Brevet FR2374066A1 — publié le 19780713

La présente invention concerne les équipements pour la mise en oeuvre des procédés d'échange de masse et de chaleur et a notamment pour objet un plateau de contact servant à réaliser l'interaction entre un gaz et un liquide, Il est le plus avantageux d'utiliserle plateau de contact proposé dans les appareils à colonne pour la séparation des mélanges gazeux et liquides par rectification et absorption, pour le captage par les liquides de la poussière et des autres particules solides contenues dans les gaz, par conséquent l'invention peut trouver la plus large application dans les industries chimique, pétrochimique, pétrolière et dans d'autres branches de l'industrie. On connait largement les plateaux de contact des appareils à colonne, comprenant une embase percée de fentes destinées à laisser passer un courant de gaz ascendant et des poches de réception et d'évacuation du liquide, placées sur cette embase. Lors du fonctionnement de l'appareil, le liquide arrivant sur embase du plateau se répartit sur ce dernier en créant, lors de son interaction avec le gaz, une surface interphase de contact sur laquelle se déroulent les processus physico-chimiques, et se déplace dans la direction de la poche d'évacuationO De cette manière sont organisés les plateaux-tamis, les plateaux à calotte, les plateaux de soupape et les plateaux d'autres types munis de dispositifs d'évacuation Cependant, vu le volume toujours croissant des matières premières à traiter et les exigences plus sévères imposées à là qualité des produits résultant de la séparation, dans la pratique nationale et étrangère on prête une attention de plus en plus grande à la mise au point et à l'application, dans de deplateaux de contact caractérisés par une intensité et une efficacité élevées, offrant un fonctionnement stable dans une large gamme de charges, permettant de plus grandes vitesses des courants dans les appareils et se distinguant par un haut pouvoir de séparation. Ce but peut être atteint avec le plus grand succès en créant sur le plateau de contact un flux dirigé du gaz arrivant dans le liquide ou un flux dirigé du gaz sortant du liquide. A cet effet, dans les plateaux de contact mentionnés, le gaz est amené à 11 aide d'écailles orientées, des soupapes, des plaques et d'autres fentes. Pour augmenter le temps de séjour du liquide, on donne souvent aux fentes des orientations différentes. En vue de diminuer le malaxage inverse et d'éliminer les zones de stagnation, les plateaux de contact sont divisés par des cloisons en une série de sections longitudinales ou transversales. Ces mêmes sections doiventservir de séparateurs entre le liquide et le gaz, ctest-à-dire diminuer l'entraSnementO Mais comme le prouve l'analyse du fonctionnement des plateaux de contact connus, ils comportent plusieurs inconvénients tels que : basse vitesse du gaz à l'intérieur de l'ap- pareil, gamme étroite de fonctionnement stable, temps limité de séjour des flux, entratnement considérable du liquide sur le plateau de contact disposé plus haut (les cloisons peuvent servir de sources d'entraSnement secondaire), répartition irrégulière du liquide sur la surface de service du plateau de contact, malaxage inverse notable du liquide, ou surface insuffisamment développée de contact des phases.L'utilisation, sur le plateau de contact, de dispositifs d'apport ou d'évacuation de la chaleur peut sensiblement altérer les conditions hydrodynamiques sur le plateau de contact, Le but de l'invention est de mettre au point un plateau de contact pour interaction gaz-liquide, dont la construction de embase assurerait, dans une large gamme de fonctionnement stable, un haut débit en gaz et en liquide, une surface développée au maximum et un temps maximal de contact des phases, en supprimant en même temps les facteurs abaissant l'efficacité du plateau de contact, tels que : chute et entratnement du liquide, malaxage inverse, dérivation du gaz et du liquide, tout cela permettant d'augmenter le débit et l'efficacité du plateau de contact. Ce but est atteint du fait que dans un plateau de contact se présentant sous forme d'une embase avec des fentes destinées à laisser passer le flux de gaz ascendant et avec des poches de réception et d'évacuation du liquide, selon l'invention des auges concaves dirigées de la poche de réception vers la poche d'évacuation sont installées sur l'embase, tandis que les fentes pour le passage du gaz sont réalisées dans les parois des auges et sont orientées tangentiellement suivant une mème direction pour former des flux de gaz tourbillonnant trans versalement par rapport aux auges, et que sur les arêtes