Brevet FR2467618A1 — publié le 19810430

1. L'invention a pour objet un dispositif en forme de bac collecteur et distributeur du liquide d'une colonne à circulations à contre-courants qui est subdivisée en sections individuelles d'échange, dispositif dans le fond du bac duquel plusieurs cheminées sont réparties. Les dispositifs de ce type sont destinés à la distribution uniforme du liquide sur la section d'échange de matières d'une colonne à circulations à contre-courants. Les types usuels de ces colonnes d'échange pour lesquelles l'invention peut trouver une application avantageuse sont en particulier du genre dans lequel les sections d'échange consistent en éléments de garnissage réguliers, par exemple d'éléments cannelés du type à lamelles. Mais l'invention est aussi utilisable pour les colonnes dans lesquelles les sections d'échange consistent en éléments de garnissage irréguliers qui sont entassés en vrac, par exemple en anneaux de Raschig ou consistent en un faisceau de canaux parallèles et verticaux, et dans ce cas, lorsque ces canaux ont un grand diamètre, ils sont remplis il soit rempli d'éléments de garnissage ou, lorsqu'ils ont un petit diamètre, la colonne est du type dit à films. Ces colonnes à circulations à contre-courants permettent d'effectuer par exemple une distillation, une rectification, une extraction, une absorption, ou permettent aussi de séparer des isotopes d'une substance par réaction chimique d'échange ou encore d'effectuer un échange de chaleur entre un liquide et un fluide gazeux ou en phase vapeur. On sait que l'action produite, c'est-à-dire le détachement ou la séparation dans les premiers cas mentionnés et le transfert de chaleur dans le dernier cas mentionné, dépend essentiellement de l'uniformité et de la régula- rité de la distribution du liquide à la surface d'une section d'échange. Il est par ailleurs essentiel, dans les colonnes formées de plusieurs sections d'échange, de recueillir le liquide qui ruisselle dans la colonne entre les sections successives d'échange afin de compenser au moins approximativement les diff érences éventuelles de concentration avant de le déverser en le répartissant réguliè- rement à la surface de la section d'échange sous-jacente. Le brevet suisse n0 409 866, par exemple, décrit un dispositif collecteur et distributeur de ce type. Ce dispositif a l'inconvénient essentiel que le collecteur et le distributeur forment deux modules séparés qui impli- quent en particulier un relativement grand encombrement en hauteur et donc une relativement grande hauteur de la colonne et dont la construction est d'un prix de revient élevé. 2467.618 2. Dans un distributeur dit à canaux, décrit dans le brevet de la République Fédérale d'Allemagne n0 21 02 424, la partie inférieure de la section des canaux qui communiquent les uns avec les autres comporte des trous, tandis que leur bord supérieur comporte des fentes de déversement par trop-plein destinées à diriger le liquide sur la section totale de la colonne. Le liquide provenant d'une section supérieure d'échange de ce dispositif n'est pas recueilli, de sorte que les différences de concentration du liquide provenant de cette section d'échange ne sont pas compensées avant que ce liquide soit déversé sur la section inférieure suivante d'échange. Par ailleurs, lorsque le liquide se déverse par les fentes, il n'est pas séparé de la vapeur et donc il se produit un entraînement de liquide lorsque la vitesse de la vapeur dépasse environ 2 à 3 m/seconde, avec pour conséquence que la capacité de charge de la colonne est extrêmement limitée. Les trous par lesquels le liquide sort s'encrassant et se colmatant facilement, la fiabilité n'est pas garantie. Le brevet de l'U.R.S.S. n0 539 596 décrit un dispositif en forme de bac destiné à la distribution du liquide sur la surface des sections d'échange. Dans ce cas, une partie du liquide provenant d'une section d'échange supérieure est recueillie. Plusieurs cheminées sont réparties dans le fond du bac du dispositif également dénommé "distributeur à verseurs". Ces cheminées sont destinées d'une part au passage de la vapeur et d'autre part au liquide qui ruisselle à contre-courant par rapport à cette vapeur. Il n'est donc pas possible d'empêcher l'entraînement rapide du liquide dans les cheminées. Dans les distributeurs usuels à verseurs, dans lesquels le liquide n'est déversé qu'au centre de la colonne, la section libre de passage de la vapeur par les verseurs et la zone marginale entourant en anneau le dispositif en forme de bac et délimitée extérieurement par la paroi de la colonne représente en général 35 à % de la section de cette colonne. Un autre dispositif qui a par ailleurs déjà aussi été suggéré comprend des cheminées à vapeur dont l'extrémité supérieure est ouverte et qui sont disposées dans un bac dont le fond est conformé en plaque perforée d'évacuation du liquide. Toutefois, dans ce cas, du liquide s'écoule aussi par les cheminées à vapeur et risque d'être entraîné par cette vapeur lorsque celle-ci circule à vitesse élevée. De plus, les souillures peuvent aussi facilement colmater les trous du fond perforé et donc la régularité de la distribution du liquide sur la totalité de la section d'échange située sous le dispositif n'est pas garantie. 