Brevet FR2361138A1 — publié le 19780310

L'invention concerne un appareil pour l'excécution des échanges de matières entre un gaz et un liquide, et, plus précisément, une colonne à bandes tournantes à film de liquide pour la mise en contact d'un gaz (ou vapeur) et d'un liquide. Le domaine préférable d'utilisation de l'invention est la rectification sous vide de substances sensibles aux températures élevées, par exemple, des lactames, des acides gras, des alcools polyatomiques, des éthanolamines, des esters à haut point d'ébullition, des huiles diverses, des produits alimentaires et pharmaceutiques. L'invention peut être appliquée dans l'industrie chimique, dans le raffinage du pétrole, dans les industries alimentaire, pharmaceutique, etc. On connait déjà une colonne à bandes tournantes à film de liquide pour la mise en contact d'un gaz et d'un liquide (voir certificat d'auteur de 1'URSS n0203621) , constituée d'un corps pourvu de tubulures pour l'alimentation en gaz au bas de la colonne, pour l'évacuation du gaz par le haut de la colonne, pour l'introduction et l'évacuation du liquide de la colonne et aussi d'un arbre vertical rotatif installé dans le corps. Sur cet arbre sont fixés plusieurs étages de contact disposés sur sa longueur à une certaine distance l'un de l'autre. Les étages de contact sont formés par des bandes enroulées en spirale plates divergentes à partir de l'arbre. Les rives des bandes sont rabattues vers l'arbre. La colonne à bandes tournantes est également pourvue de dispositifs d'écoulement du liquide d'un étage de contact à l'autre. Ces dispositifs sont des poches annulaires, fixées à la paroi latérale intérieure et qui servent-- àrecevoir le liquide éjecté des étages de contact et des rigoles de déversement. Les rigoles de déversement sont placées entre les étages de contact. Les extrémités réceptri- ces des rigoles communiquent avec les poches annulaires recevant le liquide déversé des étages supérieurs de contact. Les extrémités de déversement des rigoles se trouvent au-dessus des étages de contact inférieurs. Pendant le fonctionnement de la colonne a bandes tournantes, son arbre est mis en rotation. Le gaz introduit par le bas de la colonne est évacué par le haut à travers les tubulures. Le liquide s'écoule dans la colonne de haut en bas, par gravité d'un étage de contact sur Autre. Tous les étages de contact de la colonne tournent solidairement avec l'arbre, et, pour cette raison, le liquide se trouvant à l'étage de contact, sous l'influence des forces centrifuges, s'étale sous forme de pellicule sur la face intérieure des bandes, orientée vers l'arbre. Comme -les rives de la bande sont rabattues vers l'arbre, le liquide ne tombe pas de la bande, mais suit un trajet hélicotdal du centre vers la périphérie de l'étage de contact. De la périphérie de l'étage de contact, le liquide est rejeté sur les parois du corps de la colonne et s'écoule des parois par gravité dans la poche annulaire. Au départ de ladite poche, le liquide s'écoule par gravité vers l'extrémité réceptrice de la rigole inférieure (sous-jacente), dont l'extré- mité de déversement surplombe l'autre étage de contact. En venant de la rigole, le liquide parvient à cet étage de contact sur lequel le mouvement du liquide s'effectue exactement comme sur l'étage de contact supérieur. Le liquide, rejeté de l'étage de con#tact le plus bas de la colonne, est évacué vers l'extérieur par une tubulure du bas de la colonne. Le gaz, en mouvement ascendant dans la colonne, traverse les étages de contact entrant en contact avec la pellicule de liquide qui irrigue la face intérieure des bandes rabattues, enroulées en spirale. Un inconvénient de cette colonne connue a bandes tournantes, destinée à la mise en contact d'un gaz et d'un liquide, tient à la surface de contact limitée entre le gaz et le liquide. Dans la colonne, la surface de contact est limitée par la surface de travail totale des étages de