FR3134993A3 - Distributeur de liquide pour colonne de traitement - Google Patents
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Abstract
Titre : Distributeur de liquide pour colonne de traitement Un distributeur de liquide (1) pour distribuer un liquide dans une colonne comprend une pluralité de goulottes parallèles (9), chaque goulotte étant de forme allongée, chaque goulotte comprenant un plancher (7) ayant des ouvertures (11) pour un écoulement de liquide, le plancher s’étendant entre les extrémités inférieures d’une paire de parois droites parallèles, les goulottes étant écartées les unes des autres par des espaces de montée de gaz, au moins une ouverture étant obstruée par une plaque en métal poreux (13) permettant le passage du liquide, la plaque comprenant au moins 20 pores, chacun d’un diamètre d’au plus 2mm. Figure d’abrégé : [Fig.3]
Description
La présente invention est relative à un distributeur de liquide à installer dans une colonne de traitement utilisant un débit de liquide passant du haut de la colonne vers le bas, pour effectuer par exemple un échange de masse et/ou de chaleur.
De telles colonnes sont employées pour réaliser les opérations de séparation par exemple, pour la distillation ou l'absorption. Au sein de la colonne, un transfert de matière s’établit entre les phases liquides et gaz mises en contact par des éléments nommés « contacteurs ». Ces contacteurs peuvent être des plateaux de distillations, des garnissages vracs ou structurés. S’il s’agit de garnissages, ils sont équipés de distributeurs pour le liquide et parfois aussi de distributeur pour le gaz.
Une colonne de traitement est équipée d’au moins un distributeur pour le liquide, qui s’écoule vers le bas par gravité. Le liquide est introduit dans la colonne puis est distribué sur toute la section de la colonne.
Dans certains cas, le liquide doit contacter un débit gazeux qui monte dans la colonne. Ainsi le liquide descendant est mis au contact du gaz qui s’écoule vers le haut, à contre-courant. Généralement, les distributeurs de liquide sont constitués de pots ou de tubes disposés parallèlement au travers de la section horizontale de la colonne, ces éléments peuvent être perforés en leur fond ou ouverts à une certaine hauteur pour permettre le passage du liquide à un niveau défini.
Des solutions supplémentaires peuvent être mises en place pour permettre une répartition la plus uniforme possible sur l’ensemble de la section horizontale de la colonne.
Le distributeur est conçu pour distribuer le liquide de façon homogène et uniforme sur le moyen d’échange de masse et/ou de chaleur, par exemple un garnissage. L’uniformité de la distribution de liquide est essentielle, en particulier dans une colonne où un liquide descendant contacte un gaz montant car un défaut de mouillage du moyen d’échange de masse et/ou de chaleur, en particulier un garnissage, réduit la surface de contact effective entre le gaz et le liquide et donc l’efficacité du transfert de matière entre le gaz et le liquide. Une distribution inégale peut provoquer un écoulement liquide en cascade ou un assèchement local et créer, par conséquent, un passage préférentiel pour le gaz montant susceptible de polluer les produits que l’on cherche à séparer. Pour ces raisons, la distribution liquide a une forte influence sur les performances du transfert de matière dans la colonne.
On les distinguera également des collecteurs de liquide, utilisés lorsque la distribution du liquide est effectuée à hauteur intermédiaire de la colonne. Ceux-ci ont pour fonction de collecter et de mélanger le liquide provenant de la partie supérieure de la colonne.
Les technologies de distributeurs ont fait l’objet de nombreux brevets. Les distributeurs équipés de cheminées peuvent être de différents types, et positionnés suivant différentes configurations. Différentes variantes de distributeurs sont décrites notamment dans les demandes de brevet et brevets suivants : EP0328786 A1, US6338774B, US2004020238A, US6149136A et US5752538A.
La présente invention est relative à un distributeur de liquide pour colonne d’échange de masse et de chaleur.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un distributeur de liquide pour distribuer un liquide provenant de ou allant vers un contacteur permettant l’échange de matière et de chaleur dans une colonne cylindrique de distillation ou d’absorption ayant un diamètre D d’au moins 20 cm, voire d’au moins 2 mètres, ou dans une colonne à section rectangulaire de distillation ou d’absorption ayant un côté de section de longueur D d’au moins 20 cm voire d’au moins 2 mètres, le distributeur comprenant une pluralité de goulottes parallèles, chaque goulotte étant de forme allongée suivant un corde d’un cercle de diamètre D, chaque goulotte comprenant un plancher ayant des ouvertures pour un écoulement de liquide, le plancher s’étendant entre les extrémités inférieures d’une paire de parois droites parallèles, les goulottes étant écartées les unes des autres par des espaces de montée de gaz caractérisé en ce qu’au moins une ouverture est obstruée par une plaque en métal poreux, voire en métal-fritté permettant le passage du liquide, la plaque comprenant au moins 20 pores, chacun d’un diamètre d’au plus 2mm.
