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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui dtune demane de BREVET D'INVENTION
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BERFEOTICNNEMENT A LA DISTILLATION BRACTIONNSE.
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 l'échange calorifique entre les deux liquides et en particulier pour faciliter le refroidissement né- cessaire dans la distillation du pétrole et cela par contact direct avec l'eau, Bien entendu Inapplication de l'invention n'est pas limitée à la distillation du pétrole mais elle peut attendre également à toutes autres opérations industrielles, comme la distillation en gênerai, le refroidissement ou la dissolution des gaz, la rectification. la purification des huiles, etc...
Le procédé conforme à l'invention consiste à faire circuler en même temps les deux fluides dans un mime
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conduit en provoquant fréquemment un changement de la position relative des deux! fluides de manière à. obliger ceux-ci à se croiser et à venir par suite au contact, Ce procédé s'applique particulièrement bien aux échanges calorifiques nécessaires dans la distillation fractionnée à effets multiples notamment dans celle du pétrole, telle qu'elle s'effectue d'après les procédés antérieurs du demandeur exposés dans ses brevets belges 422.
272 du 24/6/37 et 425.000 du 3/12/37, Ces procédés consistent à faire parcourir au pétrole ou autre liquide une série de réservoirs fonctionnant à des températures et pressions on plus en plus hautes de manière à évaporer les hydrocarbures dans l'ordre de leurs
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volatil1 téé décroiesan te, ces réservoirs étant chauffés,; sauf ledernier ou les deux derniers,par les condensations des vapeurs du réservoir suivant dans le sens du mouvement du pétrole ; utilise ainsi la chaleur latente d'évapo- ration 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 réchauffeurs disposés entre deux réservoirs successifs.
Dans un premier mode d'exécution de la présente in- vention, on fait circuler les deux fluides dans un serpen- tin hélicordal où la force centrifuge opère leur classe- ment, l'eau par exemple étant projetée à l'extérieur et l'huile restant à l'intérieur tandis que l'injection de cette huile et de cette eau se fait inversement pour l'eau
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à l'intérieur et pour l'huile à l'extérieur.
La force centrifuge oblige les fluides à changer leur position relative et par suite à ne traverser et à entrer en contact intime ce qui assure l'échange calorifique désiré.' pour augmenter la durée de contact, on effectue l'injection en direction du mouvement o'est-à-dire tan- gentiellement au serpentin; on obtient ainsi pour chaque injection un seul contact et un seul croisement. Comme généralement un seul contact ne permettra pas un échange de chaleur suffisant, l'opération devra être effectuée dans une seconde spire comme'11 sera expliqué ci-après.
Aux dessins ci-joints donnés à titre d'exemple les figures 1 à 8 représentent différentes formes de serpentin permettant l'application de l'invention.
Les figures 9 à 18 représentent différents appareils utilisant les serpentins et tubes ondulés conformes à l'invention.
Comme il a été dit, on peut assurer dans un serpentin plusieurs croisements entre les deux fluides. Ainsi en figure 1 on voit que le fluide extrait à la partie inté- rieure de la première spire par le tube a est injecté à l'extérieur de la deuxième spireet que le fluide extrait à l'extérieur de la première spire par le tube b est injecté à l'intérieur de la seconde spire. On peut rem- placer cette disposition par une contre-courbe à l'in- térieur du serpentin qui change l'emplacement de la concavité. Ce changement de concavité fait naître une
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force centrifuge de sens opposé qui déplate les fluides l'un par rapport à l'autre; ainsi à chaque changement de concavité les fluides se traversent en échangeant leur chal eur.
Les figures 2 et 3 représentent en élévation et en plan un serpentin à courbes et contre-courbes permettant le refroidissement par contact direct.
Le tube ondulé suivant figure 4 fonctionne comme 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 1800 la direction de la force centrifuge} par suite le fluide dense tend à se placer dans les ondulations successives tantôt d'un coté du tube et tantôt de l'autre, le fluide léger se tenant du coté opposé. On a ainsi à l'intérieur du tubeun mou- vement ondulant de sens contraire pour chacun des fluides, ce qui provoque pour chaque ondulation un ohoo entre les deux courants avec pénétration et contact intime produi- sant ainsi une véritable émulsion et par suite un bon échange de chaleur.
L'application des procédés ci-dessus nécessite une quantité importante de fluide parce que les fluides doivent s'écouler à grande vitesse pour produire une force centrifuge suffisante et de plus les tubes ne peuvent être de dimensions trop petites si l'on veut éviter un frottement trop grand du fluide dans le tube;
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par suite le procédé ne peut slappliquer avec une quantité de fluide à refroidir trop faible.
Quand l'ins.. tallation est prévue pour une petite quantité de fluide, on pourrait procéder comme il a été dit en refroidissant d'une manière intermittente et en un temps relativement court les produits obtenus après plusieurs heures, mais il est préférable d'appliquer l'invention d'une manière un peu différente en utilisant un tube entièrement ou partiellement curviligne ou de forme brisée dont les éléments horizontaux successifs soient de direction opposée.
