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Ll pr~sctl c invention conccL~nc un perfcc~ionrlc,ncn~
au~ a~pareils dc scp~lration cn contin~l par d~canta~ion de melan-
ges hétcrog?nes dont la phasc continu~ est liquidc et est de
densité la plus ~lcv~e. ~e perfcctionnc~cnt objct de l'invention
peut notamment être u~ilisc pour les appareils de separa-tion
par décantation de mél~nges gaz/liquide à phase continue liquide.
On est souvent amenc à disperscr une phase gazeuse
dans une phase liquide soit dans le but de réaliser une réaction
chimique entre la phase dispersée et la phase continue, soit
dans le but d'assurer un échange physique entre les deux phases.
On utilise souvent pour cela des colonnes à bulles dans lesquel-
les le liqulde circule en continu verticalement de bas en hau~,
la phase gazeuse étan-t dispersée dans la phase liquide par pas-
sage à travers des orifices de petite dimension situés à la base
de la colonne. En tête de colonne il convient généralement
` d'assurer une séparation aussi poussée que possible des deux
phases formant la dispersion ou d'assurer une séparation gaz/
liquide d'un degré prédéterminé.
- ~lappareil de séparation par décantation le plus 20 généralement utilisé est constitué par un cylindre vertical
appelé par la suite en~eloppe, dont le diamètre est supérieur
au diamètre de la tête de colonne et qui est placé dans l'axe
de la colonne de telle ~açon que la partie supérieure de celle-ci
se prolonge à llintérieur de llappareil de séparation. On appel-
lera par la suite déversoir la portion de colonne située à llin-
térieur de llappareil de séparation.
A la base de llappareil de séparation la phase liquide
slécoule par une ou plusieurs canalisations par exemple vers un
autre appareil, tandis que la phase gazeuse est évacuée par une
ou plusieurs canalisations situées dans la partie haute de
j llappareil de séparation.
Dans un tel appareil il est avantageux de régler le
,
.. .
10~
ni~cau de la dispcr ion ~ crcmcn~ au dcs~lls dc l'extremite su-
péricure du dcvcrsoir pour obtenir dc bonnes co~ditions de sepa-
ration gaz/liqulde. En cffct v~ niveau -trop haut favorise l'en-
trainement de la phase liquide par la phase gazeuse; un niveau
inférieur à l'extrémité supéricure du deversoir produit des
remous et favorise l'cntrainement de bullcs par la phase liquide.
Dans l'appareil de séparation par décantation ainsi
réalisé, la dispersion arrive en continu verticalement de bas
en haut dans le déservoir et subit au débouché de celui-ci un
changement de direction de 180. Bien que la partie supérieure
du déversoir soit immergée on appellera "déversement" l'écoule-
ment de la dispersion gaz/liquide hors du déversoir vers la
zone de décantation, c'est à dire vers l'espace annulaire compris
entre la paroi du déversoir et l'enveloppe de l'appareil. Au
cours du changement de direction de 180~ de la dispersion, une
partie seulement de la phase gazeuse s'échappe vers la surface
libre de la dispersion, la séparation gaz/liquide doit alors se
poursuivre dans la zone de décantation.
Dans son mouvement descendant vers la canalisation de
sor~ie, la phase liquide entraine des bulles gazeuses qui ne
peuvent s'échapper que si leur vitesse ascensionnelle est supé-
rieure à la composante verticale de la vitesse locale de déver-
sement de la dispersion. Il est alors bien difficile de régula-
riser sur toute la périphérie du déversoir la vitesse locale de
déversement de façon à maintenir sa composante verticale infé-
rieure à la vitesse ascensionnelle des bulles gazeuses et à
éliminer ainsi l'entrainement de la phase gazeuse dans la cana-
lisation de sortie de la phase liquide.
On a alors envisagé, pour éliminer cet entrainement
de bulles, d'excentrer la zone de décantation par rapport au
déversoir; un déplacement du déversoir vers la canalisation de
sortie de la phase liquide, ou un déplacement en sens contraire
10~4~)71
n'am(!liorent pas la separation gaæjli(luide et tendent ~nêl~e à
accro~tre l'entraine~cnt de bulles dc la phase gazeuse par la
phase liquide dans la canalisation de sortie.
