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DISPOSITIF POUR METTRE EN CONTACT
UN LIQUIDE AVEC UN GAZ
La présente invention concerne un dispositif destiné à mettre en contact un liquide et un gaz.
Dans de nombreux processus techniques, une mise en contact intensive des phases s'écoulant à contre-courant (liquide-gaz) est de la plus haute importance.
Parmi ces processus, on peut citer : - le refroidissement des courants de gaz par pulvérisation de liquides (eau), le refroidissement étant habituellement conduit jusqu'à l'élimination des parties condensables d'une phase se présentant auparavant sous forme gazeuse ; - l'épuration des gaz (épuration, lavage des gaz) dans laquelle un moyen de lavage absorbe les composants à séparer d'un courant de gaz ; - la distillation ou la rectification dans lesquelles deux phases (vapeur, li- quide) sont à mettre en contact intime, ce qui était réalisé auparavant dans des colonnes munies de fonds, de cuves ou de garnitures.
Pour le refroidissement intermédiaire dans les compresseurs à gaz brut pour des installations de production d'éthylène, on utilise soit des échangeurs de chaleur à faisceaux de tubes, soit des colonnes de lavage alimentées en eau, et dans lesquelles le gaz brut s'écoulant vers le haut est refroidi par de l'eau froide qui ruisselle à contre-courant. L'invention se rapporte à un dispositif du genre dénommé en second, dans lequel l'eau est directement pulvérisée dans le courant de gaz à refroidir.
On connaît de DE-A-1 108 714 un échangeur de chaleur ouvert pour refroidir des gaz à écoulement rapide, et dans lequel le liquide de refroidissement est pulvérisé à partir de plusieurs tuyères contre le courant de gaz à refroidir. Comme le gaz doit s'écouler à travers un dispositif de guidage du genre tamis, la résistance à l'écoulement et par conséquent la perte de charge sont relativement élevées.
On connaît de DE-A-3 935 898 un dispositif pour le refroidissement des gaz d'échappement chauds provenant de l'oxydation catalytique de l'oxyde d'éthylène, dans lequel les gaz d'échappement sont refroidis par contact direct avec un fluide réfrigérant tel que de l'eau, en particulier par aspersion. Ce dispositif ne présente que des pertes de charge faibles. La durée de séjour des gouttes dans le gaz à réfrigérer est relativement courte à cause du trajet court, de telle sorte qu'un refroi-
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dissement jusqu'à une température proche de celle de la température d'entrée du fluide réfrigérant n'est pas possible.
Au cours de la réunion de l'Institution of Chemical Engineers Research à Manchester les 18 et 19 Avril 1983, C. Ramshaw a présenté l'unité de distillation ICI Higee. Elle contient comme pièce de coeur un élément tournant muni d'un garnissage et dans lequel un liquide est conduit par la force centrifuge de l'intérieur vers l'extérieur et dans lequel de la vapeur est diffusée de l'extérieur vers l'intérieur à contre-courant. Un inconvénient réside dans l'usure mécanique relativement élevée des éléments de garnissage tournant.
L'objet de l'invention consiste précisément à proposer un dispositif pour mettre en contact du gaz avec du liquide et qui présente une structure simple et un rendement élevé.
Ce problème est résolu selon l'invention par un dispositif présentant une chambre de tourbillonnement ou de giration, plate, dans laquelle le gaz pénètre tangentiellement et au centre de laquelle il est de préférence aspiré vers le haut.
Ce dispositif comporte, au centre de la chambre de tourbillonnement, des tuyères qui pulvérisent le liquide, de préférence radialement vers l'extérieur, de telle sorte que les gouttelettes se déplacent radialement vers l'extérieur par rapport au gaz s'écoulant à contre-courant vers l'intérieur. Le courant de gaz entraîne les gouttelettes sur un trajet en spirale (la plupart du temps sur plusieurs tours) tandis que les gouttelettes plus lourdes se déplacent (lentement) sous l'effet de la force centrifuge, vers l'extérieur, ce qui assure une très longue durée de séjour des gouttelettes dans le courant de gaz.
Par rapport aux installations courantes, l'invention présente les avantages suivants : - le volume de l'appareillage est réduit ; les frais d'investissement sont plus faibles ; il n'y a pas à prévoir de pièces en déplacement mécanique ; dans l'application de refroidissement des gaz, on peut obtenir une réfrigéra- tion plus importante du gaz brut par refroidissement à contre-courant, ce qui conduit à un faible débit de gaz en volume, ce qui à son tour, permet de ré- duire la taille du compresseur ; une réduction des frais d'exploitation du compresseur du fait que l'on utilise une plus faible puissance d'entraînement à cause du courant de gaz réduit en volume.
