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BREVET D'INVENTION PROCEDE ET APPAREIL POUR LE TRAITEMENT DE GAZ
La présente invention se rapporte à des procédés et appareils pour le traitement de gaz, non seulement pour éliminer des matières solides à partir de gaz, mais aussi pour produire l'absorption de gaz, le contact rapide et intime de liquides et de gaz, et, lorsqu'on le désire, de matières solides entraînées dans les gaz ou liquides.
Le principe sur lequel est basée l'invention consiste dans le bombardement d'un gaz ou d'un mélange de gaz par un li- quide de lavage à l'état de gouttes relativement grandes, gouttes qu'on fait traverser un espace à travers lequel passe le gaz, et avec une vitesse beaucoup plus grande que celle employée dans tout procédé et appareil connu jusqu'ici, la vitesse de ces gouttes étant égale ou supérieure à la vitesse des gaz et telle que ces gouttes viennent frapper une surface, qui est constituée par l'en- veloppe périphérique d'une roue à pales radiales et qui est située à une distance telle de ces pales qu'elle se trouve dans le champ
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d'action de la force balistique maximum de ces gouttes traversant cet espace.
En outre, l'invention comporte l'amenée de liquide en filets ininterrompus à partir du moyeu de cette roue à pales et sur toute la longueur des pales, aux extrémités desquelles les filets liquides se divisent en séries de gouttes de dimensions apprécia- bles, d'un diamètre d'environ un à quatre millimètres, ces gouttes quittant les extrémités des pales avec la vitesse périphérique de celles-ci et avec le moins de pulvérisation possible en pratique du liquide, cette vitesse périphérique étant maintenue égale ou supé- rieure à 3. 500 mètres par minute.
Il est bien connu qu'en épurant un gaz, on rencontre des difficultés à obtenir une élimination poussée fort loin des matières solides à partir du gaz, lorsque les particules de fu- mées sont excessivement fines, par exemple d'un diamètre inférieur à 1 micron et lorsqu'on fait passer le gaz à travers un épurateur comprenant un seul étage.
Il a par conséquent été de pratique courante, dans la plupart des traitements d'épuration de gaz con- nus jusqu'ici, de faire passer les gaz et le liquide de lavage à une vitesse modérée, rarement supérieure à 900 mètres par minute, à travers le dispositif épurateur et en général de prolonger la durée de contact du gaz et du liquide de lavage, conformément au temps de contact capillaire naturel, c'est-à-dire au temps néces- saire pour que le liquide de lavage s'étale sur la surface de matières solides contenues dans le gaz, par l'emploi d'étages mul- tiples ou d'un trajet long et souvent tortueux.
Des essais, effectués en vue d'éliminer ainsi des parti- cules de fumées par humidification de gaz, ont donné lieu à des rendements insuffisants, voisins de 10 à 20 % des fumées oonte- nues dans les gaz. Une difficulté importante, accompagnant l'humi- dification de particules de fumées, en mélangeant un gaz chargé de fumées et un liquide par tout procédé connu jusqu'ici, réside dans la formation de bulles de gaz avec une pellicule de fumée partiellement humidifiée, bulles qui contiennent de la fumée sèche.
Comme une partie de ces bulles de gaz ne se divisent pas en passant à travers le dispositif laveur,il en résulte une perte due aux fumées restées sèches.
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De nombreux essais ont été faits en vue d'obtenir un appareil qui assure le contact des particules de famée et du li- quide d'humidification, lequel consistait généralement en une vapeur ou en un fin brouillard, mais l'action d'humidification dé- pendait d'une diffusion intime et d'une attraction capillaire du brouillard et de la funiée. L'attraction capillaire est retardée par la tension superficielle des bulles de gaz, indépendamment de l'intimité du mélange des constituants secs et humides d'un gaz.
Dans des dispositifs de ce genre, ce retard exige par conséquent le maintien du contact du mélange pendant une période de temps étendue.
Les dispositifs d'épuration de gaz, actuellement d'un emploi habituel, peuvent être divisés de façon générale en trois types : les pulvérisateurs, les machines centrifuges, et les colon- nes de lavage. Dans l'appareil laveur du type pulvérisateur, le liquide de lavage est divisé en un fin brouillard et est mélangé intimement avec le gaz au moyen d'éléments rotatifs et fixes, al- ternant entre eux, entre lesquels passent le gaz et le liquide de lavage ; une petite proportion des particules de fumée est obli- gatoirement humidifiée par un contact direct avec les diverses parties de l'appareil, tandis que pour la plus grande proportion de ces particules de fumée, l'humidification complète dépend du temps de contact capillaire.
