Procédé et dispositif pour assurer un contact intime entre deux fluides non miscibles.
La présente invention a pour objet, d'une manière générale, l'obtention d'un contact intime entre deux fluides non miscibles de densités différentes pour assurer, par exemple, l'échange calorifique entre les deux fluides et en particulier pour faciliter le refroidissement nécessaire des vapeurs de pétrole dans la distillation du pétrole et cela par contact direct avec l'eau.
Dans le procédé selon l'invention, on fait circuler en même temps, à grande vitesse, les deux fluides dans un même conduit composé d'éléments courbes disposés de telle façon qu'à la naissance de chaque élément le fluide lourd soit injecté dans la partie de la section d'entrée la plus rapprochée du centre de courbure de l'élément considéré et que le fluide léger soit injecté dans la partie de la section d'entrée la plus éloignée de ce centre de courbure, de sorte que, sous l'action de la force centrifuge créée par le mouvement, ces deux fluides changent de position mutuelle dans la section le long de la courbe, ce qui provoque leur croisement prolongé qui produit et maintient entre eux un contact incessant et renouvelé pendant leur passage dans les éléments.
Si l'on utilisait un conduit ne comportant qu'un seul élément courbe, le temps pendant lequel les deux fluides seraient en contact serait généralement de trop courte durée. On est donc obligé de répéter l'opération dans une série d'éléments courbes, de spires par exemple.
Mais comme les positions des deux fluides à l'intérieur de la section sont, à la sortie de la spire, inverses de oe qu'elles étaient à l'entrée, il faut prévoir des moyens pour que ce croisement des fluides se répète à chaque élément courbe.
Un de ces moyens peut consister à capter séparément chaque fluide à la sortie e de cha- que élément courbe au moyen de deux tubulures qui sont connectées à l'entrée de l'élé- ment courbe suivant, de telle façon que la tubulure qui prend naissance, dans la section de sortie d'un élément, au point le plus rapproché du centre de courbure de cet élément, débouche dans la section d'entrée de l'élément suivant, au point le plus éloigné du centre de courbure de cet élément, l'autre tubulure étant montée en sens inverse.
Un autre moyen peut consister à réunir directement deux éléments courbes successifs de telle façon que, dans leur section com- mune, la partie de cette section qui constitue la partie la plus rapprochée du centre de courbure du premier élément, constitue au contraire la partie la plus éloignée du centre de courbure de l'élément suivant.
Ce procédé peut s'appliquer au cours de toutes opérations industrielles dans lesquelles il est nécessaire d'assurer un contact intime entre deux fluides, par exemple, en vue d'une distillation, du refroidissenieiit ou de la dissolution des gaz, de la rectification ou de la purification des huiles, etc.
Le procédé conforme à l'invention s'applique particulièrement bien aux échanges ca- lorifiques necessaires dans la distillation fractionnée à effets multiples, notamment dans celle du pétrole, telle qu'elle s'effectue, par exemple, d'après le procédé antérieur du demandeur exposé dans son brevet suisse n0 202234.
Dans ce brevet, il est prévu de faire parcourir au pétrole une série de réservoirs fonctionnant à des températures et pres sions s de plus en plus hautes de manière à évaporer les hydrocabures dans l'ordre de leur volatilité décroissante, ces réservoirs étant chauffés, sauf le dernier ou les deux derniers, par les condensations des vapeurs du réservoir suivant dans le sens du mouvement du pétrole; on utilise ainsi la chaleur latente d'évaporation d'une fraction pour le chauffage d'une autre fraction, tandis que, pour utiliser également la chaleur des produits liquides, des résidus et des condensats, on se sert de réehauffeurs disposés entre deux réservoirs successifs.
Aux dessins ci-joints, donnés à titre d'exemple, les fig. 1 à 9 représentent différentes formes de dispositifs permettant l'application du procédé selon l'invention.
On peut assurer dans un serpentin plusieurs croisements entre les deux fluides.
Ainsi en fig. 1, on voit que le fluide extrait au bas de la première spire à la partie supérieure intérieure de la section droite de cette spire par le tube a est injecté à la partie extérieure inférieure de la section droite de la deuxième spire et que l'autre fluide sortant de la première spire par sa partie inférieure extérieure en h est injecté à la partic supérienre intérieure de la section droite d'entrée de la seconde spire.
On peut remplacer cette disposition par une contre-courbe à l'intérieur du serpentin qui change l'emplacement de la concavité. Ce changement de ooncavité fait naître une force centrifuge de sens opposé qui déplace les fluides l'un par rapport à l'autre; ainsi à chaque changement de concavité les fluides se traversent en échangeant leur chaleur.