Les figures 5 et 6 représentent des serpentins prévus à cet effet,, dont le premier est enroulé en g hélice autour d'un axe horizontal tandis que le second est constitué par des tubes droits raccordés par des courbes. Dans les parties horizontales de ces serpentins la pesanteur amène l'eau à la partie inférieure et fait surnager l'huile. En raison de la courbure donnée aux tubes entre deux positions horizontales successives, le second élément se trouve à 180 de la première de sorte que la partie de la section droite qui se trouvait à la partie inférieure et baignée par l'eau,revient à la position supérieure et est au contact de l'huile.
Par suite dans chaque demi-circonférence le changement de direction du tube provoque ,à l'intérieur de ces tubes un changement de position de l'eau qui passe de l'extérieur à l'intérieur pendant que l'huile d'abord à l'intérieur vient au contact
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de la partie extérieure., A chaque changement de position relative, il y a donc mélange et échange de chaleur.
Les appareils de refroidissement d'huile par contact entre l'huile et l'eau que l'on y injecte peuvent présen- ter 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 hélicoïdal 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.
Quant aux tubes et serpentins agissant seulement sous l'action de la pesanteur sans force centrifuge notable, la dimension maxima doit se placer suivant la verticale.
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 température suffisamment élevée; cependant pour aboutir à ce résultat, on doit alimenter en eau chaude la partie des refroidisseurs qui produit la vapeur. Il est bon de subdiviser le refroidissement et d'extraire après chaque
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opération partielle l'eau chaude 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 au début de laquelle elle est injectée dans le tube.
La figure 7 représente un dispositif de refroidisse- ment constitué par un tube ondulé à trois effets succes- sifs de refroidissement utilisable pour l'obtention d'eau chaude; l'huile pénètre par A dans le tube et est re- froidie par l'eau chaude provenant de la seconde opé- ration de refroidissement et prélevée en C1 par la pompe B qui la refoule en F. Cette eau achève de se réchauffer dans cette première opération de refroidisse- ment de l'huile et est extraite en 0 pour être utilisée de toute manière désirée.
L'eau extraite est remplacée immédiatement par de l'eau plus froide extraite, du même tube, produite par la troisième opération de refroidis- sement et sortant en C2 pour être refoulée par la pompe Bl en Fl 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 re- froidissement. A la fin de cette seconde opération c'est- à-dire en C1 on extrait l'eau chaude obtenue que l'on réinjecte en F au commencement de la première opération oomme il a été expliqué. L'extraction effectuée est compensée par injection d'eau fraîche en F2 du coté du
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tube opposé à C1 et juste après ce point.
L'opération se répète pour la troisième fois en F et l'eau chaude est comme précédemment extraite en C2 et refoulée par la pompe B1 en F1. L'huile refroidie sort en S et s'avance dans un séparateur ou purificateur qui la purge de l'eau entraînée.
La figure 8 représente un dispositif de refroidisse- ment à serpentin fonctionnant sous l'action de la pesanteur et assurant trois refroidissements successifs sous une forme analogue à celle décrite en se référant à la figure 7, les références des figures 7 et 8 étant les mêmes pour les points correspondants. La figure 8 est purement schématique et on y a supposé que chaque opération de refroidissement occupe une seule spire alors qu'en pratique elle en occuperait plusieurs.
Les figures 9 et 10 représentent en élévation et en plan un dispositif de production de vapeur d'eau au moyen de tubes ondulés de refroidissement en cinq stades succes- sifs. Comme dans le cas précédent l'eau chaude d'une opération partielle! est injectée par pompe peur servir d'eau de refroidissement du stade antérieur.
L'eau froide injectée en F4, chauffée par la dernière opération de refroidissement, est extraite en 04 après cette opération pour être injectée par la pompe B3 au point F3 où commence le quatrième stade de refroidissement; elle En ressort en C3 pour être injectée par la pompe B2 au début de la troisième opération en F2; elle ressort de même en C2 pour être injectée par B1 en F1 et une dernière fois elle ressort en C1 pour être injectée en B au commencement
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F de la première opération de refroidissement, c'est-à- dire à l'entrée de l'appareil où une bonne partie de l'eau se transforme en vapeur au cours de ce premier stade de refroidissement.
L'huile pénètre dans l'appareil par A et produit la vapeur d'eau que l'on extrait en V au cours du premier stade de refroidissement. La section du tube va en crois- sant de A en V en raison de l'augmentation du volume des fluides produit par la vaporisation partielle de l'eau de refroidissement. La vapeur d'eau extraite en V passe par le purgeur P qui sépare l'eau et l'huile qui ont pu être entrainées par la vapeur. Cette eau et cette huile sont extraites en E pour être envoyées par la pompe B1 au refroidisseur en F1. Le purgeur P fonctionne de préfé- rence sans protection contre le refroidissement de manière qu'il se produise une légère condensation de vapeur d'eau dans le purgeur, ce qui facilite la séparation de l'huile entraînée.
La figure 11 représente en élévation un dispositif de refroidissement fonctionnant par'la pesanteur avec le même fractionnement des opérations de refroidissement et la même production de vapeur d'eau au cours de la première opération que dans le cas précédent; les références de la figure 11 reproduisent celles de la figure 10.
