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MATIERE POUR LES PROCEDES DE MISE DE CONTACT ET APPAREILS UTILISANT CETTE
MATIERE.
La présente invention est relative à un dispositif de mise en contact de liquides et de vapeurs et de liquides et de gaz, et elle est relative plus spécialement à un nouveau type de bourrage convenant pour des systèmes de mise en contact de vapeurs et de liquides et de liquides et de gaz, tels que les opérations suivantes : fractionnement, lavage, absorption, épuration, rectification, refroidissement, etc, dans lesquelles il est désirable de mettre en contact un liquide avec une matière gazéiforme, telle que des vapeurs ou des gaz.
Il est bien connu que, dans des colonnes habituelles de barbotage, les surfaces relativement petites entourant les chapeaux de barbotage sont les régions actives pour le contact entre les matières liquides et gazéiformes, et cet espace est petit, comparé à la section transversale totale de la tour.
En dépit de son rendement théorique faible, la tour de barbotage a cependant eu un large accueil à cause de la stabilité de son opération. De petites colonnes bourrées, dans lesquelles une masse de matières de contact, telles que des anneaux de Raschig, des Berl saddles, du coke broyé, de la laine de verre, etc, remplit sensiblement la colonne du haut en bas, ont une certaine utilité pour de petites installations mais doivent fonctionner sous des conditions réglées ou contrôlées de près. Lorsque le fractionnement est important, le fonctionnement des colonnes bourrées même pour des dimensions intermédiaires a été trouvé si critique que leur utilisation dans des installations industrielles est pratiquement impossible.
Un premier objet de la présente invention est, par conséquent, de procurer un procédé et un moyen pour mettre en contact une vapeur et des liquides, qui conviennent particulièrement pour de grandes opérations industrielles,
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et dans lesquels presque l'entièreté de la surface transversale d'une colonne donnée de grand diamètre est efficace comme région ou zone pour la mise en contact de larges gammes de charge liquide.
Un autre objet de la présente invention consiste à procurer un procédé et un moyen, dans lesquels il y a une distribution ou répartition uniforme de liquide et de matière gazéiforme sur toute la section transversale disponible d'une zone de contact. Un autre objet consiste à procurer un bourrage de contact qui contiendra une grande quantité de fluide distribué ou réparti, dans la tour, sans inondation. Un autre objet est de procurer un système de fractionnement, de rendement amélioré, grâce auquel la hauteur équivalant à un plateau théorique est grandement réduite. Un objet supplémentaire est de procurer un bourrage qui réalise une redistribution continue et uniforme du liquide sur la surface active de la colonne.
Un objet plus particulier de l'invention est de procurer un bourrage industriel qui puisse remplacer les chapeaux de barbotage et moyens similaires, dans une tour habituelle, dans le but d'augmenter le débit de vapeur et de liquide ou pour augmenter le rendement de fractionnement, ou les deux, alors qu'on opère avec un séjour de liquide réduit. Un autre objet est de permettre un fractionnement précis sous des conditions de vide élevé sans chute de pression excessive. Un objet supplémentaire est de procurer un bourrage qui soit durable et se soutenant sensiblement lui-même sur des hauteurs importantes.
Un autre objet encore est de procurer un bourrage qui soit efficace sur une large gamme de capacités, en procurant de ce fait un système de fractionnement de haute souplesse. Ces objets et d'autres apparaîtront de la description de l'invention qui sera donnée.
En général, ces objets et d'autres sont atteints en prévoyant des colonnes ou des tours bourrées avec des structures à mailles, ne formant pas film, superposées, d'une configuration et d'un agencement tels, dans la colonne, que le liquide suivra un trajet subdivisé de façon répétée latéralement et vers le bas, et qu'une matière gazéiforme suivra un trajet continu mais tortueux latéralement et vers le haut, qui est transversal au trajet du liquide dans les structures à mailles. D'une manière générale, le système com- prend une colonne qui contient une unité de bourrage foraminée, délimitant une série de vides ou cellules relativement symétriques délimités par les nattes ou claies adjacentes, et qui peuvent être prismatiques, cylindriques, tétraédriques, ou irréguliers.
Ces cellules sont délimitées par des couches multiples de structures à mailles ne formant pas film, dans lesquelles les éléments individuels consistent en fibres, brins ou torons, fils, éléments en rubans, etc.
Les unités ou claies de bourrage peuvent comprendre une série de feuilles ou surfaces, qui s'emboîtent les unes dans les autres, de toile métallique ou d'étoffe à mailles ouvertes, gaufrées ou ondulées à la forme désirée, la claie ayant une épaisseur suffisante pour mener une partie importante de la phase liquide vers le bas le long des filaments ou brins individuels dont elle est composée. De même, les feuilles immédiatement adjacentes de toiles à mailles ne formant pas film sont en relation de non-coïncidence ou en une relation issue du hasard, et la construction complète permet le passage non limité mais tortueux de vapeur à travers les interstices formés par les filaments des structures de toile, dans chaque unité formant claie.
De cette manière, une inondation de liquide est évitée, tout en obtenant le contact le meilleur au moyen d'un passage transversal de liquide et de vapeur dans la claie. Jusqu'ici, une telle uniformité de contact et une telle capacité ne pouvaient pas être obtenues à cause de l'antagonisme entre le courant de liquide et le courant de vapeur, se déplaçant en directions opposées, au lieu de transversalement comme prévu dans la présente invention.
Il est important qu'une distinction soit faite entre les structures à mailles fines qui permettent la formation d'un film continu de liquide entre les brins lorsqu'elles sont momentanément immergées dans un liquide ayant une tension de surface de l'ordre d'environ 25 à 75 degrés par centimètre, et des structures à mailles, ne formant pas film, qui n'entretiennent pas un tel
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film continu lorsqu'elles sont traitées de la même façon.
Dans la description ci-après, l'expression "structure à mailles ne formant pas film" sera utilisée pour distinguer le type de feuille foraminée ou matière poreuse, qui, lorsqu'elle est mouillée, maintient une maille ouverte pour le libre passage de vapeurs, d'avec les structures à mailles capillaires ou formant film de la technique antérieure, qui entretiennent un film continu de liquide sur la surface de la feuille, en empêchant un libre passage de vapeurs à travers celle- ci.
Des structures capillaires ou à mailles, formant film, compor- tent des distances relativement petites entre les filaments ou torons espacés, tandis que la structure à mailles ne formant pas film a une distance minimum beaucoup plus grande entre les éléments adjacents de la structure à mailles, par exemple, de 8 à 10 mm. C'est à la structure à mailles, ne formant pas film, que l'invention décrite s'intéresse.
Dans la fabrication des éléments de bourrage de la présente in- vention, on a gardé constamment certains objets fondamentaux en vue. Les mérites d'un crible à grandes mailles comme matériau de base pour un bourrage industriel sont multiples, à savoir, faible coût, perméabilité élevée aux gaz et rapport élevé de la surface conductrice de liquide à la surface totale. Une seule feuille d'un tel matériau est incapable de contrôler ou de diriger le passage de grands volumes de liquide le long de sa surface inclinée, et, par conséquent, un certain nombre de telles feuilles superposées sont requises pour donner le rapport désiré du dégouttement au passage total.
De simples feuilles de matériau à mailles ayant des ouvertures de dimensions capillaires conduiraient le liquide presque parfaitement sur leur surface inclinée, mais le bouchage des petits trous par le liquide est un désavantage que l'on veut éviter suivant la présente invention.
Une unité ou claie de bourrage peut consister en couches multiples de structures à mailles, ne formant pas film, se supportant d'elles-mê- mes, conformées pour procurer des surfaces inclinées aux limites supérieure et inférieure de la claie. Ces unités peuvent comprendre plus particulièrement une série d'éléments solidaires en 'accrochant, comprenant des filaments ou torons de métal, de matière plastique, etc. On préfère, cependant, utiliser suivant l'invention des feuilles de matières foraminées, telles que de la toile de quincaillerie, du crible métallique, des lattes de métal déployé, etc.
Les dimensions des trous est importante et, en général, les interstices devraient être compris entre 0,15 et 0,5 pouce pour des installations à grande échelle, mais d'autres stractures à mailles ayant des ouvertures plus grandes ou plus petites peuvent être utilisées pourvu que les ouvertures soient de dimensions plus grandes que celles qui soutiendraient un film continu du liquide.
