Brevet FR2325413A1 — publié le 19770422

Le dévésiculage des gaz avant leur rejet à l'atmosphère est l'une des opérations des plus utiles mais aussi des plus difficiles de la dépollution atmosphérique des zones industrielles. Dans de nombreuses opérations chimiques ou électro-chimiques, les appareils émettent des vapeurs chargées de vésicules liquides de caractère nocif ou polluant. Dans d'autres opérations, comme par exemple les traitements de surfaces, il est nécessaire de ventiler abondamment les enceintes de travail afin de protéger le personnel manipulant les pièces. Dans ce cas, l'air de ventilation entraîne des éléments du bain soit gazeux, soit liquide, qu'il faut éliminer avant rejet a l'extérieur. Les gaz émis par des réacteurs ou l'air de ventilation d'appareillages peuvent être également chargés de poussières et il est nécessaire de procède à leur lavage. Ce lavage est réalisé dans des enceintes vides ou garnies de corps de remplissage ou l'on réalise soit une pulvérisation fine, soit un écoulement abondant de liquide absorbant sur le garnissage. Le plus souvent, il y a dans ce cas, entraînement de liquide sous forme de vésicules ou de brouillard, en aval du dispositif de lavage. La formation de brouillard est fréquente lorsqu'il y a condensation, soit par abaissement de la température soit parce que les gaz polluants a éliminer sont avides du liquide utilisé pour le lavage. Ainsi, la présence de S03 dans un gaz provoque, en présence d'eau, la formation de brouillard aux vésicules ex trêmement fines. La séparation des vésicules liquides ou poussières solides entraînées par un gaz fait appel aux phénomènes physiques suivants - Mouillage des surfaces sur le chemin du gaz a épurer - Energie cynétisue qui provoque l'écrasement de la vésicule sur un obstacle judicieusement placé - Force centrifuge utilisant la différence de densité entre liquide et gaz, lors d'un changement brusque de direction - Champ électrique avec polarisation des particules qui provoque leur attraction par une électrode de polarité opposée. Ce dernier phénomène est utilisé dans un type particulier d'appareils, appelés dévésiculeurs ou dépoussièreurs électro-statiques dont le coût ne justifie leur emploi que dans des cas particuliers bien définis. Dans le cas général, la séparation des vésicules est d'autant plus difficile que celles-ci sont de dimension plus petite, d'une part parce que la tension superficielle qui s'oppose au mouillage de l'obstacle augmente quand le diamètre de la particule diminue, d'autre part, parce que l'effet cynétique qui permet la séparation liquidegaz est plus facilement neutralise par la résistance propre du gaz lorsque le rapport de masse à surface de la particule diminue. Lorsqu'au départ, le gaz est charge de sésicules de petites dimensions, on a intérêt à provoquer leur condensation en gouttelettes plus importantes. Ce phénomène appelé coalescence est provoqué ou facilité par les chocs et les changements de vitesse du gaz accompagnés de variation de pression. Par ailleurs, la présence d'une pluie abondante de gouttelettes d'une dimension plus importante dans le courant gazeux ou de germes solides provoque la condensation des vapeurs et la coalescence des particules formées. Ce phénomène est utilisé dans les dépoussièreurs ou laveurs de gaz qui font appel au principe de venturi avec ou sans injection de liquide, sous pression à l'entrée du dispositif. Dans l'étude de la séparation des gouttelettes ou de particules solides, on doit faire intervenir la notion de rendement de séparation en fonction de la dimension des particules considérées. Ce rendement s'exprime sous la for- me du pourcentage des particule d'une dimension déterminée qui sont effectivement déparées du gaz. ta dimension des particules est généralement exprimée en microns. Au-dessus de 30 microns, les vésicules ou particules sont considérées comme véritablement grosses et sont généralement faciles à séparer. Les séparateurs à choc, à force centrifuge faible, ou les filtres ordinaires élimi- nent ces particules avec un rendement élevé. Pour les particules dont la dimension est comprise entre 5 et 30 microns, il est nécessaire de faire# appel à un appareillage plus raffiné. On utilisera donc des appareils à force centrifuge plus élevée ou des filtres spécialement conçus ou traités. En dessous de 5 microns, et surtout en dessous du micron, il est indispensable de faire appel à la coalescence, au champ électrique ou à des procédés spéciaux de filtration pour obtenir des rendements satisfaisants. Dans les cas difficiles, les séparateurs comportent plusieurs éléments successifs faisant appel à des principes complémentaires.C'est ainsi que, dans