Le tube ondulé suivant fig. 9 fonctionne comme Ull un serpentin composé de courbes et de contre-courbes. Les ondulations successives produisent alternativement une concavité et une convexité sur une paroi donnée du tube et chacune d'elles change de 180 la direct tion de la force centrifuge; par suite, le fluide dense tend à se placer dans les ondulations successives tantôt d'un côté du tube et tantôt de l'autre, le fluide léger se tenant du côté opposé.
On a ainsi à l'intérieur du tube un mouvement ondulant de sens contraire pour chacun des fluides, ce qui provoque pour chaque ondulation un choc entre les deux courants avec pénétration et contact intime produisant ainsi entre les deux fluides une véritable émulsion et par suite un bon échange de chaleur.
Les appareils de refroidissement d'huile par contact entre l'huile et l'eau que l'on y in jecte peuvent ; présenter soit dans le cas d'un serpentin, soit dans le cas de tubes ondulés toute forme appropriée de section droite; il est cependant préférable d'allonger la section suivant la direction de croisement des fluides, c'est-à-dire suivant la résultante des forces agissant sur ces fluides, en donnant à ces tubes une forme ovale.
Dans le cas d'un serpentin hélicoidal, la dimension maxima de la section droite doit se trouver à peu près suivant la résultante de la force centrifuge et de la pesanteur. Dans le cas des tubes ondulés, la section droite doit s'allonger dans le plan des ondulations, c'est-à-dire dans le plan contenant le centre de courbure de ces dernières.
Tous les dispositifs de refroidissement par contact direct peuvent servir à la production d'eau chaude ou de vapeur d'eau lorsque l'huile à refroidir se trouve à températire suffisamment élevée; pour aboutir à ce résultat, on alimente de préférence en eau chaude la partie des refroidisseurs qui produit la vapeur. Ti est bon de subdiviser le refroidissement et d'extraire après chaque opération partielle l'eau chaude e ou la vapeur produite en injectant à nouveau de l'eau servant au refroidissement. Sous cette forme, l'eau chaude produite dans une opération peut servir comme eau d'alimentation pour une opération antérieure (par rapport au refroidissement de l'huile) au début de lacruelle elle est injectée dans le tube.
La fig. 3 représente un dispositif de refroidissement constitué par un tube ondulé à trois effets successifs de refroidissement, utilisable pour l'obtention d'eau chaude; l'huile pénètre par A dans le tube et est refroidie par l'eau chaude provenant de la seconde opération de refroidissement et prélevée en Ci par la pompe B qui la refoule en
F. Cette eau achève de se réchauffer dans cette première opération de refroidissement de l'huile et est extraite en C pour être utili sée de toute manière désirée.
I L'eau extraite est remplacée immédiatement par de l'eau plus froide extraite du même tube, produite par la troisième opération de refroidissement et sortant en c2 pour être refoulée par la pompe Bi en Fi aussitôt après l'extraction de l'eau chaude en C et du côté opposé de la section du tube. Cette injection fait commencer la deuxième opération de refroidissement. A la fin de cette seconde opération, c'est-à-dire en Ci, on extrait l'eau chaude obtenue que l'on réinjecte en F au commencement de la première opération comme il a été expliqué. L'extraction effectuée est compensée par injection d'eau fraîche en F2 du côté du tube opposé à C1 et juste après ce point.
L'opération se répète pour la troisième fois en F2 et l'eau chaude est comme précédemment extraite en C2 du côté convexe de l'ex- trémité d'une ondulation et refoulée par la pompe B1 en F1. L'huile refroidie sort du côté concave en S et s'avance dans un séparateur ou purificateur qui la purge de l'eau entraînée.
Le procédé peut servir à la production de vapeur d'eau par refroidissement d'huile, en utilisant comme eau de refroidissement d'au moins un stade l'eau chauffée au cours des stades ultérieurs. La vapeur d'eau est extraite après séparation dans une partie incurvée du conduit du côté intérieur par rapport au centre de courbure, après quoi la vapeur d'eau est purgée du liquide entraîné dans un serpentin centrifuge d'où ce liquide est amené à l'appareil de refroidissement, chaque élément du conduit ayant une section progressivement croissante depuis le début du stade considéré jusqu'à la première extraction de la vapeur, à partir de laquelle la section droite revient à peu près à sa dimension primitive.
La production de vapeur d'eau dans les appareils de refroidissement d'huile par contact direct peut s'effectuer sous pression lorsque la température de l'huile le permet et à cet effet on injecte les deux fluides sous pression dans le dispositif de refroidissement.
Les appareils applicables au refroidissement de l'huile par contact direct avec l'eau de refroidissement peuvent servir également à la condensation des vapeurs de pétrole produites par la distillation. Dans ce cas, la section du tube ou du serpentin doit se réduire progressivement pour maintenir la vitesse du fluide en circulation en raison de la condensation qui réduit fortement le volume du fluide.