Dans le laveur du type centrifuge, le liquide de lavage est projeté à partir de la périphérie d'une série de o6nes ren- versés, aveo une faible vitesse, tandis qu'on fait passer le gaz à travers le liquide, en mélangeant ainsi intimement le liquide manque d' avec les particules de fumée entraînées; mais, par suite d'un Úim- pact suffisant pour détruire la tension superficielle des bulles de gaz, une humidification complète dépend du temps de contact oapillaire, malgré l'intimité du mélange.
L'épuration de gaz dans une colonne de lavage quelconque dépend complètement du temps de contact entre le liquide de lavage et le gaz, pour effectuer l'humidification et l'élimination des
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particules de fumée. Dans chacun des genres d'épurateurs mention- nés, il s'échappe une quantité considérable de fumées par suite des particules de fumée sèches, car la tension superficielle des bulles de gaz est supérieure à l'attraction capillaire du liquide pour les particules de fumée.
Les particules de poussière et de fumée ont des proprié- tés d'humidification qui varient dans des limites considérables, ce qui exige souvent un grand accroissement du liquide de lavage, proportionnellement à la quantité de gaz traité, avec un accroisse- ment correspondant de la consommation de force motrice. En pré- sence de ces faits, il a été de pratique courante d'employer des appareils des types mentionnés ci-dessus en les montant en multi- ple, en plaçant jusqu'à 3 ou 4 de ces appareils en série. Toute- fois, dans aucun de ces appareils, il n'est possible d'obtenir,même à un degré approchant, une élimination complète des particules de fumée à partir des gaz, bien que le traitement puisse donner des résultats satisfaisants dans le cas de poussières plus grossières.
Il est évident que tout accroissement du nombre des appareils con- duit à des frais excessifs d'installation et de fonctionnement.
Il a été constaté par le demandeur que les poussières, les fumées et sensiblement toutes les matières étrangères conte- nues dans un gaz peuvent être éliminées de celui-ci, pratiquement de façon complète, en faisant passer ce gaz le long d'une surface ou paroi de guidage et en bombardant le gaz,à son passage,aveo des gouttes d'un liquide se déplaçant avec une vitesse telle qu'elles remplissent un rôle nouveau, qui peut être décrit comme suit :
Il se forme un produit turbulent de condensation du li- quide de lavage sur la surface de guidage, et le gaz, en contact avec ce produit de condensation et maintenu de façon temporaire contre cette surface, est soumis à l'impact des gouttes de liquide avec une force suffisante pour détruire brusquement la tension superficielle des bulles de gaz contenant les matières solides sè- ches entraînées, le temps nécessaire pour cette destruction de la tension superficielle étant sensiblement identique au temps du
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passage du gaz à travers l'espace soumis à ce bombardement.
La vitesse élevée, dont sont animées les gouttes de li- quide, provoque un éolaboussement par rebondissement du produit de condensation turbulent, qui contribue à l'action de lavage par des foroes agissant en sens opposé et qui nettoie si violemment les particules que toute tension superficielle éventuelle des bulles de gaz est détruite et qu'il en résulte une humidification sensi- blement complète des fumées, sans tenir compte du temps nécessaire pour le contact capillaire naturel.
Après que les particules de fumées ont ainsi été humidi- fiées, on peut facilement les séparer du gaz,par exemple en soumet- tant le mélange à l'action de la force centrifuge dans un sépara- teur cyclone ou un séparateur à pulvérisation d'un type quelconque.
Il est évident qu'un contact extrêmement rapide et in- time du gaz avec le liquide de lavage, produit par les vitesses élevées utilisées dans ce procédé de traitement d'un gaz, peut être avantageusement employé pour l'absorption de gaz lors du traite- ment de gaz qui sont solubles de façon appréciable dans le liquide employé; de même, une réaction ohimique peut être accélérée;
la présente invention n'est par suite pas limitée à l'humidification et à l'élimination de matières solides à partir de gaz, mais elle comprend également l'application du principe spécifié ci-dessus à divers traitements de gaz, de liquides et de matières solides fi- nement divisées, dans tout cas où on fait traverser le gaz par le liquide utilisé avec une vitesse supérieure à 3.500 mètres par mi- nute et on le fait frapper une surface ou paroi, de la manière pré- cédemmentdécrite.
