Brevet FR2590499A1 — publié le 19870529

La présente invention a pour objet une colonne de réaction destinée au traitement d'une solution au contact d'un composant solide statique, et accessoirement le procédé d'utilisation d'une telle colonne. On connaît les colonnes de réac- tion dans lesquelles on peut faire passer un composant liquide dit solution, à traiter au contact d'un composant statique solide et généralement divisé en grains tels que catalyseur, résine échangeuse d'ions, tamis moléculaire, ou autres; de telles colonnes sont généralement constituées d'une enceinte verticale comportant des orifices de passage de la solution à ses extrémités supérieure et inférieure; de telles colonnes ne peuvent être que de faible diamètre pour éviter un écoulement préférentiel au centre et des zones neutres qui ne manquent pas d'intervenir des que le diamètre de la colonne devient important par rapport a sa hauteur et aux adiametres de ses orifices d'entrée et sortie. La formation de zones neutres et corrélativement de zones d'ecoulement preferentlel généralement situées au centre de la colonne est préjudiciable car elle provoque en sortie des mélanges hétérogènes de solution ayant subi à des degrés très divers l'action du composant statique. De telles colonnes ont des parois assez épaisses pour supporter l'expansion du composant solide qui peut avoir lieu au cours du traitement. Cette expansion du volume du composant statique s'accompagne généralement d'une déformation de ses grains entrainant leur dislocation et finalement une augmentation de la perte de charge qu'elles opposent à la circulation du flux. Pour assurer une vitesse d'écoulement suffisante il faut alors augmenter la pression jusqu'à des niveaux très élevés qui constituent un second frein technologique aux possibilités d'augmenter le diamètre de la colonne. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en donnant à la colonne une forme et des proportions qui, en coopération avec des caractéristiques densimétriques et granulométriques des composants solides qu'elle contient, autorisent une percolation régulière de la solution et un reclassement naturel des composants solides en situation de passage inversé. Selon la présente invention, une colonne de réaction du type destiné à faire passer un composant liquide, dit solution, à traiter au contact d'un composant statique solide et divisé en grains tel que catalyseur, résine échangeuse d'ions, tamis moléculaire, ou autre, ladite colonne étant essentiellement constituée d'une enceinte verticale comportant au moins deux orifices de passage de ladite solution, l'un à sa partie supérieure, l'autre à sa partie inférieure, est caractérisée principale- ment en ce que la pression régnant à la partie intérieure de la colonne est sensiblement égale à la hauteur de charge de la solution dans cette dernière de telle sorte que lîecou- lement de la solution a travers le composant statique resul- te principalement de sa gravité, en ce que la partie infé- rieure de ladite enceinte est d'une forme générale sensi- blement conique, et en ce que le volume intérieur de cette partie conique est partiellement garni d'une masse de maté- riaux divisés inertes à- l'égard de ladite solution, ces matériaux étant disposés en couches horizontales constitués de particules de taille croissante de façon au moins discoiin- tinue depuis leur couche supérieure jusqu'à leur couche inférieure, tandis que les densités des particules sont au moins égales à celles du composant statique ou de la solution, la densité des particules des couches inférieures étant au moins égale à celle des couches supérieures. Ainsi la granulométrie des maté- riaux inertes disposés dans la partie conique est plus grossière que celle du composant statique réactif et dans chaque couche plus grossière que celle de la couche supé- rieure. De même la densité des matériaux inertes est supé- rieure à celle du composant statique réactif et dans chaque couche supérieure ou égale à celle de la couche qui la surmonte. L'augmentation relative des vides intersticiels compense ainsi la réduction de la section au fur et à mesure de la descente dans le tronc de cône. Cette disposition permet d'obtenir un écoulement régulier jusqu'à la buse de sortie, ce qui contribue finalement à éviter les perturba- tions au-dessus. Suivant une autrc 