La condensation permet comme le refroidissement l'utilisation de la chaleur contenue dans les produits qui se refroidissent en produisant de l'eau chaude ou de la vapeur; pour l'extraction de la vapeur d'eau on doit eviter l'entraînement avec elle de vapeurs de pétrole non condensées.
La fig. 4 représente en plan un appareil de condensation à tubes ondulés utilisant la chaleur contenue dans les vapeurs de pétrole à la production d'eau chaude. Dans cet appareil le refroidissement se subdivise en quatre fractions; dans la première l'eau chauffée pendant le second refroidissement est extraite en C1 par la pompe B pour être réinjectée en
F; ce premier stade de refroidissement reçoit en A la vapeur à condenser et l'eau chaude est extraite en C pour être utilisée;
le second stade commence à la fin du premier et re çoit comme eau de refroidissement l'eau extraite en c2 après chauffage au cours du troisième stade, cette eau étant refoulée par
B1 pour être réinjectée en F1 : ce troisième stade commençant en C reçoit l'eau chauffée au cours du quatrième stade, qui en est extraite en C3 et est réinjectée en F2 par B2; enfin le quatrième stade commençant en c2 reçoit l'eau froide en F3.
Quand il s'agit d'utiliser la chaleur contenue dans la vapeur de pétrole pour la production de vapeur d'eau, l'extraction de la vapeur se heurte aux diffieultés dues à l'entraînement possible de vapeurs de pétrole. On ne peut espérer que la force centrifuge produite par une courbure du tube détermine un classement par densités des fluides dans la section droite du tube de manière à permettre l'extraction de la majeure partie de la vapeur d'eau sans entraînement notable de vapeurs de pétrole; par suite, pour pouvoir être utilisé dans la pratique, il faut ajouter à l'appareil un purificateur qui purge la vapeur de la vapeur de pétrole et des liquides qu'elle peut entraîner.
Les fig. 5 et 6 représentent en élévation et en plan un appareil de condensation des vapeurs de pétrole à tubes ondulés où la chaleur contenue dans les vapeurs sert à la production de vapeur d'eau. La condensation et le refroidissement se font en quatre stades; le premier occupe la première partie du tube depuis l'entrée de la vapeur à condenser en A jusqu'à la sortie de la vapeur d'eau produite en C. Le liquide de refroidissement utilisé est l'eau chaude du second stade, extraite en
Ci et reinjectée par la pompe B à l'entrée du condenseur en F.
Le second refroidissement commence immédiatement après la fin du premier par injection en F1 de'l'eau chaude du troisième stade, extraite de l'appareil en 2 et réinjectée par la pompe B1 dans l'appa reil en Ft ; le second stade se termine en C3 où commence le troisième stade par injection en F2 de l'eau du quatrième stade séparée à l'extrême fin de l'appareil en C3 pour être réinjectée par B2 en F2; le quatrième stade commence à la fin c2 du troisième par injection d'eau froide en F3, ce quatrième stade occupant le reste de l'appareil.
L'huile condensée et refroidie sort en S pour se rendre à un séparateur qui extrait l'eau entraînée la vapeur d'eau est produite dans le premier stade en augmentant le volume du fluide en circulation, tandis qu'en même temps la condensation des vapeurs de pétrole produit une diminution de ce volume.
Si toute la chaleur transmise du pétrole à l'eau était limitée à la chaleur latente d'évaporation des hydrocarbures et était utilisée en totalité à l'évaporation de l'eau de refroidissement, la contraction en volume produite par la condensation du pétrole serait supérieure à son augmentation sous l'action de l'évaporation de l'eau dont la chaleur latente d'évaporation est plus grande, de telle sorte que le volume total du fluide en circulation diminuerait en nécessitant une diminution progressive de la section du tube le long de la partie occupée par le premier stade si l'on veut conserver la vitesse du fluide en circulation. Mais en réalite la vapeur de pétrole traitée est constituée par plusieurs hydrocarbures qui se condensent à des températures différentes.
Par suite, pour la production successive des condensats. il faut réduire la température des hydrocarbures les moins volatils après leur condensation, c'est-à-dire transmettre à l'eau la chaleur contenue dans les hydrocarbures tant à l'état de vapeurs qu'à l'état de condensats et la chaleur spécifique ainsi retirée aux condensats accroîtra la masse de vapeur d'eau formée. Par contre, si l'eau injectée en
F n'est pas à la température de la vapeur produite dans ce stade, il sera nécessaire de chauffer l'eau avant de produire son évaporation, de telle sorte que la masse de vapeur formée avec une quantité de chaleur disponible donnée se trouve réduite.