contact, La surface de travail de l'étage de contact n'est formée que par la face intérieure de la bande rabattue, enroulée en spirale, c'est-à-dire par la face de la bande orientée vers l'axe et le long de laquelle se déplace la pellicule de liquide. En outre, la pellicule de liquide, arrosant la face intérieure des bandes en spirale, n'est pas suffisamment brassée lors de son déplacement le long du trajet hélicoXdal à partir du centre vers la périphérie de l'étage de contact.Cela s'explique par le fait que la pellicule de liquide tourne solidairement avec l'étage de contact et que l'énergie de rotation de l'étage de contact níest pas utilisée pour un brassage complémentaire de la pellicule. La rotation de l'étage de contact n assure que la formation de la pellicule de liquide à la surface irriguée des bandes et le déplacement de la pellicule vers la périphérie de l'appareil sous l'action des forces centrifuges. La surface de contact limitée entre le gaz et le liquide et le brassage insuffisant de la pellicule de liquide, pendant la mise en contact, s'opposent à l'augmentation de l'efficacité des échanges de matières dans la colonne connue à bandes tournantes. L'invention vise à créer une colonne à bandes tournantes pour la mise en contact d'un gaz et d'un liquide, ayant une surface de contact développée permettant de réaliser une turbulence complémentaire de la pellicule de liquide. Cela permettrait d'intensifier les échanges de matières dans la colonne. Ce problème est résolu du fait que, dans une colonne a bandes tournantes pour la mise en contact d'un gaz et d'un liquide, constituée' d'un corps pourvu de tubulures pour l'admission du gaz dans la partie inférieure du corps, pour l'évacuation du gaz du haut du corps, pour l'admission du liquide dans le corps et pour l'évacuation du liquide du corps, d'un arbre vertical rotatif installé dans le corps, de plusieurs étages de contact solidaires de l'arbre disposes à une certaine distance l'un de l'autre et fonds par des bandes enroulées en spirale qui divergent de l'arbre et dont les rives sont rabattues vers l'arbre, de dispositifs pour l'écoulement du liquide d'un étage de contact à l'autre réalisés sous forme de poches annulaires fixées a la paroi latérale intérieure du corps pour récupérer le liquide éjecté des étages de contact et de rigoles de déversement disposées dans l'intervalle entre les étages de contact dont les embouchures communiquent avec les poches annulaires pour la récupération du liquide s'écou- lant des étages de contact supérieurs et dont les extremitds de déversement sont situées au-dessus des étages de contact sous-jacents inférieurs, d'après l'invention, les bandes sous pourvues de gaufrages essentiellement transversaux. Dans une telle colonne å bandes tournantes, la surface de contact entre le gaz et le liquide est accrue grâce a la division et à la pulvérisation du liquide à son impact sur les bandes hélicoidales munies de gaufrages transversaux. L'effet de division et de pulvérisation du liquide est du au fait que ledit# liquide est projeté sur la bande gaufrée qui tourne solidairement avec l'étage de contact, depuis la rigole de déversement immobile. Au contact du jet de liquide avec le gaufrage de la bande, la vitesse du mouvement de la zone correspondante de la bande, par rapport au jet du liquide, est environ égale, en module, a la vitesse linéaire absolue de cette zone de la bande participant, en meme temps que l'étage de contact, au mouvement rotatif Grâce à la forme hélicoidale de la bande, il se produit un choc tangentiel du liquide sur les bandes gaufrées. -Le liquide pénètre aussi bien sur la face intérieure que sur la face extérieure des bandes. Ensuite, les projections de liquide, sous l'action des forces centrifuges, se déposent sur la face intérieure des bandes en provoquant une turbulence supplémentaire, c'est-à-dire le brassage de la pellicule liquide qui recouvre la face intérieure de la