A titre d'illustration, dans un procédé satisfaisant de fabrication des unités de bourrage de tour, suivant l'invention, une matière convenable foraminée ou semblable à un crible est choisie et pressée entre des matrices pour imprimer aux feuilles une série d'impressions semblables à des ondulations, ou sinueuses, permanentes, parallèles. Un certain nombre de feuilles, par exemple 3 à 25, sont alors emboîtées l'une dans l'autre et découpées à la forme de la tour comme, par exemple, au moyen d'une lime rotative ou'une meule de découpage à haute vitesse, pour former une seule unité de bourrage.
Le nombre requis de ces unités est fixé par la hauteur jusqu'à laquelle on désire remplir une tour, par l'amplitude ou hauteur perpendiculaire des ondulations imprimées dans le bourrage, et par l'épaisseur des unités de bourrage indivi- duelles.
Un matériau spécialement satisfaisant pour les structures à mailles individuelles est une feuille de métal déployé comportant des éléments solidaires semblables à des rubans.
Entre environ 3 et 15 couches de métal déployé peuvent être agencées en claies et maintenues ensemble par des dispositifs de fixation convenables, tels que des boulons, des liens métalliques, etc.,. Les claies peuvent être construites en tout métal convenable y compris l'acier, le nickel, le cui-
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vre, l'aluminium ou un autre métal ou un alliage, convenant spécialement pour l'opération de mise en contact visée. De même, la structure à mailles peut être revêtue ou peinte, si on le désire, pour la protéger contre la corrosion ou pour changer les caractéristiques de mouillage des torons individuels.
Une caractéristique essentielle de la présente invention est l'agencement des claies de mise en contact sous forme d'une série d'éléments onduleux se disposant horizontalement en travers de l'aire de passage de la tour. L'agencement préféré et convenant le mieux est celui dans lequel les sommets des ondulations d'une claie onduleuse sont disposés immédiatement en dessous des parties les plus basses ou creux de la claie voisine. Le dessin onduleux des claies de bourrage peut être obtenu convenablement en ondulant, en pressant, ou en ployant les structures à mailles individuelles pour produire des surfaces inclinées de façon opposée et alternée. Les structures conformées individuelles peuvent alors être assemblées pour produire une claie de l'épaisseur ou capacité désirée.
En conformant les claies de cette manière, le liquide peut s'écouler latéralement et vers le bas le long des filaments ou torons espacés de la claie, tout en permettant le passage transversal de matière gazéiforme à travers la claie.
Les unités de bourrage sont installées dans une tour horizontalement et, de préférence, avec les sommets des ondulations d'une unité, parallèles à et touchant la limite inférieure des creux de l'unité supérieure. De cette manière, des cellules sont créées entre les unités, et servent le but important de prévoir un espace pour un contact intime et un épanchement de liquide se déplaçant vers le bas, avec les gaz ou vapeurs se déplaçant vers le haut.
En cours de traitement, un liquide descendant pénètre partiellement les couches multiples de structures à mailles et tend à s'écouler vers le bas le long des filaments ou torons à l'intérieur de la structure à mailles à couches multiples. De cette manière, le trajet que suit le liquide qui s'écoule est très allongé. Des gaz ou des vapeurs se dirigeant vers le haut pénètrent en même temps les couches multiples de structures à mailles en forçant le liquide descendant à entrer en contact intime avec ces gaz ou vapeurs dans les structures à mailles aussi bien que dans les vides qui sont délimités par les couches multiples.
Dans le cas d'une tour convenablement chargée, les différentes phases du contact vapeur-liquide sont les suivantes : la vapeur balaie les filaments mouillés ; vapeur ramasse le liquide d'un filament et l'amène en contact contre un autre filament dans le parcours de la vapeur ; percement de la phase liquide par le courant de vapeur pour former des bulles; ébullition; formation d'écume, dispersion du liquide sous forme de gouttelettes vaporisées et de brouillard dans le courant de vapeur dans les compartiments à espaces vides ; etl'effet de suspension de l'entraînement des couches infé- rieures d'une structure à mailles.
Il est évident que tout bouillon et toutes gouttelettes dans les compartiments ou cellules à espaces libres du bourrage, qui augmentent de manière remarquable la surface de contact interfaciale, ne sont pas préjudiciales puisque l'entrainement est sensiblement supprimé à partir du courant de vapeur par les quelques couches inférieures du plateau voisin.
Ce déroulement donne lieu à une efficacité très élevée de mise en contact et, par conséquent, à un minimum de hauteur équivalant à un plateau théorique tout en maintenant-des conditions opératoires relativement stables. Les gaz ascendant ne doivent pas pénétrer dans des films soutenus continus de liquide, puisque le matériau à mailles est incapable de soutenir un tel film. De cette manière, la résistance au passage des gaz dans les unités de mise en contact est relativement faible. De même, les liquides descendants, bien qu'ils suivent un trajet tortueux, et puisqu'ils ne sont pas forcés de pénétrer par des ouvertures relativement petites, ne rencontrent qu'une petite résistance à leur passage et à leur réalisation de débits élevés possibles.
Comme signalé ci-avant, la capacité élevée et le rendement amélioré du système suivant l'invention résultent d'une combinaison unique d'éléments. En cours du fonctionnement, à de faibles charges de la tour, sensiblement tout le contact peut se réaliser dans la structure de claie inclinée. Lors-
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que la proportion de la vapeur ou du liquide est accrue, une certaine quantité du liquide est amenée à la surface supérieure de la claie et s'écoule en partie sur la surface inclinée supérieure,en se recueillant dans les creux et en s'écoulant à travers le creux vers le sommet de l'élément de bourrage immédiatement inférieur.
A des charges encore plus élevées, le liquide est soufflé hors du crible ou claie dans les cellules délimitées par les claies onduleuses adjacentes et là il prend l'allure d'un liquide en violente ébullition. Cela réalise un excellent contact du gaz et du liquide dans les cellules.
Le rendement d'un plateau peut être amélioré en construisant les couches les plus basses du plateau en mailles relativement fines (par exemple, de la toile de quincaillerie de 1/4 de pouce) convenant à la fois pour supprimer l'entrainement et pour le traitement à des charges relativement basses, tandis que les couches les plus élevées peuvent être à grosses mailles (par exemple, de la toile de quincaillerie de 1/2 pouce) ayant des caractéristiques élevées de support de charge. Ainsi, un plateau réalisé avec des dimensions de mailles variables procure un contact à des vitesses ou proportions opératoires faibles principalement dans les couches à mailles fines ou inférieures du plateau.
Aux vitesses ou proportions élevées, le contact est réalisé dans les couches supérieures à grosses mailles du plateau ainsi que dans les compartiments à espace libre. Lorsque le liquide s'accumule dans les creux, une pression suffisante est développée pour assurer un écoulement à travers les couches à mailles fines dans les creux, même aux vitesses ou proportions élevées de liquide.
Comme indiqué ci-avant,des tours de fractionnement bourrées ont été utilisées dans de petits appareils de laboratoire, dans lesquels un contrôle ou réglage rigoureux des conditions opératoires était possible, tandis que, dans des installations industrielles importantes, la formation de rigoles ou de canaux par le liquide de reflux et la vapeur étaient presque impossibles à contrôler ou régler. On sait aussi qu'une fois que commence la formation de rigoles ou canaux, elle tend à devenir plus importante jusqu'à ce qu'on arrive à un fonctionnement da s lequel la plus grande partie du liquide descend d'un côté de la colonne tandis que la vapeur s'élève d'un autre côté de celle-ci. Dans la présente invention, on a une répartition ou distribution uniforme de liquide suivant toute la superficie de la tour, quelles que soient les dimensions.
De plus, il n'y a pas de tendance à la formation de rigoles ou canaux; en fait, le bourrage agit pour produire une distribution uniforme. Ceci a été prouvé aux essais dans lesquels un courant de liquide a été introduit en un seul point au sommet d'une tour rectangulaire, et on a trouvé que le dégouttement de liquide, du bourrage, après passage à travers cinq couches ou éléments était sensiblement uniforme avec donc un seul point d'introduction du courant d'entrée de liquide.
Des essais de fonctionnement ou de performance sur le bourrage décrit ici montrent qu'à la fois la capacité de la tour et l'efficacité ou rendement, obtenus par ce bourrage de fractionnement industriel sont supérieurs à ceux obtenus avec des tours à chapeau de b arbotage. La hauteur d'un plateau théorique équivalent (HETP) observée avec un mélange binaire n'était que d'environ 35% de la valeur de la hauteur d'un plateau théorique équivalent pour des tours à chapeaux de barbotage, aux mêmes vitesses ou proportions d'alimen- tation.
En se basant sur les valeurs observées, une tour de barbotage de raffinerie ordinaire, à 20 plateaux, peut être remplie avec le nouveau bourrage et convertie en appareil de fractionnement ayant l'équivalent de plus de 55 plateaux, avec un débit disponible supérieur à la capacité maximum de la tour originale.