Ces circonstances modifient en sens opposés le résultat final en ce qui concerne la variation de volume de l'ensemble du fluide en circulation dans la première partie du tube, c'est-à-dire pendant le premier stade. Il faut tenir compte de ces phénomènes pour déterminer les variations de section le long de cette partie du tube pour conserver la vitesse de circulation à peu près constante. La vapeur d'eau est extraite à la fin du premier stade, c'est-à-dire en C. Elle entraîne des quantités notables de vapeurs de pétrole que l'on doit séparer. Le dispositif de séparation de la fig. 5 comprend un tube ondulé P vertical dans lequel circule de bas en haut la vapeur d'eau à purifier sortant de C et qui reçoit à sa partie supérieure L une injection d'eau chaude.
On utilise comme eau chaude l'eau d'alimentation du refroidissement du premier stade provenant de la pompe B et cette eau est plus froide que la vapeur d'eau et surtout plus froide que la vapeur de pétrole; il s'ensuit une condensation des vapeurs de pétrole favorisée par les facilités de contact offertes par la forme du tube P et le courant vertical de vapeur qui repousse et pulvérise le liquide qui descend; la forme du tube met fréquemment en contact la vapeur de pétrole avec les particules d'eau et avec la vapeur d'eau plus froide qui monte en même temps que ladite vapeur, ce qui entraîne la condensation des vapeurs de pétrole entraînées. En même temps l'eau de refroidissement injectée en L s'évapore partiellement en augmentant la quantité de vapeur d'eau produite.
Le pétrole liquéfié est entraîné en grande partie par le courant de liquide qui descend, à travers le courant de vapeur, le long du tube et retourne à l'appareil en C. Le reste, entraîné par la vapeur d'eau à l'état liquide, est finalement extrait de cette vapeur dans le séparateur centrifuge
II dont les tubes de drainage E font passer le liquide dans la pompe Bl qui le renvoie à l'appareil en F1, tandis que la vapeur d'eau débarraslsée du pétrole est prélevée en H1.
Le séparateur de vapeurs de pétrole P peut être modifié de manière à ce qu'on effectue, sur toute sa hauteur, différentes injections d'eau à même température ou à des températures de plus en plus froides à me sure que l'on monte. Le e séparateur peut être remplacé par tout laveur de gaz de type connu ou par un appareil du type effectuant une simple rectification dans les opérations de distillation.
Les colonnes de rectification décrites dans le brevet no 201941 permettent l'application des tubes ondulés pour provoquer les contacts de deux fluides non mis cibles de densités différentes circulant ensemble dans les tubes.
La fig 7 représente en plan une spire de serpentin utilisant des tubes ondulés et susceptible d'être appliquée à la colonne de la fig. 3 du brevet ci-dessus mentionné. Cette spire comprend deux tubes ondulés O et Ol suivis de deux tubes cintrés A et A1. Le tube cintré A réunit le tube ondulé O au tube ondulé Ol et le tube cintré A1 réunit le tube ondulé Ol au tube ondulé occupant dans la spire suivante la position du tube O. Le ser pentin est parcouru par de la vapeur à rectifier avançant dans la direction des flèches.
En I s'effectue à l'intérieur du serpentin une injection du liquide de rectification. Ce liquide parcourt le serpentin avec la vapeur en circulation et les ondulations successives du tube O provoquent le croisement fréquent des deux fluides,-Lest pulvérisations du liquide par la vapeur et le contact intime des particules assurant l'échange de chaleur et la substitution d'une partie de l'alcool qui se vaporise par une quantité équivalente de va peur d'eau qui se condense, ce qui détermine la rectification de la vapeur.
A la sortie du tube O, le liquide entraîné est séparé par le tube cintré A dont la section
droite présente une des formes décrites anté
rieurement et il est recueilli par un canal
formé dans le tube cintré d'oit ; il est extrait par le tube E aboutissant à ce canal.
La a connexion du tube ondulé Ol avec le tube cintré Al agit de la même manière que la connexion entre les tubes O et A avec injection en Jl du liquide de rectification.
La fig. 8 représente en plan une autre spire de serpentin du même type applicable
à la colonne de rectification de la fig. 3 du brevet nO 201941. Cette spire se distingue de la précédente seulement par une extension plus grande des tubes cintrés, A et =1l.
La fig. 9 est une coupe horizontale d'un étage de la colonne de distillation du type des fig. 4 et 7 du même brevet rappelé cidessus. La vapeur à rectifier provenant de l'étage inférieur pénètre dans l'étage considéré par le triangle A B C qui est ouvert et elle entre par la section droite verticale
A B dans la spire extérieure de la spirale formant l'étage: elle parcourt toute la spirale
dans le sens de la flèche pour sortir par S et suivre à l'étage supérieur un parcours analogue.
