d'évacuation de chaque système sont disposées au-dessus de la partie centrale continue (sans solution de continuité) du plan du plateau de contact inférieur avec un certain jeu, et son entourées de deux anneaux coaxiaux également disposés avec un certain jeu au-dessus de la partie centrale du plateau de contact, le bord inférieur de l'anneau intérieur étant disposé au-dessous du bord inférieur des tuyaux d'évacuation et au-dessous du bord inférieur de l'anneau extérieur, alors que le bord supérieur de l'anneau intérieur est disposé au-dessus du bord inférieur des tuyaux d'évacuation et au-dessous du bord supérieur de l'anneau extérieur, de manière à former au cours du déversement du liquide un joint hydraulique. Dans l'appareil à colonne suivant l'invention, le joint hydraulique à écoulement direct formé par les deux anneaux coaxiaux qui entourent les tuyaux d'évacuation et qui sont disposés, comme les tuyaux d'évacuation avec un certain jeu au-dessus de la partie continue du plan du plateau de contact, permet, au passage du liquide à travers les tuyaux d'évacuation, d'utiliser l'énergie cinétique du liquide pour son écoulement à travers ledit jeu dans le sens radial relativement au plateau de contact et de réduire ainsi le gradient de hauteur de la couche de liquide dans le sens radial, contribuant ainsi à une répartition uniforme du liquide suivant la section du plateau de contact, ce qui permet également d'obtenir une répartition uniforme des gaz suivant la section du plateau de contact et d'améliorer l'efficacité de l'échelon de contact. Cet avantage du joint hydraulique à écoulement direct est réalisé dans de larges limites de variations des charges de liquide. C'est ainsi qu'aux faibles charges de liquide, ce dernier s'écoule régulièrement à travers le jeu ménagé entre l'anneau intérieur et la partie continu du plan du plateau de contact, tandis qu'en cas de fortes charges de liquide, ce dernier s'écoule par le jeu entre l'anneau intérieur et le plan du plateau de contact, par dessus le bord supérieur de l'anneau intérieur, à travers le jeu entre l'anneau extérieur et le plan du plateau de contact, et aussi par dessus le bord supérieur de l'anneau extérieur.En cas de charges moyennes de liquide, ce dernier s'écoule par le jeu entre l'anneau intérieur et le plan du plateau de contact, au-dessus du bord supérieur de l'anneau intérieur et ensuite par le jeu ménagé entre l'anneau extérieur et la plan du plateau de contact. Ainsi, une distribution uniforme du liquide s'écoulant du joint hydraulique à écoulement direct dans l'ensemble de la section du plateau de contact est réalisée aux différentes charges de liquide. La disposition du joint hydraulique suivant l'invention au centre du plateau de contact assure un mouvement centrifuge du liquide sur le plateau de contact, et il est judicieux de faire en sorte que dans l'appareil suivant l'invention tous les plateaux de contact prévoient un mouvement centrifuge du liquide sur le plateau de contact, permettent d'obtenir un écoulement direct à travers l'ensemble du système de joints hydrauliques de l'appareil. En outre, l'écoulement direct à travers le joint hydraulique prévient sont colmatage par des particules solides ou par les produits de polymérisation et exclut la formation de zones de stagnation. lies avantages énumérés contribuent à un fonctionnement fiable des échelons de contact de l'appareil à colonne et améliorent l'efficacité des échanges de masses entre de larges limites de variations de charges de liquide et des gaz dans les conditions de séparation de mélanges instables à la chaleur ou de mélanges polymérisables. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une partie de l'appareil à colonne à plateaux de contact suivant l'invention (vue en coupe longitudinale ); - la figure 2 représente une vue en coupe suivant Il-Il de la figure 1; - la figure 3 représente une vue en coupe suivant III-III de la figure 1 à une plus grande échelle; - la figure 4 représente une vue encoupe suivant IV-IV de la figure 3. L'appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échanges de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide comporte des plateaux de contact 2 superposés dans un corps 1 (figure 1), constituant chacun un plan horizontal circulaire avec des échancrures ou ouvertures 3 destinées au passage des gaz. Les bords des échancrures 3 sont munis de déflecteurs-guides arqués 4 (figures 1, 2) agencés de façon que les écoulements de gaz passant par les échancrures 3 soient orientés tangentiellement au plan du plateau de contact 2, sous un certain angle par rapport à sa surface et vers un même côté, pour assurer la rotation de l'écoulement de liquide.En vue de faciliter la fabrication par estampage, il est avantageux de disposer suivant des circonférences concentriques les échancrures 3 (figure 1) munis des déflecteurs arqués 4 sur le disque circulaire formé par le plateau 2; toutefois elles peuvent être exécutées par n'importe quel autre procédé approprié et disposées uniformément suivant la section du plan du plateau de contact. Le plateau de contact peut ne pas comporter des déflecteurs-guides, ou bien peut être réalisé, par exemple, en toile métallique (non représentée sur les figures). lie plateau de contact 2 est fixé sur des anneaux porteurs 5 et 6 (figure 1). La partie centrale 7 du plan du plateau de contact est réalisée continue, sans échancrures 3. Sur la face du plateau de contact 2 destinée à la réception du liquide sont fixées des chicanes 8 (figures 1, 2) incurvées en spirales d'Archimède qui divergent à partir du centre du plateau de contact 2 et qui sont vrillées dans le sens des écoulements gazeux, l'orientation desdits écoulements étant assurée par les déflecteurs arqués 4 des échancrures 3 (figure 1) et, par conséquent, dans le sens de l'écoulement tournant sur le plateau de contact 2, lesdites chicanes assurant une distribution plus uniforme de l'écoulement du liquide sur le plan du plateau de contact 2. Autour des plateaux de contact 2 dans le corps 1 sont installées des poches annulaires 9 rendues solidaires des parois du corps t et destinées à recevoir le liquide. Aux parois du corps 1 sont fixées aussi des poutrelles de support (non représentées) qui servent à la fixation des plateaux de contact 2 et des anneaux supports 5 et 6. Aux poches annulaires 9 disposées autour des plateaux de contact 2 sont fixés à demeure des tuyaux d'évacuation 10 qui communiquent avec les poches annulaires 9 et qui sont destins à déverser le liquide à partir des poches annulaires 9 des plateaux de contact supérieurs 2 au centre des plateaux de contact inférieurs (sous-jacents) 2. lies extrémités inférieures des tuyaux d'évacuation 10 de chaque système de tuyaux servant au déversement du liquide d'un plateau de contact 2 à l'autre sont entourées de deux anneaux coaxiaux Il et 12 (figure 1 et 3) et sont disposées avec un jeu "a" (figure 4) au-dessus de la partie centrale continue 7 du plan du plateau de contact 2. lie bord inférieur 13 de l'anneau intérieur 11 est situé plus bas que le bord inférieur 14 des tuyaux d'évacuation 10 et plus bas que le bord inférieur 15 de l'anneau extérieur 12, tandis que le bord supérieur 16 de l'anneau intérieur 11 est disposé plus haut que le bord inférieur 14 des tuyaux d'évacuation 10 et plus bas que le bord supérieur 17 de l'anneau extérieur 12, de manière que lors du déversement du liquide par les tuyaux d'évacuation 10 il se forme un joint hydraulique à écoulement direct, le jeu a entre les tuyaux 10 et la partie continue centrale 7 du plateau de contact 2 laissant passer tout le liquide, alors que par le jeu "b" entre l'anneau intérieur 11 et la partie centrale 7 ne s'écoule qu'une partie du liquide passant par les tuyaux d'évacuation 10, le jeu "c" entre l'anneau extérieur 12 et la partie centrale 7 laissant passer plus de liquide que le jeu "b". L'anneau intérieur 11 est immobilisé relativement au plan du plateau de contact 2 par des tiges 18, alors que l'anneau extérieur 12 est fixé à demeure sur l'anneau intérieur 11 au moyen des tiges 19. li'appareil à colonne suivant l'invention pour la réalisation de processus d'échange de masses et de chaleur entre des gaz et un liquide fonctionne comme suit. Les gaz (ou la vapeur) arrivant dans le bas de l'appareil traversent les échancrures 3 (figure 1) dans le plan du plateau de contact 2 et viennent en contact avec le