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Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, il est monté un étage de séparation en aval de la chambre de tourbillonnement, dans lequel le liquide et le condensat du gaz sont séparés l'un de l'autre. Cet étage de séparation peut être disposé à l'intérieur du boîtier ou corps-c'est-à-dire en-dessous de la chambre de tourbillonnement plate-ou bien dans un boîtier séparé. Dans un mode de réalisation, la séparation du condensat par rapport au fluide réfrigérant est assistée par des forces centrifuges, le mélange de condensat et de liquide réfrigérant étant mis en rotation, en particulier par un écoulement de fluide réfrigérant.
Comme tuyère pour la pulvérisation du fluide réfrigérant, s'avère particulièrement adaptée une tuyère à cône qui crée un rideau de gouttelettes d'eau sur 3600. Dans un mode de réalisation avantageux, deux de ces tuyères à cône creux sont disposées l'une au-dessus de l'autre et forment deux rideaux d'eau à travers lesquels le gaz entrant doit s'écouler. Grâce à un tourbillonnement d'entrée du liquide orienté en sens inverse du tourbillonnement du gaz, on obtient, grâce à la vitesse relativement élevée entre le gaz et le liquide, une puissance de refroidissement élevée. On peut également prévoir un tourbillonnement de même sens entre le gaz injecté et le liquide. On parcourt également des trajets en forme de spirale et la durée de séjour des gouttelettes dans le gaz est relativement élevée.
D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de mode de réalisation pour la réfrigération d'un courant de gaz avec de l'eau, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention en vue de côté ; - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 en vue de dessus ; les figures 3 et 4 représentent une tuyère spéciale en cône creux, respecti- vement en coupe longitudinale et en coupe transversale ; et - la figure 5 représente un dispositif à étage de séparation intégré.
La figure 1 représente un dispositif selon l'invention, dont les composants principaux sont constitués par une chambre de tourbillonnement ou de giration, plate, D, à entrée tangentielle E et la tuyère (ici la tuyère à cône creux HD). Sur la chambre de tourbillonnement D, est monté radialement (ici au-dessus) comme sortie A, un tube plongeant T et au-dessus, comme sortie pour le mélange fluide réfrigérant-condensat du gaz, la sortie AB. On a indiqué par P le réservoir tampon pour le mélange eau/réfrigérant-condensat du gaz brut.
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L'invention fonctionne de la façon décrite ci-après. Le gaz à réfrigérer, qui sort par exemple d'un compresseur, pénètre par l'entrée E tangentiellement dans la chambre de tourbillonnement plate D et sort de la chambre de tourbillonnement D par la sortie A vers le haut. La sortie A est avantageusement réalisée sous la forme d'un tube plongeant, afin d'assurer une bonne séparation. L'entrée E et la sortie A ont dans cet exemple la même section nominale de passage. Tandis que le gaz se déplace dans la chambre de tourbillonnement vers l'intérieur sur un trajet en forme de spirale, le fluide réfrigérant liquide, ici de l'eau, est pulvérisé par les tuyères radialement vers l'extérieur (et dans la direction périphérique). On a représenté à la figure 1 par des tirets les trajets des gouttelettes d'eau.
Il est également possible de s'écarter de la direction d'écartement sensiblement horizontale. On a ainsi également représenté en traits mixtes des trajets possibles pour les gouttelettes et qui peuvent déjà présenter, au moment de la pulvérisation, une composante dirigée vers le haut ou vers le bas. Egalement dans le cas où la pulvérisation est réalisée au départ de façon directement horizontale, les gaz s'écoulant vers le haut entraînent les gouttelettes, de telle sorte que le trajet des gouttelettes présente également une composante dirigée vers le haut. Selon la tuyère utilisée, une zone de dispersion déterminée est recouverte par les gouttelettes d'eau - comme on peut le voir encore plus nettement sur la figure 3.
Le gaz doit traverser cette nuée de gouttes d'eau et est ainsi refroidi, des parties du gaz pouvant également être condensées. Le déplacement des gouttelettes d'eau s'effectue en spirale selon des trajets s'écartant vers la périphérie. Ce déplacement résulte de l'entraînement par le gaz et de la force centrifuge qui s'exerce sur les gouttes du fait de leur vitesse périphérique ou de rotation. Grâce à un choix approprié des sections d'écoulement, en particulier de la hauteur de la chambre de tourbillonnement par rapport au rayon total et de la vitesse de sortie des gouttes de liquide, la force centrifuge est à peine supérieure à la résistance opposée par le gaz s'écoulant en spirale vers l'intérieur, de sorte que l'on obtient un déplacement en vol lent des gouttelettes vers l'extérieur et une longue durée de séjour de ces dernières dans le gaz.