Le liquide de rectification provenant de l'étage supérieur est injecté en I pour être pulvérisé et entraîné par le courant de vapeurs à rectifier, ce qui produit une rectification de la vapeur dans le tube ondulé F1 ; la séparation se fait sur l'arc B1 El avec nouvelle injection en El dans la spire extérieure suivante, nouvelle pulvérisation par le fluide en circulation à la sortie de El et entraînement par ce fluide. On obtient ainsi dans le parcours El ilIl un effet de rectification pour ce fluide avant la rectification opérée par le même liquide de rectification le long de I Dl comme il a été décrit.
Le liquide de rectification continue son trajet et est séparé sur l'arc lIl Fl pour être injecté en F dans la spire immédiatement extérieure à la spire de première injection
I Dl et on retrouve dans cette spire et dans les spires successives de l'intérieur à l'extérieur le mime cycle d'opérations, de manière que le liquide de rectification circule de l'intérieur vers l'extérieur à travers les spires successives, tandis que la vapeur à rectifier circule de l'extérieur vers l'intérieur sur toute la longueur de la spirale, et à chaque nouvelle spire, ces fluides à contre-courant sont mis en contact deux fois pour assurer deux rectifications nouvelles.
Enfin, le liquide de rectification recueilli par la cuillère E i est amené et injecté dans l'étage inférieur comme il a été décrit audit brevet.
Chaque nouvelle rectification de la vapeur se fait avec un liquide chaque fois plus riche, tandis que la vapeur présente une pureté de plus en plus grande avec appauvrissement constant du liquide de rectification dans son parcours en sens opposé en rectifiant successivement des vapeurs de plus en plus pauvres. La suite des opérations s'effectue suivant la marche classique du fonctionnement des colonnes de rectification.
REVENDICBTIONS:
T Procédé pour assurer un contact intime
entre deux fluides non miscibles de den
sités différentes, caractérisé par le fait
qu'on fait circuler, en même temps, à
grande vitesse, les deux fluides dans un
meme conduit composé d'éléments courbes
disposés de telle façon qu'à la naissance
de chaque élément le fluide lourd soit
injecté dans la partie de la section d'en
trée la plus rapprochée du centre de cour
bure de l'élément et que le fluide léger
soit injecté dans la partie de la section
d'entrée la plus éloignée de ce centre de
courbure, de sorte que sous l'action de la
force centrifuge créée par le mouvement,
ces deux fluides changent de position mu
tuelle dans la section le long de la
courbe,
ce qui provoque leur croisement
prolongé qui produit et maintient entre
eux un contact incessant et renouvelé pen
dant leur passage dans les éléments.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Method and device for ensuring intimate contact between two immiscible fluids.
The object of the present invention is, in general, to obtain intimate contact between two immiscible fluids of different densities to ensure, for example, the heat exchange between the two fluids and in particular to facilitate cooling. necessary for petroleum vapors in petroleum distillation through direct contact with water.
In the method according to the invention, the two fluids are circulated at the same time, at high speed in the same duct composed of curved elements arranged so that at the birth of each element the heavy fluid is injected into the part of the inlet section closest to the center of curvature of the element considered and that the light fluid is injected into the part of the inlet section furthest from this center of curvature, so that, under l The action of the centrifugal force created by the movement, these two fluids change their mutual position in the section along the curve, which causes their prolonged crossing which produces and maintains between them an incessant and renewed contact during their passage through the elements .
If one used a conduit comprising only one curved element, the time during which the two fluids would be in contact would generally be too short. We are therefore obliged to repeat the operation in a series of curved elements, turns for example.
But as the positions of the two fluids inside the section are, at the exit of the coil, inverses of oe that they were at the entry, it is necessary to provide means so that this crossing of the fluids is repeated at each curved element.
One of these means may consist in collecting separately each fluid at the outlet e of each curved element by means of two tubes which are connected to the inlet of the following curved element, so that the tube which takes birth, in the outlet section of an element, at the point closest to the center of curvature of this element, opens into the inlet section of the next element, at the point furthest from the center of curvature of this element , the other tubing being mounted in reverse order.
Another means can consist in directly joining two successive curved elements in such a way that, in their common section, the part of this section which constitutes the part closest to the center of curvature of the first element, constitutes on the contrary the most important part. farther from the center of curvature of the next element.
This process can be applied during all industrial operations in which it is necessary to ensure intimate contact between two fluids, for example, with a view to distillation, cooling or dissolution of gases, rectification or purification of oils, etc.