Par la présente invention, les vapeurs et les liquides sont forcés d'être redistribués beaucoup de fois en travers de la colonne sans accumulation excessive en un point quelconque puisque le liquide est distribué à partir des lignes de contact multiples entre les unités de bourrage adjacentes.
La disposition à claies multiples, inclinées de façon opposée et alternée procure de grandes superficies de matériau de bourrage dans une courte colonne et
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maintient aussi une inclinaison adéquate pour procurer la vitesse convenable de dégouttement. De cette manière, des colonnes de fractionnement de capacité fortement améliorée sont obtenues sans que l'on sacrifie l'efficacité d'un fractionnement précis.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante et aux dessins annexés illustrant certaines réalisations de l'invention.
La figure 1 est une coupe à travers des unités de bourrage, montrant les couches multiples de cribles métalliques,et les surfaces multiples inclinées de façon opposée et alternée.
La figure 2 est une coupe verticale montrant une colonne comportant une série d'unités de bourrage dans leur position de fonctionnement.
La figure 3 illustre une forme de distributeur de reflux.
La figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2.
La figure 5 est une coupe verticale montrant les détails d'une variante de joint étanche à la paroi de la chambre.
La figure 6 montre un agencement modifié des sections de claies en pente.
La figure 7 est une vue d'un fragment de feuille qui a été fendue et déployée pour former une feuille de métal déployé.
La figure 8 est une vue de détail en coupe, à grande échelle, suivant la ligne 8-8 de la figure 7.
La figure 9 est une coupe à travers une claie, montrant schématiquement les couches de métal déployé et les surfaces multiples inclinées de façon opposée et alternée.
La figure 10 est une coupe verticale montrant une série d'unités de bourrage du type illustré à la figure 9, dans leur position de fonctionnement.
En se référant aux figures 1 et 2 des dessins, chaque feuille foraminée est, de préférence, découpée avec les torons ou filaments en diagonale et conformée grossièrement en un dessin onduleux avec des surfaces 11 et 12 inclinées de manière opposée et alternée. Une répartition uniforme du liquide sur la surface de passage de la section individuelle est favorisée en utilisant une feuille foraminée ayant les torons en pente par rapport aux sommets et aux creux produits par les surfaces inclinées de manière alternée et opposée. Si on le désire, les sommets des éléments ou "plateaux" de bourrage successifs peuvent être tournés jusqu'à 90 , en complétant la distribution dans toutes les directions.
Dans la fabrication d'une unité de bourrage, les éléments séparés peuvent être conformés grossièrement. Lorsqu'on travaille avec un crible sans liaison réalisé en torons métalliques, il est désirable d'utiliser une feuille ou lame flexible déformable, telle que du papier de construction aux deux côtés du crible durant la phase de formation. Cela empêche une distorsion des ouvertures de l'écran aux sommets. De la toile de quincaillerie à liaison et du métal déployé ne se distordent pas cependant. Une série de pièces conformées grossièrement de feuilles foraminées sont emboîtées les unes dans les autres et conformées en une unité unique 10 par compression sous un manteau d'estampage. L'unité est alors découpée pour se monter dans la tour.
En vue de minimiser le court-circuitage des unités 10 par les liquides, un bourrage 14 peut être utilisé entre l'unité et la paroi de la tour.
Les élévations ou sommets et les dépressions ou creux des plaques ou plateaux adjacents sont, de préférence, amenés en incidence ou contact étroit, et les éléments séparés peuvent être fixés ou goupillés ensemble. C'est ainsi, par exemple, que des boulons d'attache 26 peuvent être prévus pour s'étendre entre le support inférieur 15 du bourrage et l'unité de bourrage la plus supérieure 10. Une série de barres ou tubes parallèles 15, disposés au-dessus
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du conduit de servie 16 et au-dessus du conduit d'entrée de vapeur 17, suppor- tent les unités de bourrage 10. Ces barres 15 sont transversales aux sommets
18 et aux creux 19 de l'unité de bourrage formant tamis 10, la plus inférieure.
L'extrémité supérieure du boulon d'attache 26 est, de préférence, filetée de manière que les unités 10 peuvent être comprimées en serrant un écrou 27. Le boulon d'attache est montré comme traversant le cylindre 16, mais, si on le désire, un support de bourrage supérieur séparé peut être installé en travers du sommet de la chambre 13. Les éléments de bourrage maintenus en place par les boulons d'attache 26 peuvent être retirés sous forme d'une unité, en même temps qu'avec les supports de bourrage supérieur et inférieur 29.
Le reflux ou l'introduction intermédiaire de l'alimentation de la tour peut être effectuée en utilisant un distributeur convenable 20. Cepen- dant, le caractère du bourrage est tel qu'après le passage du liquide à travers quelques unités de bourrage, la distribution de liquide est uniforme.
La figure 3 illustre un type de distributeur 20 comprenant une entrée d'admission 21, des tubulures parallèles 22 et des conduites de distri- bution 23. Des fentes 24 dans le côté supérieur des conduites de distribution
23 permettent la décharge uniforme du liquide sur sensiblement l'entièreté de la surface de passage du bourrage supérieur de la tour. Les conduites de dis- tribution 23 peuvent être parallèles à, et en contact avec les sommets de l'unité de bourrage 10 supérieure pour réaliser une distribution optimum.
En cours d'opération, des vapeurs sont fournies à la tour 13 par l'admission de vapeur 17, le liquide est enlevé sous forme de produits de queue par la conduite de décharge 16, des vapeurs fractionnées sont enlevées au sommet par la conduite 25, et condensées, et une partie du condensat est renvoyé sous forme de liquide de reflux à l'unité supérieure 10 dans la tour 13. D'autres conduits de décharge peuvent être prévus dans la tour 13 pour la récupération de fractions intermédiaires, si on le désire.
La tour 13 peut contenir à la fois une section de rectification et une section de nettoyage ou épuration (stripping section), auquel cas on peut utiliser dans les sections séparées un bourrage d'amplitude, de longueur d'ondulation et d'épaisseur de claie ou natte différentes. En général, un bourrage ayant une amplitude élevée est bien approprié au traitement de charges importantes de liquide, et un bourrage ayant une faible amplitude trouve une utilité particulière avec les charges de liquide. Par amplitude élevée, on entend une unité de bourrage ou une claie ou natte ayant une hauteur totale d'environ 4 pouces ou plus, dont les côtés inclinés forment un angle d'environ 60 à 85 avec l'horizontale.
Un bourrage de faible amplitude est un bourrage qui a une hauteur totale comprise entre 2 et 4 pouces et dont les côtés inclinés forment un angle d'environ 30 à 60 avec l'horizontale. Le rayon de courbure des claies aux sommets et aux creux est suffisamment modéré, de manière qu'une rupture ou la formation d'angles aigus durant l'opération de façonnage ne se produise pas ; ce rayon peut être, par exemple, 3/8 de pouce ou plus. Pour ces bourrages à amplitudes élevée et basse, on peut utiliser les brins tressés ou les brins solidaires (d'une pièce), mais le métal déployé (brins solidaires) convient particulièrement pour la réalisation à amplitude élevée.
La figure 5 illustre les détails d'assemblage dans une autre réa- lisation du système de l'invention. Un bourrage est disposé près du cylindre de la tour 13 et peut se composer d'asbeste ou de fibres de verre. Un support intérieur pour le bourrage 30 comprend un crible ou lattis métallique 31. Des groupes d'unités ou claies 10 sont attachés par des boulons d'assujettissement 32. Si on le désire, des paires de claies 10 peuvent être boulonnées ensemble et des groupes comprenant plusieurs paires peuvent être réunis et introduits comme une cartouche dans la tour.
La figure 6 illustre une autre réalisation, suivant la présente invention, dans laquelle les unités ou claies de contact sont disposées verticalement dans la tour de contact 13 entre des chicanes 33. Comme dans les autres variantes, la direction du courant liquide est influencée par les torons de la claie 10, et les vapeurs passent transversalement à travers celle-ci, Si
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on le désire,les chicanes 33 peuvent être concentriques. Dans ce cas, les claies 10 peuvent consister en unités annulaires qui, en coupe transversale, sont conformées en V, et qui sont superposées dans les zones annulaires entre les chicanes. On n'a pas représenté au dessin de moyen séparé d'alimentation de fluide gazéiforme ni de moyen séparé d'alimentation de liquide, mais de tels moyens séparés peuvent être prévus pour chaque zone d'entre-chicanes.
