Brevet FR2510424A1 — publié le 19830204

Procédé nour réaliser les contacts gaz-liquide et garnissage pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne un procédé pour réaliser les contacts gaz-liquide qr'ion exploite dans des opéra- tjons d'échange de masse et de chaleur et en particulier dans des opérations telles que la distillation et la rec tification, l'extraction, l'absorption, la désorption, le séchage et l'humidification des gaz, et également le dépoussiérage. L'invention concerne également un garnissage pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, garnissage qui constitue une partie importante des colonnes. Dans les opérations d'échange de masse et de chaleur consistant à former des courants de gaz et de liquide dans des colonnes contenant des garnissages, l'écoulement à contre-courant est la règle générale. Dans les procédés connus et exploités d'échange de masse et de chaleur adiaphragmique, cet échange est réalisé par contact du gaz avec la pellicule de liquide à contre-courant Le liquide s'écoule vers le bas sur les parois de la colonne et le long de la surface des élé- ments du garnissage, en contact avec le gaz qui est en mouvement ascendant Le contact des phases a lieu à la surface de la pellicule de liquide, et tenu compte du déplacement à contre-courant, la durée de contact est très courte La durée de contact des phases ainsi que la surface des interfaces sont fonction de la forme de la surface des éléments de garnissage. Toutefois, un agrandissement excessif de cette surface est limité par l'augmentation de la résistance à l'écoulement. Les garnissages utilisés jusqu'à maintenant ont exploité le principe du développement maximum de la sur- face pour parvenir à un échange de masse et de chaleur intensif Dans les applications industrielles, on utilise des garnissages classiques tels que les anneaux Raschig, les selles de Berl ou l'Intalox, ou des garnissages connus mais perfectionnés tels que les anneaux à découpe (Bialecki, Pall), des anneaux perforés (Cannon) et spé- cialement des pièces moulées (Interpax, Stadman, Sulzer). La structure la plus compacte consiste en gar- nissage de paquets constitués de paquets ou tubes de tôles horizontaux et verticaux, et se caractérise par un contact uniforme de la phase gazeuse et de la phase li- quide en section transversale. Dans le cas de tôles verticales ou horizontales, le liquide s'écoule vers le bas en couche mince et le contact des phases a lieu à la surface de cette couche. Dans une des variantes, on utilise des garnissages qua- drillés qui opèrent comme les plateaux à tamis Ces gar- nissages sont constitués de tôles perforées ployées et disposées les unes par rapport aux autres de manière à former des canaux de section carrée Le liquide s'écoule vers le bas le long des parois, se mélangeant avec le courant de gaz. On connaît également un garnissage cellulaire présentant la forme d'un réseau à cellules de section carrée qui sont ployées dans leur partie inférieure, for- mant une fente au travers de laquelle le gaz s'écoule alors que, dans les cellules, le courant de liquide se brise, augmentant ainsi la surface de contact. Les solutions utilisées jusqu'à maintenant pré- sentent un certain nombre d'imperfections et d'inconvé- nîents. Ainsi, le garnissage classique se caractérise par une faible élasticité résultant de la possibilité de noyage causé par l'absence d'une pulvérisation sur la surface globale et par la formation de canaux dits pré- férentiels Les garnissages classiques perfectionnés permettent de plus fortes charges mais comparativement aux garnissages classiques, ils offrent une résistance deux à trois fois plus forte à l'écoulement, en raison de leur forme plus compliquée, laquelle est également plus difficile à exécuter. Les garnissages en paquets permettent, compara- tivement aux garnissages classiques, d'accroître les charges, d'améliorer le contact des phases, d'accroître les débits et de diminuer la résistance à l'écoulement. Mais leur forme étant plus compliquée, leur exécution est difficile. La construction de garnissages à cellules avec les éléments ouverts au sommet et avec une fente dans leur partie inférieure est simple, permettant de parve- nir à l'échelle industrielle à des vitesses de gaz attei- gnant 5 m/s (calculée sur une section vide) avec de fai- bles résistances à l'écoulement. Toutefois, ce garnissage ne permet d'agiter le courant de gaz et de briser le courant de liquide qu'à l'intérieur de la cellule Des trop fortes charges de gaz et de liquide provoquent un refoulement du liquide hors des cellules ou le flottement d'une couche de mousse sur le garnissage, conduisant ainsi à une diminution de la durée de contact entre les courants. La demanderesse a cherché à accroître la durée de contact entre gaz et liquide et, simultanément, la surface de l'interface, sans développement excessif de la surface du garnissage. D'autres buts et avantages de l'invention appa- raitront à la lecture de la description ci-après. Ces buts et avantages ont été atteints dans un procédé pour réaliser le contact de gaz et de liquide dans des