The process according to the invention applies particularly well to the calorific exchanges necessary in the fractional distillation with multiple effects, in particular in that of petroleum, as carried out, for example, according to the prior process of applicant disclosed in his Swiss patent n0 202234.
In this patent, provision is made for the petroleum to travel through a series of tanks operating at increasingly high temperatures and pressures so as to evaporate the hydrocabures in the order of their decreasing volatility, these tanks being heated, except the last or the last two, by the condensations of the vapors of the next reservoir in the direction of movement of the oil; the latent heat of evaporation of one fraction is thus used for the heating of another fraction, while, to also use the heat of liquid products, residues and condensates, reheaters arranged between two successive tanks are used .
In the accompanying drawings, given by way of example, FIGS. 1 to 9 represent different forms of devices allowing the application of the method according to the invention.
Several crossings between the two fluids can be ensured in a coil.
Thus in fig. 1, it can be seen that the fluid extracted at the bottom of the first turn at the upper interior part of the straight section of this turn by the tube a is injected at the lower exterior part of the straight section of the second turn and that the other fluid leaving the first turn through its lower outer part in h is injected into the upper inner part of the straight entry section of the second turn.
This arrangement can be replaced by a counter-curve inside the coil which changes the location of the concavity. This change of ooncavity gives rise to a centrifugal force in the opposite direction which moves the fluids relative to each other; thus at each change of concavity the fluids pass through each other exchanging their heat.
The corrugated tube according to fig. 9 works like Ull a coil made up of curves and counter-curves. The successive undulations alternately produce a concavity and a convexity on a given wall of the tube and each of them changes by 180 the direction of the centrifugal force; consequently, the dense fluid tends to be placed in the successive undulations sometimes on one side of the tube and sometimes on the other, the light fluid being held on the opposite side.
There is thus inside the tube an undulating movement in the opposite direction for each of the fluids, which causes for each undulation a shock between the two currents with penetration and intimate contact thus producing between the two fluids a real emulsion and therefore a good heat exchange.
Oil cooling devices by contact between the oil and the water injected into them can; present either in the case of a coil or in the case of corrugated tubes any suitable shape of cross section; however, it is preferable to lengthen the section along the direction of intersection of the fluids, that is to say according to the resultant of the forces acting on these fluids, by giving these tubes an oval shape.
In the case of a helical coil, the maximum dimension of the cross section must be found approximately according to the resultant of the centrifugal force and of the gravity. In the case of corrugated tubes, the cross section must lie in the plane of the corrugations, that is to say in the plane containing the center of curvature of the latter.
All direct contact cooling devices can be used to produce hot water or steam when the oil to be cooled is at a sufficiently high temperature; to achieve this result, the part of the coolers which produces the steam is preferably supplied with hot water. It is good to subdivide the cooling and to extract after each partial operation the hot water or the steam produced by injecting again water used for cooling. In this form, the hot water produced in an operation can be used as feed water for an earlier operation (compared to cooling the oil) at the start of the crane it is injected into the tube.
Fig. 3 shows a cooling device consisting of a corrugated tube with three successive cooling effects, usable for obtaining hot water; the oil enters the tube through A and is cooled by the hot water coming from the second cooling operation and taken in Ci by the pump B which delivers it in
F. This water completes heating in this first oil cooling operation and is extracted at C to be used in any desired manner.
I The extracted water is replaced immediately by colder water extracted from the same tube, produced by the third cooling operation and exiting in c2 to be delivered by the Bi pump in Fi immediately after the hot water extraction in C and on the opposite side of the tube section. This injection starts the second cooling operation. At the end of this second operation, that is to say in Ci, the hot water obtained is extracted which is reinjected in F at the beginning of the first operation as has been explained. The extraction carried out is compensated by injecting fresh water into F2 on the side of the tube opposite to C1 and just after this point.
The operation is repeated for the third time in F2 and the hot water is as previously extracted in C2 from the convex side of the end of a corrugation and delivered by the pump B1 to F1. The cooled oil exits the S-concave side and advances into a separator or purifier which purges it of entrained water.
The process can be used for the production of water vapor by oil cooling, using as cooling water at least one stage water heated in later stages. The water vapor is extracted after separation in a curved part of the duct on the inner side with respect to the center of curvature, after which the water vapor is purged from the liquid entrained in a centrifugal coil from which this liquid is brought to the 'cooling apparatus, each element of the duct having a section progressively increasing from the beginning of the stage considered until the first extraction of the steam, from which the cross section returns approximately to its original dimension.
The production of water vapor in oil cooling devices by direct contact can be carried out under pressure when the temperature of the oil allows it and for this purpose the two fluids are injected under pressure into the cooling device.