bande, L'augmentation de la surface de contact entre le gaz et le liquide par formation de gouttes et la turbulence complémentaire de la pellicule liquide, sous lteffet des projections de gouttes, contribuent à intensifier l'échange de matières et élèvent le rendement de l'étage de contact, par exemple dans la rectification. Il est préférable aussi d'écarter davantage la rive supérieure de la bande de l'arbre, comparativement à son bord inferieur, En effet, la face intérieure de la bande devient plus accessible sus jets de liquide déversé de la rigole surplombante et les gaufrages participent sur toute leur longueur à la pulvérisation du liquide. Il est également avantageux d'augmenter la hauteur des gaufrages sur la largeur de la bande à mesure de l'éloignement de la rive supérieure de celle-ci. Grâce à cela, les parties inférieures des gaufrages se trouvent presque aussi accessibles aux jets de liquide que leurs parties supérieures. Il est préférable de pratiquer des orifices d'évacuation au fond des rigoles de déversement. Une telle réalisation des rigoles de déversement permet de répartir une meme quantité de liquide sur un méme étage de contact en un grand-nombre de points. Cela favorise le développement de la surface de contact et augmente le degré de turbulence de la pellicule liquide. Il est avantageux de fixer les rigoles de déversement sur au moins une tige verticale montée près de la paroi latérale du corps, et pouvant pivoter pour assurer un réglage de la position des rigoles de déversement par rapport aux étages de contact. Pareille exécution des rigoles de déversement permet de modifier la place de l'admission du liquide aux étages de contact sans arreter le fonctionnement de la colonne. Il est alors possible de trouver le mode optimal de la répartition du liquide aux étages de contact, pour lequel on obtient l'augmentation maximale de la surface de contact et le plus haut degré de turbulence de la pellicule liquide.Par voie empirique, en utilisant comme critère d'optimalisationvpar exemple, la qualité du distillat de la colonne, on peut trouver la position la plus avantageuse des rigoles de déversement au-dessus des étages de contact, sans arrêter le fonctionnement de la colonne. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris la lecture de la description qui va suivre d'exemples préférés de réalisation etenseréfrant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente la colonne à bandes tournantes en coupe longitudinale, suivant l'invention; - la figure 2 représente une coupe par Il-Il de la figure 1 - la figure 3 est une vue isométrique d'un élément de bande dont est formé l'étage de contact, a plus trande échelle, suivant l'invention; - la figure 4 est une vue isométrique d'un élément de bande dans une autre version d'exécution, à plus grande échelle, suivant l'invention;; - la figure 5 est une vue isométrique d'un élément de bande dans une troisième version d'exécution, à plus grande échelle, suivant l'invention; - la figure 6 représente une version d'exécution de la colonne à bandes tournantes en coupe longitudinale, suivant l'invention; - la figure 7 est une demi-coupe par VII-VII de la figure 6; - la figure 8 est une demi-coupe par VIII-VIII de la figure 6; et - la figure 9 est une vue isométrique d'un élément de bande dont est composé l'étage de contact de la colonne d'après la figure 6, suivant l'invention, à plus grande échelle. La colonne a bandes tournantes pour la mise en contact d'un gaz et d'un liquide se compose d'un corps cylindrique 1 (figure 1) dans lequel sont prévues une tubulure 2 pour l'alimentation en gaz du bas de la colonne, une tubulure 3 pour l'évacuation du gaz par le haut de la colonne, une tubulure 4 pour l'arrivée du liquide la partie médiane de la colonne, une tubulure 5 pour l'introduction du liquide en haut de la colonne et une tubulure 6 pour l'évacuation du liquide de la colonne. Dans le corps 1 est placé coaxialement