Brevet FR2626191A1 — publié le 19890728

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXPLOITATION D'UN APPAREIL FONCTIONNANT PAR RUISSELLEMENT D'U' FILM LIQUIDE, ET APPLICATION A LA SEPARATION DES TETRACHLORURES DE Zr ET Hf L'invention concerne le domaine des échangeurs à film liquide ruisselant, et plus particulièrement un procédé et un appareil permettant de maintenir un film très mince dans un tel échangeur. ETAT DE LA TECHNIQUE CONNU La technique du film liquide ruisselant sur une surface est couramment utilisée en génie chimique pour des opérations faisant intervenir soit des transferts thermiques entre le liquide et la surface. soit des transferts thermiques entre le liquide et une phase gazeuse, soit des transferts de masse entre phase liquide et gazeuse. soit une combinaison de ces transferts. Les phases liquide et gazeuse peuvent circuler à contre-courant ou à co-courant. Une application importante est 'évyaoration en couche mince o un constituant au moins du liquide coulant le long d'une paroi chauffante est progressivement porté à ses conditions de vaporisaion. Z s'agit là d'un échange thermique entre la paroi chaude et le film Liquide et d'un translert de masse de la phase liquide vers la phase gazeuse. Une application moins courante consiste à faire absorber par la phase liquide une partie de la phase gazeuse, dans des conditions de température étroitement définies. Les appareils adaptés aux transferts à réaliser et aux propriétés physico-chimiques -es produits traités sont très variés. En se limitant à ceux qui permettent les -ronsferts thermiques avec la surface de ruissellement, on utilise des appa-eiis rcêaIfs quand il faut une grande énergie pour réaliser un film mince sur ':a2 su-ce et des appareils à écoulement de iiquide par gravité quand ia, icosite et ôa tension superf.cieeLe du liquide sont faibles. Ces derniers appareils sont généralement constitués par un faisceau tubulaire vertical, chaque tu-be étant mun;. à sa partie supérieure d'un dispositif de répartition du liquide et de formation du film. Pour assurer des transferts thermiques et massiques optimaux, il faut que le film liquide soit aussi mince que possible et recouvre toute la surface. Pour les appareils à écoulement par gravité, les ouvrages du génie chimique enseignent que la stabilité du film nécessite que le débit par unité de longueur de déversoir soit supérieur à un minimum, calculable en fonction de la densité, de la viscosité et de la tension superficielle du liquide dans les conditions de l'opération envisagée. On a remarqué que le débit minimal (do) ainsi calculé, s'il est suffisant pour que le film ne se rompe en régime établi, est loin de l'être pour former le film. La formation nécessite un débit plus fort que (do0), que l'on peut conserver ou non ensuite, pour obtenir un bon fonctionnement de l'appareil. Ainsi, les appareils d'évaporation à film tombant comprennent souvent une pompe qui reprend une partie du liquide concentré en bas de l'échangeur et la réinjection dans le liquide à évaporer à l'entrée de l'échangeur. Cette pompe permet d'avoir dans l'échangeur un débit indépendant du débit de liquide à évaporer et, en particulier, supérieur à celui qui est nécessaire pour former le film. EXPOSE DUl PROBLEME Mais un problème se pose lorsque les conditions opératoires imposent d'utiliser un débit de liquide (dl), aussi voisin que possible du débit minimal (do), sans possibilité d'augmenter ce débit sur toute la surface de l'échangeur pendant un temps suffisant pour y former le film, ni d'utiliser une pompe qui reprenne une partie du liquide au bas de l'échangeur pour ie recycler à l'entrée. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc 'un procécé d'exploitation d'appareil à film liquide ruisselant Dar gravité sur une ou plusieurs surfaces à partir d'une source qui permet en particuiier d'établir un film très mince à débit de liquide d1 proche du débit minimal dO0 sans augmenter le débit d'alimentation de la source, ni recycler une partie du liquide s'écoulant au bas de l'appareil. Le terme "source" désigne le bain de liquide habituellement contenu dans un répartiteur et alimentant directement le ou les films liquides ruisselant sur la ou les surfaces. L'invention concerne aussi un appareil à écoulement gravitaire à partir d'une source, du type à faisceau tubulaire ou du type à plaques, mettant en oeuvre ce procédé. Selon le procédé de l'invention, qui s'applique à un appareil comprenant une ou plusieurs surfaces de ruissellement, et dans lequel on alimente en permanence la source de liquide de l'appareil à film avec un débit (d1) légèrement supérieur au débit minimal (d0) correspondant à la rupture du ou des films: - on alimente d'abord chaque film avec un débit permanent (kd1) correspondant -au débit (dl) d'alimentation de la source, k étant; i et égal à 1/n dans le cas de n surfaces de ruissellement identiques; - on augmente ensuite, pendant une brève période ou période transitoire, le débit de chaque film, à partir de la source toujours alimentée avec le débit di, jusqu'à une valeur transitoire (kd,) permettant d'établir un film continu et régulier sur toute la surface de ruisseEement ou surface active; - puis on revient pour chaque f:m au ébit (kdt.), en supprimant l'augmentation de débit du film. De préférence, le débit {d1) d'alimentat'on de la source. c'est-à-dire de fonctionnement de l'appareil, ne dépasse pas 1.3 fois le débit minimal (do)>, de façon à améliorer le rendement d'échange, par exemple une absorption. Le débit transitoire (kd2) de chaque film est compris entre 2 fois et 5 fois son débit minimal (kdO0) et:a durée de période transitoire est de l'ordre de 1 à 5 secondes. Lorsqu'on aliments chaque surface active, par exemple un tube, avec le débit (kd,) peu su;ér:e--r au débit. mi.te (kdo). généraiement le film ne se forme pas ce façon regu:.ere et compète. Un débit:rans.'o;re (kd2 de Iotre de 2 fois le débit minimal (kdO) est suffisant pour établir le film. Mais on préfère utiliser un débit (kd2) plus fort, 33 ce qui permet de réduire la durée de le période transitoire et finalement la quantité de li.qide mise en oeuvre pendant cette période. En effet, on constate qu'il se forme alors une vague liquide (annulaire dans cas d'un tube), beaucoup plus épaisse que le film et qui descend le long de la surface en réparant sur son passage ies défauts du film et en laissant derrière elle un film établi sur toute la surface. La figure 1 est le diagramme (débit-temps) dans la section du tube représenté sur la figure 2, o le film (15) est établi après le passage de la vague (16). En outre, la quantité de liquide utilisé sur chaque surface active pendant la période transitoire peut être sensiblement diminuée en augmentant le débit utilisé (kd2), car la durée nécessaire à l'établissement du film décroît très vite lorsque l'épaisseur et le poids de la vague sont importants. On essayera de rendre minimum les produits (kd2 x durée de la période transitoire) représentant les volumes totaux de liquide mis en oeuvre pendant ces périodes transitoires sur les différentes surfaces actives, car ces volumes de liquide passent dans l'appareil avec des conditions de rendement moins bonnes. il faut noter que les augmentations de débit des films proviennent de prélèvements sur le volume de liquide de la source, dont ils font temporairement ha.sser le niveau. Le niveau bas atzeinz par suite de la ou des périodes transitoires doit être encore suff!sant pour que le film soit alimenté avec un débit supérieur au minimum do (voir f:g.. ce qui impose en pratique un choix judicieux du volume de la source de iiquide et des débits transitoires, simultanés ou non. Après la période transitoire, de chaque surface ou de chaque groupe de surfaces, le niveau de la source se rétablit progressivement à son niveau de fonctionnement permanent et le débit de chaque film remonte à la valeur {kdl). Tout ceci s'est effectué sans que le débit alimentant la source ait été modifié. C'est la source qui a servi de réseroir-tampon et de système d'autorégulation. Lorsque l'appareil comporte plusieurs surfaces actives à film et qu'on ne peut pas les almenter en même temps à leurs débits Mkd2) en régime transitoire sans risquer de faire trop baisser le niveau de la source, on échelonne dans le temps l'établissement du film sur les différentes surfaces actives. On peut par exemple e. a:menter une au débit transitoire (kd2 lorsqu'on a étabii le film sur a précédente et que le niveau de la source est redevenu normal. 