On peut éventuellement am~liorer l'efficacité de la
séparation gaz/liquide par l'utilisation d'une zone de décanta-
tion comprise dans une enveloppe de plus grand diamètre, mais
cela présente l'inconvénient de nécessiter un appareil de sépa-
ration volumineux.
~ 'invention permet d'éviter les inconvénients de l'art
antérieur.
Il a maintenant été trouvé un appareil pour la sépara-
tion en continu par décantation d'un mélange hétérogène dont la
phase continue est liquide et est de densité la plus élevée,
ledit appareil comprenant un déversoir pour l'introduction du
mélange, une zone de décantation, constituée par l'espace annu-
laire compris entre ledit déversoir et l'enveloppe dudit appareil,
coaxiale avec le déversoir, des moyens pour évacuer les différen-
tes phases après leur séparation, caractérisé en ce que ledit
appareil comporte en outre au moins un obstacle dans la zone de
décantation.
~ a compréhension de l'invention sera facilitée par les
figures ci-jointes qui illustrent, à titre d'exemple non-limita-
tif, schématiquement et sans échelle déterminée, divers modes
de réallsation de l'appareil de séparation par décantation objet
de l'invention.
~ igure 1, est une vue générale en coupe par le plan
axial de symétrie d'une tête de colonne à bulles pourvue d'un
appareil selon l'invention.
Figure 2, est une vue de dessus en coupe par un plan
II II de l'appareil selon la figure 1.
~ a figure 3, est une vue générale en coupe par le plan
axial de symétrie d'une tête de colonne à bulles pourvue d'un
-- 3 --
l~t5~071
app~lcil S('lOII lln~! vari~ c l'invcntion.
La fi~lrc ~, représcnte divers modes de réalisation du
dispositif de se~aratiorl gaz/liquide et l'évolution des vitesses
du liquide en différents points de la zone de décantation.
La figure 5, représente l'évolution des débits d'en-
traînement du gaz dans la zone de décanta~ion pour divers ~odes
de réalisation de l'appareil de séparatio~ gaz/liquide.
~ 'appareil selon l'invention, représenté en coupe
figures 1 et 2, est constitué par une enveloppe cylindrique ver-
ticale (1) dont le dia~ètre est supérieur au diamètre de la têtede colonne à bulles (2) sur laquelle l'appareil est situé. Cette
enveloppe (1) est placée dans l'axe de la colonne (2) de façon
telle que la partie supérieure de celle-ci se prolonge à l'inté-
rieur de l'appareil de séparation et forme le déversoir (3). A
la base de l'appareil de séparation, la phase liquide s'écoule
par une canalisation (4), par exemple vers un autre appareil,
tandis que la phase gazeuse est évacuée par une canalisation (5)
située dans la partie haute de l'appareil de séparation. Un
obstacle (6) mince, d'épaisseur constante, à profil variable,
c'est-à-dire dont la dimension horizontale varie de manière
continue d'une extrémité à l'autre de celui-ci, est fixé dans
la zone de décantation (7) sur la paroi du déversoir, perpendicu-
lairement à l'axe de l'appareil. ~'obstacle mince (6) est placé
de façon telle que la distance entre celui-ci ~t l'enveloppe de
l'appareil est minimale à la verticale de la canalisation (4) de
sortie de la phase liquide, tandis que cette distance est maxi-
male en un point diamétralement opposë. ~a dimension horizonta-
le de l'obstacle mince est alors de préférence nulle au ~oisinage
de ce point. ~'obstacle mince à profil variable est avantageuse-
ment symétrique par rapport à un plan axial passant par la cana-
lisation (4). ~'obstacle mince à profil variable peut être cons-
titué d'une tôle en forme de croissant fixée par exemple par sou-
-- 4 --
l~)S4071
da~e s~lr la pal'Oi. du d(versoir.