latérales des auges, du côté d'où sortent les flux de gaztourbil- lonnants, sont prévus des becs directeurs réalisés sous forme de parois prolongeant celles des auges. Une telle conception de l'embase du plateau de contact admet un accroissement brusque de la vitesse du gaz dans l'appareil dans lequel il est utilisé, ainsi qu'un débit élevé en liquide. A une grande vitesse d'écoulement dirigé du gaz vers le liquide, il se forme sur les auges plusieurs zones avec une surface développée de contact des phases. En premier lieu, c'est dans la zone de pénétration du gaz dans le liquide que se forme un grand nombre de gouttes et de bulles. Ensuite, les gouttes et les bulles rejetées par le flux de gaz sur les becs directeurs forment sur ces derniers une deuxième zone de contact, De plus, le gaz quittant les auges et passant à travers les gouttes et les jets de liquide se détachant des becs directeurs forme une troisième zone de contact des phases.Le mouvement d'une particule de liquide sur une auge depuis la poche de réception jusqu'à la poche d'évacuation s'effectue sous lteffet de lté- coulement dirigé du gaz suivant une hélice, ce qui augmente le temps de contact entre le gaz-et le liquide. Une telle construction de l'embase, grâce à la séparation centrifuge, supprime pratiquement ltentrainement du liquide du plateau, mtme à de très hautes vitesses du gaz. Le sectionnement longitudinal du plateau par des auges ne communiquant pas entre elles permet d'utiliser au maximum la force motrice du processus d'échange de masses(grAce à l'élimination de la répartition irrégulière du liquide sur l'embase du plateau). Il est avantageux d'équiper le plateau de plaques de déviation fixées sur les arêtes latérales des auges du côté opposé au côté de départ des flux de gaz tourbillonnants et réalisées sous forme de parois prolongeant celles des auges et dont l'extrémité supérieure est courbée vers l'intérieur, ce qui permet de capter définitivement la petite quantité de-liquide qui est entraînée après la séparation centrifuge. En outre, il se forme sur les plaques de déviation une zone supplémentaire (quatrième) d' interaction gaz-liquide. Pour utiliser le volume de travail de l'appareil d'une façon plus rationnelle, les auges voisines peuvent ventre en con tact entre elles par leurs arêtes latérales, et sur l'arête~ latérale de chaque bec directeur peut être fixée une cloison de façon que ladite cloison forme avec ledit bec un moyen de déviation pour le flux provenant de l'auge voisine, Pour éviter la chute du liquide retournait sur l'auge depuis les becs directeurs, il est avantageux de fixer à celle des arêtes latérales de l'auge qui est opposée à l'arête portant le bec directeur une plaque d'évacuation dirigée vers l'in térieur de l'auge et formant un canal allant en s'élargissant et d'en dessous de laquelle, sur toute sa longueur, stéchappe un flux de gaz de façon que le liquide s'écoulant de la plaque d'évacuation se trouve sur un coussin de gaz. Ceci élargit considérablement la gamme inférieure de fonctionnement du plateau de contact, Il est désirable de fixer au-dessus de l'auge un tube cylindrique disposé le long de cette dernière.Ceci permet d'améliorer sensiblement- les caractéristiques hydrodynamiques des flux, du fait que la création d'un canal circulaire entre le tube et l'auge ordonne get en ordre) le mouvement du gaz et du liquide, et supprime la dérivation du gaz et du liquide le long de l'auge0 Sur la surface extérieure du tube peuvent être prévues des nervures transversales permettant d'augmenter l'efficacité de l'échange de masse, car il seibrme ainsi sur le tube une zone supplémentaire (cinquième) d'interaction gaz-liquide. Il est avantageux de munir le tube d'un moyen d'amenée et d'évacuation d'un agent de transfert de chaleur, car certains processus de la technologie chimique nécessitentl'amenée ou 11 évacuation de la chaleur dans l'appareil, et le tube muni -de ce moyen d'amenée et d'évacuation de l'agent de transfert de chaleur élargit considérablement le domaine d'application du plateau de contact. Il est avantageux que les fentes pour le passage du gaz soient orientées sous un certain angle par rapport à la génératrice de l'auge, en assurant ainsi la déviation du flux de gaz vers la poche d'évacuation, ce qui améliore le transport du liquide de la poche de réception vers la poche d'évacuation et réduit le malaxage inverse du liquide. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une partie de colonne d'échange de masse, avec l'un de ses plateaux de contact, réalisé selon l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus du plateau de contact illustré sur la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe transversale des auges d'un plateau de contact exécuté selon l'invention; - la figure 4 représente une vue en coupe transversale des auges d'un plateau de contact, comportant des becs directeurs et des plaques de déviation, selon l'invention;; - la figure 5 est une vue en coupe transversale des auges du plateau de contact, comportant des cloisons sur les becs directeurs et des plaques d'évacuation, selon l'invention; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une auge du plateau de contact avec un tube cylindrique muni de nervures, selon l'invention; - la figure 7 est une vue à échelle agrandie suivant la flèche VII de la figure 6; - la figure 8 représente la disposition des auges sur le plateau de contact pour une colonne ronde d'échange de masse, selon l'invention. Le plateau de contact pour les colonnes d'échange de masse servant à réaliser les processus d'intéraction gaz-liquide comprend une embase 1 (figures 1, 2) sur laquelle il y a des auges concaves 2 dirigées de la poche de réception 3 vers la poche d'évacuation 4 du liquide. Les auges 2 mutuellement voisines peuvent oestre placées sur l'embase 1 soit à une certaine distance l'une de l'autre, soit en contact l'une avec l'autre par leurs arêtes latérales, comme montré sur la figure 3. Dans les parois des auges 2 sont réalisées des fentes 5 sous forme d'écailles ou de découpages de toute autre forme, orientées d'une façon tangentielle suivant une même direction. Une telle construction de l'embase 1 (figure 1) permet de mettre en rotation autour de l'axe longitudinal de l'auge 2, le flux de gaz et, avec l'aide de celui-ci, le liquide arrivant dans l'auge 2 à partir de la poche de réception 30 Pour intensifier le transport du liquide vers la poche d'évacuation 4, ainsi que pour diminuer le malaxage inverse du liquide, les fentes 5 sont dirigées sous un certain angle dK par rapport à la génératrice de l'auge 2, en assurant ainsi la déviation du flux de gaz vers la poche d'évacuation 4e Pour exclure l'entrainement des gouttes de l'arête de l'auge 2 vers le haut, il est nécessaire de changer la direction de mouvement du courant gaz-liquide de façon que le liquide retourne de nouveau sur l'auge 2, et que le gaz, libre de tout liquide, accède au plateau de contact disposé plus haut dans la colonne échange de masse 6e Cette fonction est remplie par un bec directeur 7 (figures 1, 3) fixé sur l'arête latérale de l'auge 2 située du caté où le flux de gaz tourbillonnant quitte celle-ci, et réalisé sous forme d'un prolongement de la paroi correspondante de l'auge 2. Pour exclure complètement la projection du liquide d'une auge 2 à l'autre, ainsi que pour un faible entratnement du liquide vers le plateau de contact disposé plus haut, l'arête de l'auge 2 située du côté opposé à celui où le flux de gaz tourbillonnant quitte l'auge 2, peut être munie d'une plaque de déviation 8 (figure 4) prolongeant la paroi correspondante de l'auge 2. L'extrémité supérieure de la plaque de déviation 8 peut étire rabattue vers l'intérieur. La section de la plaque de déviation 8 peut avoir la forme, par exemple, d'une cyclofde. Une telle forme de la plaque de déviation contribue à la séparation du liquide par gravité et par inertie Dans le cas où les auges voisines 2 sont disposées en contact l'une avec l'autre par leurs arêtes latérales, sur l'arête latérale de chaque bec directeur 7 peut être fixée une cloison 9 (figure 5) de façon que la cloison 9 forme avec le bec directeur 7 un moyen de déviation pour l'auge 2 voisine. Ceci permet d'utiliser avec plus d'efficacité le volume de la colonne d'échange de masse, En cas de retour du liquide du ctté extérieur du bec directeur 7 sur l'auge 2, il peut se produire une chute du liquide au-dessous de l'auge 2Pour prévenir cela on dispose le t long de l'auge 2 une plaque d'évacuation 10 dirigée vers l'intérieur de l'auge 2 et fixée à l'arête latérale (de l'auge 2) qui est opposée à celle sur laquelle est fixé le bec directeur 7. La forme et les dimensions de la plaque d'évacuation 10 dépendent de la forme et des dimensions de l'auge 2. Au-dessus de l'auge 2 peut entre fixé un tube cylindrique Il (figures 6, 7) disposé le long de cette dernière et formant entre lui et l'auge un canal annulaire contribuant à ordonner davantage le mouvement du gaz et du liquide. Le tube cylindrique 11 est monté à l'intérieur de l'auge 2 avec un certain excentrement. Le jeu entre le tube Il et l'auge 2 doit permettre au liquide de revenir librement sur l'auge 2 à travers ce jeu. Sur la surface extérieure du tube Il sont fixées des nervures transversales 12. Les nervures 12 jouent un