Le nombre de feuilles foraminées utilisées pour composer une claie 10 dépend de l'inclinaison, de la dimension des ouvertures du treillis, et de la charge de liquide. Ce nombre peut varier d'environ 3 à environ 25, une charge élevée de liquide et des feuilles à grosses mailles exigeant relativement un plus grand nombre de feuilles par unité que de faibles charges de liquide et des feuilles à mailles plus petites. Une inclinaison d'au moins 45 favorise le rendement à faible charge à cause de la tendance décrue du liquide à tomber à travers les fils dans les espaces libres.
Pour une dimension de mailles de fils donnée et une inclinaison donnée, comprise entre les limites de 30 et 85 par rapport à l'horizontale., la capacité de la tour est augmentée à peu près proportionnellementà la hauteur d'inclinaison, celle-ci étant définie comme étant la distance en ligne droite entre un sommet et un creux adjacent, mesurée le long des inclinaisons de la claie. Il est habituellement nécessaire d'augmenter le nombre de feuilles foraminées utilisées dans une unité lorsque l'angle d'inclinaison est diminué dans le but de supporter la charge de liquide supplémentaire. Entre les limites d'inclinaison de 30 et 85 , pour une inclinaison donnée, le rendement de fractionnement d'un plateau donné est augmenté à peu près en proportion inverse de la hauteur d'inclinaison d'une unité de bourrage.
Ainsi, le bourrage employé dans une tour donnée peut être modifié en changeant la hauteur d'inclinaison, pour favoriser soit une capacité exceptionnellement haute, soit un rendement de fractionnement exceptionnellement élevé. Des hauteurs d'inclinaison comprises entre 1 et 15 pouces sont prévues en liaison avec des inclinaisons comprises entre environ 30 et envi= 80 . Un nombre suffisant de couches est utilisé pour empêcher un dégouttement excessif à travers le bourrage aux vitesses de vapeur et de liquide les plus basses d'une opération projetée.
Les dimensions des mailles sont telles que la vapeur puisse entrer en contact avec le liquide s'écoulant le long des fils et s'accumulant dans les creux de la claie, sans gêner sensiblement un écoulement effectif du liquide. Des dimensions de mailles, allant d'environ un minimum de 16 mailles à un maximum de 1 maille par pouce sont prévues, et sont choisies de telle sorte que les ouvertures soient plus grandes que celles qui seraient de dimensions telles qu'elles se boucheraient avec le liquide.
Les figures 7 et 8 illustrent une feuille de métal déployé du type utilisé suivant la présente invention. Dans la fabrication de la feuille de métal déployé, un plan de métal ayant le calibre désiré est pourvu de rangées de fentes 34 disposées de sorte que les fentes d'une rangée chevauchent et soient disposées entre celles des rangées voisines. Lorsqu'elle est déployée, la feuille à fentes présente des ouvertures losangiques 34a et des rangées transversales de points de liaison ou ponts respectivement 35 et 36. Les surfaces comprises entre les fentes qui se chevauchent 34 définissent les torons 37 qui s'étendent diagonalement par rapport à la feuille et sont reliés à leurs intersections par les points de liaison solidaires 35. Les torons 37 et les points de liaison 35 sont disposés de champ à un certain angle par rapport au plan de la feuille.
La figure 8 montre que les points de liaison 36 dans chaque rangée transversale alternée s'étendent de champ et perpendiculairement au plan de la feuille, tandis que les points de liaison 35 de chaque rangée intermédiaire sont inclinés et s'étendent de champ à un angle d'environ 60 par rapport au plan de la feuille. De cette manière, les structures à mailles, ne formant pas film, ont une surface "rugueuse" ou 'grossière", résultant de ce qu'elles ont les points de liaison d'une moitié des rangées, disposés de champ et perpendiculairement au plan de la feuille, et les points de liaison de l'autre moitié des rangées, disposés de champ à un certain angle. Cet agencement donne
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la rigidité à la feuille et procure une multiplicité de points de contact.
De même;, lorsque la feuille de métal déployé reçoit une allure ondulée, la surface "rugueuse" ou "grossière" des inclinaisons alternées et opposées procure une grande multiplicité de points desquels le liquide peut tomber en cascade dans la claie.
En se référant aux figures 9 et 10, le bourrage peut consister en environ 3 à 15 couches de structures à mailles, ne formant pas film, telles que de feuilles de métal déployé. Dans un mode de réalisation, on a utilisé, suivant l'invention, sept couches de lattes de métal déployé de 3/8 pouce pour réaliser une claie ayant une épaisseur d'environ 7/16 à 1/2 pouce. La claie était inclinée suivant un rayon de 3/8 pouce pour donner une hauteur H d'environ 4 pouces et une longueur d'ondulation W d'environ 3,75 pouces. Une autre forme intéressante qu'on a construit, suivant l'invention, a la même hauteur H et une longueur d'ondulation de 7 pouces. Beaucoup d'autres variantes sont prévues.
Lorsqu'une série de claies de ce genre sont agencées comme représenté schématiquement à la figure 10, il en résulte un bourrage efficace de tour. Ce type de bourrage est supérieur à celui représenté à la figure 1 pour des applications générales et convient spécialement pour des applications supposant des charges élevées de liquide. Les avantages se reflètent dans une capacité supérieure, de plus larges gammes de bonne distribution de fluides et des rendements volumétriques bien au-dessus de 5 pour 1 par rapport aux colonnes de barbotage.
Sur la base du coût, les tours à bourrage ont un avantage marqué sur les tours à barbotage habituelles. De même, une étude des coûts comparatifs des cribles métalliques et des feuilles de métal déployé montre que, du point de vue fabrication, il est beaucoup plus coûteux d'étirer des fils et de les tresser pour former des mailles de fils désirées., que d'estamper et d'étirer une feuille de métal déployé pour avoir des mailles losangiques. De la sorte, il y a à la fois des avantages mécaniques et économiques en faveur des lattis métalliques pour une application commerciale générale.
Les exemples suivants montrent qu'une amélioration est obtenue à la fois dans le rendement de fractionnement et la capacité de tour par rapport aux tours habituelles à cloches de barbotage.
Douze couches de toile de quincaillerie de 1/4 de pouce étaient conformées individuellement, puis superposées et rendues compactes collectivement par un manteau de forge mécanique entre des matrices, pour former une unité ondulée. Dans cette opération, beaucoup de fils des cribles étaient amenés en contact capillaire. La matrice inférieure utilisait des tubes d'un pouce de diamètre extérieur, disposés en parallèle dans un plan horizontal et fixés en une position élevée au-dessus d'une plaque plane, lesdits tubes ayant 3,5 pouces entre leurs centres. La matrice supérieure était identique mais était utilisée en position inverse, et disposée pour que les tubes de la matrice supérieure passent à mi-chemin entre les tubes de la matrice inférieure.
Les douze couches de treillis étaient rendues compactes jusqu'à une épaisseur d'environ 0,5 pouce dans l'opération de finissage, jusqu'à ce que la hauteur totale de la couche de bourrage fut d'environ 2 pouces. Ces couches étaient découpées à un rayon de 11,25 pouces pour leur installation dans une tour de 23,25 pouces de diamètre intérieur. L'espace annulaire compris entre le bourrage et la paroi était rendu étanche avec des cordes d'amiante de 5/8 pouce. Le bourrage était installé jusqu'à une profondeur de 62 pouces à la manière de la figure 2.
La vapeur fournie à la conduite d'admission de vapeur 17 était à la pression atmosphérique et contenait 10,6 mol % de benzène et 89,4 mol % de toluène. La vapeur quittant la tour par la conduite de sortie de vapeur 25 était entièrement refroidie jusqu'à une température de 89 F et renvoyée à la tour par la canalisation d'entrée de reflux 21. Le liquide de décharge passait de 16 à un appareil de distillation où il était revaporisé et réintroduit à la conduite d'entrée 17. Le courant de reflux titrait 69,0 mol % de benzène et 31,0 mol % de toluène. Un compteur d'entrée dans là canalisation d'entrée de reflux 21 enregistrait un passage de 390 gallons par heure à 60 F.
A cette vi-
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tesse relativement basse d'environ 64 à 79% des vitesses maxima admissibles pour les tours à cloches de barbotage, une hauteur équivalent à un plateau théorique, de 18,2 pouces était calculée. La vitesse maximum admissible pour les tours à cloches de carbotage était calculée par la formule
EMI10.1
(Chemical Engineers Handbook, Perry, 2e édition. (1941), pages 1.449-1450).
Dans cette formule : u = vitesse superficielle de vapeur, pied/sec. constante. Pour un espacement de plateau de 24 pouces, la valeur s'échelonne de 0,185 pour un joint liquide de 0,5 pou- ce à 0,150 pour un joint liquide de 3 pouces. d1= densité du liquide. d2= densité de la vapeur.