un appareillage typique complet, on rencontrera successivement un dispositif venturi avec injection d'eau sous pression, un séparateur centrifuge et un demister spécial constitue d'un matelas de fils métalliques ou de fibre de verre spécialement traitée pour réduire la tension superficielles des liquides à sépa rer Il est évident que, plus un appareil est efficace dans un domaine de séparation déterminé, plus il oppose de résistance au passage du gaz, c1 est à di-#re plus la perte de charge qu'il apporte au système d'épuration est élevée Le rendement de séparation élevée obtenue se paye en énergie de compression du gaz. Toutefois, pour un type déterminé d'appareil faisant appel à une ou plusieurs méthodes physiques de séparation énoncée ci-dessus une augmentation audelà d'un certain point de perte de charge n'apporte plus d'augmentation appréciable du rendement, et la pénalisation au point de vue consommation d'énergie devient excessive. En vue de résultat à atteindre, il faut donc adopter un compromis économiquement acceptable entre l'efficacité et la dépense d'énergie qui est loin d'être négligeable lorsqu'il s'agit de grosses masses d1air à ventiler. Ceci fait qu'en matière de dépollution des gaz, il y a un choix souvent délicat à faire entre les appareils proposés en fonction du débit du gaz porteur, de la dimension des particules à séparer, de la nature tant chimique que physique de ces particules et de l'environnement Le dispositif objet de cette invention fait appel simultanément aux divers principes de séparation; il utilise le choc en conférent aux éléments à séparer une énergie cynétique élevée, la force centrifuge en réalisant des changements de direction à vitesse élevée, la coalescence par passage dans un dispositif de venturi avec accélération, ralentissement, compression et détente successifs du gaz porteur.Il permet la répétition de ces effets autant de fois que cela est nécessaire et économicuement acceptable pour obtenir le résultat désiré. Tous ces effets sont obtenus par la combinaison d'éléments statiques de forme simple réalisables à partir de tous matériaux formables, pliables ou extrudables, en métal ou en matière plastique. L'élément de base est un profilé dont la section a la forme d'un "M" ou d'un "N", d'un "W" ou d'un "Z", notre préférence allant au "M" pour des raisons de symétrie, sans exclusion de toute autre forme analogue faisant appel aux memes principes de disposition et de groupement pour former un séparateur combinant l'ensemble des effets cités plus haut. Ces éléments sont assemblés en grilles, l'espacement entre les profils étant déterminés en fonction des conditions de travail recherchées. Un separateur est composé de plusieurs grilles placées l'une contre l'autre en série sur le trajet du gaz, chaque grille est décalée par rapport à la précédente d'une demi largeur d'élément de sorte que les buses laminaires constituées par les parois externes des éléments d'une grille soient dans l'axe du "V" constitué par les parois inclinées de l'élément de la grille suivante. Le croquis n0 1, vue en coupe horizontale à travers le réseau de grilles, illustre l'arrangement de celle-ci et le chemin parcouru par le gaz dans le cas le plus général d'élé ments en "M" pliés. Le gaz chargé de vésicules passe dans une première grille faite de profils en "V" qui assurent sa distribution sur la première série de "M". D'autres grilles de distribution peuvent être conçues sans que cela constitue un élément essentiel de l'invention. Le gaz chargé de particules arrive dans l'axe de la première série de profils en "M" ou a lieu la séparation des particules les plus grossières par impact et force centrifuge ("a" du croquis n0 l). Le gaz régresse le long des parois inclinées du "N" ("b"), puis, passe par les fentes entre les parois latérales ("c"); là, il acquiert à nouveau la vitesse avec acquisition simultanée d'énergie cynétique et abaissement de la pression statique. Il est projeté à grande vitesse par nappe verticale dans l'axe de la série suivante de "M" (3ème grille "c") subissant là, un changement de direction, avec ralentissement et augmentation de la pression; il repasse à nouveau dans la série de fentes de cette 3sème grille et est projeté dans l'axe de la série suivante de "M", constituant la 4ème grille ("en) et subissant la même séquence d'accélération, changement de direction avec abaissement, puis relèvement de la pression statique. te double vide situé à l'arrière du "M" est utilisé à la détente du gaz avant sa réaccélération dans la tuyère formée par les branches du "M" suivant. Les vésicules liquides séparées soit par effet cynétique direct, sur le fond des "M", soit par force