2isposition gé- nérale, on laisse subsister au-dessus du composant statique une hauteur HI libre de composant statique de telle sorte que cet espace, bien que rempli ultérieurement de solution, puisse être utilisé par le composant statique pour son expansion; on notera que cette hauteur libre H1 est déterminée par la faculté d'expansion du composant statique, et ne peut donc être déterminée a priori. Suivant des caractéristiques plus particulières, la plus petite dimension des particules d'une couche est cupérieure à la plus gra-r- dimension des interstices existants entre les particules de la couche immédiatement inférieure tandis que la plus grande dimension des interstices existants entre les particules de la couche supérieure est inférieure à la plus petite dimension des grains du composant statique. De préférence les matériaux inertes sont divisés en trois couches de particules de granulométries différentes, la granulométrie des particules d'une même coucht 4tant sensiblement homogène. De préférence encore ces matériaux inertes sont disposés au-dessus d'une grille dont les ouvertures ont des dimensions inférieures à la plus petite dimension des particules de la couche adjacente, tandis que ladite grille repose sur un support, dit croisillon, constitué de plaques reliées centralement pff Jc,.,* tranche. Suivant d'autres caractéristiques secondaires, la nartie supérieure de l'enceinte étant cylin- drique, le rapport de sa hauteur HI à son diamètre D est au moins égal à 1,2 (H = 1,2D); l'angle d'ouverture du cône de la partie inférieure est compris entre 25 et 35 ; la surface inférieure de la couche inférieure de matériau inerte est située à une distance hl de l'extrémité inférieu- re du cône, hi étant comprise entre 0,25D et 0,35D. Suivant une autre caractéristique particulière liée au mode d'utilisation d'une colonne de l'invention, une conduite supérieure et une conduite infé- rieure raccordée axialement à l'extrémité inférieure du cône, sont reliées à une vanne quatre voies recevant elle-même une conduite d'arrivée et une conduite de départ, la fonction de ladite vanne quatre voies étant de mettire, de façon alternée, en relation soit la conduite supérieure avec la conduite d'arrlvee et la conduite interleure avec la condulte de depart, soit ia conduite lnterleure avec la conduite d'arrivée et la conduite supérieure avec la condui- te de départ; des pompes dites de charge pour l'une et de vidange pour l'autre sont montées respectivement en amont et en aval de la vanne à quatre voies sur respectivement la conduite d'arrivée et la conduite de départ. Lorsque plusieurs colonnes sont montées en série, la conduite de départ de l'une constitue la conduite d'arrivée de la suivante et la pompe de vidange de la premiere constitue la pompe de charge de la seconde, etc... Suivant une autre disposition avantageuse, la colonne de l'invention comporte au moins deux capteurs de présence de la solution, dits détecteurs de niveaux, l'un dit de niveau haut étant situé au-dessous du débouché de la conduite supérieure dans la colonne, l'autre dit de niveau bas étant situé au-dessous du dit débouché et au-dessus du niveau supérieur dudit composant statique. Les différentes caractéristiques sus-énoncées et de préférence réunies ont pour résultat d'assurer une vitesse linéaire de la solution égale à elle-même pratiquement en n'importe quel. point de la masse du composant statique, d'autoriser un diamètre relativement faible des conduites d'arrivée et de départ compatible avec celui des entrée et sortie de pompe, sans affecter le caractère isocinétique du passage de la solution à travers le composant statique, d'éviter des volumes "morts" souvent causes de l'hétérogénéité de traitement, enfin de permettre une régénération simple et quasi indéfinie du composant statique (dans les limites théoriques d'utilisation de celui-ci) par la simple manoeuvre des vannes quatre voies. La présente invention sera mieux comprise et des dt;tails on relevant apparaîtront. à la des- uript on qui va être faite d'une forme préférée de réalisa- tion d'une colonne de l'invention et d'un exemple de son utilisation, en relation avec la figure de la planche an- nexée qui illustre en coupe et de façon schématique une telle colonne. Sur la fig.l, une colonne 1 de traitement conforme à]'invention se compose essentiellement