Brevet FR2678364A3 — publié le 19921231

FR 2678364 A3 19921231 FR 9108097 A 19910628 La présente invention concerne une colonne contenant des élé- ments d'insertion, pour l'échange de matière et/ou de chaleur entre une phase gazeuse, au moins une phase liquide et au moins une phase solide, ainsi que son utilisation à des fins de distillation, de rec- tification, d'absorption, d'extraction de séchage ou d'humidification, ou pour réaliser des réactions chimiques. On connaît des bourrages ou des corps de remplissage à intro- duire dans des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur, qui rendent la surface d'échange disponible pour l'échange de matière et/ou de chaleur entre les phases qui sont en contact mutuel Si une ou plusieurs phases liquides participent à l'échange, l'échange n'a lieu que sur la surface des bourrages ou corps de remplissage qui est imprégnée par cette ou ces phases La part de la surface qui est im- prégnée par la ou les phases liquides doit donc être la plus grande possible, puisque la part non imprégnée est perdue pour l'échange. Mais les bourrages ou corps de remplissage connus jusqu'alors ne par- ticipent pas activement à l'échange de matière et/ou de chaleur. Le terme de "sorption" signifie qu'un gaz ou une vapeur est reçu par une autre substance, le sorbant, qui est en contact avec lui La "sorption" comprend: a) l'absorption, c'est-à-dire la pénétration de gaz ou de mélanges ga- zeux par diffusion dans un liquide ou dans une substance solide, l'absorbant; b) l'adsorption, c'est-à-dire la fixation réversible de gaz et de sub- stances dissoutes sur des surfaces de séparation de phases, à savoir la surface d'une substance solide ou une interface entre deux li- quides, sous l'influence de forces de van der Waals ou de forces électrostatiques; c) la condensation capillaire, c'est-à-dire la condensation de vapeurs dans des pores fins d'une substance solide poreuse au cours d'un pro- cessus d'adsorption; d) la chimisorption, c'est-à-dire un processus d'adsorption ir- réversible, au cours duquel se déroulent des réactions chimiques; e) la désorption, c'est-à-dire la séparation du sorbant de composants reçus par ce dernier. On connaît déjà des applications de l'adsorption, dans les- quelles l'agent d'adsorption est utilisé sous une forme granulaire dans un lit fixe, dans un lit mis en mouvement ou dans un lit flui- disé, ou bien (uniquement pour des liquides) sous une forme pulvéru- lente Les procédés à lit fixe peuvent être utilisés pour le traite- ment de milieux gazeux et liquides Pour des systèmes comportant une phase solide, l'application du procédé utilisant un agent d'adsorption mis en mouvement présente des difficultés dues à des pertes d'agent d'adsorption par abrasion et à la sensibilité aux pannes des disposi- tifs transportant la substance solide On utilise principalement du charbon actif, en grandes quantités, comme poudre pour la décoloration et l'épuration de solutions dans les domaines industriels les plus di- vers Jusqu'à présent, l'adsorption a été utilisée uniquement dans des systèmes dans lesquels il s'agit uniquement de séparer des phases so- lides et des phases liquides, ou uniquement des phases solides et des phases gazeuses, par exemple à des fins de filtration dans le domaine des eaux usées ou pour l'épuration d'air d'échappement. Toutefois, l'utilisation de l'adsorption dans des systèmes à trois ou plusieurs phases, c'est-à-dire des systèmes comportant une phase gazeuse, au moins une phase liquide et au moins une phase so- lide, qui participent toutes à l'échange de matière, n'a pas encore été prise en considération à des fins de distillation, d'absorption, d'extraction et similaires. L'utilisation de l'adsorption dans un tel système à trois ou plusieurs phases à des fins de distillation, de rectification, d'absorption, d'extraction, de séchage ou d'humidification, ou pour réaliser des réactions chimiques, permet d'obtenir une amélioration du rendement par rapport aux bourrages et corps de remplissage connus mentionnés en introduction, le nombre des unités de transfert ou étages de séparation ("nombre théorique de plateaux") étant augmenté, de sorte que la hauteur de la colonne peut être réduite Lors de l'absorption de gaz acides, on peut observer un important effet tam- pon, de sorte que le p H reste nettement plus longtemps dans la plage comprise entre 6 et 9 que ne le laissait attendre la quantité de gaz absorbée, ce qui fait qu'on obtient une plus grande capacité d'absorption d'un gaz acide. Cela étant, la colonne selon l'invention pour l'échange de ma- tière et/ou de chaleur est caractérisée par le fait