Brevet FR2431877A1 — publié le 19800222

La présente invention a pour objet un nouveau procédé de mise en contact gaz-liquide à grande vitesse de gaz, ainsi que d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Elle concerne plus particulièrement un contacteur de type fût vide telle que colonne alimentée en liquide et en gaz à cocourant. On connait depuis longtemps des réacteurs de ce type dit colonnes à bulles. Mais celles-ci présentent un certain nombre d'inconvénients ce qui limite leur possibilité d'utilisation. En particulier, dans une colonne à bulles selon l'art ant6- rieur on traite un gaz à faible débit par unité de section, par une grande quantité de liquide. De plus le liquide dans une colonne à bulles est sous forme d'un écoulement mélangé ce qui peut occasionner dans le cas de certaines réactions chimiques la formation de produits secondaires indésirables représentant des pertes en matières premières et en énergie. Enfin dans certaines conditions de fonctionnement par exemple sous pression, on observe quelquefois la production de vésicules. Toutes ces considérations limitent finalement les possibilités de tels réacteurs et les rendent sinon impropres, tout au moins mal adaptés pour certains types de contact, en dépit de leur simplicité apparente. L'invention a précisément pour objet un procédé qui permette# répondre de manière satisfaisante à ces exigences. La présente invention a pour objet un procédé de mise en contact d'au moins une phase gazeuse et d'au moins une phase liquide par introduction des phases à co-courant dans une colonne libre, caractérisé par le fait qu'on alimente la phase gazeuse à une vitesse comprise entre celle correspondant à sa valeur 'u point d'inversion de phase et à sa valeur au point multiple critique, et que l'on ajuste la vitesse du liquide de façon que la charge liquide dans l'émulsion présente une valeur également comprise entre celle correspondant audit point d'inversion et celle correspondant au point multiple critique. La demanderesse a mis en effet en évidence que dans de tel les colonnes l'évolution de l'aération vc'est-à-dire le volume de gaz présent par unité de volume, en fonction de la vitesse d'alimentation en gaz obéit à quatre types de comportement pour une vitesse deeliquide donnée - pour une vitesse faible de gaz la colonne se comporte de manière classique c'est-à-dire qu'il y a dispersion du gaz dans le liquide, - pour des vitesses du gaz un peu plus élevées le milieu devient très turbulent avec formation de grosses bulles et projections de liquide sous forme de grosses gouttes, - pour une vitesse supérieure du gaz on évolue vers une dispersion du liquide dans le gaz et l'on observe l'exis- tence des zones suivantes dans la colonne, du bas veule haut, - une zone de concentration en liquidevconstante que l'on appellera zone d.'émulsion, une zone où la concentration en liquide décroit, qu'on appellera zone de vésiculage, une zone où la concentration est à nouveau constante et où le liquide est sous forme de petites gouttes que l'on appellera zone d'entraînement, - enfin à partir d'une certaine valeur de la vitesse du gaz il est nécessaire de compenser les pertes de liquide par entraînement. Des travaux importants de la demanderesse ont permis de préciser le fonctionnement d'une telle colonne, et en particulier de mettre en évidence l'existence d'un point critique, que l'on appellera par la suite point multiple critique. Pour la clarté de la description, on a représenté figure 1 le fonctionnement d'une colonne, en faisant figurer en ordonnées la hauteur de la colonne H et en abscisses la grandeur 1 = hum '6 rapport entre la hauteur de l'émulsion et du liquide à aéra tion nulle ( r = ) La courbe 1 représente la zone d'émulsion, la courbe 2 la zone de vésiculage, la courbe 3 correspond à la zone d'entraînement. Sur le graphique de la figure 2 on a représenté l'ensemble du phénomène dans le cas du système air eau à faible vitesse du liquide fut vide pour une colonne de 75 mi de diamètre de 4,3 me de haut en portant en abscisses la vitesse des gaz en m/sec et la grandeur HL/HM en ordonnée.HL/Hm représente le volume de liquide par unité de volume ; nous l'appellerons charge liquide. (il s'agit d'une représentation semi-logarithmique) On remarquera que avec de l'eau dont la densité est 1 ce terme représente pratiquement la quantité d'eau présente au point considéré en Kg/m3. On a retenu dans ce graphique un réseau de 5 courbes pour définir l'ensemble. On remarque que ces courbes convergent vers un même point Mc qui est le point multiple critique. La courbe d définit la zone d'émulsion, la courbe 5 la zone d'entraînement. Les courbes 6, 7, 8 représentent les concentrations dans la zone de vésiculage respectivement à 0,1 m, 0,3 et 0,5 m du sommet de l'émulsion. Elles sont donc caractéristiques de la rapidité d'abaissement de la concentration du liquide dans la zone de vésiculage lorsque