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PROCEDE ET APPAREILLAGE POUR LA RECUPERATION DE VAPEURS -DE COMPOSES
ORGANIQUES DILUEES DANS UN GAZ.
Pour récupérer des composés organiques contenus à l'état de vapeur dans un gaz, on a proposé d'appliquer des méthodes telles que le lavage au moyen de solvants,, l'adsorption par les charbons actifs ou Inaction du froid.
Dans les procédés relevant de cette dernière catégorie, il est es- sentiel-pour aboutir à une exploitation économique- d'utiliser des échangeurs permettant une récupération très poussée du froid lorsqu'on refroidit le gaz à traiter par le gaz épuisé sortant des appareils.
Or. les échangeurs par surface couramment utilisés dans 1?indus- trie ont 1?inconvénient de présenter de faibles coefficients d'échange surtout lorsque des cristaux de glace ou de composés organiques se déposent sur la pa.= roi où circule le gaz neuf. On est alors obligé de renverser de temps à autre le sens du courant gazeux ou d'envoyer du gaz chaud pour faire fondre la glace tapissant les parois des échangeurs. De toute manière les coefficients d'- change sont médiocres, de l'ordre de 10 à 20 calories par degré, mètre carré et heure, pendant toute la période où existe le dépôt, c'est-à-dire pendant la majeure partie du temps d'utilisation.
Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé d'utiliser des batteries de cuves ou de laveurs dans lesquels on fait usage d'un liquide au- xiliaire inerte qui permet une mise en équilibre thermique rapide avec le gaz à traiter. Pour intéressante que soit cette solution, elle ne permet pase sous sa forme actuelle, de résoudre le problème général du traitement des gaz don= nant lieu à des condensations partielles lors du refroidissement préalable du gaz entrant par le gaz sortant. Or, ce problème est celui qu'on a habituelle- ment à résoudre dans la pratique industrielle.
La présente invention a pour but principal de combler cette lacu- ne,
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Le procédé qui en fait l'objet se caractérise essentiellement par la combinaison des phases suivantes g on fait décrire à un premier liquide auxiliaire A,chimiquement inerte à l'égard du gaz et des vapeurs diluées dans ce gaz, ce liquide étant incongelable dans les conditions de l'opération, un circuit qui comprend deux zones distinctes d'échange thermique ; on oblige dans chaque zone le liquide en question à se subdiviser finement de façon à offrir une grande surface d'échange : on fait passer le gaz à traiter à tra- vers la première zone à contre-courant par rapport au liquide A (qui arrive refroidi de la seconde zone d'échange thermique, comme on le verra plus loin et qui cède alors ses frigories au gaz);
on met ensuite le gaz ainsi refroidi en contact avec un second liquide auxiliaire B finement subdivisé et maintenu par soustraction permanente de chaleur (par exemple par l'action d'une machi- ne frigorifique) à la basse température requise pour la condensation totale des vapeurs : on fait ensuite passer le gaz ainsi débarrassé des vapeurs à travers la seconde zone d'échange thermique, à contre-courant par rapport au liquide A dont il provoque le refroidissement et l'on renvoie ce liquide A dans la première zone d'échange thermique où il provoque une condensation par- tielle des vapeurs contenues dans le gaz neuf à traiter, le condensat ainsi obtenu étant éliminé du liquide A avant le renvoi de ce dernier dans la secon- de zone d'échange thermique.
Pour récupérer la partie principale du produit de condensation des vapeurs véhiculées par le gaz initial, il suffit d'isoler ce produit d'une portion prélevée en continu sur le second liquide auxiliaire et de remettre ensuite cette portion en service.