Selon d’autres aspects facultatifs :
- l’ouverture obstruée est de section circulaire, ayant un diamètre au moins 20 fois plus petit que la longueur de la plus longue goulotte.
- l’ouverture obstruée et la plaque sont de section rectangulaire.
- l’ouverture obstruée par la plaque occupe au moins une partie de l’espace rectangulaire du plancher de la goulotte.
- l’ouverture obstruée par la plaque occupe au moins 50% de l’espace rectangulaire du plancher de la goulotte.
- la plaque a une première surface et une deuxième surface et est disposé de sorte qu’en usage le liquide arrive sur une première surface de la plaque et traverse la plaque en la quittant par la deuxième surface.
- au moins une plaque est pourvue d’au moins une pointe sur la deuxième surface.
- au moins une plaque est en métal fritté ou en mousse métallique.
- la porosité d’une plaque est entre 25 et 75%, de préférence entre 25 et 50%
- le plancher est en métal non-poreux
- le plancher comprend au moins une ouverture non obstruée par une plaque en métal poreux
- le plancher ne comprend aucune ouverture non obstruée par une plaque en métal poreux.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu une colonne d’échange de masse et/ou de chaleur, étant soit cylindrique ayant un diamètre D d’au moins 20 cm mètre, voire d’au moins 2 mètres, ou dans une à section rectangulaire ayant un côté de section de longueur D d’au moins 20 cm voire d’au moins 2 mètres comprenant un contacteur permettant l’échange de matière et de chaleur, au moins un distributeur tel que décrit ci-dessus ainsi que des moyens pour verser un liquide dans la colonne pour être distribué par le distributeur sur le contacteur.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de distillation ou d’absorption, éventuellement à une température en dessous de 0°C, voire cryogénique utilisant une colonne telle que décrite ci-dessus.
Lorsque l'on cherche à distribuer de très faibles charges de liquide avec un distributeur gravitaire classique, qui consiste en un réservoir de liquide perforé, on est amené à avoir des perforations avec un très petit diamètre ou un niveau de liquide faible.
Une très faible charge est par exemple inférieure à 20m3/h/m2, voire inférieure à 10m3/h/m2ou même inférieure à 5m3/h/m2.
Un tel distributeur est sensible au bouchage, des petits copeaux sont susceptibles d'obturer un trou.
De plus, les tolérances relatives pour les petites perforations sont aussi plus importantes.
En pratique, il faudrait garantir le diamètre des trous avec une dispersion à peine supérieure au micromètre, ce qui est difficile à obtenir.
Si, en outre, le niveau de liquide est faible, l'uniformité de la distribution est plus difficile à garantir, vis-à-vis de ces deux incertitudes (bouchage et tolérances de fabrications) et vis-à-vis d'une potentielle inclinaison.
Un problème semblable se présente lorsque l'on cherche à distribuer une charge liquide relativement faible mais avec une densité de points d'irrigation élevée.
Cela est pertinent lorsqu'on met en œuvre des garnissages avec de grandes surfaces d'échange.
La charge liquide est alors relativement faible car la capacité de ces garnissages est faible.
De plus, pour utiliser au mieux la grande surface d'échange, on cherche à maximiser le nombre de points d'irrigation.
Deux options sont proposées par les fabricants d'interne de colonne :
- utiliser un deuxième étage de sous-répartition en général sous un tube de décharge,
- utiliser des trous latéraux et des plaques déflectrices.
L'ajout d'un étage avec une sous-répartition permet de garder des trous de taille plus importante et donc mieux maîtrisée pour le premier niveau de distribution et de garder grâce au sous-répartiteur un grand nombre de points d'irrigation. De plus, les trous latéraux sont moins susceptibles d'être obstrués.
Fonctionnel, ce système comporte néanmoins beaucoup de pièces et d'assemblages étanches (en général par soudure).
Cette complexité engendre un investissement supplémentaire et des risques de défauts de fabrication plus élevés.
Solution analogue à la précédente, les plaques déflectrices (en anglais « splash plates ») sont alimentées par des trous latéraux.
Les jets de liquide issus des trous s'écoulent sur les plaques et se répartissent pour former des lignes de distribution.
Les jets de liquide issus des trous s'écoulent sur les plaques et se répartissent pour former des lignes de distribution.
Ces distributeurs bénéficient des mêmes avantages que ceux utilisant des sous-répartiteurs en ayant de surcroît moins de pièces et d'assemblages et moins de contact entre le liquide et le gaz.
Cela limite le risque d'entrainement du liquide pour les hautes charges gaz.