La même opération, si elle était réalisée dans une tour du type habituel à cloches de barbotage, avec un espacement de plateaux de 24 pouces, et montrant un rendement de plateau total de 54%, exigeait une hauteur de colonne de 155 pouces au lieu de 62. Sous ces conditions de traitement à faible vitesse le rendement du bourrage était supérieur à celui des cloches de bar- botage.
En utilisant le même appareil que dans l'exemple ci-avant, sauf qu'il s'agissait d'une profondeur de bourrage de 49 pouces, et en opérant à une pression effective de 0,3 livre par pouce carré à la canalisation d'entrée 17 de la tour, la composition de la vapeur qui pénètre était de 11 mol % de benzène et 89 mol % de toluène. La vapeur quittant la tour était entièrement condensée, refroidie jusqu'à 109 F t renvoyée comme reflux par la canalisation d'entrée 21. Le courant de reflux s'élevait à 825 gallons par heure à 60 F, et titrait 89,8 mol % de benzène et 10,2 mol % de toluène. Cette charge est équivalente à 137 à 170% du taux maximum admissible pour les tours à cloches de barbotage.
La hauteur équivalant à un plateau théorique calculée de 10,4 pouces se compare avec une valeur estimée de 45 pouces pour les tours habituelles à cloches de barbotage ayant un espacement de plateaux de deux pieds. Il est visible qu'une tour de barbotage habituelle exigerait non seulement une superficie transversale plus élevée, mais devrait encore être 4,3 fois plus grande,pour réaliser le même degré de fractionnement, comme montré par l'exemple ci-avant.
On a décrit ci-avant une manière de réaliser les couches ondu- lées, mais d'autres méthodes peuvent être employées. Par exemple, on peut encore utiliser une paire de rouleaux dentés ou ondulés couplés, entre lesquels la matière foraminée est passée, une ou plusieurs couches à la fois, pour leur donner la forme désirée. La matière conformée de cette manière peut alors être assemblée en claies de 1 épaisseur voulue, comme décrit.
Pour la facilité de la manipulation et de l'installation du bourrage dans des tours de fractionnement industrielles de grand diamètre, de telles tours ayant des diamètres de 3 à 8 pieds., on peut découper l'unité ou claie de bourrage en sections parallèles, qui peuvent être introduites par des trous d'homme convenables, prévus dans la paroi de la tour, et réassemblées à l'intérieur de celle-ci. De telles sections peuvent être entourées de toile métallique ou d'une feuille de métala qui peut être soudée par point au bord de la claie pour assurer une stabilité mécanique.
En plus de 1'ondulation du bourrage, les feuilles de cribles métalliques peuvent être pressées ou conformées pour donner, sur chaque plaque, une série de cônes cu pyramides qui sont disposés alternativement vers le haut
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et en position inverse. Une multiplicité de ces feuilles sont superposées de telle manière que les cônes orientés vers le haut se nichent dans les cônes orientés vers le haut, et les cônes renversés dans les cônes renversés, les feuilles ainsi disposées étant rendues compactes pour former une seule unité.
Des unités sont alors superposées dans la colonne de manière que des sommets d'une unité rencontrent des sommets d'une unité adjacente et que des bases pyramidales ou conoldales soient amenées en contact avec des pointes d'une unité adjacente. Les mailles de crible utilisées dans le bourrage pyramidal ou conoi- dal sont supérieures aux dimensions capillaires, et permettent un passage simultané de vapeur et de liquide à travers les mêmes pores d'une unité. L'utilisation de la même gamme de dimensions de mailles que celle indiquée pour la forme ondulée de bourrage est prévue, de même que les gammes de pentes et de hauteurs d'inclinaisons.
La forme de bourrage ressemblant à une courbe sinusoïdale modifiée a été illustrée, mais d'autres formes sont visées. De simples éléments en forme de V ont été utilisés avec succès, bien qu'il soit nécessaire de travailler avec des tolérances plus étroites pour assurer un alignement et un contact convenables entre les sommets et les creux des éléments d'unité adja- centso En arrondissant les pointes, comme montré à la figure 1, l'alignement nest pas si critique. La forme sinusoïdale réelle ou toute forme similaire d'un type ondulé serait satisfaisante. D'autres détails de construction con- çus pour permettre un passage transversal de vapeurs et de courant liquide le long des torons de la feuille foraminée apparaîtront à ceux qui sont versés en ce domaine.
Bien qu'on ait décrit l'invention en se référant à certaines formes de réalisation de celle-ci, on a en vue que divers changements peuvent etre réalisés en restant dans l'esprit de l'invention. Il est, par exemple, possible et il peut être,dans certains cas , avantageux, de fabriquer les unités ou claies de bourrage individuelles à partir d'une matière du type à treillis, de dimensions de mailles assorties, pourvu que les plus petites mailles utilisées n'amènent pas la formation de film sur elles, lorsqu'elles sont momentanément immergées dansun liquide ayant une tension de surface de 25 à 75 dynes par centimètre.
REVENDICATIONS.
1. Un appareil pour la mise en contact, à contre-courant, de vapeur et de liquide, comprenant une série de claies poreuses superposées, de forme ondulée, les sommets de chaque claie contactant les creux de la claie supérieure pour permettre un écoulement descendant du liquide à travers ledit appareil,chaque claie comprenant une série de feuilles métalliques foraminées ondulées en contact capillaire, les ouvertures desdites feuilles étant de dimensions supérieures à des dimensions capillaires et en relation de non-correspondance, en formant ainsi des passages tortueux pour la vapeur, à travers lesdites claies non bouchées par ledit liquide.
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MATERIAL FOR CONTACT PROCESSES AND APPARATUS USING THIS
MATERIAL.
The present invention relates to a device for bringing liquids and vapors and liquids and gases into contact, and it relates more particularly to a new type of packing suitable for systems for contacting vapors and liquids and liquids and gases, such as the following operations: fractionation, washing, absorption, purification, rectification, cooling, etc., in which it is desirable to contact a liquid with a gas-like material, such as vapors or gases.
It is well known that, in usual bubbling columns, the relatively small areas surrounding the bubbling caps are the active regions for contact between liquid and gasiform materials, and this space is small, compared to the total cross section of the body. tower.
Despite its low theoretical efficiency, however, the bubbling tower was widely received due to the stability of its operation. Small packed columns, in which a mass of contact material, such as Raschig rings, Berl saddles, ground coke, glass wool, etc., substantially fills the column from top to bottom, have some utility for small installations but must operate under set or closely monitored conditions. Where fractionation is important, the operation of packed columns even for intermediate sizes has been found to be so critical that their use in industrial plants is virtually impossible.
A first object of the present invention is, therefore, to provide a method and a means for contacting vapor and liquids, which are particularly suitable for large industrial operations,
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and wherein substantially the entire cross-sectional area of a given large diameter column is effective as a region or zone for contacting wide ranges of liquid feed.
Another object of the present invention is to provide a method and means, in which there is a uniform distribution or distribution of liquid and gas-like material over the entire available cross section of a contact area. Another object is to provide a contact packing which will contain a large amount of fluid distributed or distributed, in the tower, without flooding. Another object is to provide an improved efficiency fractionation system whereby the height equivalent to a theoretical plateau is greatly reduced. A further object is to provide a packing which achieves a continuous and uniform redistribution of liquid over the active surface of the column.
A more particular object of the invention is to provide an industrial packing which can replace the bubble caps and similar means, in a usual tower, with the aim of increasing the flow of vapor and liquid or to increase the fractionation efficiency. , or both, while operating with a reduced fluid stay. Another object is to allow precise fractionation under high vacuum conditions without excessive pressure drop. A further object is to provide a stuffing which is durable and substantially supporting itself to great heights.
Yet another object is to provide a packing which is effective over a wide range of capacities, thereby providing a highly flexible fractionation system. These and other objects will become apparent from the description of the invention which will be given.
In general, these and other objects are achieved by providing columns or towers packed with mesh, non-film-forming structures, superimposed, of such configuration and arrangement, in the column, as the liquid. will follow a repetitively subdivided path laterally and downwards, and a gas-like material will follow a continuous but tortuous path laterally and upwards, which is transverse to the path of the liquid in the mesh structures. In general, the system comprises a column which contains a foraminous packing unit, delimiting a series of relatively symmetrical voids or cells delimited by the adjacent mats or screens, and which can be prismatic, cylindrical, tetrahedral, or irregular. .
These cells are bounded by multiple layers of non-film mesh structures, in which the individual elements consist of fibers, strands or strands, threads, ribbon elements, etc.