L'avantage essentiel du procédé est mis en lumière par les remar- ques suivantes : une fois que le gaz a été soumis au refroidissement le plus énergique et qu'ainsi il a abandonné (à l'état de condensat ou sous forme de solution dans le deuxième liquide auxiliaire) la quasi totalité des vapeurs qu'il véhiculait, il est mis en contact, en vue de la récupération du froid, avec le premier liquide auxiliaire privé du condensat dont il s'était chargé dans la première zone d'échange thermique, de sorte qu'en se réchauffant avec le premier liquide dans la seconde zone d'échange thermique, le gaz n'est pas susceptible de revaporiser du condensat avant d'être évacuée D'ailleurs si ce gaz emportait un résidu de vapeurs ayant échappé à la condensation, celle-ci pourrait se produire à l'entrée du gaz dans la seconde zone d'échange thermi- que,
puisqu'en raison du contre-courant, c'est en cet endroit que le second liquide auxiliaire sort et est le plus froide et le condensat ainsi recueilli serait amené dans la première zone d'échange thermique.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de la dite invention,
La figure unique est un schéma d'une installation convenant à la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
Afin de faciliter l'explication, on supposera tout d'abord l'in- vention appliquée à la résolution d'un problème simple, par exemple celui du débenzolage de gaz.
Soit à traiter un gaz d'éclairage contenant 55 g par mètre cube de benzène et homologues, livré à une température de 20 et supposé saturé d' eau.
Dans l'installation schématisée sur le dessin annexé, les deux zones d'échange thermique sont définies par des colonnes à plateaux C1 et C2 d'un type particulier qui sera indiqué plus loin. Le circuit prévu pour le premier liquide auxiliaire comprend la colonne C1 et des tuyauteries 1, 2, 3, 4., 5 qui relient, de proche en proche, la base de la colonne C1 à un sépara- teur de condensat 6, le séparateur 6 à un bac intermédiaire 7, le bac 7 au som- met de la colonne C2, la base de celle-ci à un bac intermédiaire 8 et le bac 8 au sommet de la colonne C2.
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Un ou plusieurs dispositifs de propulsion sont intercalés dans le circuit pour assurer la circulation du premier liquide auxiliaire et on en a schématisé deux, dans cet exemple, sous la forme de pompes 9 et 10 puisant le liquide dans chacun des bacs 7 et 8. En 18 et 19 sont figurées des dériva- tions ou by-pass munies de robinets pour permettre le réglage de la quantité de liquide effectivement refoulé dans les canalisations 3 et 5 respectivement.
A la base de la colonne Cl débouche la canalisation 11 d'introduction du gaz à traiter et du sommet part un tuyau d'amenée du gaz dans un appareil de condensation par le froid 13; de ce dernier part un tuyau 14 d'a- cheminement du gaz vers la base de la colonne C2.
L'appareil de condensation par le froid 13 contient une réserve du second liquide auxiliaire et est pourvu d'un dispositif permettant de for- mer une émulsion du gaz qui entre dans ce liquide. Il est en outre muni de moyens de réfrigération à basse température. Le second liquide auxiliaire est, de préférence, un liquide qui est incongelable aux basses températures appliquées, présente des propriétés solvantes à l'égard des substances véhi- culées à l'état de vapeurs par le gaz, et en outre, bout à une température supérieure aux points d'ébullition des substances en question.
Dans le cas particulier du gaz d'éclairage donné ici en exemple, on peut utiliser, comme second liquide auxiliaire, du benzol brut privé de sa fraction benzénique on peut aussi utiliser des homologues supérieurs du benzène, notamment des fractions ayant un point d'ébullition supérieur à celui des xylènes par exemple des fractions de "solvant-naphta" passant au-dessus de 150 ; on cite- ra également, comme liquidesauxiliaires utilisables seuls ou en mélanges, les éthyl-benzènes, méthyl-benzènes,para-cymène, tétrahydro-naphtalène, dé- cahydro-naphtalène, etc...
Le dispositif permettant d'émulsionner le gaz dans le liquide peut être, comme on l'a indiqué schématiquement en 16, un agitateur entraîné à une vitesse suffisante pour produire une cavitationo
Les moyens de réfrigération peuvent comprendre des moyens d'é- change thermique indirect avec un fluide froid, par exemple une chemise de refroidissement externe 16 accouplée à une machine frigorifique 17 avec cir- culation de fluide entre 16 et 17 ;
à titre de variante ou comme complément, une partie du liquide auxiliaire peut être soutirée en continu de l'appareil 13, envoyée dans un échangeur tel qu'un échangeur à plaque et restituée à 1' état froid à l'appareil 130
De toute façon, on effectue en continu un tel soutirage (éventuel- lement distinct du précédent) pour séparer de la portion ainsi prélevée le condensat de vapeurs et renvoyer cette portion dans 1?appareil 13.