double rtle : en premier lieu elles permettent de fixer le tube 11 sur l'auge 2, ensuite elles préviennent la dérivation et le malaxage inverse du liquide. S'il est nécessaire d'assurer l'apport ou l'évacuation de chaleur, le tube Il est muni d'un dispositif d'amenée et d'évacuation d'un agent de transfert de chaleur (caloporteur), comprenant des tubulures 13 et 14. La colonne d'échange de masse 6 (figures 1, 2) a une section rectangulaire. Toutefois, le plateau de contact proposé peut entre utilisé aussi dans une #colonne d'échantede masse 15 (figure 8) de section ronde. L'embase d'un tel plateau de contact a des auges concaves 16 dirigées radialement depuis la poche de réception 17 vers la poche d'évacuation 18e Le plateau de contact pour interaction gaz-liquide fonctionne de la manière suivante. On va d'abord examiner le trajet du flux de gaz, puisqu'il exerce une influence décisive sur la répartition du liquide dans la zone de travail du plateau de contact où se développe la surface de contact des phases, A une faible vitesse du gaz, le flux de gaz monte vers le haut de la colonne d'échange de masse 6 (figure 1) en passant à travers les fentes 5 sans etre mis en tourbillonnement sur les auges 2. Lorsque le gaz atteint une vitesse plus élevée, en passant à travers les fentes 5 il est animé d'un mouvement tourbillonnaire en tournant dans la direction du bec directeur 7, comme le montrent les flèches sur la figure 4.En se déplaçant le long du bec directeur 7 et en se détachant de ce dernier le gaz se dirige vers la plaque de déviation 8 et glisse le long de cette dernière et, après avoir changé encore une fois de direction, il arrive au plateau de contact disposé plus hauts Ce trajet du flux de gaz ne varie pas, mtme au cas où sur l'auge 2 est installée une plaque d'évacuation 10 (figure 5)-ou un tube cylindrique à nervures 11 (figure 7), qui ne font qu'augmenter l'effet hydrodynamique. Conformément aux régimes décrits du mouvement du flux de gaz, on va maintenant examiner le fonctionnement du plateau de contact sur l'exemple du système gaz-liquide. Au cas où la vitesse du gaz n'est pas grande, le liquide arrivant sur toutes les auges 2 de la poche de réception 3 (figure 1), lors de son interaction avec le gaz, crée une couche de barbotage telle que celle que l'on observe sur les plateaux-tamis ou les plateaux à calotte connus, Lors d'une augmentation considérable de la vitesse du gaz, le liquide arrivant sur l'auge 2 est entratné par les flux de gaz sortant des fentes 5 de l'auge 2, est fragmenté et, sous l'effet de la force centrifuge, est rejeté sur la surface du bec directeur 7.Lors du déplacement du liquide sur le bec directeur 7, il est freiné, ce qui entraîne une augmentation brusque de la vitesse relative du mouvement des phases, intensifiant le processus d'échange de masse. Les filets de liquide, en atteignant l'cette du bec directeur 7, sont rejetés, sous l'action de la force d'inertie, vers la plaque de déviation 8 (figure 4). En traversant le flux de gaz, les filets de liquide interagissent intensivement avèc ce flux. En# se heurtant contre la plaque de déviation 8 le liquide revient, en suivant cette plaque, sur l'auge 2, Vu que les fentes 5 réalisées dans l'auge 2 sont orientées dans la direction du bec directeur 7 et de la poche d'évacuation 4 (figure 2), le liquide se déplace le long de l'auge 2 suivant une hélice. En revenant sur l'auge 2 de la plaque de déviation 8 (figure 43 le: liquide se trouve dévié du cOté de la poche d'évacuation 4 (figure 1). Il en résulte une diminution du malaxage inverse du liquide et une prolongation du temps de son séjour sur l'auge 2e Lorsque sur l'auge 2 est montée une plaque d'évacuation 10 (figure 5), le liquide coule sur cette dernière par la--pièce de déviation formée par la cloison 9 et le bec directeur 7 de l'auge 2 voisine, tandis que le flux de gaz sort de dessous la plaque d'évacuation 100 C'est ainsi qu'on impose au liquide retournant sur l'auge 2 une direction de mouvement identique à la direction du mouvement du flux de gaz, Ceci contribue à la dis persion du liquide et prévient la chute du liquide dans la zone de son retour aux fentes 5 de l'auge 2 Grace aux plaques d'é- vacuation 10, le plateau reprend son fonctionnement normal aux vitesses plus faibles du gaz. S'il y a un tube à nervures cylindriques 11 (figure 7), le gaz se déplace dans le canal circulaire formé entre l'auge 2 et le tube cylindrique 11. Le liquide arrivant sur l'auge 2 est entraîné par le gaz et se déplace dans le champ des forces centrifuges sous forme de filets et de gouttes, Arrivé à l'art- te du bec directeur 7, le liquide est rejeté, sous l'effet