centrifuge sur les parois de ces "M", s'écoulent par gravité dans le fond de la rigole que constitue la partie centrale du "M". Elles se dirigent ainsi vers le bas du séparateur ou elles sont rassemblées et soustraites à l'action du gaz (croquis n0 5); elles peuvent être extraites sous forme de masse liquide de l'appareil, par un syphon de dimension appropriée. Dans les croquis n0 2, 3 et 4, nous avons représenté différentes formes d'éléments pouvant constituer des grilles fonctionnant sur le même principe que les grilles en "M" décrites ci-dessus. La suite d'accélération et de ralentissement de la masse gazeuse avec variations périodiques de pression, provoque la coalescence des vésicules les plus fines, leur rassemblement en gouttelettes et leur séparation sur les grilles successives qui constituent l'appareil, Suivant l'effet recherché et le rendement de séparation que l'on désire obtenir, on peut augmenter ou diminuer la vitesse dans les tuyères constituées par les parois latérales du "M" en faisant varier l'écart entre les éléments d'une même grille. Plus la vitesse est élevée dans les tuyères plus l'effet de coalescence et l'effet cynétique assurant le grossissement et la séparation des particules sont importants.Par contre, la perte de charge à débit égal par unité de surface par appareil augmente la vitesse, ce qui augmente la consommation d'énergie Une des caractéristiques propre à l'invention est qu'il est possible de faire varier l'efficacité et par conséquent le rendement par des modifications simples de structures. Il est possible également de calculer, dans chaque cas, la vitesse propre et la perte de charge qui correspondent à l'effet recherché et par conséquent, de consommer l'énergie juste nécessaire à l'obtention du résultat désiré. La conception du séparateur fait d'éléments simples permet de multiplier à peu de frais le nombre d'opérations élémentaires successives décrites cidessus, en multipliant le nombre de grilles placées en série. La série la plus simple est constituée d'une grille de répartition et de 3 grilles de traitement en "M" (selon le schéma du croquis n0 1). Bien entendu, des séparateurs à plus haute efficacité peuvent comporter un nombre supérieur de grilles. Les nécessités de l'écoulement des vésicules limitent la hauteur des grilles, ceci en fonction de la charge en liquide du gaz. Il est possible, cependant, de constituer des grilles de dimensions illimitées en surface utile, car, du fait de la constitution à base d'éléments standards, la dimensions horizontale que l'on peut réaliser est proprement illimitée. On peut ainsi envisager la construction de grilles infinies constituées d'éléments juxtaposés et étanches entre eux. Une telle disposition permet, avec des pertes de charge raisonnables, de traiter des débits considérables de gaz. Nous avons vu que les grilles actives sont constituées d'élements profiles en "M" ou autres similaires. Ces éléments sont assemblés sur des cadres qui limitent la surface de gaz et assurent l'étanchéité supérieure, inférieure et latérale. Les profils en "M" sont distancés entre eux par des cales de dimensions déterminées et variables à volonté, fixés sur les cadres par soudure, collage ou vissage suivant la nature du matériau et des produits à traiter. t'ensemble est place dans un caisson pourvu latéralement de brides ou rainures assurant une étanchéité suffisante entre le cadre et la caisse pour éviter que les gaz chargés ne contournent les grilles de séparation (selon croquis n0 5 par exemple). Des dispositifs de jointoyage de toute nature entre grilles et caisson peuvent être utilisés sans que cela affecte le principe même du séparateur. A la partie inférieure, les cadres sont prolongés suffisamment pour assurer une fermeture hydraulique avec le liquide séparé ou le liquide de lavage lorsque le dispositif fonctionne en laveur-séparateur. En effet, pour la séparation de très fines particules liquides ou solides, on combine les effets de séparation décrits précédemment avec un lavage par pulvérisation de liquide. Cette pulvérisation est assurée à l'entrée du séparateur par des buses réparties dans le courant gazeux, soit dans la gaine d'alimentation soit dans la chambre de répartition en face de la première grille (selon croquis n0 6 par exemple). En passant à grande vitesse dans les fentes entre les parois latérales des profils en "M", la pluie de liquide, ainsi pulvérisé dans le courant gazeux, collecte de la poussière et les fines vésicules liquides en les entraînant dans le fond des "M" de la grille suivante ou ils se séparent, avec élimination gravitaire vers le bas. Lorsque la teneur en poussière est élevée, il est nécessaire d'assurer un lavage par ruissellement des profils de séparation. Dans ce cas, on dispose à la partie supérieure des cadres du séparateur un caisson pourvu d'orifices ou de buses alimentant en liquide de lavage chacune des rigoles constituées par les plans inclinés du "M". Les particules liquides sont ainsi lavées et entraî- nées vers le bas pour être extraites en suspension ou en solution dans le liquide de lavage (selon croquis n0 7 par exemple). L'appareil peut donc être utilisé 10) en séparateur de liquide, sans pulvérisation en tète et sans lavage des grilles lorsque l'on traite un gaz chargé de vésicules et de gouttelettes avec un faible contenu en solide. 