Cependant sans disposition particulière, ces distributeurs sont très sensibles à des défauts d'inclinaison (phénomène de "lampage").
Cependant sans disposition particulière, ces distributeurs sont très sensibles à des défauts d'inclinaison (phénomène de "lampage").
De plus, pour une conception simple la répartition sur la plaque et donc la qualité de la distribution dépend du débit liquide.
Il y a également, pour des plus hautes vitesses liquide, des risques d'éclaboussures.
En pratique, ces distributeurs sont donc relativement complexes à fabriquer.
Ces deux solutions partagent un avantage en terme de fenêtre opératoire avec la possibilité de faire plusieurs niveaux de trous et même un déversoir avec les trous latéraux.
L'invention a pour but de prévoir un distributeur permettant de distribuer de très faibles débits de liquide par points d'irrigation avec une faible sensibilité au bouchage et en utilisant peu de pièces et d'assemblage.
L'invention consiste en un distributeur gravitaire dont au moins une perforation seraient remplacées chacune par une plaque en métal poreux, éventuellement fritté. Ces plaques sont de préférence pourvues de pointes orientées vers le bas. Le liquide passe à travers une plaque poreuse et se détache préférentiellement au niveau des pointes qui sont des points bas.
La plaque poreuse peut comporter un ou plusieurs picots, jusqu'à constituer l'ensemble du fond des goulottes.
Plusieurs types de plaques en métal poreux peuvent être envisagés :
- Les plaques en métal fritté, le frittage étant un procédé de fabrication de pièces consistant à chauffer une poudre sans la mener jusqu’à la fusion. Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de la pièce.
- Les plaques en mousse métallique
- Les plaques en métal poreux, par exemple en aluminium poreux, fabriqué en coulant de l’aluminium coulé avec du sel cristallisé, le sel étant ensuite enlevé par lavage pour laisser les pores.
Le liquide traverse la plaque sur une grande surface et, si très localement la géométrie n'est pas parfaitement connue, la porosité macroscopique est maîtrisée et permet de dimensionner le distributeur. La précision de la fabrication n'est plus au centième de millimètre comme pour des trous.
Une plaque en métal fritté a l'avantage d'être poreuse et d'avoir une bonne tenue mécanique.
On peut braser, sertir, souder ou encore assembler avec une pression mécanique et des joints les zones frittées à l'ensemble.
On peut ainsi concevoir des zones amovibles pour changer les débits d'une colonne s'il s'agit d'une petite colonne pour des tests ou des petites productions.
Pour le dimensionnement de la surface des plaques poreuses et de la hauteur de liquide dans le distributeur, on considère ensuite un écoulement de type Torricelli en prenant en compte toute la surface de passage du matériau poreux avec un coefficient d'ajutage déterminé expérimentalement, naturellement inférieur à 1.
Le débit de liquide QL (en m3/s) pour un trou sera donné par la formule :
où g est l'accélération de la pesanteur, k le coefficient d’ajutage, S la section de passage et h la hauteur liquide à la verticale de la perforation.
Dans la le distributeur a des canaux plus étroits que celui de la . Cette géométrie plus complexe permet de densifier dans les deux directions horizontales la densité des points d’injection (en anglais « drip point density »). Par ailleurs, cela permet également d’augmenter la section libre de passage gaz et dans tous les cas de raccourcir le trajet gaz par la réduction de la composante horizontale de la vitesse entre le garnissage et le distributeur.
Pour un distributeur connu, la hauteur des goulottes est entre 270 et 600 mm pour une goulotte ayant une largeur de 120 mm. Le rapport hauteur/largeur est donc de l’ordre de 2,2 à 5.
Au moins une ouverture 11 est obstruée par une plaque 13 en métal poreux, voire en métal-fritté, permettant le passage du liquide, la plaque comprenant au moins 20 pores, chacun d’un diamètre d’au plus 2mm.
Ici le mot « obstrué » veut dire que l’ouverture 11 permet le passage de liquide à travers les pores de la plaque 13.
Le contacteur peut par exemple être un corps de garnissages structurés ondulé-croisé ou des garnissages vrac, tel que le garnissage spiral prismatique.
La montre le plancher d’une goulotte vu d’au-dessus, le liquide circulant du haut vers le bas en l’usage du distributeur, ayant une ouverture 11 de passage de liquide complètement obstruée par une plaque poreuse 13, par exemple en métal fritté, de même diamètre que l’ouverture. L’ouverture a un diamètre au moins 20 fois plus petit que la longueur de la plus longue goulotte.
Pour la gamme de porosités de la plaque 13, il est préférable d’utiliser des porosités assez faibles, par exemple entre 25 et 50% (rapport entre volume des pores et volume total). Les plaques poreuses 13 sont en acier ou en aluminium. Une plaque 13 comprend au moins 20 ouvertures, chacune d’un diamètre d’au plus 2mm
Dans la , on voit une goulotte selon l’art antérieur avec deux ouvertures non obstruées.