2467.6 18 3. La grandeur dénommée facteur F est égale à 2 à 3 dans les colonnes vides à circulations à contre-courants avec les charges habituelles en vapeur. Le facteur F est défini par la relation F = W W désignant la D Dl WDdsgatl vitesse de la vapeur et ÉE désignant la densité de cette vapeur. La réduction de la surface libre de la section de passage de la vapeur provoque une élévation du facteur F à environ 5 à 9 dans les cheminées des dispositifs décrits ci-dessus. Lorsque le liquide et la vapeur circulent à contre-courant, le liquide est entraîné dès que le facteur F atteint une valeur d'environ 5 à 6. Il en résulte que la capacité de charge en vapeur de la colonne est extrêmement limitée. L'invention a pour objet un dispositif qui, à la différence des collecteurs-distributeurs connus de l'art antérieur, n'est pas sujet à s'encrasser, qui ne limite pas la capacité de charge des colonnes à circulations à contre- courants, dont la capacité de séparation est élevée et dans lequel le transfert de chaleur est optimale, dont la construction est de plus simple et dont l'encombrement en hauteur est très faible. Selon une particularité essentielle du dispositif collecteur et distributeur conforme à l'invention, des cheminées sont destinées exclusivement à faire passer la vapeur et comportent des pièces faîtières au-dessus du niveau du liquide ainsi qu'au moins un trou de sortie de la vapeur et plusieurs petits tubes d'évacuation du liquide sont disposés dans le fond du bac en étant répartis entre les cheminées, ces petits tubes comportant au moins dans leur paroi une entrée de liquide située audessous de la sortie de vapeur des cheminées. La vapeur et le liquide étant séparés à leur passage par le dispositif, l'entraînement du liquide par la vapeur est évité et la capacité de charge, c'est-à-dire le débit de la vapeur, peut être élevée dans la mesure voulue dans chaque cas particulier, la capacité de la colonne étant considérablement accrue. Par ailleurs, le dispositif de l'invention permet un ruissellement extrêmement régulier du liquide qui arrose les sections d'échange. Les petits tubes comportant latéralement au moins une entrée de liquide, de préférence un passage du genre d'un trou dans la paroi latérale, le risque de colmatage disparaît car les souillures éventuelles, par exemple la rouille, se déposent sur le fond du bac. Par ailleurs, le dispositif de l'invention forme un module se composant d'un collecteur et d'un distributeur et dont l'encombrement en hauteur est considérablement plus faible que celui des dispositifs connus, de sorte que l'encombrement global requis en hauteur de la colonne est réduit. 2467.618 4. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins schématiques annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure l est une coupe longitudinale partielle d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne Il-II de la figure I; - la figure 3 est une vue en perspective partielle de ce mode de réalisation; - les figures 4a et 4b sont des coupes axiales d'un mode de réalisation des cheminées; et les figures 5a à 5c sont des coupes axiales de différents modes de réalisation des petits tubes de décharge du liquide. La figure l est une illustration partielle d'une colonne d'échange de matières 1, dont les sections d'échange 2a et 2b contiennent -par exemple des éléments de garnissage réguliers constitués, par exemple, d'éléments cannelés lamellaires tels que représentés sur le brevet suisse n0 398 503. -Un espace intermédiaire libre 3 sépare ces sections d'échange l'une de l'autre. Un dispositif collecteur-distributeur 4 disposé dans cet espace intermédiaire prend appui par des tiges 5 sur une grille de support 6. Le dispositif peut éventuellement prendre appui aussi directe- ment sur la section d'échange de matières 2b qui consiste, dans l'exemple représenté de réalisation, en un élément de garnissage régulier. Le dispositif, qui est par exemple en métal, en verre ou en graphite, comprend un bac 7 qui, dans l'exemple représenté de réalisation, est cylindrique et une zone marginale demeure libre pour la circulation ascendante d'une partie de la vapeur entre ce bac et la paroi de la colonne. Il convient de remarquer que la section du bac 7 peut toutefois être éventuellement égale à celle de la colonne. Dans ce cas, la paroi latérale du bac peut être formée par la paroi de la colonne et le fond du bac peut être relié de manière étanche à cette paroi de la colonne. Dans le cas particulier, un entonnoir 9, destiné à diriger le liquide des zones marginales dans le dispositif 4 et dont le bord inférieur est dentelé, est disposé du côté de la sortie de la section 2a d'échange de matières qui repose sur une grille de support. Les cheminées 8 régulièrement