~'cnvcloppe de l'appar~il de .separation peut éventuel-
lement être de même dia~ètre que la tête de colonne (2). ~a
tête de colonne se prolonge alors dans l'appareil de sépara-tion
par un déversoir d'un diamètre inférieur à celui de la colonne.
~a dispersion gaz/liquide se déplace en continu verti-
calement de ~as en haut dans la colonne (2) et sort de celle-ci
par le déversoir (3). ~a dispersion subit au débouché du déver-
soir par déversement un changement de direction de 180 au cours
duquel une partie de la phase gazeuse s'échappe vers la surface
libre (8) de la dispersion; la séparation gaz/liquide se poursuit
alors dans la zone de décantation (7). ~'obstacle mince à profil
variable (6) crée alors dans la zone de décantation (7) en un
point à la périphérie du déversoir une perte de charge singulière,
qui est variable et fonction de la distance entre l'obstacle et
l'enveloppe de l'appareil et par conséquent fonction de la posi-
tion de ce point à la périphérie du déversoir (3). Ces pertes
de charge sont plus importantes à la verticale de la canalisation
(4~, qu'en un point diamétralement opposé, de par le profil varia-
ble et le positionnement de l'obstacle mince. On constate que la
pré~ence de l'obstacle mince (6) permet de régulariser sur toute
la périphérie du déversoir la composante verticale de la vitesse
locale de déversement. Il est alors facile de maintenir la com-
; posante verticale de la vitesse locale de déversement inférieure
à la vitesse ascensionnelle des bulles gazeuses qui poursuivent
ainsi leur mouvement vertical de bas en haut de la zone de décan-
- tation (7) vers la surface libre (8) de la dispersion, tandis que
la phase liquide dégazée est éliminée en continu par la canalisa-
tion (4) vers un autre appareil.
Avantageusement l'obstacle mince à profil variable est
situé entre les 0.5/10 et les 9.5/10 et de préférence entre les
2/10 et les 8/10 de la hauteur de la zone de décantation. En
l()S~07~
elf`ct l~ obstacle mincc trop près du bord supcrieur du déversoir
entrave le mouve~ent asccndan-t dcs bullC'3 gazeuses et ne permet
pas d'atteindre l'efficacite souhai~;ée.
Des variantes de réalisation, à la portée du technicien,
font partie de la presente invention. ~es ~ariantes décrites,
ci-après, sont données à titre d'exemples et ne sont nullement
limitatives.
~ .a figure 3 représente un appareil de séparation gaz/
liquide par décantation disposé en tête d'une colonne à bulles
à recirculation interne de liquide fonctionnant en continu. Dans
une telle colonne la phase gazeuse est par exemple dispersée en
continu dans un espace annulaire situé entre la paroi de la co-
lonne (9) et un puits central (10) de recirculation. ~a partie
supérieure de la colonne est coiffée par un cylindre coaxial (3)
qui forme le déversoir. Sur la paroi de celui-ci est fixé l'obsta-
cle mince à profil variable (6) dans la zone de décantation (7)
~ constituée par l'espace annulaire compris entre la paroi du dé-
- versoir et l'enveloppe (11) de l'appareil.
~a dispersion gaz/liquide arrive en continu de bas en
haut dans l'espace annulaire (12) situé entre le déversoir (3)
et le puits central (10). Une partie de la dispersio~ subit,
par changement de direction de 180 au niveau du bord supérieur
du puits central, un dégazage et forme une dispersion dense qui
redescend en pied de colonne par le puits central (10). ~'autre
partie de la dispersion s'échappe par déversement au dessus du
déversoir (3) vers la zone de décantation (7). ~a séparation
gaz~liquide de la dispersion se fait comme précédemment lors
du changement de direction au débouché du déversoir, puis se
poursuit dans la zone de décantation (7). Dans cette zone de
décantation, l'obstacle mince à profil variable (6) régularise
- sur la périphérie du déversoir la composante verticale de la
vitesselocale de déversement que l'on maintient à une valeur
- 6 -
, :
i , - ~- -
105'~071
inf(ri~ure a l~ ~i(css~ ascellsionncllc (ics bullcs ~a~euses par
r~gla~c du dcbit d'alimen~ation en picd de colonne. ~a phase li-
quide de~a~ce cst alor~ cliMinee en contiml par la c~nalisation
(4).