2 6 2 6 1 9 On peut aussi alimenter successivement des groupes de plusieurs surfaces en ménageant un intervalle de temps entre chaque groupe pour que la source puisse toujours alimenter tous les groupes aux débits désirés, sans descendre au-dessous du minimum do. Cela permet de réduire l'influence de la variation de débit sur I'aval de l'installation et de ne pas augmenter le volume de la source. Le procédé de l'invention peut aussi être utilisé à intervalles réguliers au cours du fonctionnement de l'appareil. Cela permet à chaque film de fonctionner avec un débit (kd1) permanent très proche du débit minimum (kdo). C'est aussi recommandé lorsque les caractéristiques du liquide ne favorisent pas la stabilité du film. Dans les 2 cas, on peut ainsi reconstituer facilement et automatiquement le film s'il s'est rompu. Les appareils qui permettent de mettre en oeuvre le procédé de l'invention sont des appareils dont la surface active à film liquide est alimentée par gravité à partir d'un volume d'une source, ou volume de liquide contenu dans un répartiteur. elle-même alimentée à débit constant égal au débit du ou des films en régime permanent (d1). Ils sort caractérisés en ce uu'ls cm?.orent un système de réglage du débit de chaque film liquide à plusieurs vs.eurs prédéterminées (kdl, kd2) se succédant dans le temps. Ces divers débits peuvent se succéder d'une part sur une surface active donnée, d'autre part sur plusieurs surfaces actives que l'on alimente ainsi l'une après l'autre, à un débit transitoire ('kd2>. Ces appareils uti'lsent toute surface de ruissellement connue et de préférence des tubes verticaux sur la surface interne desquelles on établit le film liquide. Les exemples qai suivent ne sont pas limitatifs. EXEMPLE Il se rapporte à un tube de ruisseiiement vertical représenté en coupe axiale sur la figure 3. Le tube (1) d'une hauteur totale de 3 mètres a une section intérieure (8) circulaire de 54 mm de diamètre. Il traverse la plaque tubulaire supérieure j(i7) de i'échangeur, au-dessus de laquelle se trouve la source de liquide (3), constituée par un volume alimenté en permanence au débit d1 = 50 iitres/heure. le débit minimum do au-dessous duquel le film se rompt étant do = 26 2 6 1 9 1 litres/heure. Le niveau supérieur (4) de ce volume source est constant pour le débit normal (d1) de ruissellement sur la surface (15) du tube (1). Le système répartiteur comporte un prolongement (2) du tube vers le haut, rapporté par vissage ou emmanchement à force, avec une zone tronconique (7), des trous calibrés (13) de diamètre 1.7 mm percés à travers la paroi du tube à 70 mm au-dessous du niveau (4) capables de faire passer le débit d1 en régime permanent, et un bord supérieur (5) situé au-dessous du niveau de la source; une douille mobile (10) dont la surface extérieure délimite avec la surface intérieure du prolongement (2) du tube (1) une chambre annulaire de distribution (11) de largeur 3 mm communiquant avec la source par les trous (13) et avec la ! 5 partie inférieure du tube par un espace annulaire (12) de largeur réduite (0,5 nmi située au-dessus de la zone tronconique (7), ladite douille (10) étant prolongée vers le haut par une rehausse verticale (9) dont le bord supérieur est au-dessus du niveau (4) du liquide de la source et qui repose avec emboltement de façon étanche sur le bord supérieur (5) du prolongement (2) du tube (1) en 0 position de débit permanent d1. Cette douille (10) avec rehausse (9) est mobile axialement selon la flèche (14) grâce à un dispositif non représenté. Elle constitue le 'système de réglage du débit du film. Le soulèvement momentané de la rehausse (9) permet le passage d'un supplément de débit entre le bord inférieur de la rehausse et le bord supéieur (5) du prolongement (2). pour obtenir le débit total transitoire de 150 litres/heure. Le fonctionnement de l'appareil selon le procédé de l'invention est le suivant L'alimentaion du volume source est fixée à 50 litres,'heure. Le niveau (4) de cette source est à 70 mm au-dessus des trous (13). La rehausse (9) reposant sur le bord supérieur (5) du prolongement (2), le liquide passe seulement par les trous (13> à un débit d1 de 50 'litres/heure. Miais, à ce débit,!e film liquide ne s étabit pas régulièrement sur toute la surface intérieure