The tamping units or racks may comprise a series of sheets or surfaces, which interlock with each other, of wire mesh or open-mesh fabric, embossed or corrugated to the desired shape, the rack of sufficient thickness. to conduct a significant portion of the liquid phase downward along the individual filaments or strands of which it is composed. Likewise, the immediately adjacent sheets of non-film mesh fabrics are in a non-coincidental or random relationship, and the complete construction allows the unrestricted but tortuous passage of vapor through the interstices formed by the filaments of the fabric structures, in each screen unit.
In this way, a flood of liquid is avoided, while obtaining the best contact by means of a transverse passage of liquid and vapor in the hurdle. Heretofore, such contact uniformity and capacitance could not be obtained because of the antagonism between the liquid stream and the vapor stream, moving in opposite directions, instead of transversely as provided herein. invention.
It is important that a distinction be made between fine mesh structures which allow the formation of a continuous film of liquid between the strands when momentarily submerged in a liquid having a surface tension of the order of approximately 25 to 75 degrees per centimeter, and mesh structures, not forming a film, which do not maintain such
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continuous film when treated the same.
In the following description, the expression "non-film-forming mesh structure" will be used to distinguish the type of foraminous sheet or porous material, which, when wetted, maintains a mesh open for the free passage of vapors. , with the capillary mesh or film-forming structures of the prior art, which maintain a continuous film of liquid on the surface of the sheet, preventing free passage of vapors therethrough.
Capillary or mesh, film-forming structures have relatively small distances between the spaced filaments or strands, while the non-film mesh structure has a much greater minimum distance between adjacent members of the mesh structure. , for example, 8 to 10 mm. It is in the mesh structure, which does not form a film, that the invention described is concerned.
In the manufacture of the stuffing elements of the present invention, certain fundamental objects have been kept constantly in view. The merits of a large mesh screen as a base material for industrial tamping are manifold, namely, low cost, high gas permeability and high ratio of liquid conductive area to total area. A single sheet of such material is incapable of controlling or directing the passage of large volumes of liquid along its sloping surface, and therefore a number of such overlapping sheets are required to give the desired ratio of drip. to total passage.
Simple sheets of mesh material having capillary-sized openings would conduct liquid almost perfectly over their sloping surface, but the plugging of small holes with liquid is a disadvantage which is to be avoided in accordance with the present invention.
A tamping unit or rack may consist of multiple layers of self-supporting, non-filming mesh structures shaped to provide sloping surfaces at the upper and lower limits of the rack. These units can more particularly comprise a series of elements integral by 'hooking, comprising filaments or strands of metal, plastic, etc. It is preferred, however, to use in accordance with the invention sheets of foraminous material, such as hardware fabric, wire screen, expanded metal slats, etc.
The dimensions of the holes are important and in general the gaps should be between 0.15 and 0.5 inches for large scale installations, but other mesh stractures having larger or smaller openings can be used. provided that the openings are of larger dimensions than those which would support a continuous film of liquid.
By way of illustration, in a satisfactory method of manufacturing lathe tamping units according to the invention, a suitable foraminate or sieve-like material is selected and pressed between dies to impart a series of like impressions to the sheets. to undulations, or sinuous, permanent, parallel. A number of sheets, for example 3 to 25, are then nested one inside the other and cut to the shape of the tower such as, for example, by means of a rotary file or a high cutting wheel. speed, to form a single tamping unit.
The required number of these units is determined by the height to which it is desired to fill a tower, by the amplitude or perpendicular height of the corrugations imprinted in the jam, and by the thickness of the individual jam units.
One material especially satisfactory for individual mesh structures is an expanded metal sheet having integral ribbon-like elements.
Between about 3 and 15 layers of expanded metal can be arranged in racks and held together by suitable fasteners, such as bolts, metal ties, etc.,. The racks may be constructed of any suitable metal including steel, nickel, copper.
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glass, aluminum or another metal or alloy, especially suitable for the intended contacting operation. Likewise, the mesh structure can be coated or painted, if desired, to protect it from corrosion or to change the wetting characteristics of the individual strands.
An essential feature of the present invention is the arrangement of the contacting screens in the form of a series of undulating elements lying horizontally across the passage area of the tower. The preferred and most suitable arrangement is that in which the tops of the corrugations of a corrugated rack are disposed immediately below the lower or hollow parts of the neighboring rack. The undulating pattern of the tamping racks can be conveniently achieved by undulating, pressing, or bending the individual mesh structures to produce oppositely and alternately inclined surfaces. The individual shaped structures can then be assembled to produce a rack of the desired thickness or capacity.
By shaping the screens in this manner, liquid can flow sideways and downward along the spaced filaments or strands of the screen, while still allowing the transverse passage of gas-like material through the screen.
The tamping units are installed in a tower horizontally and, preferably, with the tops of the corrugations of one unit, parallel to and touching the lower limit of the troughs of the upper unit. In this manner, cells are created between the units, and serve the important purpose of providing space for intimate contact and effusion of downward moving liquid, with the upward moving gases or vapors.
During processing, a descending liquid partially penetrates the multiple layers of mesh structures and tends to flow downward along the filaments or strands within the multi-layer mesh structure. In this way, the path followed by the flowing liquid is very long. Upwardly moving gases or vapors simultaneously penetrate multiple layers of mesh structures causing the descending liquid to come into intimate contact with these gases or vapors in the mesh structures as well as in the voids that are demarcated. through multiple layers.
In the case of a suitably charged tower, the different phases of vapor-liquid contact are as follows: the vapor sweeps the wet filaments; vapor picks up liquid from one filament and brings it into contact with another filament in the vapor path; piercing of the liquid phase by the vapor stream to form bubbles; boiling; foaming, dispersing the liquid as vaporized droplets and mist in the vapor stream in the void compartments; andthe effect of suspending the entrainment of the lower layers of a mesh structure.
It is evident that any broth and any droplets in the free space compartments or cells of the stuffing, which remarkably increase the interfacial contact area, are not detrimental since the entrainment is substantially suppressed from the vapor stream by the some lower layers of the neighboring plateau.
This unwinding gives rise to a very high contacting efficiency and, therefore, to a minimum height equivalent to a theoretical plateau while maintaining relatively stable operating conditions. Rising gases should not enter continuous supported films of liquid, since the mesh material is incapable of supporting such a film. In this way, the resistance to the passage of gases in the contacting units is relatively low. Likewise, descending liquids, although they follow a tortuous path, and since they are not forced to enter through relatively small openings, encounter little resistance to their passage and to their achievement of possible high flow rates. .
As noted above, the high capacity and improved efficiency of the system according to the invention result from a unique combination of elements. During operation, at low tower loads, substantially all contact can be made in the inclined rack structure. When
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as the proportion of the vapor or liquid is increased, a certain quantity of the liquid is brought to the upper surface of the rack and partly flows over the upper inclined surface, collecting in the hollows and flowing at through the recess to the top of the next lower stuffing member.
At even higher loads, the liquid is blown out of the screen or screen into the cells delimited by the adjacent corrugated screens and there it takes on the appearance of a liquid in violent boiling. This achieves excellent contact of gas and liquid in the cells.
The performance of a chainring can be improved by constructing the lower layers of the chainring of relatively fine mesh (e.g., 1/4-inch hardware canvas) suitable for both suppressing and dragging. processing at relatively low loads, while the higher layers may be coarse mesh (eg, 1/2 inch hardware cloth) having high load bearing characteristics. Thus, a tray made with variable mesh sizes provides contact at low operating rates or proportions mainly in the fine or lower mesh layers of the tray.
At high speeds or proportions, contact is made in the upper coarse mesh layers of the platter as well as in the open space compartments. As liquid accumulates in the troughs, sufficient pressure is developed to ensure flow through the fine mesh layers in the troughs, even at high velocities or proportions of liquid.
As indicated above, packed fractionation towers have been used in small laboratory apparatus, in which rigorous control or adjustment of operating conditions was possible, while, in large industrial installations, the formation of rills or channels. by reflux liquid and steam were almost impossible to control or regulate. It is also known that once the formation of channels or channels begins, it tends to become more important until an operation is reached in which most of the liquid descends on one side of the column. while steam rises on the other side of it. In the present invention, there is a uniform distribution or distribution of liquid over the entire surface of the tower, regardless of the dimensions.
In addition, there is no tendency for the formation of rills or channels; in fact, the stuffing acts to produce a uniform distribution. This has been proven in tests in which a stream of liquid was introduced at a single point at the top of a rectangular tower, and it was found that the dripping of liquid, from the stuffing, after passing through five layers or elements was substantially uniform with therefore a single point of introduction of the liquid inlet stream.