Les dessins ci-joints représentent à titre d'exemple un appareil approprié pour la réalisation du procédé suivant l'in- vention :
La fig. 1 est une vue schématique de l'appareil, en coupe verticale;
La fig. 2 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne 2-2 de la fig.l;
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La fig.3 est une vue en coupe horizontale d'un ventilateur; propre à être utilisé avec l'appareil suivant les fig, 1 et 2 et construit de telle manière qu'il assure à la fois l'épuration du gaz et la séparation centrifuge des produits de condensation;
La fig. 4 est une vue en élévation de côté de ce ventila- teur, avec le raccord d'admission de gaz supposé enlevé ; et
La fig. 5 est une vue sohématique d'un appareil employé pour l'essai du procédé suivant l'invention.
Sur les figures 1 et 2 des dessins, 10 désigne de façon générale l'orifice de sortie d'un four ou foyer,qui débouche dans une chambre de refroidissement brusque 11, à laquelle de l'eau ou autre liquide de refroidissement brusque est amené par une oondui- te 12,aboutissant à l'extrémité supérieure de la chambre 11. L'eau est évaouée de cette chambre par un orifice de décharge 13,repré- senté comme débouchant dans un bac oolleoteur de boues 14,rempli de liquide qui forme joint. Près de son extrémité inférieure, cette chambre de refroidissement 11 comporte un orifice de sortie du gaz, qui communique avec le côté d'admission d'un ventilateur cen- trifuge 16, qui est de préférence muni de pales radiales.
Le côté de refoulement 17 de ce ventilateur comporte un conduit 18 débouchant tangentiellement à et communiquant avec le séparateur centrifuge 19 des boues et du gaz. Ce séparateur des boues et du gaz comporte, à son extrémité inférieure, un orifice central de décharge 21,débouchant dans le bac collecteur de boues 14. Un dispositif permet l'admission d'eau en quantités réglables suivant l'axe du ventilateur 13; ce dispositif est représenté sous forme d'une conduite 22,branchée sur la conduite 12 et munie d'une valve. La conduite 12 est alimentée par une pompe 23,dont le coté d'admission communique avec le bac collecteur de boues 14. Ce bac 14 peut être muni d'un dispositif approprié d'évacuation des boues (non représenté).
Sur les fig. 3 et 4 des dessins, 16a désigne une botte on enveloppe fermée d'un côté et comportant sur son côté opposé un orifice axial d'admission 24, conduisant à une chambre 25. Dans cette chambre peut tourner une roue 26 avec des pales radiales
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Qui, comme représenté, peuvent comporter chacune une ouverture 28, d'une largeur désirée, qui doit être relativement faible comparati- vement à la largeur de la pale, de façon à empêcher la formation excessive d'un brouillard du liquide utilisé pour l'épuration du gaz, tout en assurant oependant la formation d'une petite quantité de brouillard pour humidifier convenablement le gaz.
Le moyeu 29 de la roue à pales comporte, dans sa partie d'extrémité, une chambre 30,avec laquelle communique la conduite 22 d'amenée du liquide; dans l'épaisseur de ce moyeu 29 sont ménagés des trous 31, communiquant avec l'intérieur de la chambre d'extré- mité 30 et avec des orifices radiaux 32, ménagés en alignement avec les pales 27. La paroi périphérique de l'enveloppe ou boite renfermant la roue à pales est de préférence située, par rapport à la périphérie de cette roue, à une distance correspondant approxi- mativement à 1/8 du diamètre de la roue à pales, lorsque cette roue a un diamètre de 500 mm, pour que des gouttes de liquide, pro- jetées par l'extrémité des pales de la roue, puissent frapper avec une force considérable la paroi périphérique.
Pour un diamètre plus grand de la roue à pales, on peut augmenter de façon corres- pondante la distance radiale de l'enveloppe à la périphérie de la roue à pales, en veillant dans chaque cas à ce que cette distance ne soit pas suffisamment grande pour produire une perte sérieuse quelconque de la force balistique des gouttes de liquide.
La distance entre la périphérie de la roue à pales et la paroi périphérique de l'enveloppe ou boîte contenant la roue à pales doit toutefois être maintenue à une valeur telle qu'elle convienne exactement pour assurer la force d'impact appropriée du liquide projeté par la roue à pales. Si l'on décale l'orifice de sortie de la chambre proprement dite de la roue à pales dans la direction de l'axe de cette roue à pales, le mouvement de rotation du mélange, sortant de cette chambre, a tendance à produire une sé- paration considérable du produit de condensation dans le ventila- teur proprement dit et cela avant que le mélange pénètre dans le séparateur 19.
La paroi périphérique de cette chambre comporte de
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préférence un revêtement intérieur en caoutchouc,en plomb ou en tou te autre matière appropriée résistant à l'usure,comme indiqué en 33.