L'eau de refroidissement et les composants condensés du gaz brut se rassemblent à la partie inférieure de la chambre de tourbillonnement D dans le réservoir tampon P, où ils sont extraits par l'évacuation d'eau de réfrigération AB et sont amenés à un étage de séparation. On peut également réaliser l'étage de séparation, par exemple sous la forme d'un prolongement de la chambre de tourbillonnement vers le bas, comme représenté à la figure 5.
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Sur la figure 2, on a représenté en coupe transversale le dispositif de refroidissement de la figure 1.
On reconnaît l'entrée tangentielle E du gaz. Le gaz se déplace de l'entrée E selon des trajets en spirale-non représenté-vers l'intérieur jusqu'à la sortie A. Les gouttelettes d'eau se déplacent depuis la tuyère HD disposée au centre, tout d'abord selon un trajet sensiblement radial vers l'extérieur et sont ensuite obligées par le déplacement du gaz de se déplacer dans la direction périphérique sur des trajets de gouttelettes en spirale TB, dont l'un est représenté schématiquement sur la figure 2. En fonctionnement normal, les particules de gaz se déplacent en spirale plusieurs fois autour du centre, et en conséquence, viennent frapper les gouttelettes sur les trajets circulaires.
Le gaz brut se déplace en spirale au centre, les gouttelettes d'eau se déplacent en spirale du fait de la force centrifuge vers l'extérieur, de telle façon que vu radialement, il apparaisse un contre-courant entre le gaz et le liquide, la durée de séjour des gouttelettes dans le gaz est relativement importante du fait des longs trajets en spirale. Les gouttelettes d'eau sont ainsi, si possible, complètement séparées dans le champ de gaz en rotation. Les gouttes non évaporées sont conduites avec le condensat de gaz brut qui se produit dans un étage de séparation condensat-eau. De là, l'eau de réfrigération séparée peut être à nouveau refoulée par pompage vers les tuyères à cône creux HD. Le gaz brut sort par le tube plongeant légèrement enfiché T hors de la chambre de tourbillonnement D.
Les figures 3 et 4 représentent une tuyère à cône creux, qui convient particulièrement pour être montée dans le dispositif selon l'invention. Une telle tuyère à cône creux appartient aux tuyères à pression d'injection de matière, dans lesquelles l'énergie cinétique du liquide est utilisée pour déchirer un mince film de liquide. Le boîtier ou corps cylindrique de la tuyère à cône creux HD est alimentée en liquide par l'amenée Z avec une composante de vitesse tangentielle. Il se produit un écoulement tournant tel qu'on l'a indiqué schématiquement sur les figures 3 et 4. Le liquide se déplace, repoussé par la force centrifuge sur les bords, le long de l'espace creux rempli d'air et vient y former le film d'eau W.
Du fait de l'arrêt de l'impulsion de rotation, le liquide doit être accéléré dans la direction périphérique sur son trajet vers la sortie, qui présente un rayon plus faible que la chambre vers la sortie Z. Les forces centrifuges importantes ainsi créées conduisent, à la formation à la sortie d'un mince film de liquide (film d'eau W) avec un noyau d'air. Après la sortie de la tuyère, le film de liquide s'élargit en forme de cône creux-comme indiqué ici à titre d'exemple dans la direction périphérique-
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radialement vers l'extérieur, et éclate, dans le cas d'une zone de dispersion ST en gouttelettes individuelles. Des tuyères courantes présentent un diamètre extérieur d'environ 12 cm et des vitesses d'eau d'environ 30 m/seconde à la sortie.
La figure 5 représente un dispositif selon l'invention (chambre de tourbillonnement D) en combinaison avec un étage de séparation TR monté en aval et muni d'un circuit pour le fluide réfrigérant et d'un dispositif pour l'évacuation du condensat. Le circuit de réfrigérant contient dans cet exemple de mode de réalisation, la pompe à fluide réfrigérant UP, le réfrigérant K, un courant principal HS avec un appareil de mesure de débit FI (pour Flow Indication), un courant partiel TS, un indicateur de niveau LDI (pour Level Distance Indication) et des valves commandées d'alimentation et d'évacuation pour le fluide réfrigérant.