l'arbre vertical 8 tournant dans des roulements 7, L'extrémité supérieure de l'arbre 8 est pourvue d'une poulie 9 qui lui transmet la rotation,8 partir d'un mécanisme de commande non représenté sur le dessin.Sur l'arbre 8, à une certaine distance l'un de l'autre, sont fixés les étages de contact 10. La surface de travail de chaque étage de contact 10 est formée par les deux bandes 11 (figuresl, 2). Ces bandes 11 sont enroulées en spirale divergeant de l'arbre 8 et dont les rives sont rabattues en direction de l'arbre 8, les rives 12 des bandes 11 étant rabattues vers l'arbre 8. Les deux bandes Il forment une spirale double. Les rives rabattues 12 sont destinées à retenir le liquide sur la face intérieure orientée vers l'arbre, de la bande 11. Les extrémités extérieures 13 des bandes 11 sont rétrécies pour réunir la pellicule de liquide en un jet avant de le rejeter sur les parois du corps 1. Les bandes 11 sont fixées à l'aide des traverses radiales 14 sur la douille de montage centrale 15 en forme de poche annulaire. La douille 15 sert à fixer l'étage de contact 10 sur l'arbre. La colonne comprend aussi des dispositifs pour l'écoulement du liquide d'un étage de contact 10 à l'autre. Ces dispositifs comprennent les poches annulaires 16 fixées à la paroi intérieure du corps 1, et des rigoles de déversement 17, 18, 19 (figure 2) qui communiquent avec les poches annulaires 16 et qui sont disposées dans l'intervalle des étages de contact 10. Les poches annulaires 16 servent à récupérer le liquide éjecté des étages de contact 10 tournants, c'est pourquoi les extrémités extérieures 13 des bandes 11 sont disposées un peu au-dessus des poches 16 comme le montre la figure 1. Au fond des poches 16 sont pratiqués des orifices 20 par lesquels les poches 16 communiquent avec les rigoles de déversement 17, 18, 19 (figure 2).Ces dernières sont destinées à amener le liquide des poches 16 aux étages de contact 10 inférieurs sous-jacents. Dans la même section transversale, entre les étages de contact 10, sont réparties trois rigoles 17, 18, 19 ayant en plan une forme curviligne. Les bandes 11 sont pourvues essentiellement de gaufrages transversaux 21 et 22 (figure 3). Les gaufrages 21 sont pratiqués sur les rives rabattues 12 de la bande 11, tandis que les gaufrages 22 sont réalisés sur la partie irriguée, où se forme ordinairement la pellicule de liquide. Cependant, une bande ne peut comporter que les gaufrages 21 sur les rives rabattues 12, comme sur la bande lla (figure 4) ou comme sur la bande (figure 5), les gaufrages 23 de surface irriguée pouvant être quelque peu inclinés par rapport au bord de la bande llb. La figure 1 représente une colonne à bandes tournantes où sont indiqués,à titre d'exemple, les étages de contact 10, dont les bandes 11 sont exécutées d'après la figure 3, bien qu'il soit tout aussi bien possible d'utiliser des bandes lla (figure 4) oudes bandes îlb (figure 5). La bande lla (figure 4) est utilisée dans le cas où il est préférable de maintenir une durée de séjour minimale du liquide à chaque étage de contact et, par conséquent, dans toute la colonne. Les gaufrages 21, pratiqués sur la rive des -bandes lla, n'entraînent pas l'augmentation de la quantité du liquide à l'étage de contact en rotation, autrement dit, n'augmentent pas le retard dynamique de l'étage de contact en liquide. Cependant, les gaufrages 21 exercent leurs fonctions en contribuant à la division et à la pulvérisation du liquide déversé des rigoles supérieures 17, 18, 19 (figure 2). Les versions décrites des bandes 11 (figure 3) et llb (figure 5) sont utilisées quand il est préférable d'augmenter la durée de séjour du liquide à l'étage de contact 10. Les creux dans les intervalles entre les gaufrages 22 (figure 3) ou 23 (figure 5), sur la face irriguée des bandes, contribuent à l'augmentation de la quantité du liquide sur la bande. - En effet, la durée de séjour du liquide dans la colonne est