d'une partie cylindrique 3 surmontant une partie conique 2; la partie conique 2 est remplie sur une partie supérieure h2 de sa hauteur de trois couches 6,7,8 d'un matériau inerte organique ou minéral; le matériau inerte est supporté par une plaque perforée 22 supportée elle-même par un croisillon 9 à une hauteur hi au-dessus de l'extrémité inférieure 10 du cône. Le cône a une ouverture d'angle de 30 e,: extrémité inférieure se prolonge par une conduite inférieure 12. L'extrémité supérieure de la colonne 1 est partiellement obturée par une virole, ou couvercle, 25 comportant un trou d'homme 26 qui peut être ou non obturé; une conduite supérieure 11 débouche dans l-a colonne au niveau du trou d'homme. Pour fixer les idées sur les proportions des éléments sus-indiqués, on définira celles-ci en fonction du diamètre D de la partie cylindrique; dès lors et SaAli ce cas particulier H = 1,32 D, hl = 0,28 D, h2 = 0,44 D. La partie cylindrique est par- tiellement remplie sur une hauteur H2 d'un composant stati- que 5 solide et divisé qui peut être un réactif chimique ou biochimique, un catalyseur, une résine échangeuse d'ions anioniques ou cationiques, une résine complexante, un char- bon, un tamis moléculaire, du gel de silice, etc..., ce composant statique constituant au sens large un réactif agissant par absorption, adsorption, liaison chimique perma- nente ou temporaire ou tout autre effet physique. On remarquera que la hauteur H2 du composant statique est surmontée d'une hauteur HI d'un espace libre destiné à permettre en cas de besoin l'expansion du composant stati- que; cet espace de hauteur HI peut être occupé par la solution à traiter 4 qui remplit bien entendu tous les autres espaces résiduels de la colonne entre les grains du composant statique et les particules du matériau divisé du O1 cône; grâce à cette disposition la circulation de la solution se fait régulièrement sur toute la colonne sans circuit préférentiel notamment au centre. On notera encore, comme déjà dit plus haut, que de préférence la densité des grain. ' des particules sus-visées, de même que leur granulométrie est croissante du haut vers le bas. Cette disposition permet de faire circuler un liquide de solution à traiter, ou de. solution régénérante, de bas en haut, ce qui a pour effet particulièrement intéressant de simultanément favoriser un détassement du composant statique et de permettre un reclas- sement des diverses couches réactives ou inertes, s'il y a eu des phénomènes accidentels de migration. Cet inversion du sens de fonc- tionnement de la colonne peut être réalisé commodément grâce à une vanne quatre voies 19 raccordée d'une part à la conduite supérieure 11 et à la conduite inférieure 12 et d'autre part à une conduite d'entrée 13 et à une conduite de sortie 14; la conduite d'entrée (ou d'arrivée) 13 passe par une pompe de charge 15 tandis que la conduite de sortie 14 passe par une pompe de vidange 16. Selon la position du "tournant" de]a vanne quatre voies, on établit dans la colonne un circuit direct suivant les flèches en trait plein 17 ou inversé suivant les flèches en tiret 18. Une colonne de l'invention com- porte encore avantageusement des dispositifs d'automatisme et de régulation; l'élément principal mais non limitatif de régulation est constitué par des détecteurs de niveau ou encore capteur de présence de la solution, 1 'un dit de niveau haut assure pour la marche à contre- courant 1 'arrêt de] 'a]imentation de la colonne tandis qu'en sens direct celui 21 de niveau bas assure l'arrêt de la vidange. On S évite ainsi soit le débordement, soit la mise en contact de réactif avec lair ambiant, attendu que ce dispositif peut être comporté par tout dispositif de régulation propor- tionnel intégral ou dérivé éliminant les phénomènes de battements et assurant un fonctionnement continu. L'automatisme de la colonne est assuré par des dispositifs électroniques utilisant des programmes pour piloter les opérations par l'action d'élec- trovannes, en fonction de mesures en continu sur les solutions entrée et sortie (pH, potentiel Redox, tempé- 1g rature, réfraction, turbidimétrie, -sistivité ou tout autre caractéristique significative). Une évolution détermîï.,..Le des régulations et automatismes est rendue possible par les conditions mêmes de fonctionnement des nouvelles colonnes: partie