The devices applicable to the cooling of oil by direct contact with cooling water can also be used for the condensation of petroleum vapors produced by distillation. In this case, the section of the tube or of the coil must be gradually reduced to maintain the speed of the circulating fluid due to the condensation which greatly reduces the volume of the fluid.
The condensation allows, like the cooling, the use of the heat contained in the products which are cooled by producing hot water or steam; for the extraction of water vapor, the entrainment with it of non-condensed petroleum vapors must be avoided.
Fig. 4 shows a plan of a corrugated tube condensing device using the heat contained in petroleum vapors to produce hot water. In this apparatus the cooling is subdivided into four fractions; in the first, the water heated during the second cooling is extracted in C1 by the pump B to be reinjected in
F; this first cooling stage receives the steam to be condensed at A and the hot water is extracted at C to be used;
the second stage begins at the end of the first and receives as cooling water the water extracted in c2 after heating during the third stage, this water being discharged by
B1 to be reinjected into F1: this third stage starting at C receives the water heated during the fourth stage, which is extracted therefrom at C3 and is reinjected into F2 by B2; finally the fourth stage starting in c2 receives cold water in F3.
When it comes to using the heat contained in petroleum vapor for the production of water vapor, the extraction of the steam comes up against difficulties due to the possible entrainment of petroleum vapors. It cannot be expected that the centrifugal force produced by a curvature of the tube will determine a classification by density of the fluids in the cross section of the tube so as to allow the extraction of the major part of the water vapor without noticeable entrainment of vapor of water. oil; therefore, in order to be able to be used in practice, it is necessary to add to the apparatus a purifier which purges the vapor of the petroleum vapor and of the liquids which it may entrain.
Figs. 5 and 6 show in elevation and in plan an apparatus for condensing petroleum vapors with corrugated tubes where the heat contained in the vapors is used for the production of water vapor. Condensation and cooling take place in four stages; the first occupies the first part of the tube from the inlet of the steam to be condensed in A to the outlet of the water vapor produced in C. The cooling liquid used is hot water of the second stage, extracted in
Ci and reinjected by pump B at the inlet of the condenser in F.
The second cooling begins immediately after the end of the first by injection in F1 of hot water from the third stage, extracted from the device at 2 and reinjected by pump B1 into the device in Ft; the second stage ends in C3 where the third stage begins by injection in F2 of the water of the fourth stage separated at the extreme end of the apparatus in C3 to be reinjected by B2 in F2; the fourth stage begins at the end of the third c2 by injecting cold water into F3, this fourth stage occupying the rest of the apparatus.
The condensed and cooled oil exits in S to get to a separator which extracts the entrained water the water vapor is produced in the first stage by increasing the volume of the circulating fluid, while at the same time the condensation of petroleum vapors produce a decrease in this volume.
If all the heat transmitted from the oil to the water were limited to the latent heat of evaporation of the hydrocarbons and were used entirely in the evaporation of the cooling water, the volume contraction produced by the condensation of the oil would be greater. to its increase under the action of the evaporation of water whose latent heat of evaporation is greater, so that the total volume of the circulating fluid would decrease requiring a gradual decrease in the section of the tube along of the part occupied by the first stage if we want to maintain the speed of the circulating fluid. But in reality the treated petroleum vapor consists of several hydrocarbons which condense at different temperatures.
Consequently, for the successive production of the condensates. it is necessary to reduce the temperature of the less volatile hydrocarbons after their condensation, that is to say to transmit to the water the heat contained in the hydrocarbons both in the vapor state and in the condensate state and the heat specific thus removed from the condensates will increase the mass of water vapor formed. On the other hand, if the water injected into
F is not at the temperature of the vapor produced in this stage, it will be necessary to heat the water before producing its evaporation, so that the mass of vapor formed with a given quantity of available heat is reduced.
These circumstances modify in opposite directions the final result as regards the variation in volume of the whole of the fluid circulating in the first part of the tube, that is to say during the first stage. These phenomena must be taken into account to determine the variations in section along this part of the tube in order to keep the circulation speed more or less constant. The water vapor is extracted at the end of the first stage, that is to say in C. It entrains significant quantities of petroleum vapors which must be separated. The separation device of FIG. 5 comprises a vertical corrugated tube P in which circulates from bottom to top the water vapor to be purified leaving C and which receives at its upper part L an injection of hot water.
First-stage cooling feed water from pump B is used as hot water and this water is colder than water vapor and above all colder than petroleum vapor; there follows a condensation of the petroleum vapors favored by the contact facilities offered by the shape of the tube P and the vertical vapor stream which pushes and pulverizes the descending liquid; the shape of the tube frequently brings the petroleum vapor into contact with the water particles and with the cooler water vapor which rises at the same time as said vapor, which causes the condensation of the entrained petroleum vapors. At the same time, the cooling water injected in L partially evaporates, increasing the quantity of water vapor produced.