Des essais effectués avec un appareil de ce genre,à une vitesse périphérique supérieure à la vitesse mentionnée ci-dessus, montrent qu'il ne passe aucune trace de fumées sèches au-delà de la chambre de séparation.
Bien qu'il ait été question plus haut de l'emploi d'eau comme agent d'humidification, on peut employer tout liquide appro- prié dans ce but. L'appareil a donné les meilleurs résultats au point de vue économique lorsque la quantité de liquide, introduite par la conduite 22, est juste suffisante pour assurer une humidifi- cation complète des particules de fumée. On peut déterminer cette quantité en fonctionnement en réduisant l'admission de liquide jusqu'à ce que des particules de fumée commencent à apparattre sur un filtre placé dans l'orifice de sortie 20. A ce moment, il y a lieu d'augmenter légèrement la quantité de liquide; à partir de cet instant, on peut accroître la quantité de liquide, sans qu'il se produise aucun échappement de famées non humidifiées, jusqu'à la capacité complète du dispositif épurateur.
Des essais de cet appareil montrent qu'il suffit de 0,65 à 2,70 litres de liquide par mètre cube de gaz traité, sui- vant la nature des fumées. Comme exemples de rendements pouvant être obtenus par l'emploi d'un appareil de ce genre, on peut se référer au tableau suivant, qui représente les résultats d'essais effectués dans des conditions réelles de fonctionnement dans une grande installation d'affinage de métaux :
Essai Vitesse Gaz passé à Solution Litres de Elimination périphérique travers l'é- en litres solution des en mètres par purateur en par par famées en minute m3 par minute minute m3de gaz %
EMI8.1
<tb> A <SEP> 350 <SEP> 4,30 <SEP> 7,57 <SEP> 1,75 <SEP> 98,74
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<tb> B <SEP> 430 <SEP> 5,26 <SEP> 7,57 <SEP> 1,44 <SEP> 99,50
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<tb> 0 <SEP> 620 <SEP> 23,46 <SEP> 7,57 <SEP> 0,32 <SEP> 99,95
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<tb> D <SEP> 520 <SEP> 17,26 <SEP> 15,14 <SEP> 0,88 <SEP> 98,99
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<tb> E <SEP> 620 <SEP> 25,18 <SEP> 15,14 <SEP> 0,60 <SEP> 99,92
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<tb> F <SEP> 520 <SEP> 17,00 <SEP> 22,71 <SEP> 1,33 <SEP> 98,99
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<tb> G <SEP> 620 <SEP> 25,00 <SEP> 22,71 <SEP> 0,91 <SEP> 99,
97
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<tb> H <SEP> 520 <SEP> 17,18 <SEP> 30,28 <SEP> 1,76 <SEP> 99,87
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<tb> 1 <SEP> 620 <SEP> 19,86 <SEP> 30,28 <SEP> 1,52 <SEP> 99,98
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Le dispositif utilisé pour effectuer ces essais est représenté schématiquement sur la fig. 5 et comprend un carneau d'admission 34, d'un diamètre de 200 mm, conduisant à un séparateur cyclone à voie humide, à grande vitesse, 35. L'ajutage 36 de ce sé- parateur pulvérise de l'eau ou une solution appropriée vers le bas contre le courant de gaz et lave la surface latérale du cône du séparateur cyclone. Ceci refroidit et humidifie le gaz et en élimine les poussières plus grossières et une petite partie des fumées fines. Le gaz humidifié est aspiré du séparateur cyclone 35 et envoyé dans l'épurateur 38.
Cet épurateur est du type précé- demment décrit, et de l'eau ou une solution appropriée est amenée par une conduite au moyeu de la roue à pales de cet épurateur 38.
Le produit, obtenu par le traitement dans cet épurateur,consistant en une boue diluée, partiellement tenue en suspension dans le gaz, passe avec celui-ci dans un second séparataur cyclone 39, où les fumées humidifiées tombent,avant que le gaz monte dans la conduite de sortie 40 en passant à travers un liquide pulvérisé dans ce séparateur 39, qui sert à éliminer les particules mouillées qui pourraient être entraînées par le gaz. On règle l'amenée de liqui- de à l'épurateur 38 au moyen d'une valve 41, et on obtient la va- riation de vitesse désirée de la roue à pales par un moteur de commande à vitesse variable (non représenté).
Les parties infé- rieures des deux séparateurs cyclones 35 et 39 comportent un joint hydraulique dans un bac de décantation 42; une pompe de circula- tion 43 ramène le liquide à partir de celui-ci aux dispositifs pulvérisateurs des séparateurs cyclones et à la roue à pales de l'épurateur 38.