supérieure à pression atmosphérique et partie infé- rieure en faible dépression (ou légère pression pour la marche à contrecourant). Ces conditions simplifient en effet considérablement le suivi en continu des diverses données physiques ou chimiques prises en compte, et permet- tent souvent d'assurer leur fiabilité a]ers que ce n'est technologiquement pas possible à haute pression. A titre d'exemple, le composant statique réactif peut être une résine échangeuse d'ions; il retient préfôrentiellement et dans cet ordre trois produits organiques A,B,C dans une solution, la colonne retiendra d'abord tout le produit A, puis ensuite tout le produit B, {,t enfin seulement tout]e produit C. On peut alors par des passages successifs sur colonne, alternant avec des élu- tions, séparer sans mélange le produit A, le produit B et le produit C. I] n'est bien évidemment possible de réa]iser ces opérations sur le plan industriel et de les automatiser que parce que tous les filets élémentaires s'écoulant dans la colonne subissent un même temps de réaction grâce à l'él].imi- nation des écoulements préférentiels. A titre d'autre exemple, des eaux fortement chargées en électrolytes sont traitées dans une station d'épuration comportant diverses opérations successi- ves. L'une d'elles consiste à les soumettre à l'action d'une résine cathionique dans une colonne; la colonne est compo- sée d'une partie cylindrique (Diamètre 2 m, hauteur 2,43 m) qui surmonte un tronc de cône dont l'angle au sommet est de 30 . Son volume est de 8 m3 avec une ouverture au sommet de diamètre 0,5 m. La partie cylindrique est chargée de 5 m3 de résine Amberlite IRC 120 qui occupent une hauteur de 1,59 m soit 65 % de la hauteur disponible. Le tronc de cône est rempli de frnis couches de graviers sil4" de 0,33 m d'épaisseur. Les graviers sont soutenus spar une flaque PVC de 0,65 m de diamètre et 10 mm d'épaisseur. Cette plaque est percée de quatre cents trous de diamètre 8 mm et recouverte d'une toile de tamis d'ouverturee de maille 0,5 mm. La résine se présente sous forme de billes de diamètre 0,7 mm, la couche inerte la plus haute sous forme de graviers C,8 à 2 mm et les deux suivantes respectivement 2 à 5 mm et 4 à 9 mm. En dessous de la plaque perforée se trouve un vide de 0,56 m au-dessus de la buse de sortie. On y place un croisillon polyester qui soutient la plaque. L'alimentation se fait par une tuyauterie diamètre 50 à un débit de 20 m3/h permettant une vitesse d'écoulement dans la zone utile à une vitesse de 1,77 mm/s correspondant bien aux conditions requises pour l'effacité du traitement. L'invention concerne également la technique de réalisation des colonnes pour permettre lors de leur réalisation industrielle d'optimiser]eurt, coûts de construction et de fonctionnement. Les matériaux durs habi- tuel]ement utilisés en génie chimique (verre ou métaux) peuvent être remplacés par des matériaux moins onéreux, puisqu'il n'y a pas de contraintes mécaniques importantes dues aux pressions élevées. On peut, en particulier, choisir des matériaux ayant une certaine élasticité, tels que le polyester armé de fibres de verres, ce qui contribuera, en dehors du chargement partiel en réactif de la partie cylindrique déjà mentionné, à encaisser d'éventuelles expan- sions du réactif pendant le cycle de production. La possibilité de réaliser indus- triellement des colonnes de grand diamètre et de faible hauteur résulte directement des particularités spécifiques des colonnes faisant l'objet de la présente invention. C'est un facteur déterminant d'économie dans le coût de construc- tion, mais aussi dans les coûts de fonctionnement, par exemple en prolongeant la durée d'utilisation des réactifs. Le principe même de régularisa- tion de l'écoulement par des couches successives de produits inertes implique l'horizontalité parfaite de ces couches et donc de la plaque qui les soutient. Son faible diamètre est un facteur favorable mais on élimine tout risque de flèche par son.maintien adéquat à savoir en périphérie des équerres et suivant quatre rayons un croisillon. Bien que l'on ait décrit et re- présenté une colonne conforme à l'invention ainsi que des détails de réalisation et des modalités de fonctionnement, il doit être compris que la.particularité de l'invention n'est pas limitée à ces exemples particuliers mais qu'elle s'étend à tout dispositif de traitement en phase hétérogène comportant les caractéristiques générales énoncées plus haut. R E V E N D IC AT IONS 1.