colonnes à contre-courant contenant des garnis- sages, procédé qui se caractérise en ce que, en plus du contact à contrecourant dans les éléments du garnissage et dans les espaces existant entre les couches de garnis- sage, le gaz et le liquide entrent également en contact entre eux dans chaque élément dans un mouvement tourbil- lonnaire confluent et en écoulement transversal Ces mouvements sont obtenus grâce à la configuration des parois des éléments Le contact des agents entre les couches de garnissage se produit en mouvement turbulent, résultant de la configuration et de la disposition des orifices d'entrée et des orifices de sortie des éléments du garnissage les uns par rapport aux autres. En raison du mouvement confluent appliqué dans un tourbillon simultané des courants à l'intérieur des éléments de garnissage, la durée de contact des phases est prolongée et l'échange de masse et de chaleur entre les courants-est accru Le tourbillon du courant de gaz et du courant de liquide améliore l'échange de chaleur et de masse, et protège simultanément contre une déposition d'impuretés sur les parois du garnissage. L'invention comprend également un garnissage pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, gar- nissage qui consiste en couches composées d'éléments re- productibles présentant en section une forme polygonale régulière Ce garnissage se caractérise en ce que chaque élément présente, dans sa partie inférieure, la forme d'une tuyère constituée par deux parois opposées et en chevauchement de l'élément Ces parois forment simultané- ment des fentes avec les autres parois. La tuyère est placée de manière à diriger le courant de gaz contre la paroi verticale de l'élément. Cette paroi présente, dans sa partie supérieure, une flexion radiale ou angulaire constituant simultanément un étranglement de la section de l'élément Cette flexion accroit simultanément le mouvement tourbillonnaire du courant de liquide et du courant de gaz. Les éléments reproductibles du garnissage sont disposés en couches, la disposition des couches voisines dans les plans horizontaux étant facultative, car la construction de l'orifice d'entrée et de l'orifice de sortie assure à tous endroits le contact du gaz et du liquide en mouvement turbulent entre les couches Les distances verticales entre les couches de garnissage successives représentent, selon les paramètres de l'écou lement du courant de gaz et du courant de liquide, de 0 à 3 fois la hauteur de la couche de garnissage Plus avantageusement, et pour un fonctionnement optimal du garnissage, cette distance représente de O à 1 fois la hauteur d'une couche. Le procédé selon l'invention pour réaliser les contacts gaz-liquide ainsi que le garnissage pour la mise oeuvre de ce procédé permettent de faire fonctionner une colonne avec des vitesses d'écoulement des courants de gaz et de liquide variables dans des larges limites Ils permettent de travailler avec des vitesses élevées d'é- coulement du gaz, de l'ordre de 5 m/s, et un débit de liquide allant jusqu'à 20 kg/m 2 S avec un fonctionnement stable de l'appareil. Les vitesses d'écoulement de gaz auxquelles on Darvient sont en moyenne 5 fois plus élevées que celles obtenues avec un garnissage classique (anneaux Raschig) Dour les mêmes résistances à l'écoulement, calculées pour l m de la couche de garnissage. Le procédé et le garnissage selon l'invention permettent d'accroître l'échange de chaleur et de masse d'un facteur de 100 % en moyenne comparativement aux garnissages à cellules de hauteur égale, et avec des débits égaux de liquide et de gaz Par suite, on peut réduire considérablement les dimensions totales de l'ap- pareil et par conséquent ses frais de construction. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après en référence aux figures du dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente schématiquement et en fonctionnement les éléments de deux couches de garnissage et la figure 2 représente la couche de garnis- sage en section transversale. En référence à ces figures, le garnissage con- siste en couches 1 composées d'éléments re Droductibles à section polygonale régulière Dans leur partie infé- rieure, ces éléments ont la forme d'une tuyère 3 consti- tuée par deux parois opposées et qui se chevauchent 5 et 6 de l'élément 2. Ces parois forment en même temps des fentes avec les autres parois La tuyère 3 est disposée de ma- nière à diriger le courant de gaz sur la paroi verticale de l'élément 2 qui, dans sa partie supérieure, présente une courbure radiale 7. Les mouvements du courant de gaz et du courant de liquidé sont représentés sur la figure 1, ceux du courant de gaz par des traits interrompus et ceux du courant de liquide par des traits continus. Le gaz pénètre dans l'élément par le bas, au travers de la tuyère qui provoque une augmentation de sa vitesse Le liquide est dirigé dans l'élément par le dessus, à contre-courant du gaz. Le courant de gaz débouchant de la tuyère en- traîne le liquide en écoulement descendant et en recycle une partie, l'entraînant dans un tourbillon de courants confluents Un autre tourbillon se produit