Une étude du tableau donné ci-dessus montre qu'on peut obtenir des rendements élevés dans des limites étendues de varia- tion de vitesse et avec des variations considérables dans la quan- tité d'eau amenée à l'épurateur. Lesessais ont montré clairement que la quantité d'eau employée ne doit pas être inférieure à 0,65 litre par mètre cube de gaz ; qu'avec une amenée constante d'eau,le rendement augmente avec la vitesse périphérique de la roue à
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pales, et qu'on ne peut atteindre une élimination satisfaisante des matières solides, à l'état de fumées, à partir du gaz pour des vi- tesses périphériques de la roue à pales inférieures à 3.500 mètres par minute. Dans la fixation de cette vitesse minimum, on considère comme satisfaisante une élimination de 98 % des fumées contenues dans les gaz.
Lorsqu'on a principalement en vue d'obtenir une éli- mination des poussières plus grossières, on peut employer des vi- tesses plus faibles avec de bons résultats; mais dans tous les cas, les vitesses des gouttes de liquide doivent, conformément au prin- cipe de l'invention, être notablement supérieures aux vitesses em- ployées dans tout autre typed'épurateur de gaz. Les essais indi- qués sur le tableau sont choisis parmi une longue série d'essais, qui montrent clairement qu'avec la même vitesse périphérique et le même quantité d'eau, le rendement augmente avec le rapport de la quantité d'eau à la quantité de gaz, à condition que cet acerois- sement de la quantité d'eau soit maintenu dans des limites rai- sonnables.
Des essais, effectués aveo le dispositif représenté aur la fig. 5, dans lequel on a employé un excès d'eau, mais sans admis- sion axiale d'eau dans la roue à pales, ont eu pour résultat une élimination de poussières et de fumées de 91,48 % seulement des matières solides primitivement contenues dans le gaz, tandis que l'essai I dans le tableau mentionné ci-dessus montre une élimina- tion de 99,98 % des matières solides contenues dans le gaz, pour une amenée axiale de 1,52 litre d'eau par mètre cube de gaz pas- sant à travers la roue à pales.
L'examen de ce tableau montrera que, pour la vitesse em- ployée dans les essais A et B, il s'est produit une grande diminu- tion dans la quantité de gaz passée à travers l'épurateur. Ceci est dû à une diminution correspondante de la puissance statique de l'épurateur à ces vitesses plus faibles.
Les fumées métallurgiques, éliminées de gaz qui les en- trainent, contenant du SO2 et remises en circulation sous forme d'une boue diluée, se chargent facilement de substances telles que
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de l'oxyde de zinc ou de l'oxyoarbonate de zinc, par suite du con- tact rapide assuré par les vitesses élevées employées dans ce pro- cédé. Cette action solvante accélérée a été observée pendant les essais mentionnés ci-dessus, les gaz utilisés provenant de gaz de fours de fusion et de convertisseurs riches en fumées de zinc.
Au point de vue de la réaction chimique qui est facilitée par ce procédé de traitement de gaz, il a été constaté par le de- mandeur que, dans le traitement d'une solution brute de phénolate de sodium, en amenant de l'anhydride carbonique gazeux en contact avec celle-ci, le temps nécessaire pour achever la réaction -qui a pour résultat la mise en liberté de phénol et la formation si- mùltanée de carbonate de sodium- est fortement réduit et on ob- tient un rendement en phénol plus élevé que dans tout procédé em- ployé jusqu'ici pour réaliser cette réaction de façon industrielle; ceci est apparemment dû au fait que le gaz à absorber est amené plus brusquement en contact avec la solution de phénolate de so- dium, qui correspond dans ce cas au liquide d'épuration.
Le degré et la rapidité d'absorption de gaz par le li- quide d'épuration sont notablement accrus par ce procédé de traite- ment de gaz, lorsqu'on maintient les températures du gaz et du li- quide aux valeurs convenables compatibles avec les genres de gaz, liquide et autres substances employées.
Ce procédé de traitement de gaz présente par conséquent des avantages marqués dans la production de gaz industriels, tels que CO2,SO2 et analogues, par absorption par le liquide d'épura- tion et par régénération à partir de ce liquide, l'absorption étant 'notablement facilitée par l'agitation violente inhérente à la vitesse élevée du liquide d'épuration projeté par la roue à pales. Ce procédé de traitement de gaz peut être appliqué à l'absorption de SO3 dans une solution concentrée de H2SO4 dans la production d'acide sulfurique du commerce; une autre application importante consista dans l'absorption d'oxyde phosphorique dans une solution concentrée d'acide ortho-phosphorique utilisée comme liquide d'épuration.