du tube. On soulève alors ia rehausse dont le débit d'alimentation est resté constant. Le niveau (4) de la source a baissé de 20 mm pendant cette période. Au bout de 2 secondes, la rehausse est redescendue sur le bord (5) du prolongement. Le débit à travers les trous (13) n'est alors que légèrement supérieur au débit d o litres/heure. Le niveau (4) de la source remonte donc progressivement et, en moins d'une minute, le débit par les trous (13) revient au débit permanent d1 de litres/heure. EXEMPLE 2 On voulait condenser en continu des vapeurs de tétrachlorures de Zirconium ZrCl, et de Haniurm HfC!,, sortant de 'a colonne de séparation, par absorption dns un solvant liquide formé de chhioroa!uminate de potassium", selon le procédé du brevet francais 2 250 7,7. On a constitué un échangeur à film tombant, avec 80 tubes semblables à celui de l'exemple 1, groupés en Il rangées, gaz et liquide circulant à contrecourant. Les rehausses (9) de chaque rangée de tubes étaient commandées simultanément par un dispositff de soulèvement, comme dans l'exemple 1. Un fluide caiopo.eur à température constante circule à l'extérieur des tubes et absorbe ies ca.c-es cédées par la condensation des vapeurs de chlorures. Les tubes à film ciôe étant utilisés comme absorbeur de vapeur, on a pu tester l'efficaci:é de ce procédé. A quantité de vapeur à absorber constante, donc à quantité de chaàer à échanger constante, on apprécie l'efficacité de l'échange the.-mique et de Y'absorptionr., donc de la qualité du film, par l'écart de la temperature entre le fluide caloporteur entrant dans l'échangeur et le liquide arrivant en bas de l'échangeur. Au démarrage, au débit de 50 litres/heure, on a mesuré une différence de température de 8 C. Après avoir manoeuvré le dispositif de commande de la rehausse pour faire passer un débit transitoire de iitres/'heure pendant 2 secondes puis re;enr au débit permanent de 50 litres/heure, on a constaté que cette différence de température était ramenée à 6 C et se maintenait à cette valeur. Ceci correspond à un accroissement de l'efficacité de l'échangeur de 10 à 15 %, dû à l'établissement correct d'un film régulier sur toute la paroi intérieure du tube, sans modification du débit d'alimentation du volume répartiteur. EXEMPLE 3 Une autre variante de dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention est un tube émergeant du bain de liquide et muni à l'intérieur d'une douille mobile en rotation. La paroi du tube est percée de trous pour le passage du liquide. A sa partie inférieure, entre sa surface externe et la surface interne du tube, la douille mobile en rotation ménage une chambre annulaire de distribution du liquide, comparable à celle de l'exemple 1, dans laquelle débouchent lesdits trous. La douille comporte des éléments qui peuvent obturer pius ou moins les trous ou obturer un nombre variable de trous pour permettre ie passage alterné de plusieurs valeurs différentes du débit de liquide. La section de l'espace annulaire par lequel le bas de la chambre annulaire 0 communique avec le tube est de préfèrence égale à la somme des sections des trous au moment de l'ouverture mamemale. La vitesse de rotation de la douille, les dimensions des trous et des obrarateurs sont les éléments qui permettent de régier la durée et la cadence des périodes de débit transitoire et des périodes de débit permanent. Cette variante. dans laqueile le débit transitoire est obtenu par rotation de la douille mobile, s'applique comme les précédentes à des appareils comprenant plusieurs tubes de ruissellement. 2 6 2 6 1 9> 1 REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploitation d'un appareii tel qu'évaporateur. absorbeur ou échangeur, fonctionnant par ruissellement d'un ou plusieurs films liquides sur une ou plusieurs surfaces de ruissellement ou surfaces actives, dans lequel on alimente le ou les films liquides par gravité à partir d'une source alimentée en permanence avec un débit (d1) légèrement supérieur au débit (do0) au-dessous duquel le ou les films se rompent, caractérisé en ce que - on alimente chaque film d'abord avec un débit permanent (kd1) correspondant au débit d'alimentation (d1) de la source. k étant permettant d'établir un film continu sur toute la surface active; - puis on revient au débit lkd1) pour le film considéré. 