La production de vapeur d'eau dans les appareils de refroidissement d'huile par contact direct peut s'effectuer basse pression lorsque la température de l'huile le permet et à cet effet on injecte les deux fluides àbasse
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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 progressi- vement 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, même si l'extraction de la vapeur d'eau est assez délicate en ce sens qu'il faut éviter l'entraînement avec elle des vapeurs de pétrole non condensées.
La figure 12 représente en plan un appareil de condensation à tube 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 fractionnements; dans le premier l'eau chauffée pendant le second refroidissement est extraite en C1 par la pompe B pour être réinjectée en F; ce premier fractionne- ment reçoit en A la vapeur condensée et l'eau chaude est extraite en 0 pour être utilisée; le second fractionne- ment commence à la fin du premier et reçoit comme eau de refroidissement l'eau extraite en C2 après chauffage au cours du troisième fractionnement, cette eau étant
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refoulée par B1 pour être réinjectée en F1; ce troisième fractionnement commençant en C1 reçoit t l' eau chauffée au cours du quatrième fractionnement, qui en est extraite en C3 et est réinjectée en F2 par B2;
enfin le quatrième fractionnement commençant en 02 reçoit l'eau froide en F3.
On peut de même adapter à la condensation des vapeurs avec production d'eau chaude des appareils où le contact entre fluides est assuré par la pesanteur,
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 difficultés dues à l'entraînement possible de vapeurs de pétrole.
On ne peut espérer que laibroe centrifuge produite par une courbure du tube détermine un classement par densités des fluides dans la section droite du tube de manière à per- mettre l'extraction de la majeure partie de la vapeur d'eau sans entrainement 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 entrainer .
Les figures 13 et 14 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
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d'eau produite en C. Le liquide de refroidissement utilisé est l'eau chaude du second stade, extraite en C1 et réinjectée par la pompe B à l'entrée du condenseur en F.
Le second fractionnement commence immédiatementaprès la fin du premier par injection en F1 de l'ea,u chaude du troisième stade, extraite de l'appareil en C2 et réinjectée par la pompe B1 dans l'appareil en F1; le second stade ou fractionnement se termine en C1 où commence le stade ou troisième stade par injection en F2 de l'eau du quatrième / fractionnement séparé à l'extrême fin de l'appareil en C3 pour être réinjectée par B 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 condessée et refroidie sort en S pour se rendre à un séparateur qui extrait 7¯'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 étaitutilisée 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 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 voulait
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conserver la vitesse du fluide en circulation.
Mais en réalité la; vapeur de pétrole traitée est constituée par plusieurs hydrocarbures qui se condensent à des tempé- ratures différentes. par suite, pour la production successive des condensais, il faut réduire la température, c'est-à-dire transmettre à l'eau la chaleur contenue dans les hydrocarbures à l'état de vapeurs ou déjà liqué- fiés sous forme de chaleur spécifique; de même si l'eau n'arrive pas en F à la température de la vapeur produite dans ce stade (ce qui est impossible; si la vapeur est produite à basse pression), il sera nécessaire de chauffer l'eau avant de produire son évaporation. Ces deux phénomènes 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 sec,tion le long de cette partie du tube pour conserver la vitesse de circulation à peu prèsconstante. La vapeur d'eau est extraite à la fin du premier stade c'est-à-dire en C.
Elle entraine des quantités notables de vapeurs de pétrole que l'on doit séparer. Le dispositif de séparation de la figure, 13 comprend un tube ondulé P vertical dans lequel circule de bas en haut la vapeur d'eau à purifier et qui reçoit à sa partie supérieure L une injection d'eau chaude. l'eau On utilise comme eau chaude/d'alimentation du refroidisse- ment du premier stade et cette eau est plus froide que la vapeur d'eau et surtout plus froide que la vapeur de
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pétrole; il s'ensuit une condensation des vapeurs favorisées par les facilités de contact offertes par la forme du tube et le courant vertical de vapeur qui repousse et pulvérise le liquide qui descend;
la forme du tube *et fréquemment en contact la vapeur de pétrole avec les particules d'eau et avec la vapeur d'eau plus froide qui monte en mené temps que ladite vapeur, ce qui entraine sa condensation. En même temps l'eau de refroidissement injectée en L s'évapore partiellement en augmentant la quantité de vapeur d'eau. Le pétrole liquéfié est entrainé 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 entrainé par la vapeur d'eau à l'état liquide est finalement extrait de cette vapeur dans le séparateur centrifuge H dont les tubes de drainage font passer le liquide dans la pompe Bl qui le renvoie à l'appareil de condensation en Fl.
Le séparateur de vapeur 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 mesure que l'on monte. Le 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,.
D'autrepart, le séparateur les fluides peut être utilisé pour le but envisagé ou bien pour les opérations de séparation de certains mélanges de gaz par dissolution
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de l'un) de ses constituants dans certains liquides,
La figure 15 représente un appareil de condensation des vapeurs de pétrole où les contacts entre fluides en circulation sont produits sous l'action de la pesanteur avec utilisation de la chaleur des vapeurs traitées pour la production de vapeur d'eau. Les dispositions générales sont les mêmes que précédemment. Le premier fractionnement du refroidissement des vapeurs arrivant en A utilise comme liquide de refroidissement l'eau chauffée dans le second fractionnement, extraite en C1 et réinjectée par la pompe B en F.