liquide qui, depuis la poche annulaire 9 du plateau de contact supérieur 2, arrive au centre du plateau de contact inférieur 2 par les tuyaux d'évacuation 10 et remplit le volume intérieur de l'anneau intérieur 11. Une partie du liquide traverse le jeu"b" (figure 4) ménagé entre l'anneau intérieur 11 et la partie continue centrale 7 du plateau de contact 2, le reste du liquide passe par-dessus le bord supérieur 16 de l'anneau intérieur 11 et par l'espace interannulaire des anneaux 11 et 12 et parvient, par le jeu "c" entre l'anneau extérieur 12 et la partie centrale 7, sur le plan du plateau de contact 2 et se déplace sur ledit plan en allant du centre du plateau de contact 2 vers sa périphérie (le sens du mouvement du liquide est indiqué sur les figures par des flèches). En cas de fortes charges de liquide, une partie du liquide est transvasée de ltespace interannulaire des anneaux 11 et 12, par-dessus le bord supérieur 17 de l'anneau extérieur 12, sur le plan du plateau de contact 2. Ainsi, dans les conditions de travail, lorsque le liquide s'écoule par les tuyaux d'évacuation 10 l'anneau intérieur 11 est rempli de liquide et les tuyaux d'évacuation 10 y sont immergés, autrement dit un joint hydraulique sera créé; dans ce cas, grâce à l'écoulement direct à travers le joint hydraulique, il n'y demeurera pas de particules solides, ni de produits de polymérisation. Toutefois, si le liquide cesse d'arriver au plateau de contact 2, ce liquide s'écoulera en totalité du plan du plateau de contact 2.En outre, pendant le fonctionnement de l'appareil à colonne suivant l'invention, une partie de l'énergie cinétique du liquide s'écoulant des tuyaux d'évacuation 10 est utilisée pour accélerer le liquide sur le plan du plateau de contact 2 dans le sens radial, contribuant ainsi à réduire le gradient de hauteur de la couche de liquide sur le plateau de contact 2 et à distribuer plus uniformement le liquide et les gaz suivant la section du plateau de contact 2, ce qui entraîne, comme on le sait, une plus grande efficacité de l'échange de masses aux échelons de contact. On sait aussi que l'absence de zones de stagnation dans le système d'écoulement direct du joint hydraulique contribue elle aussi à améliorer l'efficacité de l'échange de masses et à réduire le temps de séjour du liquide dans l'appareil, ce qui est essentiel quant il s'agit de la séparation de mélanges instables à la chaleur et polymérisables. D'autre part la suppression des zones de stagnation dans l'appareil et la diminution du temps de séjour du liquide améliorent la stabilisation du fonctionnement de l'appareil tout entier et réduisent les temps des régimes intermédiaires, ce qui influe favorablement sur le fonctionnement de l'appareil. 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 dés moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. REVENDICATION Appareil à colonne pour la réalisation de processus d'échange de chaleur et de masses entre des gaz et un liquide, du type comprenant des plateaux de contact superposés dans un corps et constituant des plans horizontaux à échancrures ou ouvertures destinées au passage des gaz, des poches annulaires disposées autour des plateaux de contact et recevant le liquide s'écoulant des plateaux de contact, des systèmes de tuyaux d'évacuation destinés au déversement du liquide à partir des poches annulaires des plateaux supérieurs vers les plateaux inférieurs ou sousjacents, caractérisé en ce que les extrémités inférieures des tuyaux d'évacuation de chaque système précité sont disposées avec un certain jeu au-dessus d'une partie centrale continue plane du plateau de contact inférieur ou sous-jacent, et sont entourées de deux anneaux coaxiaux disposés eux aussi avec des jeux au-dessus de ladite partie centrale du plateau de contact, le bord inférieur de l'anneau intérieur étant disposé plus bas que le bord inférieur des tuyaux d'évacuation et plus bas que le bord inférieur de l'anneau extérieur, alors que le bord supérieur de l'anneau intérieur est disposé plus haut que le bord inférieur des tuyaux d'évacuation et plus bas que le bord supérieur de l'anneau extérieur, de façon à former un joint hydraulique au cours du déversement du liquide.