On pcut éventuellement associer à l'obstacle mince à
profil variable un tronc de cône (13). ~n l'absence de tronc
de cône un tourbillon se forme dans la zone de décantation à
proximité immédiate de la paroi verticale du déversoir, ce
tourbillon diminue la section libre de passage du liquide, au
débouché du deversoir, vers la zone de décantation, il provoque
ainsi un accroissement de la vitesse ]ocale de dëversement. ~e
tronc de cône a pour rôle de localiser sur la face externe de
sa paroi le tourbillon qui se forme au débouché du déversoir.
~'absence de tourbillon sur la paroi verticale du déversoir évite
le rétrécissement de la section de passage vers la zone de décan-
tation ce qui diminue la vitesse locale de déversement dans l'é-
paisseur de la veine liquide. ~e tronc de cône (13) peut être
remplacé par une zone sphérique ou une portion de paraboloide ou
d'éllipsoide ou éventuellement par toute autre surface géométri-
que courbe. ~ette surface géométrique courbe est telle que saconcavité est tournée soit vers l'extérieur soit vers l'intérieur
du aëversoir, et que sa projection sur un plan perpendiculaire
à l'axe de l'appareil, soit entièrement contenue dans la surface
délimitée par la projection de la paroi dv déversoir sur le plan
de coupe.
On ne sort pas du cadre de l'invention en fixant l'obs-
tacle mince à profil variable sur l'enveloppe de l'appareil dans
la zone de décantation. ~'obstacle mince est aussi disposé de
~açon telle que la distance en-tre celui-ci et la paroi du déver-
soir soit minimale à la verticale de la canalisation (4) desortie de la phase liquide et soit maximale au point diamétrale-
ment opposé.
4071
On ~-el1t au~9i cvcntuellelnent fixer un ou plusleurs
obstacle~ minccs à profil variable sur la paroi du doversoir et
un ou plusieurs obstacles minces à profil variable sur l'envelop-
pe de l'appareil. ~es obstacles minces peu~ent être plans et
inclinés par rapport à ltaxe de l'appareil ou perpendiculaire à
cet axe. ~'obstacle mince à profil variable peut éventuellement
être orientable.
~ 'obstacle mince à profil variable peut aussi être
formé par une portion de paroi conique, le sommet du cône étant
dirigé soit vers la partie supérieure de la zone de décantation,
- soit vers sa partie inférieure. ~'obstacle mince peut éventuel-
lement être une surface gauche. Ces deux types d'obstacles
minces, par exemple fixés sur la paroi du déversoir, sont posi-
tionnés de façon telle que l'espace libre entre l'obstacle et
l'enveloppe de cet appareil soit minimum à la verticale de la
canalisation de sortie de la phase liquide et maximum en un point
- diamétralement opposé. Ces obstacles minces seront positionnés
sur l'enveloppe d'une façon analogue.
On peut éventuellement remplacer l'obstacle mince à
profil variable par une couronne par exemple perpendiculaire à
l'axe de l'appareil, et fixée à la fois sur la paroi du déversoir
et sur l'enveloppe de l'appareil, cette couronne étant pourvue
d'orifices permettant la circulation de la phase liquide et
répartis de façon telle que le rapport de la surface des orifices
par unité de surface de la couronne soit variable, pour être mi-
nimum à la verticale de la canalisation de sortie de la phase
liquide et croisse régulièrement jusqu'à être maximu~ au point
diamétralement opposé. ~es orifices peuvent être de surface
variée ou bien tous de même surface, leur répar-tition étant plus
ou moins dense.
On peut aussi remplacer l'obstacle mince à profil varia-
- ble par un volume placé dans la zone de décantation. ~e volume
:;~
1~)5~0'7~
est de l~re~rcncc te] que lcs diCfercnte-J section3 par 1~ ~lan
vertical con~en.~nt l'axe sont se~blablcs, variables en ronction
de la position du plan de section, la section du volurne par un
tel plan e;tant ~aximale à la ve~ticale de la canalisation de
sortie de la phase liquide.