que les éléments d'insertion qu'elle contient sont constitués d'un substrat en métal, matériau céramique ou matière plastique extrudable, enduit au moins sur une partie de sa surface de fibres, de configurations planes ou de particules de carbone. Le substrat peut être réalisé en métal, de préférence en acier inoxydable ou en acier au carbone, en matériau céramique, de préfé- rence en grès ou en porcelaine, ou en matière plastique extrudable, de préférence en matériau thermoplastique, notamment polyéthylène, poly- propylène, chlorure de polyvinyle ou fluorure de polyvinylidène Il peut être enduit de tissu, de voile, de feutre, de fibres, de fibres hachées, de granulat, de paillettes ou d'aiguilles de carbone Toute- fois, les meilleurs résultats sont généralement obtenus avec un tissu de fibres de carbone constitué de fils de chaîne et de fils de trame s'étendant perpendiculairement entre eux Le tissu possède de préfé- rence un grammage de 250 à 460 g/ m 2 et une épaisseur de 0,5 à 1 mm. L'épaisseur des fibres peut être de 18 pm ou plus De préférence, la surface dégagée du carbone n'est pas scellée. La réalisation des éléments d'insertion peut s'effectuer par collage ou soudage de l'enduction de carbone sur le substrat, ou bien par laminage, pression ou calandrage à chaud de l'enduction de carbone sur le substrat, le substrat enduit étant amené antérieurement ou pos- térieurement sous une forme appropriée On peut faire appel aux formes conventionnelles d'éléments d'insertion destinés à des colonnes pour l'échange de matière et/ou de chaleur. Les éléments d'insertion peuvent préférentiellement être réali- sés sous forme de lamelles disposées parallèlement à l'axe de la co- lonne, et qui peuvent entrer en contact mutuel Des bourrages particu- lièrement appropriés sont ceux du type décrit dans le brevet suisse CH-C 398 503, dans lesquels au moins une de deux lamelles en contact mutuel est striée, et les stries de lamelles striées successives pos- sèdent des directions différentes Le striage peut par exemple être un profil dentelé ou ondulé De préférence, le striage d'au moins une de deux lamelles striées successives est orienté de telle sorte qu'il forme avec l'axe de la colonne un angle compris entre 20 et 70 e, de préférence égal à environ 45 ' Le striage des lamelles peut notamment être disposé de telle sorte qu'il présente approximativement la même inclinaison par rapport à l'axe de la colonne pour toutes les la- melles, mais que les directions des stries de chaque groupe de deux lamelles voisines se coupent. Des essais ont montré que, pour un substrat enduit de fibres ou filaments de carbone, la surface de l'enduction était, du fait des forces capillaires dans les fibres ou filaments, imprégnée de liquides de tous types, tels que de l'eau, des solutions aqueuses, des solvants organiques ou même des huiles lourdes et visqueuses L'angle de contact 13 mesuré était égal à O (cos 13 = 1) Un avantage particulier de la présente invention est que cet effet est obtenu tant avec des liquides hydrophiles qu'avec des liquides lipophiles. Dans les dessins annexés: la figure 1 représente un substrat enduit des deux côtés d'un tissu de fibres de carbone, la figure 2 représente un substrat enduit d'un côté de fibres hachées de carbone, la figure 3 représente un élément d'insertion pour une colonne selon l'invention, et la figure 4 représente un diagramme sur lequel on a porté la puissance de séparation d'une colonne selon l'invention en fonction du facteur de charge du gaz F. La figure 1 représente un substrat 2, qui possède une épaisseur de 2 à 3 mm et qui est constitué d'un thermoplastique Le substrat 2 est enduit des deux côtés d'un tissu de fibres de carbone 1. Le substrat représenté sur la figure 2 est enduit d'un côté de fibres hachées de carbone 3. Sur la figure 3, l'élément d'insertion est désigné 4. Une colonne d'absorption selon l'invention, contenant des élé- ments d'insertion en polypropylène enduit de fibres de carbone, a été comparée à une colonne d'absorption contenant les éléments d'insertion connus les plus anciens, constitués de polypropylène non enduit Les éléments d'insertion utilisés conformément à l'invention et les élé- ments d'insertion connus possédaient le même grammage de 245 u 2/m 3, ainsi que la même forme géométrique et les mêmes dimensions exté- rieures. Le résultat de la comparaison de puissance est représenté sur la figure 4 On a porté en ordonnées la puissance de séparation, exprimée en nombre d'unités de transfert/m (number of transfer units per meter, NTUM), et en abscisses le facteur de charge du gaz F = w Vq 7, W étant la vitesse du gaz