sous l'effet de la courbure de la paroi dans sa partie supérieure, et à cet endroit, le courant tourbillonnaire entraîne également le liquide qui s'écoule, arrivant par le des- sus. L'écoulement tourbillonnaire confluent du cou- rant de liquide et du courant de gaz qui se produit à l'intérieur des éléments augmente la durée de contact des phases et la vitesse de l'échange de chaleur et de masse, supprimant en outre les risques de formation d'espaces "morts" et empêchant ainsi la déposition d'im- 10424 puretés sur le garnissage. Une partie du courant de gaz sort de l'élément par l'étranglement qui se trouve à sa partie supérieure, et en raison de la situation des orifices d'entrée et des orifices de sortie des éléments de garnissage les uns par rapport aux autres, le courant de gaz est main- tenu en mouvement turbulent dans l'espace existant entre les couches. Simultanément, le gaz se mélange avec le liquide en écoulement descendant, augmentant ainsi encore la sur- face de contact des phases Les fentes existant dans la partie inférieure des éléments, formées entre la tuyère et les parois voisines, dirigent une partie du courant de gaz vers les éléments en travers par rapport à la di- rection des courants qui s'écoulent des tuyères Il en résulte également une augmentation des durées de contact entre les phases. L'exemple qui suit illustre l'invention sans toutefois en limiter sa portée; dans cet exemple, les indications de parties et de % s'entendent en poids sauf mention contraire. Exemple On utilise une colonne verticale d'un diamètre de 200 mm Dans cette colonne, on a placé 5 couches de garnissage dont les éléments ont des dimensions de 20 x x 40 mm Dans les couches successives, les éléments sont disposés dans le plan horizontal à un angle quelcon- que les uns Tsar rapport aux autres La fente de tuyère a des dimensions identiques dans tous les éléments, et a 3 mm dans la plus petite section L'air chauffé par un radiateur électrique est envoyé dans la colonne Dar un ventilateur L'eau est pompée dans la colonne à l'aide d'une pomme à partir d'un réservoir Un pulvérisateur disposé au-dessus du garnissage assure une répartition uniforme du liquide sur toute la section transversale de la colonne Au-dessus du pulvérisateur, on a placé un séparateur gaz-gouttelettes La température de l'air et la température de l'eau sont mesurées par-des thermocou- pes Fe-constantan La diminution de pression statique du gaz à l'écoulement au travers du garnissage est mesu- rée à l'aide d'un amnomètre différentiel à eau. L'humidité de l'air pénétrant dans la colonne et en sortant est déterminée sur la base des indications d'un "thermomètre à réservoir humide" ("wet-bulb thermo- meter"). Au cours des essais, on a fait varier le débit d'air de 1,30 à 3,46 kg/m 2 s On a pu réaliser un fonc- tionnement stable de la colonne à une densité de pulvéri- sation d'eau dans les limites de 18 050 à 122 680 W/m 3 C (Watt/mètre cube x degré). Des essais comparatifs effectués avec le garnis- sage à cellules dans les mêmes conditions opératoires ont montré que les facteurs de pénétration de la chaleur avec le garnissage selon l'invention représentaient 120 % ceu K obtenus avec le garnissage à cellules. 10424 REVENDICATIONS 1 Procédé pour réaliser des contacts entre gaz et liquide dans le garnissage de colonnes à contre-cou- rant, caractérisé en ce que, en plus du contact à contre- courant dans les éléments du garnissage et dans les es- paces existant entre les couches de garnissage, le gaz et le liquide entrent également en contact entre eux dans chaque élément dans un mouvement tourbillonnaire con- fluent et en écoulement transversal, résultant de la configuration des parois de ces éléments, cependant qu'entre les couches de garnissage, le gaz et le liquide entrent en contact entre eux en mouvement turbulent ré- sultant de la configuration et de la disposition des ori- fices d'entrée et des orifices de sortie des éléments du garnissage les uns par rapport aux autres. 2 Garnissage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, consistant en couches composées d'éléments reproductibles à section polygonale régulière', caractérisé en ce que ces éléments présentent, dans leur partie inférieure, la forme d'une tuyère ( 3) constituée par deux marois opposées ( 5) et ( 6) de l'élément qui se chevauchent, formant en même temps des fentes entre ces parois et les autres parois, la tuyère ( 3) étant placée de manière à diriger le courant de gaz sur la paroi ver- ticale ( 5) de l'élément, laquelle paroi présente dans sa partie supérieure une flexion fadiale ou angulaire aug- mentant le mouvement tourbillonnaire du courant de li- quide et de gaz et formant simultanément un étranglement de la section de l'élément ( 2). 3 Garnissage selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les distances verticales entre les couches de garnissage successives ( 1) représentent de O à 3 fois la hauteur de la couche de garnissage, et de préférence de O à 1,0 fois cette hauteur, avec une disposition mu- tuelle facultative des éléments de la couche de garnis- sage dans les plans horizontaux.