La vapeur d'eau est cextraite en 0 à la fin de ce premier fractionnement. Le second fractionnement commence à la fin du premier par refroidissement par l'eau du troisième fractionnement, extraite en C2 et réinjectée par la pompe B1 en F1. Le troisième fractionnement qui suit immédiatement le second utilise l'eau extraite du quatrième fractionnement en C3 et réinjectée par la pompe B2 en F2. Le quatrième fractionnement qui suit immédiatement le troisième utilise l'eau froide injectée En F3.
L'huile condensée et refroidie sort' en S pour se rendre à un séparateur où est extraite l'eau entrainée.
La vapeur d'eau sort de l'appareil en 0 et doit être purgée des vapeurs de pétrole entraînées. Le séparateur représenté en fig. 15 pour séparer ces vapeurs de pétrole diffère de celui des figures 13 et 14 et se prête mieux aux vitesses relativement faibles des fluides dans les appareils du type décrit.
Ce séparateur comprend un tube T qui s'enroule en, forme de spires circulaires ou ovales E, F1, E2, E3
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de plus en plus hautes et parcourues successivement de bas en haut par lapeur d' eau. Le tube est parcouru d'autre part de haut en bas par l'eau chaude injectée à la partie supérieure. Cette eau chaude pénètre dans la spire supérieure E3 qu'elle remplit partiellement et quand elle atteint un certain niveau dans cette spire elle passe dans un tube de trop plein R partant du point N3 qui l'amène à la partie inférieure 1{.2 de la spire immédiatement inférieure E2.
De même quand l'eau arrive à un certain niveau dans la :pire E2, un tube de trop plein R2 partantde N2 conduitl'excédent à la spire inférieure El en son point le plus bas M1 et quand l'eau atteint un certain niveau dans cette spire El le tube de trop plein R1qui part de N1 amène l'excédent 'à la spire E au point le plus bas de cette spire M. Enfin lorsque l'eau atteint un certain niveau dans cette dernière spire E elle passe dans le tube R partant du point N et aboutissant à la naissance du tube T en P pour y amener l'excèsd'eau et la réunir au courant de fluide en circulation. Le cas échéant d'autres dispositions pourraient être adoptées pour faire arriver cette eau en excèsde E dansle conden- seur, par exemple en la mettant en communication avec la pompe B ou la pompe B1 par exemple.
Lorsque la vitesse de la vapeur dans le tube est notable, il convient de répéter dans chaque spire le prélèvement de liquide pour éviter son entrainement par la vapeur et à cet effet il est prévu un second
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tube de prélèvement de préférence à la sortie D,D,D Q ... de la spire. Ce tube de prélèvement sort tangentiellement de la spire et s'incurve ensuite pour se réunir au tube de trop-plein R,R1,R2 ... Au débouché de ce tube, il est bon que la section droite de la spire immédiatement sui- vante dans le sens du mouvement de la vapeur soit rendue plus étroite de manière que la paroi extérieure du tube forme vers l'intérieur une saillie qui ferme le passage aux fluides qui circulent le long de la paroi pour les forcer à pénétrer dans le tube d'extraction.
La section droite du tube T dans les spires peut présenter toute forme appropriée mais on préfèrera la forme ovale avec allongement dans le sens du rayon de courbure de la spire.
L'appareil que l'on vient de décrire servant à la séparation des vapeurs de pétrole entrainées par un courant de vapeur d'eau s'inspire des colonne de rectification classiques à plateaux utilisées'pour la distillation et il peut,être utilisé lui-même à de telles opérations de distillation ou à toute autre opération semblable,
L'appareil peut être remplacé comme séparateur des vapeurs d'eau et de pétrole par un second appareil de condensation plus petit., par l'un des appareils de refroidissement des gaz par eau comme la colonne Habierschy ou par des colonnes de rectification telles qu'elles ont été décrites dans les brevets antérieurs déjà
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(-}) notaunent .. aecond cites et no tarnmen t adle3 'des figures 4,7 et 12 du second de ces brevets.
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La condensation des vapeurs de pétrole par contact direct avec un liquide de refroidissement peut être subdivisée quant à la condensation proprement dite et à chaque opération on peut extraire la vapeur liquéfiée ce qui assure une classification des produits successifs condensés. Ces opérations n'ont par elles-mêmes aucune nouveauté en dehors de l'application des procédés qui viennent d'être décrits.
Les colonnes de rectification décrites dans le deuxième brevet rappelé ci-dessus permettent l'application des tubes ondulés pour provoquer les contacts de deux fluides non miscibles de densités différentes circulant ensemble dans les tubes.