des forces d'inertie, vers la cloison 9 dwoù il revient à l'auge 20 Une certaine partie du liquide est séparée sur la surface du tube cylindrique Il par suite de son entraînement, et se déplace sur ce dernier sous forme d'un film. Grâce au montage du tube Il avec un certain excentrement, il se forme entre le tube 11 et la plaque d'évacuation 10 une fermeture hydraulique prévenant toute dérivation du gaz entre eux et contribuant à l'entratnement régulier du liquide par le gaz. Les nervures 12 montées sur le tube Il empêchent le mouvement du liquide le long du tube 11e Ainsi, la présence du canal circulaire a pour conséquence que le tourbillonnement du flux a lieu à des vitesses plus faibles du gaz dans les fentes permettant ainsi d'élargir la gamme inférieure des charges en gaz.Par suite de la formation, sur le tube cylindrique 11, d'une zone de contact entre le gaz et le liquide, la surface de contact des phases augmente, Pour l'apport et l'évacuation de chaleur de la zone de contact du gaz avec le liquide, on amène dans le tube cylindrique Il un agent de transfert de chaleur (caloporteur) approprié. Dans ce cas, les conditions hydrodynamiques favorables créées sur la surface extérieure- du tube Il exercent une influence positive sur l'efficacité du processus de transfert de chaleur. Le liquide, après avoir parcouru les auges 2, arrive dans la poche d'évacuation 4 (figure 1)e On n'a pas besoin d'avoir recours des dispositifs quelconques repoussant les flux de gaz et-de liquide intenses dirigés sur les parois de la colonne d'échange de masse 6 comme cela a lieu lors de l'utilisation des plateaux plats à jet connus.Dans la présente cons- truction, le liquide sort des auges 2 à une faible vitesse0 le gaz et la petite quantité de gouttes de liquide entratnées par le gaz s'acheminent vers le haut sur la plaque de déviation 8 (figure 4)e Après avoir atteint son extrémité supérieure courbée vers l'intérieur,le gaz change de direction, se libère des gouttes et se dirige vers le plateau de contact disposé plus haut, 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 équivalents techniques constituant des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent, REVENDICATIONS 1. Plateau de contact pour une colonne d'échange de masse, du type se présentant sous forme d'une embase comportant des fentes pour le passage d'un flux de gaz ascendant, et sur laquelle sont disposées des poches de réception et d'évacuation d'un liquide, caractérisé en ce que sur ladite embase sont installées des auges concaves allant d'une poche de réception à une poché d'évacuation, et que des fentes pour le passage du gaz sont réalisées dans le-s parois desdites auges et sont orientées tangentiellement suivant une même direction pour former des flux de gaz tourbillonnant transversalement aux auges, lesdites auges comportant, sur leur arête côté départ des flux de gaz tourbillonnés, un bec directeur sous forme d'un prolongement de leur paroi correspondante. 2. 2. Plateau de contact suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les auges comportent, sur leur arêtes latérales côté opposé à celui du départ des flux de gaz tourbillonnants, une plaque de déviation sous forme d'un prolongement de leur paroi correspondante, l'extrémité supérieure de ladite plaque de déviation étant rabattue vers l'intérieur. 3. Plateau de contact suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les auges mutuellement voisines sont en contact entre elles par leurs arêtes latérales voisines, et que sur l'arête latérale de chaque bec directeur est fixée une cloison de façon que celle-ci forme avec ledit bec directeur un moyen de déviation pour les flux provenant de l'auge voisine. 4. Plateau de contact suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les auges comportent une plaque d'évacuation fixée à leur arête opposée à l'arête portant le bec directeur et dirigée vers l'intérieur de l'auge. 5. Plateau de contact suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, au-dessus de l'auge, est fixé un-tube cylindrique disposé le long de cette dernière, 6. Plateau de contact suivant la revendication 5, caractérisé en ce que sur la surface extérieure dudit tube sont fixées des nervures transversales. 7. Plateau de contact suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit tube comporte des moyens d'amenée et d'évacuation d'un agent de transfert de chaleur ou caloporteur0 8. Plateau de contact suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fentes précitées pour le passage du gaz sont dirigées, par rapport à la génératrice de l'auge, sous un angle assurant la déviation du flux de gaz vers la poche d'évacuation0