Functional or performance tests on the tamping described here show that both the capacity of the tower and the efficiency or yield obtained by this industrial fractionation tamping are superior to those obtained with bolted cap towers. . The height of an equivalent theoretical plateau (HETP) observed with a binary mixture was only about 35% of the value of the height of an equivalent theoretical plateau for towers with bubbling caps, at the same speeds or proportions power supply.
Based on the observed values, a typical 20-tray refinery bubbling tower can be filled with the new stuffing and converted to a fractionator having the equivalent of more than 55 trays, with an available flow rate greater than the maximum capacity of the original tower.
By the present invention, vapors and liquids are forced to be redistributed many times across the column without excessive accumulation at any point since the liquid is distributed from multiple contact lines between adjacent stuffing units.
The multiple, oppositely tilted and alternating rack layout provides large areas of stuffing material in a short column and
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also maintains an adequate slope to provide the proper rate of drip. In this way, fractionation columns of greatly improved capacity are obtained without sacrificing the efficiency of precise fractionation.
The invention will be better understood from the following description and the appended drawings illustrating certain embodiments of the invention.
Figure 1 is a section through tamping units, showing the multiple layers of wire screens, and the multiple surfaces tilted in opposite and alternating fashion.
Fig. 2 is a vertical section showing a column having a series of stuffing units in their operating position.
Figure 3 illustrates one form of reflux distributor.
Figure 4 is a section taken on line 4-4 of Figure 2.
Figure 5 is a vertical section showing the details of an alternative seal to the wall of the chamber.
Figure 6 shows a modified arrangement of the sloping rack sections.
Figure 7 is a view of a fragment of sheet which has been slit and unfolded to form an expanded metal sheet.
Figure 8 is a sectional detail view, on a large scale, taken along line 8-8 of Figure 7.
FIG. 9 is a section through a screen, schematically showing the layers of expanded metal and the multiple surfaces inclined in opposite and alternating fashion.
Fig. 10 is a vertical section showing a series of tamping units of the type illustrated in Fig. 9, in their operating position.
Referring to Figures 1 and 2 of the drawings, each foraminate sheet is preferably cut with the strands or filaments diagonally and roughly shaped into a wavy pattern with surfaces 11 and 12 inclined in opposite and alternating fashion. Even distribution of the liquid over the passage surface of the individual section is promoted by using a foraminous sheet having the strands sloping from the tops and valleys produced by the alternately and opposite inclined surfaces. If desired, the tops of successive stuffing elements or "platens" can be rotated up to 90 degrees, completing distribution in all directions.
In the manufacture of a tamping unit, the separate elements may be roughly shaped. When working with an unbonded screen made of wire strands, it is desirable to use a deformable flexible sheet or blade, such as construction paper, on both sides of the screen during the forming phase. This prevents distortion of the screen apertures at the vertices. Bonded hardware fabric and expanded metal do not warp, however. A series of roughly shaped pieces of foraminous sheets are nested into each other and formed into a single unit by compression under a stamping mantle. The unit is then cut to fit in the tower.
In order to minimize shorting of units 10 by liquids, a packing 14 may be used between the unit and the tower wall.
The elevations or tops and depressions or troughs of adjacent plates or plateaus are preferably brought into incidence or close contact, and the separate members may be fixed or pinned together. Thus, for example, tie bolts 26 may be provided to extend between the lower support 15 of the stuffing and the uppermost tamping unit 10. A series of parallel bars or tubes 15, arranged above
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of the service duct 16 and above the steam inlet duct 17, support the tamping units 10. These bars 15 are transverse to the tops
18 and recesses 19 of the inferior sieve stuffing unit 10.
The upper end of the tie bolt 26 is preferably threaded so that the units 10 can be compressed by tightening a nut 27. The tie bolt is shown to pass through cylinder 16, but if desired , a separate top tamping bracket can be installed across the top of chamber 13. The tamping elements held in place by tie bolts 26 can be removed as a unit, together with the screws. upper and lower jam supports 29.
The reflux or intermediate introduction of the tower feed can be effected using a suitable distributor 20. However, the character of the stuffing is such that after the liquid has passed through a few tamping units, the dispensing of liquid is uniform.
Figure 3 illustrates a type of distributor 20 comprising an intake inlet 21, parallel pipes 22 and distribution lines 23. Slots 24 in the upper side of the distribution lines.
23 allow uniform discharge of the liquid over substantially the entire passage surface of the tower upper packing. The distribution lines 23 may be parallel to and in contact with the tops of the upper tamping unit 10 to achieve optimum distribution.
During operation, vapors are supplied to tower 13 through steam inlet 17, liquid is removed as bottoms through discharge line 16, fractionated vapors are removed at the top through line 25 , and condensed, and part of the condensate is returned as reflux liquid to the upper unit 10 in tower 13. Other discharge conduits can be provided in tower 13 for the recovery of intermediate fractions, if one the desire.
The tower 13 can contain both a rectifying section and a cleaning or stripping section, in which case one can use in the separate sections a stuffing of amplitude, length of waviness and thickness of rack. or different mat. In general, a packing having a high amplitude is well suited for handling large loads of liquid, and a packing having a low amplitude finds particular utility with liquid loads. By high amplitude is meant a tamping unit or a rack or mat having an overall height of about 4 inches or more, the sloping sides of which form an angle of about 60 to 85 with the horizontal.
A low amplitude stuffing is a stuffing that has an overall height of between 2 and 4 inches and the sloping sides of which form an angle of about 30 to 60 with the horizontal. The radius of curvature of the racks at the tops and valleys is sufficiently moderate, so that breakage or the formation of sharp angles during the shaping operation does not occur; this radius may be, for example, 3/8 of an inch or more. For these high and low amplitude jams, braided strands or integral strands (of one piece) can be used, but the expanded metal (integral strands) is particularly suitable for high amplitude production.
Figure 5 illustrates the assembly details in another embodiment of the system of the invention. A stuffing is disposed near the cylinder of tower 13 and may consist of asbestos or fiberglass. An interior support for tamping 30 includes a wire screen or lath 31. Groups of units or racks 10 are attached by lashing bolts 32. If desired, pairs of racks 10 can be bolted together and groups. comprising several pairs can be joined together and introduced like a cartridge into the tower.
Figure 6 illustrates another embodiment, according to the present invention, in which the contact units or screens are arranged vertically in the contact tower 13 between baffles 33. As in the other variants, the direction of the liquid flow is influenced by the baffles. strands of the hurdle 10, and the vapors pass transversely through it, Si
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as desired, the baffles 33 may be concentric. In this case, the racks 10 may consist of annular units which, in cross section, are V-shaped, and which are superimposed in the annular areas between the baffles. Separate means for supplying gasiform fluid or separate means for supplying liquid have not been shown in the drawing, but such separate means may be provided for each inter-baffle zone.
The number of foraminous sheets used to compose a screen 10 depends on the inclination, the size of the openings in the mesh, and the liquid load. This number can vary from about 3 to about 25, with high liquid loadings and coarse mesh sheets requiring relatively more sheets per unit than low liquid loads and smaller mesh sheets. An inclination of at least 45 favors low load performance because of the decreased tendency for liquid to fall through the wires in open spaces.
For a given wire mesh size and a given inclination, between the limits of 30 and 85 with respect to the horizontal., The capacity of the tower is increased approximately in proportion to the height of inclination, the latter being defined as the distance in a straight line between a vertex and an adjacent trough, measured along the inclinations of the hurdle. It is usually necessary to increase the number of foraminate sheets used in a unit when the tilt angle is decreased in order to support the additional liquid load. Between the tilt limits of 30 and 85, for a given tilt, the fractionation efficiency of a given tray is increased roughly in inverse proportion to the tilt height of a tamping unit.
Thus, the packing employed in a given tower can be varied by varying the tilt height, to promote either exceptionally high capacity or exceptionally high fractionation efficiency. Tilt heights from 1 to 15 inches are provided in conjunction with tilts from about 30 to approx = 80. A sufficient number of layers are used to prevent excessive dripping through the stuffing at the lowest vapor and liquid speeds of a intended operation.
The dimensions of the meshes are such that the vapor can come into contact with the liquid flowing along the wires and accumulating in the hollows of the rack, without appreciably hindering an effective flow of the liquid. Mesh sizes, ranging from about a minimum of 16 meshes to a maximum of 1 mesh per inch are provided, and are chosen such that the openings are larger than those which would be of such size that they would become blocked with the liquid.