La figure 16 représenté en plan une spire de serpen- tin utilisant des tubes ondulés et susceptible d'être appliquée à la colonne de la fig. 3 du deuxième brevet antérieur, Cette spire comprend deux tubes ondulés 0 et
O1 suivis de deux tubes cintrés A et A1. Le tube cintré
A réunit letubeondulé 0 au tubeondulé O1 etle tube cintré A1 réunitle tube ondulé O1au tubeondulé occupant dans la spiresuivante la position du tube 0. Le serpentin 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 0 provoquent le
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croisement fréquent des deux fluides.:LeE; pulvérisations du
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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 vapeur d'eau qui se condense, ce qui dé- termine la rectification de la vapeur.
A la sortie du tube 0, le liquide entrainé est séparé par le tube cintré A dont la section droite présente une des formes décrites antérieurement et il est recueilli par un oanal formé dans le tube cintré d'où il est extrait par le tube E aboutissant à ce oanal.
La connexion du tube ondulé O1 avec le tube ointré A1 agit de' la même manière que la connexion entre les tubes 0 et A aveo injection en O1 du liquide extrait en E1 après rectification.
La figure 17 représente en plan une autre spire de serpentin du même type applicable à la colonne de recti - fication de la figure 3 du second brevet antérieur rappe- lé ci-dessus. Cette spire se distingue de la précédente seulement par une extension plus grande des tubes ointré A et A1.
La figure 18 est une coupe horizontale d'un étage de la colonne de distillation du type des figures 4 et 7 du même brevet rappelé ci-dessus. La vapeur à rectifier provenant de l'étage inférieur pénètre dans l'étage considé- ré 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 spi- rame dans le sens de la flèche pour sortir par S et suivre
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à l'étage supérieur un parcours analogue.
Le liquide de rectification provenant de l'étage supérieur est injecté en 1 pour être pulvérisé et entrain6 par le courant de vapeurs à rectifier ce qui produit une rectification de la vapeur dans le tube ondulé F1 D1 ; la séparation se fait sur l'aro D1 E1 avec nouvelle injeotion en E1 dans la spire extérieure suivante, nouvelle pulvéri- sation par le fluide en circulation à la sortie de E1 et entraînement par ce fluide. On obtient ainsi dans le par- cours El M1 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'aro M1 F1 pour être injecte en ? dans la spire immédiatement extérieure à la spire de première injection I D1 et on retrouve dans cette spire et dans les spires successives de l'intérieur à l'extérieur le même 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 cuiller E5 est amené et injecté dans l'étage inférieur comme il a été décrit.
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Chaque nouvelle rectification de la vapeur se fait aveo 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 suc - cessivement des vapeurs de plus en plus pauvres. La suite des opérations s'effectue suivant la marche classique du fonotionnement des colonnes de rectification)' .
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a patent application
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BERFEOTICNEMENT TO BRACTIONNSE DISTILLATION.
The object of the present invention is, in general, to obtain intimate contact between two immiscible fluids of different densities in order to ensure the heat exchange between the two liquids and in particular to facilitate the necessary cooling in. the distillation of petroleum and that by direct contact with water, Of course the application of the invention is not limited to the distillation of petroleum but it can also expect all other industrial operations, such as distillation in general, cooling or gas dissolution, rectification. purification of oils, etc.
The method according to the invention consists in making the two fluids circulate at the same time in a mime
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leads by frequently causing a change in the relative position of the two! fluids so as to. forcing them to cross and come as a result of contact, This process applies particularly well to the heat exchanges necessary in the fractional distillation with multiple effects in particular in that of petroleum, as it is carried out according to the Applicant's prior processes set out in his Belgian patents 422.
272 of 6/24/37 and 425,000 of 3/12/37, These processes consist in passing oil or other liquid through a series of reservoirs operating at higher and higher temperatures and pressures so as to evaporate the hydrocarbons in the order of their
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volatil1 téé decreasing, these tanks being heated; except the last one or the last two, by the condensations of the vapors of the next reservoir in the direction of the oil movement; thus uses the latent heat of evaporation of one fraction to heat another fraction, while to also use the heat of liquid products, residues and condensates, heaters are used arranged between two successive tanks .
In a first embodiment of the present invention, the two fluids are made to circulate in a helical coil where the centrifugal force operates their classification, the water for example being projected to the outside and the centrifugal force. oil remaining inside while the injection of this oil and this water is done inversely for the water
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inside and for oil outside.
The centrifugal force forces the fluids to change their relative position and therefore not to cross and come into intimate contact which ensures the desired heat exchange. ' in order to increase the contact time, the injection is carried out in the direction of the movement, that is to say tangentially to the coil; a single contact and a single crossing are thus obtained for each injection. As generally a single contact will not allow sufficient heat exchange, the operation will have to be carried out in a second turn as will be explained below.
In the accompanying drawings, given by way of example, FIGS. 1 to 8 represent different forms of coil allowing the application of the invention.
FIGS. 9 to 18 represent different devices using the coils and corrugated tubes according to the invention.
As has been said, several crossings between the two fluids can be ensured in a coil. Thus in FIG. 1 we see that the fluid extracted from the interior part of the first turn by the tube a is injected outside the second turn and that the fluid extracted outside the first turn through the tube b is injected inside the second coil. This arrangement can be replaced by a counter-curve inside the coil which changes the location of the concavity. This change of concavity gives rise to a
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opposing centrifugal force which displaces fluids relative to each other; thus at each change of concavity, the fluids pass through each other exchanging their heat.