The liquefied petroleum is carried away largely by the liquid stream which descends, through the vapor stream, along the tube and returns to the apparatus at C. The remainder, carried by the water vapor in the state liquid, is finally extracted from this vapor in the centrifugal separator
II, the drainage tubes E of which pass the liquid into the pump B1 which returns it to the apparatus at F1, while the water vapor freed from petroleum is taken at H1.
The oil vapor separator P can be modified so that, over its entire height, different injections of water are carried out at the same temperature or at increasingly cold temperatures as one goes up. The separator can be replaced by any gas scrubber of known type or by an apparatus of the type carrying out simple rectification in the distillation operations.
The rectification columns described in patent No. 201941 allow the application of corrugated tubes to cause the contact of two non-target fluids of different densities flowing together in the tubes.
FIG. 7 shows in plan a coil coil using corrugated tubes and capable of being applied to the column of FIG. 3 of the above-mentioned patent. This coil comprises two corrugated tubes O and Ol followed by two bent tubes A and A1. The bent tube A joins the corrugated tube O to the corrugated tube Ol and the bent tube A1 joins the corrugated tube Ol to the corrugated tube occupying in the following turn the position of the tube O. The ser pentin is traversed by the steam to be rectified advancing in the direction of the arrows.
In I an injection of the rectifying liquid is carried out inside the coil. This liquid travels through the coil with the circulating vapor and the successive corrugations of the tube O cause the two fluids to cross frequently, -Lest sprays of the liquid by the vapor and the intimate contact of the particles ensuring the exchange of heat and the substitution of a part of the alcohol which vaporizes by an equivalent quantity of goes afraid of water which condenses, which determines the rectification of the vapor.
At the outlet of the tube O, the entrained liquid is separated by the bent tube A, the section of which
right presents one of the forms described before
laughter and he is collected by a canal
formed in the bent tube of oit; it is extracted through the E tube leading to this channel.
The connection of the corrugated tube Ol with the bent tube A1 acts in the same way as the connection between the tubes O and A with injection in Jl of the rectifying liquid.
Fig. 8 shows in plan another coil coil of the same applicable type
to the rectification column of fig. 3 of patent No. 201941. This coil differs from the previous one only by a greater extension of the bent tubes, A and = 1l.
Fig. 9 is a horizontal section through a stage of the distillation column of the type of FIGS. 4 and 7 of the same patent recalled above. The steam to be rectified coming from the lower stage enters the stage under consideration by the triangle A B C which is open and it enters by the vertical straight section
A B in the outer turn of the spiral forming the floor: it runs through the entire spiral
in the direction of the arrow to exit via S and follow a similar route upstairs.
The rectifying liquid coming from the upper stage is injected in I to be atomized and entrained by the stream of vapors to be rectified, which produces a rectification of the vapor in the corrugated tube F1; the separation takes place on the arc B1 El with new injection at El in the next outer coil, new spraying by the fluid circulating at the outlet of El and entrainment by this fluid. In the path El ilIl is thus obtained a rectifying effect for this fluid before the rectification carried out by the same rectifying liquid along I Dl as has been described.
The rectifying liquid continues its path and is separated on the arc Il Fl to be injected at F in the turn immediately outside the turn of the first injection
I Dl and we find in this turn and in the successive turns from the inside to the outside the same cycle of operations, so that the rectifying liquid circulates from the inside to the outside through the successive turns, while the steam to be rectified circulates from the outside to the inside over the entire length of the spiral, and at each new turn, these countercurrent fluids are brought into contact twice to ensure two new rectifications.
Finally, the rectifying liquid collected by the spoon E i is brought and injected into the lower stage as described in said patent.
Each new rectification of the vapor is done with an increasingly richer liquid, while the vapor presents an increasingly greater purity with constant depletion of the rectification liquid in its path in the opposite direction by successively rectifying more and more vapors poor. The rest of the operations are carried out according to the conventional procedure for the operation of rectification columns.
CLAIMS:
T Process for ensuring intimate contact
between two immiscible fluids of den
different sites, characterized by the fact
that we circulate, at the same time, to
high speed, the two fluids in one
same duct composed of curved elements
arranged in such a way that at birth
of each element the heavy fluid is
injected into the part of the section of en
closest to the center of the court
bure of the element and that the light fluid
is injected into the part of the section
entrance furthest from this center of
curvature, so that under the action of
centrifugal force created by movement,
these two fluids change position mu
tuelle in the section along the
curve,
what causes their crossing
prolonged which produces and maintains between
them an incessant and renewed contact
during their passage through the elements.
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