~ e volume à section variable peut être solidaire soit
de la paroi du déversoir, soit de l'enveloppe de l'appareil. Le
volume à section variable peut avoir une dimension radiale cons-
tante et être de hauteur variable, il peut éventuellement présen-
ter une symétrie par rapport à un plan horizontal.
~ e volume à section variable peut aussi être situé au
sein de la zone de décantation, un tel volume est alors appelé
"corps morti', il est rendu solidaire de l'appareil par tout moyen
connu, par exemple à l'aide de pattes de fixation. ~e corps mort
peut éventuellement être tel qu'il soit possible de faire varier
sa section notamment par gonflage.
~ 'appareil objet de l'invention peut éventuellement
- îêtre pourvu de plusieurs canalisations de sortie de la phase
iiquide. On utilise alors dans ce cas un obstacle à section 20 variable dont les variations de section sont telles que les
maximas soient situés au droit des canalisations de sortie de
la phase liquide et que les minimas soient à égale distance de
deux canalisations de sortie voisines.
On peut bien entendu associer à l'une des variantes
ci-dessus un tronc de cône tel que représenté figure 3. On peut
également combiner l'une ou plusieurs de ces variantes entre
elles.
~ 'appareil objet de l'invention présente l'avantage
~ d'a~ëliorer la séparation gaz/liquide en continu par décantation 3 d'un mélange hétérogène, il permet d'obtenir une phase liquide
aussi exempte que possible de bulles gazeuses et mame sans auc~ne
bulle.
:
., ' , .
1~5~V7~
Un aut;re avan~age dC l'appareil sclnn la prcsente
invention cst qu'll permet d'a~teindre de plus grands débits de
soutirage, ~ans entrainement de bulles, de la phase liquide que
les appareils selon l'art antérieur.
L'appareil selon l'invention permet aussi, du fait de
la régularisation des vitesses dans la zone de décantation, d'aug-
menter la capacité de l'appareil. En effet la vitesse moyenne
dans la zone de décantation est alors sensiblement égale à la
vitesse locale de déversement, la surface annulaire de la zone
de décantation est ainsi utilisée au mieux.
Un autre avantage de l'appareil objet de l'invention
est qu'il peut permettre de réaliser une séparation gaz/liquide
à un dégré prédéterminé. En effet l'utilisation d'un obstacle
orientable et d'un obstacle dont on peut faire varier la section
à volonté permet de contrôler la quantite de phase gazeuse en-
trainée par la phase liquide.
En outre l'appareil de séparation selon l'invention
est de construction simple et de mise en oeuvre aisée.
~ 'appareil de séparation selon la présente invention
est avantageusement utilisé pour séparer par décantation des
mélanges hétérogènes gaz/liquide à phase continue liquide, mélan- ~-
ges q~el'on rencontre très souvent dans les procédés chimiques.
~ 'invention n'est nullement limitée à la séparation
des mélanges hétérogènes gaz/liquide. On peut utiliser un tel
appareil pour séparer des mélanges hétérogènes liquide/liquide
dont la phase continue est constituée par la phase liquide de
plus grande densité. ~e fonctionnement de l'appareil et sa
conception sont alors analogues à ceux décrits pour la séparation
de mélanges hétérogènes gaz/liquide.
E ~ IP~E
On réalise l'étude expérimentale d'un appareil de
séparation gaz/li~uide objet de l'invention, à l'alde du binaire
_ 10 --
lOSi~
air/eau. Pour cel<l o~ conslruit une maqlletle en polychlorure
de vinyle rep~sentant un rcactcur ga7/liquide d'oxyda-tion, la
partie sup~rieurc du réacteur est surmon-tee d'un appareil de
séparation gaæ/liquide tel que celui represcnte figure 3. On
donne à la maquette les dimensions suivantes:
- diamètre de l'enveloppe (11) : 800 mm.
- diamètre du déversoir (3) : 715 mm.
- hauteur du déversoir : 600 mm.
- position de la canalisation (4) de sortie de la phase
; 10 liquide : 450 mm au dessous du bord supérieur du
déversoir
- diamètre du puits central (10) : 230 mm.