augmentéewee cequi, dans certains cas,parexemSe dans des processus accompagnés de réactions chimiques, peut se révéler extrêmement avantageux. Les gaufrages 22 (figure 3) en meme temps que les gaufrages 21 contribuent a la division et à la pulvérisation du liquide etss par conséquent, à l'augmentation de la surface de contact. Au fond des rigoles 18 et 19 (figure 2) sont prévus des orifices 24 destinés à répartir le liquide à l'étage de contact 10 en de nombreux points9ce qui doit favoriser le développement de la surface de contact et l'augmentation du degré de turbulence de la pellicule liquide. Les rigoles 17 n'ont pas d'orifices au fond parce qu'elles ne sont destinées à alimenter en liquide que les poches annulaires 15 d'où le liquide ne doit entre évacué que par l'extrémité ouverte. D'après l'invention, les rangs des rigoles 17, 18, 19 sont fixés par l'extrémité fermée de réception sur des-barres communes verticales respectives 25, 26, 27 qui sont montées, avec possibilité de rotation sur la paroi du corps 1 de la colonne, dans les roulements 28 et 29 (figure 1). Les barres 25, 26 et 27, non représentées sur la figure 1, passent à travers les poches 16 par les orifices 20. Les passages des barres 25 > 26, 27 à travers les fonds des rigoles 17, 18, 19 (figure 2) sont étanches. L'une des extrémités émergentes de chaque barre 25, 26, 27 est pourvue d'une manette de pivotement 30 (figure 1). Par braquage de la manette 30, on obtient la position requise des rigoles 17, 18, 19 (figure 2) dans le plus de la section transversale de la colonne. La figure 2 ne représente qu'une variante possible de réalisation et de disposition des rigoles. En particulier, peuvent etre disposées une seule ou quatre rigoles dans une meme section transversale de la colonne.Pour une distribution plus régulière du liquide, simultanément par plusieurs rigoles différentes 17, 18 > 19, les poches annulaires 16 peuvent etre divisées par des cloisons transversales 31 en trois secteurs indépendants.# Dans une autre variante de réalisation de la colonne à bandes tournantes (figure 6), la configuration des bandes, formant l'étage de contact, est quelque peu modifiée. Cette colonne est constituée d'un corps 32, pourvue de l'arbre vertical 33, et d'étages de contact 34 fixés sur l'arbre 33. Les dispositifs de déversement sont sous forme de poches annulaires 35 et de rigoles de déversement 36 sous-jacentes. Les étages de contact 34 sont formés par les bandes 37 enroulées en spirale (figures 6, 7, 8) dont les rives supérieures 38 (figure 6) et les rives inférieures 39 sont rabattues vers l'arbre 33.Les bandes 37 sont fixées sur les aretes radiales 40 reliées à la douille centrale 41. La rive supérieure 38 de-la bande 37, est selon l'invention,plus éloignée de l'arbre 33 que sa rive inférieure 39. En outre,)la lahauteur des gaufrages 42 (figure 9) des bandes 37 augmente de h à H sur la largeur des bandes 37 àmesure de l'éloignement de leur rive supérieure 38. Une telle réalisation de l'étage de contact 34 (figure 6) contribue à la pénétration des jets de liquide déversé de la rigole surplombante 36 vers toutes les zones de gaufrages 42 pratiqués sur la partie irriguée des bandes 37. Lors de l'utilisation dans un procédé de rectification, la colonne à bandes tournantes fonctionne de manière suivante. Les vapeurs du mélange à séparer, ayant une teneur réduite en constituant volatil, sont introduites au bas de la colonne par la tubulure 2 (figure 1) et sont évacuées par la tubulure 3. Le mélange liquide initial des constituants à séparer arrive dans la colonne par la tubulure 4 et passe dans la poche annulaire 16. Le reflux est introduit dans la colonne par la tubulure 5. Il arrive à la plus haute poche annulaire 16 d'où il s'écoule, par la rigole 17, au second étage de contact 10. Compté àpartir du haut, étage de contact 10 supérieur est utilisé comme étage de séparation. Il est destiné à recueillir les gouttes (projection) de