Dans cet appareil s'achèves d'une façon pratiquement complète, la séparation des vapeurs qu'on se propose de récupérer, en l'espèce les vapeurs de benzène et de ses homologues dans le cas particulier considérée en revan- che le problème de la récupération des frigories emportées par le gaz déshy- draté et débenzolé ne se trouve pas résolu.
Cette récupération est effectuée dans la colonne C à laquelle le gaz froid, par exemple à -30 dans le cas particulier choisi, est amené par le tuyau 14, de préférence aussi court que possible et bien calorifuge.
Le premier liquide auxiliaire, que le gaz rencontre dans la colon- ne C2, est;, de préférence, un liquide qui est dénué de propriétés solvantes à l'egard des substances présentes à l'état de vapeurs dans le gaz à traiter et est incongelable aux températures les plus basses auxquelles il se trouve soumis dans le circuit; il y a en outre intérêt à ce que ce liquide présente une grande chaleur spécifique. On utilise de préférence des solutions aqueuses incongelables de sels minéraux (chlorure de calcium ou corps analogues, nitra- tes etc...) ou de composés organiques peu volatils (glycols, éthers de glycols tels que les mono-éthers alcoyliques inférieurs des éthylène-glycols et poly- éthylène-glycols etc...).
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La colonne C2 est, de préférence, une colonne bien calorifugée qui est arrosée de ce liquide auxiliaire à son sommet..
Le corps de la colonne doit être agencé de telle manière qu'il permettre une bonne dispersion du gaz montant dans le liquide descendant, a- fin d'assurer un équilibre thermique quasi instantané entre les deux fluides.
On réalise, par exemple, un montage très efficace en utilisant des plateaux en métal fritté qui obligent le gaz à se diviser en une multitu- de de petites bulles traversant la couche de liquide auxiliaire existant sur chaque plateau, couche dont l'épaisseur est réglée par la hauteur des trop- pleins placés sur chaque plateau comme dans une colonne ordinaire de distil- lation Il y a intérêt à ce que les plateaux ou du moins des groupes de plateaux soient isolés thermiquement les uns des autres.
Pour cela on peut placer d'épais joints de matière calorifuge, par exemple d'amiante, entre les brides d'assemblage de deux tronçons consécutifs de la colonneo
Dans ces conditions, le liquide auxiliaire arrivant au sommet de la colonne C2 aux environs de la température ordinaire par exemple à environ +20 ,s'écoule de plateaux en plateaux en rencontrant du gaz de plus en plus froid.
La mise en équilibre thermique est immédiate et si le débit de liqui- de est convenablement réglé, compte-tenu des chaleurs spécifiques des consti- tuants et du débit de gaz froid, on récupère à la base de la colonne 2,du liquide auxiliaire refroidi, dont la température est voisine de -30 et qui s'est chargé de toutes les frigories initialement contenues dans le gaz, aug- mentées de celles qui proviennent de la vaporisation d'une petite quantité d'eau correspondant à sa réhydratation.
Il est clair que les frigories ainsi stockées dans le premier li- quide auxiliaire peuvent être cédées au gaz neuf à traiter si l'on opère dans la colonne C1 d'une manière identique à ce que l'on vient de décrire pour la colonne C2. Pour cela on envoie le gaz à traiter par le tuyau 11 à la base de la colonne C1, construite comme la colonne C2, et on arrose celle-ci au sommet par le liquide froid sortant de la base de C2. Il y a également mise en équilibre thermique instantanée entre le gaz et le liquide par barbotage sur les plateaux mais il y a, dans ce cas, une complication due à la conden- sation partielle des vapeurs contenues dans le gaz, en l'espèce des vapeurs d'eau et de benzène (et de ses homologues) dans le cas particulier choisi.
Cette condensation se produit sur les plateaux supérieurs qui sont les plus froids mais, comme le gaz entrant à la base de la colonne C1, à une température de par exemple 20 , n'est ni saturé en eau ni saturé en benzène, il revaporise sur les plateaux inférieurs de la colonne ce qui s' était d'abord condensé au sommet.