Figures 7 and 8 illustrate an expanded metal sheet of the type used in accordance with the present invention. In the manufacture of the expanded metal sheet, a plane of metal of the desired gauge is provided with rows of slots 34 arranged so that the slots of one row overlap and are disposed between those of neighboring rows. When deployed, the slotted sheet has diamond-shaped openings 34a and transverse rows of tie points or bridges 35 and 36, respectively. The surfaces between the overlapping slits 34 define the strands 37 which extend diagonally through relative to the sheet and are connected at their intersections by the integral connection points 35. The strands 37 and the connection points 35 are arranged in the field at a certain angle relative to the plane of the sheet.
Figure 8 shows that the tie points 36 in each alternate transverse row extend in field and perpendicular to the plane of the sheet, while the tie points 35 in each intermediate row are tilted and extend out of field at an angle. about 60 relative to the plane of the sheet. In this way, the mesh structures, not forming a film, have a "rough" or "coarse" surface, resulting in that they have the points of connection of one half of the rows, arranged in field and perpendicular to the plane. of the sheet, and the connecting points of the other half of the rows, arranged field at a certain angle.
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stiffness to the sheet and provides a multiplicity of contact points.
Likewise, when the expanded metal sheet receives a corrugated appearance, the "rough" or "coarse" surface of the alternating and opposite tilts provides a great multiplicity of points from which the liquid can cascade into the rack.
Referring to Figures 9 and 10, the stuffing may consist of about 3 to 15 layers of mesh, non-film-forming structures, such as expanded metal sheets. In one embodiment, seven layers of 3/8 inch expanded metal slats were used in accordance with the invention to provide a screen having a thickness of about 7/16 to 1/2 inch. The rack was tilted a 3/8 inch radius to give a height H of about 4 inches and a wavy length W of about 3.75 inches. Another interesting shape which has been constructed according to the invention has the same height H and a wavy length of 7 inches. Many other variations are planned.
When a series of such racks are arranged as shown schematically in Figure 10, effective tower tamping results. This type of packing is superior to that shown in Figure 1 for general applications and is especially suitable for applications involving high liquid loads. The advantages are reflected in higher capacity, wider ranges of good fluid distribution and volumetric efficiencies well above 5: 1 compared to bubbling columns.
On the basis of cost, tamping towers have a marked advantage over conventional bubbling towers. Likewise, a study of the comparative costs of wire screens and expanded metal sheets shows that, from a manufacturing point of view, it is much more expensive to stretch wires and braid them to form desired wire meshes., Than to stamp and stretch a sheet of expanded metal to have diamond meshes. In this way, there are both mechanical and economic advantages in favor of metal laths for general commercial application.
The following examples show that an improvement is achieved in both fractionation efficiency and tower capacity over conventional bubble bell towers.
Twelve layers of 1/4-inch hardware canvas were individually shaped, then layered and compacted collectively by a mechanical forging mantle between dies, to form a corrugated unit. In this operation, many of the sieve wires were brought into capillary contact. The lower die used tubes one inch in outside diameter, arranged in parallel in a horizontal plane and secured in an elevated position above a flat plate, said tubes having 3.5 inches between their centers. The upper die was the same but was used in the reverse position, and arranged so that the tubes of the upper die passed halfway between the tubes of the lower die.
The twelve layers of mesh were compacted to a thickness of about 0.5 inch in the finishing operation, until the total height of the stuffing layer was about 2 inches. These layers were cut to an 11.25 inch radius for installation in a 23.25 inch inside diameter tower. The annular space between the stuffing and the wall was sealed with 5/8 inch asbestos ropes. The stuffing was installed to a depth of 62 inches as shown in Figure 2.
The vapor supplied to the vapor inlet line 17 was at atmospheric pressure and contained 10.6 mole% benzene and 89.4 mole% toluene. The vapor leaving the tower through the vapor outlet line 25 was completely cooled to a temperature of 89 F and returned to the tower through the reflux inlet line 21. The discharge liquid passed from 16 to a pressure apparatus. distillation where it was vaporized and reintroduced to inlet line 17. The reflux stream titrated 69.0 mol% benzene and 31.0 mol% toluene. An inlet meter in the reflux inlet line 21 recorded a change from 390 gallons per hour at 60 F.
At this vi-
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Relatively low speed of about 64 to 79% of the maximum allowable speeds for bubble bell towers, a height equivalent to a theoretical plateau of 18.2 inches was calculated. The maximum admissible speed for carbotage bell towers was calculated by the formula
EMI10.1
(Chemical Engineers Handbook, Perry, 2nd ed. (1941), pages 1.449-1450).
In this formula: u = superficial vapor velocity, feet / sec. constant. For a 24 inch chainring spacing, the value ranges from 0.185 for a 0.5 inch liquid seal to 0.150 for a 3 inch liquid seal. d1 = density of the liquid. d2 = vapor density.
The same operation, if performed in a tower of the usual bubbling bell type, with 24 inch tray spacing, and showing 54% total tray efficiency, required a column height of 155 inches instead of 62. Under these low speed processing conditions the tamping efficiency was superior to that of the bubbling bells.
Using the same apparatus as in the example above, except that it was a tamping depth of 49 inches, and operating at an effective pressure of 0.3 pounds per square inch at the line d At inlet 17 of the tower, the composition of the steam entering was 11 mole% benzene and 89 mole% toluene. The vapor leaving the tower was fully condensed, cooled to 109 F t returned as reflux through inlet line 21. The reflux flow was 825 gallons per hour at 60 F, and titrated 89.8 mol% of benzene and 10.2 mol% of toluene. This load is equivalent to 137 to 170% of the maximum allowable rate for bubble bell towers.
The calculated theoretical plateau equivalent height of 10.4 inches compares with an estimated value of 45 inches for typical bubble bell towers having a two foot platen spacing. It can be seen that a usual bubbling tower would not only require a higher cross-sectional area, but would still have to be 4.3 times as large, to achieve the same degree of fractionation, as shown by the example above.
One way of making the corrugated layers has been described above, but other methods can be employed. For example, one can still use a pair of coupled toothed or corrugated rollers, between which the foraminate material is passed, one or more layers at a time, to give them the desired shape. The material shaped in this manner can then be assembled into racks of the desired thickness as described.
For ease of handling and installation of tamping in large diameter industrial fractionating towers, such towers having diameters of 3 to 8 feet., The tamping unit or rack can be cut into parallel sections, which can be introduced through suitable manholes, provided in the wall of the tower, and reassembled inside the latter. Such sections can be surrounded by wire mesh or a metal sheet which can be spot welded to the edge of the rack to provide mechanical stability.
In addition to the corrugation of the stuffing, the metal screen sheets can be pressed or shaped to give, on each plate, a series of pyramid cones which are arranged alternately upward.
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and in the reverse position. A multiplicity of these leaves are superimposed in such a way that the upward facing cones nestle in the upward facing cones, and the upside down cones in the upside down cones, the so arranged leaves being compacted to form a single unit.
Units are then superimposed in the column such that vertices of one unit meet vertices of an adjacent unit and pyramidal or conold bases are brought into contact with points of an adjacent unit. The screen meshes used in pyramidal or conoidal packing are larger than the capillary dimensions, and allow simultaneous passage of vapor and liquid through the same pores of a unit. The same range of mesh sizes as indicated for the corrugated form of stuffing is intended to be used, as are the ranges of slopes and heights of inclines.
The stuffing shape resembling a modified sine curve has been illustrated, but other shapes are covered. Simple V-shaped elements have been used with success, although it is necessary to work with tighter tolerances to ensure proper alignment and contact between the peaks and valleys of the adjacent unit elements. the tips, as shown in Figure 1, alignment is not that critical. The actual sinusoidal shape or any similar shape of a wavy type would be satisfactory. Other details of construction designed to permit transverse passage of vapors and liquid streams along the strands of the foraminate sheet will be apparent to those skilled in the art.
Although the invention has been described with reference to certain embodiments thereof, it is understood that various changes can be made within the spirit of the invention. It is, for example, possible and in some cases advantageous to fabricate the individual tamping units or racks from a mesh type material of matching mesh sizes, provided that the smaller mesh sizes used do not cause film formation on them, when they are momentarily immersed in a liquid having a surface tension of 25 to 75 dynes per centimeter.
CLAIMS.
1. An apparatus for placing in contact, against the current, vapor and liquid, comprising a series of superimposed porous screens, of wavy shape, the tops of each screen contacting the hollows of the upper screen to allow a downward flow. liquid through said apparatus, each rack comprising a series of corrugated foraminous metal foils in capillary contact, the openings of said foils being larger than capillary sizes and in mismatch relationship, thereby forming tortuous passages for the vapor , through said screens not blocked by said liquid.