20) En séparateur de brouillard très fin ou particules solides en quantité limitée avec pulvérisation de liquide en amont des grilles du séparateur. 30) en séparateur-laveur de gaz avec pulvérisation en avant des grilles et lavage de celles-ci par injection de liquide de lavage à la partie supé rieure des profils. A la fonction purement physique de séparation peut être associée une action chimique ou physico-chimique permettant, par le choix approprié du liquide de pulvérisation et de lavage, de faire subir un traitement approprié au gaz traité. On peut par exemple séparer du C02 ou du 502 en pulvérisant une solution de soude caustique eb tête du séparateur. On peut sècher un gaz en pulvérisant, dans des conditions analogues, de l'acide sulfurique concentré. 1 Appareil pour la séparation d'un gaz des vésicules liquides ou des poussières solide qu'il entraîne, constitué d'une série de grilles placées en série sur le trajet du gaz, caractirisées par le fait qu'elles sont réalisées par assem blage d'éléments verticaux identiques de forme géômêtrique simples ayant en coupe l'apparence d'un X, d'un N, d'un W ou toute autre forme analogue. L'as semblage est caractérisé également par le fait que les éléments de chaque gril le ménagent entre eux des fentes étroites et sont décalés d'une grille à l'au tre d'un demi pas, de façon a ce que les fentes entre deux éléments soient dans l'axe-des~elements de la grille 5-ulvante--qul- affecte à# cet endroit, un profil en V concave. 2 Appareillage suivant la revendication icaractérisé par le fait que le gaz traité - -est#fortement #ccéléré --dans les - fentes#en lames - minces zénagées--.entr# les éléments d'une grille pour être précipité dans la rigole que constitué la partie centrale des éléments de la grille suivante ou il subit un ralentisse ment et un changement brusque de direction. Achaque passage de grille, le gaz est dpnc successivement accéléré et ralenti avec diminution et augmentation de pressions suivies d'un changement brusque de direction. 3 Appareillage suivant les revendications l et 2 ou l'accélération suivie d'un changement brusque de direction du gaz provoque la séparation des vésicules et particules solides de densité supérieure à celle du gaz par impact et force centrifuge. 4 Appareillage selon les revendications l et 2 ou les accélérations et change ments de pression successifs provoquent la coalescence des vésicules liquides de petites dimensions leur conférant une masse plus importante facilitant leur séparation par impact et force centrifuge. 5 Appareillage selon les revendications l et 2 caractérisé par le fait qu'il est pourvu d'un dispositif de pulvérisation de liquide en amont du groupe des grilles de séparation permettant le mouillage des poussières et particules so lides facilitant leur séparation. t'appareil est muni en outre d'un dispositif de lavage facilitant l'extraction des poussières à la base de l'appareil cons tituant ainsi un dépoussiéreur laveur de gaz. 6 Appareillage selon l'une ou l'autre des revendications précédentes caractéri se par le fait que le nombre d'éléments formant les grilles, l'espacement entre ces éléments et le nombre de grille placées en série peut être varié à volonté pour obtenir en fonction de la nature et de la qualité du gaz le rendement de séparation le plus élevé compatible avec une exploitation économique du procédé. 7 Appareillage selon les revendications i et 2 caractérisé par le fait que la pulvérisation en tête du paquet de grilles est réalisée à l'aide d'un liquide réagissant physiquement ou chimiquement avec le gaz pour modifier sa nature et sa composition constituant ainsi un laveur-réacteur. 8 Appareillage selon l'une ou l'autre des revendications précédentes caracté- risé par le fait que les éléments simples modulaires et répétitifs qui lq composent permettent sa réalisation économique à partir de tous matériaux fiables usinables, extrudables pour répondre au traitement des gaz les pl4* corrosifs dans les limites de température propre à chaque matériau.