- diamètre de la partie supérieure du puits central :
570 mm.
- distance entre le bord supérieur du déversoir et le
dispositi~ d'injection d'air dans le réacteur : 3400 mm.
On réinjecte à la base du réacteur l'eau sortant de
celui-ci par la canalisation (4), après l'avoir fait passer dans
un dispositif de dégazage complémentaire qui permet de mesurer
la quantité d'air entrainé. On fait varier le débit de l'eau
à l'aide d'une pompe centrifuge située sur le circuitextérieur
de circulation de celle-ci.
- On maintient constant au cours de l'étude expérimenta-
le le débit d'air à 53 m3/h, mesuré dans des conditions normales
de température et de pression, et le niveau de la dispersion à
250 mm au dessus du bord supérieur du déversoir.
~'air entrainé dans la canalisation (4) se sépare de
l'eau dans le dispositif de dégazage et un compteur volumétrique
permet de mesurer le débit d'air entrainé.
- 30 On mesure par tube de Pitot les vitesses de l'eau dans
la zone de déc~ntation, les mesures sont effectuées dans un plan
- horizontal situé au dessous du bord supérieur du déversoir.
lOS~O I 1
Les fi~lrcs 4, ~, B, C ct D reprcscntent les variations
de la vitessc du liqui(~e en un poin~ de la zone de décantation
en fonction de la position de ce point, à la périphérie du déver-
soir (O correspond à la verticale de la canalisation de sortie
et ~ R à la position diamétralement opposée). On fait les mesu-
res en 1, 2 et 3, c'est ~ dire contre l'enveloppe de l'appareil
(1), contre la paroi du déversoir (3), et à mi-distance entre
l'enveloppe et l~ paroi (2).
~a figure 4 A montre la variation des vitesses dans la
zone de décantation d'un appareil selon l'art antérieur. On
constate que la variation des vitesses est sensiblement linéraire.
~es droites représentant cette variation aux points 1, 2 et 3,
en fonction de la position à la périphérie du déversoir, sont
bien différenciées et de forte pente.
~a figure 4 ~ montre que l'utilisation d'un appareil
de séparation selon l'invention, c'est-à-dire pourvue d'un obsta- -~
cle mince à profil variable sur la paroi du déversoir, régularise
les vitesses locales de déversement sur le pourtour du déversoir.
On constate en effet que les droites représentant les variations
de vitesse aux points 1, 2 et 3, en fonction de la position à la
périphérie du déversoir sont encore différenciées mais de faible ~ -
pente.
~a figure 4 C montre la variation des vitesses dans la
- zone de décantation d'un appareil selon l'art antérieur et pourvu
d'un tronc de cône d'angle au sommet 90 et de hauteur 100 mm,
situé à la partie supérieure du déversoir. On constate que les
: droites représentant les variations de vitesses aux points 1, 2
et 3 en fonction de la position sur le déversoir sont confondues,
- que la pente de la droite correspondante reste forte.
~a figure 4 D montre la variation des vitesses dans la
zone de décantation d'un appareil selon l'invention, c'est-à-dire
pourvu dans la zone de décantation d'un obstacle mince à profil
_ 12 -
- :
0'~1
vclriable rlxe sur la paroi du ~ r~c~r, aoy~l on associc un
tronc de c~nc. ~)n constate quc les droites representant les
variations des vitesscs aux points 1, 2 et 3, en fonction de la
position sur le déversoir sont confondues et de faible pente.
Cela correspond à des vitesses d'eau egales dans l'épaisseur
de la zone de décantation et sensib]ement constantes sur la
periphérie du déversoir.
~ a figure 5, montre les débits d'entrainement de l'air
dans la zone de décantation avant (courbe A) et après (courbe B)
la mise en place d'un obstacle de profil variable et du tronc
de cône en fonction de la vitesse moyenne d'entrainement dans
la zone de décantation.
On constate que l'utilisation de l'obstacle et du tronc
de cône permet d'augmenter de 50~ le seuil à partir duquel l'air
est entrainé.