Toutefois, après un certain.temps de marche, un équilibre s'éta- blit et toutes les frigories stockées dans le premier liquide auxiliaire se- ront alors utilisées, d'une part à condenser une partie des vapeurs amenées par le gaz (par exemple des vapeurs de benzène et d'eau), d'autre part à re- froidir le gaz entrant. Avec une colonne bien calorifugée et les conditions de travail données plus haut à titre d'exemple, on condense, pour chaque mè- tre cube de gaz neuf, environ 17,5 g d'eau et 31 g de benzène tandis que le gaz est en même temps refroidi à la température d'environ -20 , le premier liquide auxiliaire étant supposé à -30 lorsqu'il est amené par le tuyau 5.
Finalement l'eau condensée passe dans le liquide auxiliaire et le dilue légè- rement ; les autres substances initialement à l'état de vapeurs, par exemple le benzène et ses homologues, étant insolubles dans ce liquide comme on l'a supposé, se séparant en une couche, par exemple la couche supérieure si on laisse reposer le liquideo C'est à cet effet qu'à été prévu le décanteur 6 d'où la couche supérieure est soutirée tandis que la couche inférieure gagne le bac 7 par le tuyau 20
Il faut comprendre néanmoins que le procédé n'est pas limité à 1'
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utilisation, comme premier liquide auxiliaire, d'un liquide donnant lieu à une séparation aisée, par décantation, des substances véhiculées par le gaz à l'état de vapeur.
Il faut donc considérer le décanteur 6 comme un exemple particulier d'appareil ou d'installation de séparation des substances en question d'avec le premier liquide auxiliaire, une telle installation pouvant comprendre, par exemple, un appareil distillatoire pour cette séparation. La distillation destinée à séparer le condensât solubilisé et non décanté n'est effectuée que sur une portion du liquide auxiliaire en circulation, l'objec- tif étant de soustraire du circuit une quantité suffisante de condensat pour éviter son accumulation illimitéeo
Le liquide auxiliaire sortant du séparateur 6 est alors renvoyé au sommet de la colonne 2;
s'il y a lieu, on peut, auparavant et suivant le cas, le concentrer ou le diluer, soit de temps à autre,soit en continu;,, pour lui restituer sa concentration et sa composition initiales, notamment pour qu'il conserve son caractère de liquide incongelable.
Dans certains cas:, comme dans celui de l'exemple choisi pour le gaz initial, il existe dans le corps de la colonne C1 des cristaux de benzè- ne au sein du liquide auxiliaire mais comme celui-ci est agité par le barbo- tage du gaz, cela ne présente pas d'inconvénient., On peut d'ailleurs incorpo- rer au premier liquide auxiliaire une certaine quantité d'un produit lourd susceptible d'agir comme solvant puissant du benzène et ainsi empêcher la cristallisation de celui-ci de se produire. Dans ce cas, il suffit d'effectu- er une simple distillation fractionnée de la couche décantée en 6 ; onsépare alors le benzène condensé tandis que l'on récupère et réutilise le solvant lourd.
L'appareil de condensation par le froid, au lieu d'être du type décrit ci-dessus en regard du dessin, peut être une colonne du même type que les colonnes C1 et C2. Le tuyau 12 débouche alors dans la base de cette colonne et le tuyau 14 part du sommet. Pour la deuxième liquide auxiliaire, on constitue un circuit particulier comprenant, outre la troisième colonne, un échangeur de chaleur et une pompe de circulation ou moyen équivalent qui amène le liquide en pluie au sommet de cette colonne et le reprend au pied L'échangeur de chaleur peut comprendre une capacité dans laquelle plongent des serpentins attelés à une machine frigorifique ou, comme variante ou en supplément,
un échangeur à plaques c'est-à-dire un échangeur dans lequel le liquide est de nombreuses fois étalé en lame mince pour céder sa chaleur à des lames similaires d'un fluide réfrigérant à travers des parois d'échange.
Ainsi qu'il a été dit plus haut, le deuxième liquide auxiliaire est, de préférence, un liquide doué de propriétés solvantes à l'égard des substances présentes à l'état de vapeur dans le gaz initial. Toutefois, l'on peut également utiliser un liquide qui ne présente pas cette propriété, en particulier un liquide aqueux incongelable tel que celui qui est employé de préférence dans les colonnes C1 et C2.