2. Procédé selon la revendication,. O 'es périodes brèves d'alimentation des surfaces actives à leurs débits ransvoires lkd2) sont décalées dans le temps pour ces différentes surfaces. 3. Procédé selon la revendication 1, o les périodes brèves d'alimentation des surfaces actives à leurs débits transitoires (kd2> sont décalées dans le temps pour des groupes de ces sur-faces. 4. Procédé se'on _ -ne des revendications 1 à 3 o chaque débit transitoire (kd2) est au moins &. _ 2 fois le débit minimum d'alimentation de la surface active correspondante d. Procédé selon la revend!cation 4 o le débit trans.toire {kd.) est compris entre 3 et 5 fois le débitr minimum (kd) 3 6. Procédé seion l'une des revendications 4 à 6 o le produit ikd9 x durée de la période transitoire) est mr.nmise. 7. Appareil mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 comportant: une source de liquide (3) alimentée à débit constant, au moins une surface de ruissellement (15), un répartiteur faisant passer le liquide de la source (3) à la ou aux surfaces de ruissellement (15), caractérisé en ce que le répartiteur est muni d'un ou plusieurs systèmes de réglage du débit (10) de la ou des surfaces de ruissellement (15) à plusieurs valeurs déterminées se succédant dans le temps. 8. Appareil selon la revendication 7, o chaque surface de ruissellement est la surface intérieure (15) d'un tube vertical (1). 9. Appareii selon la revendication 8, o le répartiteur comporte une chambre annulaire de distribution (11) ménagée entre la partie haute de la surface intérieure d'un tube (1) et la surface extérieure d'une douille mobile (10) intérieure au tube (1) constituant le système de réglage du débit. ladite chambre annulaire (11il) communiquant avec la source (3) de liquide et étant ouverte à sa partie inférieure selon un espace annurare étroit (12) le long de la surface intérieure du tube (1) pour laisser couler ie long de la surface de ruissellement (15) le liquide venant de la source (3). 10. Appareil selon la revendication 9 o la chambre annuiaire de distribution (11) communique avec la source (3) par des trous (12) percés dans la paroi du tube (1 et 2) et ouverts en permanence, par lesquels passe le débit permanent (kd1). 11. Appareil selon la revendication 10, o la source de liquide est un bain à niveau sensiblement constant (3) o le bord supérieur (15) de chaque tube (1) est au-dessous du niveau de la source (1) of: la douille mobile (10) se prolonge vers le haut par --une rehausse (5) émergeant du bain, avec emboîtement de façon étanche sur le bord supérieur (51 du tube (1E et est liée à un dispositif de mouvement a:sai qui peut le soulever momentanément de la portée et ouvrir ainsi une communication supplémentaire entre la source de liquide (3) et la chambre de distribution (11), permettant au débit du film de prendre une valeur transitoire (Rd2). 12. Appareil selon la revendication 9 o la source de liquide est un bain à niveau sensiblement constant, o le bord supérieur du ou des tubes est au-dessous du niveau de la source, o chaque chambre de distribution communique avec la source par des trous percés dans la paroi du tube et capables de laisser passer le débit transitoire (kd2), o la douille mobile en rotation autour de l'axe du tube comporte des éléments susceptibles d'obturer partiellement les trous et d'obturer un nombre plus ou moins grand de trous, faisant ainsi varier la section de communication entre la source de liquide et chaque chambre de distribution pour alimenter la surface de ruissellement correspondante tantôt au débit permanent, tantôt au débit transitoire. 13. Appareil selon l'une des revendications 8 à 12, comprenant une pluralité de tubes -épartis en groupes d'au moins un tube, le débit de ruissellement de chaque groupe étant réglé séparément dans le temps. 14. Appareil seion les revendications 'D et 13, o les rehausses (9) des tubes (1) d'un même groupe sont soulevées ensemble lorsqu'on veut alimenter tous les tubes dudit groupe à leurs débits t.-nsitoires (kd29. 15. Application du procédé selon la revendication 3 à l'absorption en continu de vapeurs de tétrachlorures de Zr et de Hf dans un solvant liquide formé de chloroaluminate de potassium' selon le brevet FR 2 250 -707.