FIGS. 2 and 3 represent in elevation and in plan a coil with curves and counter-curves allowing cooling by direct contact.
The corrugated tube according to figure 4 functions as 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 the direction of the centrifugal force by 1800} as a result the dense fluid tends to be placed in the successive undulations sometimes on one side of the tube. tube and sometimes on the other, the light fluid standing 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 an ohoo between the two currents with penetration and intimate contact thus producing a real emulsion and consequently a good heat exchange.
The application of the above methods requires a large amount of fluid because the fluids must flow at high speed to produce sufficient centrifugal force and moreover the tubes cannot be too small in size if one wants to avoid a too much friction of the fluid in the tube;
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as a result, the process cannot be applied with too small a quantity of fluid to be cooled.
When the installation is intended for a small quantity of fluid, one could proceed as has been said by cooling intermittently and in a relatively short time the products obtained after several hours, but it is preferable to to apply the invention in a slightly different manner by using a tube which is entirely or partially curvilinear or of broken shape, the successive horizontal elements of which are in the opposite direction.
Figures 5 and 6 show coils provided for this purpose, the first of which is wound in a helix around a horizontal axis while the second is formed by straight tubes connected by curves. In the horizontal parts of these coils, gravity brings water to the lower part and makes the oil float. Due to the curvature given to the tubes between two successive horizontal positions, the second element is 180 from the first so that the part of the straight section which was at the lower part and bathed by water, returns to the upper position and is in contact with oil.
Consequently in each semi-circumference the change of direction of the tube causes, inside these tubes a change of position of the water which passes from the outside to the inside while the oil first to the interior comes in contact
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of the outer part., At each change of relative position, there is therefore mixing and heat exchange.
The devices for cooling oil by contact between the oil and the water injected into them can have, either in the case of a coil or in the case of corrugated tubes, any suitable form 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, 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 the gravity. In the case of corrugated pipes 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.
As for the tubes and coils acting only under the action of gravity without appreciable centrifugal force, the maximum dimension must be placed vertically.
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; however, to achieve this result, the part of the coolers which produces the steam must be supplied with hot water. It is good to subdivide the cooling and extract after each
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partial operation hot water or steam produced by injecting again water used for cooling.
In this form the hot water produced in an operation can serve as feed water for an operation prior to the start of which it is injected into the tube.
FIG. 7 represents a cooling device constituted by a corrugated tube with three successive cooling effects which can be used 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 from C1 by the pump B which delivers it to F. This water finishes heating up in this first operation of cooling the oil and is extracted at 0 for use in any desired manner.
The extracted water is replaced immediately by colder water extracted, from the same tube, produced by the third cooling operation and exiting at C2 to be delivered by pump B1 to Fl immediately after the extraction of the water. hot water 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 C1, the hot water obtained is extracted which is reinjected into F at the beginning of the first operation oomme it has been explained. The extraction carried out is compensated by injection of fresh water in F2 on the side of the
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tube opposite to C1 and just after this point.
The operation is repeated for the third time at F and the hot water is as previously extracted from C2 and delivered by pump B1 to F1. The cooled oil exits in S and advances into a separator or purifier which purges it of entrained water.
Figure 8 shows a coil cooling device operating under the action of gravity and providing three successive coolings in a form similar to that described with reference to Figure 7, the references of Figures 7 and 8 being the same for the corresponding points. FIG. 8 is purely schematic and it has been assumed that each cooling operation occupies a single turn whereas in practice it would occupy several.
Figures 9 and 10 show in elevation and in plan a device for producing water vapor by means of corrugated cooling tubes in five successive stages. As in the previous case, hot water from a partial operation! is injected by pump to serve as cooling water from the previous stage.
The cold water injected at F4, heated by the last cooling operation, is extracted at 04 after this operation to be injected by the pump B3 at point F3 where the fourth cooling stage begins; it comes out of C3 to be injected by the pump B2 at the start of the third operation in F2; it comes out in the same way in C2 to be injected by B1 in F1 and one last time it comes out in C1 to be injected in B at the beginning
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F of the first cooling operation, that is to say at the inlet of the apparatus where a good part of the water is transformed into vapor during this first stage of cooling.
The oil enters the apparatus through A and produces water vapor which is extracted in V during the first cooling stage. The section of the tube increases from A to V due to the increase in the volume of fluids produced by the partial vaporization of the cooling water. The water vapor extracted in a V passes through the trap P which separates the water and the oil which may have been entrained by the steam. This water and this oil are extracted at E to be sent by pump B1 to the cooler at F1. The trap P preferably operates without cooling protection so that a slight condensation of water vapor occurs in the trap, which facilitates separation of the entrained oil.
FIG. 11 shows in elevation a cooling device operating by gravity with the same fractionation of the cooling operations and the same production of water vapor during the first operation as in the previous case; the references in Figure 11 reproduce those in Figure 10.