Dans la on voit une goulotte selon l’invention avec deux ouvertures rectangulaire ou circulaire, chacune obstruée par une plaque poreuse 13, par exemple en métal fritté, de forme rectangulaire ou circulaire.
Le dessous d’au moins une plaque 13 a au moins une pointe 15 vers le bas, qui fait office de point bas pour éviter que le liquide "lampe" sous le distributeur. Le plus simple est là aussi que la pointe soit métallique. Elle peut être directement frittée avec le reste de la plaque 11.
Dans la on voit une goulotte selon l’invention avec une ouverture rectangulaire ou circulaire, obstruée par une plaque 13, par exemple en métal fritté, de forme rectangulaire ou circulaire. Le dessous d’au moins une plaque 13 porte plusieurs pointes 15 vers le bas.
La montre l’écoulement de liquide dans la goulotte avec une ouverture 11 obstruée par une plaque 13 en métal poreux. Le liquide accumulé dans la goulotte s’école à travers la plaque 13 et se décroche au niveau de la pointe 15.
Les garnissages structurés sont les contacteurs les plus adaptés pour le contact entre un gaz et une charge liquide très faible.
Ils sont à ce titre particulièrement bien adaptés aux distillations sous vide.
En revanche s'ils sont relativement simples, les internes de colonne et en particulier les distributeurs sont plus complexes à concevoir et à fabriquer.
L’invention concerne également une colonne équipée d’un distributeur tel que décrit. Cette colonne peut être une colonne de distillation d’air par distillation cryogénique utilisée dans un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique.
Claims (10)
- Distributeur de liquide (1) pour distribuer un liquide provenant de ou allant vers un contacteur permettant l’échange de matière et de chaleur dans une colonne cylindrique de distillation ou d’absorption ayant un diamètre D d’au moins 20 cm, voire d’au moins 2 mètres, ou dans une colonne à section rectangulaire de distillation ou d’absorption ayant un côté de section de longueur D d’au moins 20 cm voire d’au moins 2 mètres, le distributeur comprenant une pluralité de goulottes parallèles (9), chaque goulotte étant de forme allongée suivant de préférence un corde d’un cercle de diamètre D, chaque goulotte comprenant un plancher (7) ayant des ouvertures (11) pour un écoulement de liquide, le plancher s’étendant entre les extrémités inférieures d’une paire de parois droites parallèles, les goulottes étant écartées les unes des autres par des espaces de montée de gaz caractérisé en ce qu’au moins une ouverture est obstruée par une plaque en métal poreux, voire en métal-fritté (13) permettant le passage du liquide, la plaque comprenant au moins 20 pores, chacun d’un diamètre d’au plus 2mm.
- Distributeur selon la revendication 1 dans lequel l’ouverture (11) obstruée est de section circulaire, ayant un diamètre au moins 20 fois plus petit que la longueur de la plus longue goulotte.
- Distributeur selon la revendication 1 dans lequel l’ouverture obstruée (11) et la plaque (13) sont de section rectangulaire.
- Distributeur selon la revendication 3 dans lequel l’ouverture (11) obstruée par la plaque (13) occupe au moins une partie de l’espace rectangulaire du plancher (7) de la goulotte.
- Distributeur selon la revendication 4 dans lequel l’ouverture (11) obstruée par la plaque (13) occupe au moins 50% de l’espace rectangulaire du plancher (7) de la goulotte.
- Distributeur selon l’une des revendications précédentes dans lequel la plaque a une première surface et une deuxième surface et est disposé de sorte qu’en usage le liquide arrive sur une première surface de la plaque (13) et traverse la plaque en la quittant par la deuxième surface.
- Distributeur selon la revendication 6 dans lequel au moins une plaque (13) est pourvue d’au moins une pointe (15) sur la deuxième surface.
- Distributeur selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une plaque (13) est en métal fritté ou en mousse métallique.
- Colonne d’échange de masse et/ou de chaleur, étant soit cylindrique ayant un diamètre D d’au moins 20 cm mètre, voire d’au moins 2 mètres, ou dans une à section rectangulaire ayant un côté de section de longueur D d’au moins 20 cm voire d’au moins 2 mètres comprenant un contacteur permettant l’échange de matière et de chaleur, au moins un distributeur (1) selon l’une des revendications précédentes ainsi que des moyens (3) pour verser un liquide dans la colonne pour être distribué par le distributeur sur le contacteur.
- Procédé de distillation ou d’absorption, éventuellement à une température en dessous de 0°C, voire cryogénique utilisant une colonne selon la revendication 9.
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