réparties dans le fond du bac du dispositif 4 -de la manière également représentée sur les figures 2 et 3- sont fermées au-dessus du niveau du liquide par des pièces faîtières 10 en forme de dômes. et comportent de multiples orifices Il de sortie de la vapeur qui sont 2 4 6 7 6 1 8 5. disposés en couronne (voir la figure 4a). Lorsqu'un unique orifice de sortie de la vapeur est prévu, sa section correspond de préférence à celle de la cheminée afin de réduire la chute de pression. La figure 4b illustre une variante de réalisation des cheminées. Dans ce cas, les pièces faîtières consistent en plaques inclinées 12 et la vapeur sort de l'extrémité supérieure des cheminées 13. Les pièces faîtières évitent le risque que le liquide puisse couler dans les cheminées. Des petits tubes 14 comportant un orifice 15 d'entrée du liquide en forme de trou (voir également la figure 5a) sont disposés dans le fond du bac et sont régulièrement répartis entre les cheminées 8. Les trous 15 se trouvant au-dessus du fond du bac, par exemple à une distance d'environ 10 à mm, ils ne se colmatent pas en service par les souillures éventuellement présentes, car celles-ci se déposent sur le 'ond du bac. La disposition des trous dans les parois latérales des petits tubes a par ailleurs l'avantage que le diamètre de ces trous peut être adopté de manière que le niveau atteint par le liquide parvienne à une hauteur par exemple d'au moins 10 à 20 mm au-dessus des trous. Ainsi, même lorsque le dispositif 4 n'est pas monté avec exactitude horizontalement dans la colonne 1, l'uniformité de la distribution de liquide n'en est pas notablement affectée. La disposition de deux rangées ou davantage de trous superposées dans la paroi des petits tubes permet de faire varier le débit du liquide dans une large plage. Bien que la disposition de fentes de déversement par trop-plein impose des critères plus stricts à l'horizontalité si possible exacte du montage du dispositif, l'invention englobe également ce mode de réalisation des entrées de liquide de la manière représentée en détail sur la figure 5b. Le dimension- nement correspondant des fentes 17 des petits tubes 16 permet toutefois de garantir un niveau minimal du liquide dans ces fentes pour un débit correspon- dant. Il peut éventuellement être aussi judicieux, par exemple essen- tiellement dans les colonnes à buts multiples et à extrêmement grande plage de débit du liquide, de prévoir des fentes de déversement par tropplein ainsi que des trous dans la paroi latérale des petits tubes. Les petits tubes 14 et 16 traversent le fond du bac afin de permettre l'écoulement uniforme du liquide. Leur bord inférieur est en biais de manière que le liquide s'écoule en un jet bien déterminé. 6. L'extrémité inférieure des petits tubes 14 ou 16 (voir figures 1 à 3 ainsi que la figure 5c) qui sont disposés dans le bord du fond du bac est orientée vers la paroi de la colonne et dépasse celle du bac, de manière que la décharge du liquide soit aussi uniforme dans la zone marginale de la section 2a d'échange de matières. 2 4 676 18 7. REVENDICATIONS 1. - Dispositif en forme de bac collecteur et distributeur du liquide d'une colonne à circulations à contre-courants qui est subdivisée en sections individuelles d'échange, plusieurs cheminées étant disposées dans le fond du bac du dispositif dans lequel elles sont réparties, dispositif caractérisé en ce que les cheminées (8) sont destinées exclusivement à faire passer la vapeur et comportent au-dessus du niveau du liquide des pièces faîtières (10) ainsi qu'au moins un orifice de sortie de la vapeur (11) et plusieurs petits tubes (14, 16) d'écoulement ou de décharge du liquide sont disposés dans le fond du bac (7) et sont répartis entre les cheminées (8), chacun de ces petits tubes comportant dans sa paroi au moins une entrée de liquide (15) qui est située sous la sortie de vapeur des cheminées. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque petit tube (16) comporte au moins un trop-plein en forme de fente (17). 3. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les petits tubes comportent dans leur paroi au moins une ouverture du genre d'un trou (15) qui est située au-dessus du fond du bac (7) et au-dessous du niveau du liquide. 4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les petits tubes (14, 16) traversent le fond du bac (7). 5. - Dispositif selon la revendication 4, carctérisé en ce que les petits tubes (14, 16) sont coupés en biais à l'extrémité inférieure. 6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure des petits tubes disposés dans le bord du fond du bac (7) est orientée vers la paroi de la colonne (1). 7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce faitière des cheminées (13) est formée d'une plaque inclinée (12). 8. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce fattière (10) ferme l'extrémité supérieure des cheminées (8) et la partie supérieure de la paroi des cheminées (8) comporte au moins un orifice latéral de sortie de vapeur (11).