rapportée à la section globale de la colonne et 9 g la densité du gaz, exprimée en (m/s)Vkg/m 3 La courbe désignée A re- présente les valeurs pour la colonne selon l'invention, et la courbe désignée B celles pour la colonne selon l'état de la technique. On a envoyé dans la colonne un mélange constitué de dioxyde de soufre et d'air, la concentration d'alimentation de SO 2 étant de 2 à 14 g/Nm 3 Le gaz a été lavé à l'eau avec une densité de pulvérisation de 5 à 20 m 3/m 2 h La puissance de séparation a été calculée et évaluée selon la formule de Chilton et Colburn (Ind Eng Chem 27, 1935) La colonne selon l'invention (courbe A) présentait par rapport à la co- lonne selon l'état de la technique (courbe B) une amélioration de la puissance de séparation atteignant jusqu'à 100 %. De plus, on a comparé une colonne de distillation selon l'invention, contenant des éléments d'insertion en acier inoxydable enduits de fibres de carbone, à une colonne de distillation contenant des éléments d'insertion non enduits en acier inoxydable, les éléments d'insertion présentant au reste les mêmes caractéristiques (grammage, forme et dimensions extérieures) que dans les colonnes d'absorption ci-dessus. La puissance de séparation a été mesurée avec recyclage continu. Le facteur de charge du gaz F a été réglé, comme cela est habituel dans l'industrie, à 2-2,4 Les résultats sont rassemblés dans le ta- bleau ci-dessous. Tableau Système de matières Pression Puissance de séparation* d'entrée mbars A** B*** Acétone/eau 990 5,5 3,5 Méthanol/eau 990 4,8 3,1 Isooctane/eau 1020 3,0 2,2 Isopropanol/eau 1000 3,6 2,4 * Nombre d'étages de séparation ("nombre théorique de plateaux")/m ** Colonne selon l'invention *** Colonne selon l'état de la technique La colonne selon l'invention a apporté une amélioration de la puissance de séparation atteignant jusqu'à 60 % Le fait que l'amélioration de la puissance de séparation soit plus faible lors de la distillation que lors de l'absorption est due à ce que, lors d'un processus de séparation qui est lié à une transformation de phase, la dépense d'énergie nécessaire pour la transformation de phase (enthalpie d'évaporation, chaleur de cristallisation, etc) est pré- pondérante par rapport à la dépense d'énergie nécessaire pour l'adsorption, qui se base sur des forces faibles dans le domaine molé- culaire (forces de van der Waals, forces électrostatiques). Un autre avantage de l'utilisation d'une colonne selon l'invention pour la séparation de matières par distillation, qui de- vait être jusqu'alors effectuée sous vide du fait des différences in- suffisantes de volatilité à la pression normale, consiste en ce qu'avec une colonne selon l'invention, on peut déjà obtenir à la pres- sion atmosphérique une puissance de séparation égale ou supérieure à celle obtenue sous vide avec une colonne selon l'état de la technique, de sorte qu'on supprime les dépenses nécessaires pour la production et le maintien d'un vide. REVENDICATIONS 1 Colonne contenant des éléments d'insertion, pour l'échange de matière et/ou de chaleur entre une phase gazeuse, au moins une phase liquide et au moins une phase solide, caractérisée en ce que les élé- ments d'insertion sont constitués d'un substrat en métal, matériau cé- ramique ou matière plastique extrudable, enduit au moins sur une par- tie de sa surface de fibres, de configurations planes ou de particules de carbone. 2 Colonne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est réalisé en acier inoxydable, en acier au carbone, en grès, en porcelaine ou en matière thermoplastique, notamment poly- éthylène, polypropylène, chlorure de polyvinyle ou fluorure de poly- vinylidène. 3 Colonne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le substrat est enduit de tissu, de voile, de feutre, de fibres, de fibres hachées, de granulat, de paillettes ou d'aiguilles de carbone. 4 Colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisée en ce que la surface dégagée du carbone n'est pas scellée. Colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisée en ce que l'enduction est collée ou soudée sur le substrat, ou bien laminée, pressée ou calandrée à chaud sur le substrat. 6 Application d'une colonne contenant des éléments d'insertion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, à des fins de distil- lation, de rectification, d'absorption, d'extraction, de séchage ou d'humidification, ou pour réaliser des réactions chimiques. 7 Application selon la revendication 6, dans un système compor- tant une phase gazeuse, au moins une phase liquide et au moins une phase solide, qui participent toutes à l'échange de matière et/ou de chaleur.