- Colonne de réaction du type destiné à faire passer un composant liquide, dit solution, à traiter au contact d'un composant statique solide et divisé en grains tel que catalyseur, résine échangeuse d'ions, tamis molécu- laire, ou autre, ladite colonne étant essentiellement constituée d'une enceinte verticale comportant au moins deux orifices de passage de ladite solution, l'un à sa partie supérieure, l'autre à sa partie inférieure, caractérisée: en ce que la pression- régnant à la partie inférieure de la colonne est sensiblement égale à la hauteur de charge de la solution dans cette dernière de telle sorte que l'écoulement de la solution à travers le composant statique résulte principalement de sa gravité, en ce que la partie inférieure (2) de ladite enceinte est d'une forme générale sensi- blement conique, et en ce que le volume intérieur de cette partie conique est partiellement garni d'une masse de matériaux divisés inertes à l'égard de ladite solu- tion (4), ces matériaux étant disposés en couches hori- zontales (6,7,8) constitués de particules de taille croissante de façon au moins discontinue depuis leur couche supérieure (6) jusqu'à leur couche inférieure (8), tandis que les densités des particules sont au moins égales à celles du composant statique (5) ou de la solution, la densité des particules des couches infé- rieures étant au moins égale à celle des couches supérieures; 2.- Colonne selon la revendication 1, caractérisée par une hauteur libre Hi au-des- sus du composant statique (5); il 3.- Colonne selon la revendication 2, caractérisée: en ce que la plus petite dimen- sion des particules d'une couche est supérieure à la plus grande dimension des interstices existants entre les particules de la couche immédiatement inférieure, et en ce que la plus grande dimen- sion des interstices existants entre les particules de la couche supérieure est inférieure à la plus petite dimension des grains du composant statique (5); 4.- Colonne selon la revendication 3, caractérisée: en ce que les matériaux inertes sont divisés en trois couches de particules de granulo- métries différentes, la granu]ométrie des particules d'une même couche étant sensiblement homogène; 5.- Colonne selon la revendication 3, caractérisée: en ce que les matériaux inertes sont disposés au-dessus d'une grille (22) dont les ouvertures ont des dimensions inférieures à l. a plus petite dimension des particules de la couche adjacente, et en ce que ladite grille repose sur un support, dit croisillon (9), constitué de plaques reliées centralement par leur tranche; o.- Colonne selon la revendication 2, caractérisée: en ce que, la partie supérieure (1) de l'enceinte étant cylindrique, le rapport de sa hauteur Hl à son diamètre D est au moins égal à 1,2 (H = 1,2D); 7.- Colonne selon la revendication 2, caractérisée: en ce que l'angle d'ouverture du cône de la partie inférieure est compris entre 25 et ; 8.Colonne selon la revendication 2, caractérisée: en ce que la surface inférieure de la couche inférieure de matériau inerte est située à une distance hl de l'extrémité inférieure du cône, hl étant comprise entre 0, 25D et 0,35D; 9.- Colonne selon la revendication 2, caractérisée: en ce qu'une conduite supérieure (11) et une conduite inférieure (12) raccordée axiale- ment à l'extrémité inférieure (10) du cône, sont reliées à une vanne quatre voies (19) recevant elle-même une conduite d'arrivée (13) et une conduite de départ (14), la fonction de ladite vanne quatre voie étant de mettre, de façon alternée, en relation soit la conduite supé- rieure (11) avec la conduite d'arrivée (13) et la conduite inférieure (12) avec la conduite de départ (14), soit la conduite inférieure (12) avec la conduite d'arrivée (13) et la conduite supérieure (11) avec la conduite de départ (14); 10.-Colonne selon la revendication 9, caractérisées: en ce que ladite colonne comporte au moins deux capteurs de présence de la solution, dits détecteurs de niveaux, l'un (20) dit de niveau haut étant situé au-dessous du débouché de la conduite supé- rieure dans la colonne, l'autre (21) dit de niveau bas étant situé audessous du dit débouché et au-dessus du niveau supérieur dudit composant statique (5).