The production of water vapor in oil cooling devices by direct contact can be carried out at low pressure when the temperature of the oil allows it and for this purpose the two fluids are injected at low
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pressure in 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, even if the extraction of the water vapor is quite delicate in that 'the entrainment with it of uncondensed petroleum vapors must be avoided.
Figure 12 shows a plan of a corrugated tube condensing apparatus using the heat contained in petroleum vapors to produce hot water.
In this apparatus the cooling is subdivided into four divisions; in the first, the water heated during the second cooling is extracted at C1 by the pump B to be reinjected at F; this first fraction receives the condensed steam at A and the hot water is extracted at 0 for use; the second fractionation begins at the end of the first and receives as cooling water the water extracted in C2 after heating during the third fractionation, this water being
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driven back by B1 to be reinjected into F1; this third fractionation starting at C1 receives t the water heated during the fourth fractionation, which is extracted therefrom at C3 and is reinjected in F2 by B2;
finally the fourth fractionation starting at 02 receives cold water at F3.
It is also possible to adapt to the condensation of vapors with production of hot water devices where the contact between fluids is ensured by gravity,
When it comes to using the heat contained in petroleum vapor for the production of water vapor, the extraction of the vapor comes up against the difficulties due to the possible entrainment of petroleum vapors.
It cannot be expected that the centrifugal laibroe produced by a curvature of the tube will determine a classification by density of the fluids in the cross section of the tube in such a way as to allow the extraction of most of the water vapor without noticeable entrainment of vapors. petroleum; 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.
Figures 13 and 14 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 steam
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of water produced in C. The coolant used is hot water from the second stage, extracted in C1 and reinjected by pump B at the inlet of the condenser in F.
The second fractionation begins immediately after the end of the first by injection in F1 of water, u hot of the third stage, extracted from the apparatus in C2 and reinjected by the pump B1 into the apparatus in F1; the second stage or fractionation ends at C1 where the stage or third stage begins by injection in F2 of water from the fourth / fractionation separated at the extreme end of the apparatus in C3 to be reinjected by B 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 leaves in S to go to a separator which extracts 7 ¯ entrained water; 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 produces 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 than its increase under the action of the evaporation of water so that the total volume of the circulating fluid would decrease necessitating a progressive decrease in the section of the tube along the part occupied by the first stage if one wanted to
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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, that is to say to transmit to the water the heat contained in the hydrocarbons in the vapor state or already liquefied in the form of specific heat ; similarly if the water does not reach F at the temperature of the steam produced in this stage (which is impossible; if the steam is produced at low pressure), it will be necessary to heat the water before producing its evaporation. These two phenomena 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 in order to determine the variations in sec, tion along this part of the tube in order to keep the speed of circulation approximately 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. 13 comprises a vertical corrugated tube P in which the water vapor to be purified circulates from bottom to top and which receives at its upper part L an injection of hot water. water is used as hot / feed water for first stage cooling and this water is colder than water vapor and especially colder than water vapor.
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oil; there follows a condensation of the vapors favored by the ease of contact offered by the shape of the tube and the vertical stream of vapor which pushes and pulverizes the liquid which descends;
the shape of the tube * and frequently in contact the petroleum vapor with the water particles and with the colder water vapor which rises in time than the said vapor, which causes its condensation. At the same time, the cooling water injected in L partially evaporates, increasing the quantity of water vapor. 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 in C. The rest carried by the water vapor in the liquid state is finally extracted from this vapor in the centrifugal separator H, the drainage tubes of which pass the liquid into the pump B1 which returns it to the condensing apparatus in F1.
The p petroleum vapor separator 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 rises. The separator can be replaced by any gas scrubber of known type or by an apparatus of the type carrying out a simple rectification in the distillation operations.
On the other hand, the fluid separator can be used for the intended purpose or for the operations of separation of certain gas mixtures by dissolution.
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one of its constituents in certain liquids,
Fig. 15 shows an apparatus for condensing petroleum vapors where contacts between circulating fluids are produced under the action of gravity with use of the heat of the treated vapors for the production of water vapor. The general provisions are the same as above. The first fractionation of the cooling of the vapors arriving at A uses as cooling liquid the water heated in the second fractionation, extracted at C1 and reinjected by the pump B at F.
The water vapor is cextracted in 0 at the end of this first fractionation. The second fractionation begins at the end of the first by cooling by water from the third fractionation, extracted at C2 and reinjected by pump B1 at F1. The third fractionation which immediately follows the second uses the water extracted from the fourth fractionation in C3 and reinjected by the pump B2 in F2. The fourth fractionation which immediately follows the third uses the cold water injected into F3.
The condensed and cooled oil leaves' in S to go to a separator where the entrained water is extracted.
The water vapor leaves the device at 0 and must be purged of the entrained petroleum vapors. The separator shown in fig. 15 for separating these petroleum vapors differs from that of Figures 13 and 14 and lends itself better to relatively low fluid velocities in apparatus of the type described.