L'évacuation du condensat est réalisée par l'évacuation du condensat AB, le réservoir collecteur de condensat V, le régulateur de niveau LICA+, la pompe à condensat KP, ainsi que l'appareil de mesure de niveau de liquide LZ+ dans l'étage de séparation TR.
Le dispositif fonctionne de la façon décrite ci-après. Le gaz à refroidir est refoulé par un compresseur non représenté à l'entrée E dans la chambre de tourbillonnement D et il quitte la chambre de tourbillonnement D après avoir été réfrigéré et avoir été débarrassé des composants condensés, par la sortie A. Le gaz est refroidi par le courant principal S du liquide réfrigérant, dans la chambre de tourbillonnement D.
Le liquide réfrigérant réchauffé et chargé de condensat est évacué vers le bas de l'étage de séparation, de préférence cylindrique de la chambre de tourbillonnement D par une fente courant vers l'extérieur. Dans cet étage, le mélange est mis en rotation, par transmission d'impulsion, par exemple via le courant partiel TS du fluide réfrigérant amené tangentiellement. Lorsque les accélérations centrifuges sont élevées, il s'établit une surface de délimitation de phase, presque perpendiculaire, le condensat plus léger se rassemblant dans une couche située plus à l'intérieur. Le fluide réfrigérant tourne vers l'extérieur et est extrait sur l'enveloppe extérieure par la pompe de circulation de réfrigérant UP avec le réfrigérant K monté en aval.
Le condensat est collecté par un tube monté (sortie AB) dans un réservoir collecteur de condensat V à régulation de niveau et il est évacué par pompage via la pompe de condensat KP. Selon un procédé approprié, la limite de phase condensat-réfrigérant dans l'étage de séparation TR, est surveillée par l'indicateur de niveau LDI. Lorsque la limite de phase s'étend trop vers l'extérieur, on introduit du fluide réfrigérant. Lorsque la limite de phase s'étend trop vers
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l'intérieur, on évacue du liquide réfrigérant. En cas de risque imminent de débordement de l'étage de séparation TR-par exemple en cas d'arrivée exagérée de condensat-le compresseur du gaz est débranché par l'appareil de mesure de niveau de liquide LZ+.
Le procédé présente l'avantage que le mélange ne doit pas être mis en rotation par des pièces mécaniques et qu'il ne se pose ainsi pas de problème d'étanchéité sur des parois enfichées.
A titre d'exemple, pour établir une chambre de tourbillonnement D, on a pris sur la base d'un débit de gaz 97000 m3fh, W1 diamètre de tube plongeant de 1,4 mètre. La chambre de tourbillonnement D présentait, dans ce mode de réalisation, un diamètre de 4,2 m. Sa hauteur était de l'ordre d'environ 1 m. Elle présentait ainsi une forme nettement plate et plus petite que celle selon le procédé avec les séparateurs et les colonnes de lavage à échangeur de chaleur à faisceaux de tubes. On doit en attendre une réduction nette des frais d'investissement. Le plongeant T présente ici le même diamètre nominal que la conduite d'amenée E du gaz brut à la chambre de tourbillonnement D pour une vitesse au tube plongeant de 17,5 m/s, on obtient une perte de charge totale à la chambre de tourbillonnement d'environ 1800 Pa.
L'injection des gouttes aux tuyères à cône creux est possible avec des pressions de pompage modérées de 16 bar. Avec des diamètres de tuyère de 60 mm, les sections transversales d'écoulement sont si importantes que l'on n'a pas à craindre de risques de déplacement. Dans un mode de réalisation pour le refroidissement d'un courant de gaz typique de 97 000 m'/h, le débit d'eau de refroidissement nécessaire était de 114 kg/seconde. Pour une différence de température de 30 , à la fois pour le refroidissement du gaz et pour le réchauffement de l'eau, on peut refroidir un débit de gaz de 310 t/h.
La différence de température moyenne entre le gaz brut et l'eau de réfrigération se trouvait, d'après les calculs de déplacement des modèles de trajets de goutte, inférieur à l'K. Ceci constitue par comparaison des valeurs très élevées et qui permettent de refroidir le gaz brut au voisinage de la température d'entrée de l'eau de refroidissement. On obtient ainsi des avantages également en ce qui concerne les frais de fonctionnement du compresseur de gaz brut, car les débits en volume et par conséquent les tailles de machine et les puissances d'entraînement sont quelques peu réduites.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.