l'on s'éloigne du sommet de la zone d'émulsion. De même on remarque que la courbe 4 présente deux points de transition. On appellera le second point de transition point d'inversion T. A partir de ce second point et, à vitesse croissante du gaz le ilquide est dispersé dans le gaz. L'utilisation de ce diagramme permet de déterminer l'état de l'émulsion dans une colonne. Supposons que l'on fixe la vitesse des gaz UG à 8 m/s, par exemple. Le débit de liquide injecté au bas de la colonne doit ressortir en totalité en haut, avec une teneur UL/(UG+ UL) (bilan matière). Si UL = 0,20 m/s la valeur de ce rapport est égal à 0,025 ce qui, pour de l'eau, correspond à une teneur en liquide de 25 kg/ m3. Le graphique nous indique qu'elle correspond à la zone de vésiculage située à 50 cm de la zone d'émulsion dont la teneur pour cette vitesse de gaz est de 70 kg/m3. La colonne va se remplir de cette émulsion jusqu'à 50 cm de son sommet. La charge liquide dans l'émulsion est de 70 kg/m3. Si la valeur de UL/(UG + UL) avait été égale à 0,070, la colonne aurait été remplie à 100 % par l'émulsion. Si elle avait été supérieure, l'émulsion à 70 kg/m3 se serait densifiée sous l'incidence du débit liquide jusqu#à ce qu'en tête de colonne, la concentration de liquide soit égale à UL/UL. + UG. Si la valeur de UL avait été inférieure à 0,003 qui correspond à la courbe d'entrainenent, la colonne aurait été pratiquement vidée. Dans la suite de la description, afin d'apprécier l'effica- cité de la colonne on a déterminé la puissance dissipée par unité de volume de contacteur avec des vitesses de liquide et de gaz UL et UG calculées comme si la colonne était vide. On appellera cette puissance E. Celle-ci peut être considérée comme égale à E = (UG + UL) en négligeant les termes relatifs aux énergies cinétiques des fluides à leur entrée dans le contacteur est la masse volumique moyenne de la dispersion présente dans le conticteur. HL L'aération 8dr et la charge liquide :# ni sont appréciées a l'aide de mesures de pression différentielle. Un appareil est d'autant plus performant que le contact de phase est plus important pour un volume donné et que pour une même qualité de contact la puissance dissipée est moindre. Sur la figure 3 on a porté en abscisses la puissance dissipée dans 1 m3 d'appareil en KW par m3 et en ordonnées le flux de transfert entre phases mesuré par KW mis en oeuvre il est représenté par Plus grande est la valeur de l'ordonnée, meilleur est le ~ /E. contact gaz-liquide pour une puissance dissipée donnée. Plus grande est l'abscisse à ordonnée constante, plus petit est l'appareil pour une même qualité te contact. En conséquence, pour apprécier la qualité d'un contacteur sur le graphique on notera que celui-ci est d'autant meilleur que le point de fonctionnement est déplacé ers la droite (abscisse croissante) et vers le haut (ordonnée croissante). Pour les colonnes du type selon l'art antérieur fonction zonant en gaz dispersé dans le liquide (colonnes dites à bulles) la qualité du contact diminue lorsque la vitesse du gaz croit. Or on s'est aperçu de manière tout à fait surprenante que lorsque l'on se plaçait au delà de l'inversion de la dispersion (UG = 5,5 m/s)pour de plus hautes vitesses de gaz, il y a inversion du phénomène, c'est-W-dire que la qualité du contact croit avec la vitesse du gaz tandis que la puissance dissipée diminue. On a remarqué de plus, que les valeurs des points de transition d'inversion de phase et du point multiple varient peu #en fonction de la tension superficielle et la viscosité du liquide. On doit donc se situer sensiblement dans un intervalle de vitesse de gaz UG compris entre 5,5 m/sec 13,5 m/s et un intervalle de charge liquide dans-ltémulsion sensiblement compris entre 170 et 20 kg/m3. Plus particulièrement la présente invention peut être mise en oeuvre au moyen d'une colonne associée à un séparateur. Mais la présente-invention sera plus aisément comprise à l'aide de l'exemple suivant donné à titre indicatif, #aîs nullement limitatif. Le dispositif utilisé est illustré à la figure 4. Il comprend une colonne 13 surmontée d'un séparateur primaire 14, un cyclone 15, un bac de rétention 16, une pompe 17, des débitmètres tels que 18 et des prises de pression différentiel~ les telles que 19. La hauteur de la colonne est de 4,3 m son diamètre de 75 ms. On met en oeuvre la réaction d'oxydation à l'air du sulfite de sodium en présence de cobalt comme catalyseur. Elle permet d'apprécier la qualité du contact entre phases dans la colonne. On suit ensuite l'évolution de la concentration en sulfite er. effectuant des prélèvements dans le bac 16. Pour la mise en régime on introduit 40 1 d'une solution aqueuse à 100 g/l de sulfite de Na. On introduit ensuite la phase gazeuse et on ajuste le débit de gaz. La température est maintenue à 200 C. On en déduit la consommation horaire en sulfite ce qui permet de déterminer le flux de transfert # par unité de volume d'appareil. Les résultats sont reportés sur le graphique de la figure 3, ou comme déjà dit précédemment on a tracé les courbes de variation en fonction de E. La puissance dissipée est fonction de UG. Dans cet exemple, on a donc fait varier UG pour une valeur donnée de UL. On a donné à UL les valeurs suivantes UL U, = 0,2 m/s courbe 9 UL = 0,12 m/s t 10 UL= 0,05 m/s " UL = 0,005 m/s " 12 Chacune des courbes 9, 10, 11, 12 représente donc la variation de QI /E en fonction de E, la variation de E étant obtenue en maintenant UL fixe et en faisant varier UG. On observe que pour les courbes 10, 11, 12 la fonction est continuellement décroissante. Si on considère alors la courbe 9, relative à UL = 0,2 m/s on constate que pour des vitesses de gaz inférieures ou égales à 5,5 m/sec (portion AH de la courbe) ~ /E décroît lorsque E augmente (comportement analogue à celui d'une colonne à bulles classique) et que pour des valeurs de la vitesse de gaz comprises entre 5,5 m/sec, et lO m/sec (portion HO de la courbe) la puissance dissipée diminue et 43 /E croit, ce qui veut dire, que la qualité de contact augmente avec la vitesse du gaz ce qui est surprenant. On remarquera que ce comportement est obtenu avec des débits volumiques de gaz et de liquide de ltor- dre de 100. Si dans cette expérience pour une vitesse de liquide égale à 0,2 m/sec on considère des vitesses de gaz égales à 0,1 m/s, ce qui correspond à un régime de fonctionnement en dehors de l'invention, et égale à 8 m/sec donc dans le domaine de 1'in- vention, voir précédemment, on constate que les flux de transiert calculés sont respectivement de 300 et 2000 m3/h par m3 d'appareillage ; la puissance dissipée est dans les deux cas égale à 0,25 Kw pour 100 m3/h de débit de transfert. Autrement dit travailler avec une colonne à gouttes transportée permet de diviser la volume de l'appareil sensiblement par 7 sans augmenter la dépense énergétique pour un travail fixe. De plus la demanderesse a observé que l'écoulement du liquide pourrait être considéré comme s'approchant au moins aux 3/4 d'un écoulement de type piston, ce qui n'est pas le cas dans les colonnes à bulles selon l'art antérieur qui cotte déjà dit précédemment sont du type réacteurs agités. L'exemple précédent illustre donc l'effet tout à fait inattendu du réacteur selon l'invention. Elle s'applique donc genéralement à tous les cas d'un traitement d'une phase gazeuse par un liquide mais plus particulièrement aux cas où l'on doit traiter une grande quantité de gaz à vitesse élevée par une faible quantité de liquide tels que traitement des effluents gazeux des industries chimiques et para-chimiques tels que - gaz renfermant des oxydes d'azote, provenant de la fabrz- cation de l'acide nitrique mais aussi gaz provenant de la fabrication de divers acides tels que H2 S04, HZS, HC1, HF ou autres produits, gaz de coebustion, etc. - mais l'invention s'applique également lors de réactions chimiques telles que carbonatation de la soude avec des g gaz en faible teneur en C02 ou dans le cas où il est nécessaire de faire appel à un catalyseur solide lors de réactions relativement rapides avec contact gaz liquide. Mais la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cas où l'on a à traiter une grande quantité de liquide, si le liquide est traité en circuit fermé, dans le cas de deux liquides non missibles, d'une suspension, d'un gaz dépoussieré. REVENDICATIONS 1/ Procédé de mise en contact d'au moins une phase gazeuse, et d'au moins une phase liquide par introduction de deux phases à co-courant dans un volume libre caractérisé par le fait que l'on alimente le gaz à une vitesse comprise entre celles correspondant a sa valeur au point de transition d'inversion de phase et au point multiple critique, et que lton ajuste la vitesse du liquide de façon à ce que la charge liquide dans l'émulsion présente une valeur également comprise entre celle correspondant audit point d'inversion et celle correspondant au point multiple critique. 2/ Procédé selon 1, caractérisé par le fait que le débit de gaz est compris entre 5,5 m/sec et 13,5 m/sec et un interval- le de charge liquide dans l'émulsion soit compris entre 170 et 20 kg/cm3. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on traite un effluent renfermant des oxydes d'azote. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on effectue une réaction de carbonatation par traitement de la soude par un gaz renfermant de l'anhydride carbonique. 5/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la phase liquide est porteuse d'un catalyseur solide. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le liquide contient des matières solides réactives en suspension. 7/ Procédé selon ltune des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le gaz est dépoussieré. 8/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'on met en contact au moins deux phases liquides non missibles.