This separator includes a T tube which winds in the form of circular or oval turns E, F1, E2, E3
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more and more high and traversed successively from bottom to top by the fear of water. The tube is also traversed from top to bottom by the hot water injected into the upper part. This hot water enters the upper coil E3 which it partially fills and when it reaches a certain level in this coil it passes into an overflow tube R starting from point N3 which brings it to the lower part 1 {.2 of the immediately lower turn E2.
Likewise when the water reaches a certain level in the: eirp E2, an overflow tube R2 starting from N2 leads the excess to the lower coil El at its lowest point M1 and when the water reaches a certain level in this coil El the overflow tube R1 which starts from N1 brings the excess' to the coil E at the lowest point of this coil M. Finally when the water reaches a certain level in this last coil E it passes through the tube R starting from point N and ending in the birth of the tube T in P to bring there the excess water and join it to the current of circulating fluid. If necessary, other arrangements could be adopted to bring this water in excess of E into the condenser, for example by putting it in communication with pump B or pump B1 for example.
When the speed of the vapor in the tube is significant, it is advisable to repeat in each turn the sample of liquid to avoid its entrainment by the vapor and for this purpose a second is provided.
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collection tube preferably at the outlet D, D, D Q ... of the coil. This sampling tube emerges tangentially from the coil and then curves to meet the overflow tube R, R1, R2 ... At the outlet of this tube, it is good that the cross section of the coil immediately follows. vent in the direction of vapor movement is made narrower so that the outer wall of the tube forms inwardly a protrusion which closes the passage of fluids flowing along the wall to force them into the tube d 'extraction.
The cross section of the tube T in the turns can have any suitable shape, but the oval shape with elongation in the direction of the radius of curvature of the turn will be preferred.
The apparatus just described for the separation of petroleum vapors entrained by a stream of water vapor is based on conventional plate rectification columns used for distillation and can be used itself. even in such distillation operations or any other similar operation,
The device can be replaced as a water and oil vapor separator by a second, smaller condensing device, by one of the water gas cooling devices such as the Habierschy column or by rectification columns such as 'they have been described in previous patents already
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(-}) notaunent .. aecond cites and no tarnmen t adle3 'of Figures 4, 7 and 12 of the second of these patents.
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The condensation of petroleum vapors by direct contact with a cooling liquid can be subdivided as to the actual condensation and at each operation the liquefied vapor can be extracted which ensures a classification of the successive condensed products. These operations themselves have no novelty apart from the application of the methods which have just been described.
The rectification columns described in the second patent recalled above allow the application of corrugated tubes to cause the contact of two immiscible fluids of different densities circulating together in the tubes.
FIG. 16 is a plan view of a coil winding using corrugated tubes and capable of being applied to the column of FIG. 3 of the second prior patent, This coil comprises two corrugated tubes 0 and
O1 followed by two bent tubes A and A1. The bent tube
A joins the corrugated tube 0 to the corrugated tube O1 and the curved tube A1 joins the corrugated tube O1 to the corrugated tube occupying the position of the tube 0 in the following turn. The coil 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 vapor in circulation and the successive undulations of tube 0 cause the
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frequent crossing of the two fluids.:LeE; sprays of
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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 water vapor which condenses, which determines the rectification steam.
At the outlet of tube 0, the entrained liquid is separated by bent tube A, the cross section of which has one of the shapes described previously and it is collected by an oanal formed in the bent tube from which it is extracted by the tube E ending at this oanal.
The connection of the corrugated tube O1 with the corrugated tube A1 acts in the same way as the connection between the tubes 0 and A with the injection in O1 of the liquid extracted in E1 after rectification.
Figure 17 shows in plan another coil turn of the same type applicable to the rectifying column of Figure 3 of the second prior patent recalled above. This coil differs from the previous one only by a greater extension of the tubes A and A1.
Figure 18 is a horizontal section of a stage of the distillation column of the type of Figures 4 and 7 of the same patent recalled above. The steam to be rectified coming from the lower stage enters the stage under consideration through the triangle A B C which is open and it enters through the vertical cross section A B into the outer turn of the spiral forming the stage; it runs through the entire coil in the direction of the arrow to exit through S and follow
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on the upper floor a similar course.
The rectifying liquid coming from the upper stage is injected at 1 to be atomized and entrain6 by the stream of vapors to be rectified which produces a rectification of the vapor in the corrugated tube F1 D1; separation takes place on the aro D1 E1 with new injection at E1 in the next outer coil, new spraying by the circulating fluid at the outlet of E1 and entrainment by this fluid. In the path E1 M1, a rectification effect is thus obtained for this fluid before the rectification carried out by the same rectification liquid along I D1 as has been described.
The rectification liquid continues its path and is separated on the aro M1 F1 to be injected into? in the turn immediately outside the turn of the first injection I D1 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 outwards through 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 fluids in countercurrent are brought into contact twice to ensure two new corrections.
Finally, the rectifying liquid collected by the spoon E5 is brought and injected into the lower stage as has been described.
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Each new rectification of the vapor takes place with an increasingly richer liquid while the vapor presents an increasingly greater purity with constant depletion of the rectifying liquid in its course in the opposite direction by successively rectifying more and more vapors. poorer. The rest of the operations are carried out according to the conventional procedure for the functionning of rectification columns) '.