Le procédé objet de la présente invention gagne en efficacité s'il est exécuté à une pression plus élevée que la pression atmosphérique, car on peut augmenter le débit gazeux dans l'appareillage d'une manière sen- siblement proportionnelle à l'excès de pression, toutes choses restant égales d'ailleurs. L'équilibre thermique s'effectue toujours d'une manière instanta- née entre les liquides et les gaz ; de plus, les pertes par rayonnement sont proportionnellement moins importantes.
Le procédé est applicable non seulement pour le débenzolage du gaz ou pour des problèmes analogues mais aussi au traitement de gaz contenant des vapeurs de solvants, d'hydrocarbures, d'alcools et, en général, de compo- sés organiques quelconques. Lorsque ceux-ci sont solubles dans le premier li- quide auxiliaire choisi comme liquide transporteur de frigories, on peut ou bien utiliser la distillation (portant sur une fraction seulement du liquide auxiliaire) pour récupérer les produits dissous et régénérer ce liquide ou. bien utiliser un solvant lourd qui dissoudra l'eau et les vapeurs ou encore qui laisse l'eau décanter et ne dissout que les vapeurs.
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Dans ces différents cas, le principe reste toujours le même, utiliser un liquide (ou mélange de liquides) auxiliaire pour réaliser les échanges thermiques entre gaz, permettre la récupération totale des frigo- ries et aider à la condensation des vapeurs de composés organiques à sépa- rer.
Le procédé est ainsi applicable au traitement de tous les gaz contenant des vapeurs de composés organiques liquides à le température or- dinaire ; en particulier il peut être utilisé au traitement de l'air soufflé qui a servi à la ventilation des ateliers, où l'on étend au pistolet les laques et peintures cellulosiques et au traitement des gaz de cracking con- tenant des essences légères ; dans ce cas d'ailleurs, comme ces gaz sont gé- néralement disponibles sous une pression d'une dizaine de kilos par cm2, le procédé permet de séparer avantageusement des carbures tels que butanes et butylènes, qui sont liquides sous la pression considérée.
On ne sort pas du cadre de la présente invention en utilisant des colonnes ou des laveurs d'un type quelconque comme les colonnes à pla- teaux perforés, les laveurs Straeder etc... pour effectuer la mise en con- tact des gaz et des liquides auxiliaires servant d'échangeurs calorifiques.
Tous les dispositifs permettant une mise en contact méthodique et efficace des produits en présence peuvent être utilisés avec succès pour mettre en application le présent procédé.
Finalement, il convient de noter que le dessin annexé représente d'une façon schématisée l'une des formes de réalisation possibles pour un appareillage propre à l'exécution du procédé. Sans sortir du cadre de l'inven- tion, le constructeur peut évidemment adopter un groupement différent des é- léments de l'appareil, par exemple pour écourter les canalisations de trans- port de fluides froids; ainsi lorsqu'on a représenté et décrit des colonnes distinctes, il faut considérer que l'on a simplement voulu faire allusion à l'autonomie des zones de traitement correspondantes et, par conséquent, que l'on peut, par exemple, ménager deux telles zones dans une même colonne.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de récupération de vapeurs diluées dans un gaz et con- densables par le froid à une température à laquelle le gaz ne l'est pas, pro- cédé caractérisé par le fait qu'on fait décrire à un premier liquide auxiliai- re A, chimiquement inerte à l'égard du gaz et des vapeurs diluées dans ce gaz, ce liquide étant incongelable dans les conditions de l'opération, un circuit qui comprend deux zones distinctes d'échange thermique, on oblige dans chaque zone le liquide en question à se subdiviser finement de façon à offrir une grande surface d'échange., on fait passer le gaz à traiter à travers l'une de ces zones à contre-courant par rapport au liquide A, on le met ensuite en con- tact avec un second liquide auxiliaire B,
finement subdivisé et maintenu par soustraction permanente de chaleur à la basse température requise pour la condensation totale des vapeurs, puis on fait passer le gaz ainsi débarrassé de vapeurs et refroidi à travers la seconde zone d'échange thermique à contre- courant par rapport au liquide A qui se trouve alors refroidi et l'on isole du liquide auxiliaire A le condensat des vapeurs qu'il a retenues dans la première zone d'échange thermique avant de l'envoyer dans la seconde.