liquide contenues dans la vapeur. Les gouttes de liquide déposées à l'étage de contact 10 le plus haut sont rejetées de cet étage de contact dans la poche annulaire 16 la plus haute. Le liquide des poches 16 s'écoule vers les rigoles 17, 18, 19 (figure 2) situées au-dessous. A la sortie de ces dernières, le liquide est réparti entre les étages de contact 10 inférieurs. Sortant des rigoles If, le liquide arrive aux poches annulaires 15. Des rigoles 18 et 19,lue leliquide, par les extrémités ouvertes et par les orifices d'évacuation 24, tombe directement sur les bandes 11 des étages de contact 10 en rotation. Le liquide est alors divisé et pulvérisé. Les gouttes de liquide, en se déposant sur la face de travail (irriguée) des bandes 11, provoquent une turbulence de la pellicule de liquide. Il en résulte que l'échange de matières est intensifié.Sortant de la poche annulaire 15, le liquide tombe également sur les bandes ll, sous l'action des forces centrifuges. De l'étage de contact 10 en rotation, le liquide est projeté sous forme de gouttes sur les parois du corps 1 de la colonne d'où il s'écoule vers la #poche 16 sous-jacente. Les vapeurs du mélange à séparer sont mises en contact avec la pellicule du liquide irriguant les bandes 11 et avec les gouttes de liquide en suspension dans l'espace entre les bandes Il. Pendant le fonctionnement de la colonne, les rigoles 17, 18, 19 peuvent titre installées dans une position quelconque par braquage des barres 25, 26, 27 respectives. Cela permet de choisir, sans arrêter le fonctionnement de la colonne, une position des rigoles 17, 18, 19 pour laquelle la surface de contact et le degré de turbulence de la pellicule de liquide sur les bandes Il atteignent des valeurs maximales. Comme critère d'optimalisation on peut utiliser la qualité du distillat de la colonne La colonne représentée sur la figure 6 fonctionne d'une manière analogue. REVENDICATION 1. Colonne à bandes tournantes destinée à la mise en contact d'un gaz et d'un liquide et comprenant un corps, des tubulures pour l'alimentation en ga#z au bas du corps, pour l'évacuation du gaz en haut du corps, pour l'alimentation en liquide du corps et l'évacuation du liquide du corps, un arbre vertical rotatif monté dans le corps, plusieurs étages de contact fixés à l'arbre à une certaine distance l'un au-dessus de l'autre et formant de bandes enroulées en spirale divergeant de l'arbre et à rives rabattues vers l'arbre, et des dispositifs d'échange de liquide d'un étage de contact à l'autre, réalisés sous forme de poches annulaires, fixées à la paroi latérale intérieure du corps, pour recueillir le liquide rejeté des étages de contact, et disposées dans l'intervalle des étages de contact des rigoles de déversement dont les embouchures communiquent avec les poches annulaires de réception du liquide s'écoulant des étages de contact supérieurs et donc les extrémités de déversement sous disposées au-dessus des étages de contact sous-jacents, cette colonne étant caractérisée en ce que les bandes sont pourvues essentiellement de gaufrages transversaux. 2. Colonne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le bord supérieur de la bande est plus éloigné de l'arbre que son bord inférieur. 3. Colonne suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la hauteur doe gaufrages augmente suivant la largeur de la bande au fur et à mesure de l'éloignement du bord supérieur de la bande. 4. Colonne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans les fonds des rigoles de déversement sont ménagés des orifices d'évacuation. 5. Colonne suivant l'une quelconque des revendications 1 b 4, caractérisée en ce que les rigoles de déversement sont fixées sur au moins une barre verticale montée auprès de la paroi latérale du corps avec possibilité de pivotervce cequi permet de régler la position des rigoles de déversement dans la section transversale de la colonne par rapport aux étages de contact.