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L'invention se rapporte à des échangeurs, en particulier à des dispositifs de rectification, munis d'éléments inté- rieurs rotatifs logés dans des colonnes verticales ; con- vient en premier lieu aux échangeurs à contra-courant.
Afin de permettre un échange de matières ou de chaleur, ou des deux à la fois, entre d'une part, les gaz et les vapeurs et, d'autre part, un liquide (en vue de l'absorption ou de la rectification, par exemple), on utilise le plus souvent des colonnes verticales, dans lesquelles les deux phases sont con- duites en contre-courant. A.l'intérieur de ces colonnes sont disposée des éléments internes destinés à rendre aussi parfait
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que possible l'échange précité entre les deux phases. Les éléments les plus connus sont les plateaux échangeurs éta- blis à la manière de cloches ou de plans perforés, ainsi que les corps de remplissage.
On a d'autre part créé des constructions spéciales, dont la nature était déterminée soit par les résistances d'échanges partiels qui se manifestent entre les noyaux res- pectifs des deux phases et leur surface de contact, soit par le désir'de réduire au minimum les chutes de pression dans le gaz ou la vapeur en circulation. La présente inven- tion part d'un de ces types spéciaux connus, à savoir, à celui des types employés dans la technique de l'absorption qui convient plus particulièrement au lavage du benzol con- tenu dans le gaz d'éclairage, au moyen de l'huile de lavage.
L'invention sera expliquée de fagon plus détaillée en se reportant aux dessins qui la,représentent à titre d'exem- ple. Dans ces dessins :
La fig. 1 est un exemple de réalisation de la c.ons- truction spéciale connue mentionnée plus haut, cette vue é- tant en coupe.
La fig. 2 est une vue en coupe correspondant à celle de la fig.l, mais montrant un dispositif échangeur établi selon l'invention.
La fig. 3 est une représentation perspective, vue de dessus, d'une partie des éléments internes d'un échangeur selon l'invention.
La fig. 4-est une vue perspective des organes inter- nes selon la fig. 3 , en regardant de dessous.
La fig. 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V du système représenté dans les figs. 3 et 4.
La fig. 6 est une coupe selon la ligne VI-VI de la fig. 5.
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La fig. 7 est un exemple d'exécution de variante d'un échangeur selon l'invention.
La fig. 8 est une vue schématique, en coupe, d'une autre variante d'un échangeur selon l'invention.
La fig. 9 est une vue partielle, en regardant de dessus, de l'échangeur selon la fig. 8.
La f ig. 10 est une variante, selon l'invention, de l'échangeur montré dans les figs. 7 à 9, tandis que les figs. 11 à 14 montrent, schématiquement et en coupe, des fragments de modes de réalisation spéciaux des éléments internes rotatifs employés dans les échangeurs selon l'invention.
Comme montré dans la fig. 1, le liquide qui se déplace de haut en bas en une colonne cylindrique est recueilli dans divers systèmes échangeurs disposés les uns au-dessus des autres. Dans ces systèmes, le liquide est élevé hors de cuvettes ou plateaux fixes a à l'aide d'écrans coniques ro- tatifs c, fixés sur un arbre b, le liquide étant projeté à l'extérieur et atomisé à partir du bord de ces écrans sous l'effet de la force centrifuge. Le gaz, qui circule de bas en haut, doit traverser la nappe de liquide dl qui se forme dans ce cas. Il doit cependant lécher d'abord les chicanes el et e2, qui représentent des surfaces continues, non perfo- rées.
Ces chicanes déterminent l'apparition d'autres nappes liquides d2 et d3, par suite de l'égouttement du liquide, ces dernières nappes étant traversées par le gaz suivant une direction essentiellement horizontale.
L'amélioration de l'échange de matière, réalisée grâce à un tel système au cours de l'absorption décrite plus haut est d'un intérêt si essentiel que, par comparaison, la perte de pression que subit le gaz lors de la traversée d'un système est généralement sans importande.
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De tels systèmes échangeurs à circulation de liquide sont utilisés avec succès dans la technique, dans un domaine limité, bien qu'ils présentent de graves défauts, révélés par des observations et des mesures systématiques. La pré-- sente invention a pour objet d'éliminer ces défauts et d'e- tendre ainsi le domaine d'application des systèmes considérés insi, dans l'état actuel de la'technique, un tel appareill présente, pour un diamètre de colonne de l@m par exemple, un groupe d'entonnoirs (c dans la fig.l) d'un diamètre ex- térieur de 0,5 m; tandis que son arbre tourne à ::'00'. tours par minute environ. Ce nombre de tours se situe au-dessous de la fréquence de vibration propre de l'arbre.
Par consé- quent, ce dernier tourne à une vitesse hypocritique. L'exa- ment d'un appareil ayant les cotes et les caractéristiques de marche citées plus haut a permis de constater les incon- vénients qui seront indiqués dans la suite et qui ont donné lieu aux inventions qui seront également exposées dans la suite. le) Le rendement de la circulation du liquide est très defavorable, c'est-à-dire, la consommation effective d'é- nergie pour la rotation de l'arbre est plus de 100 fois supé- rieure à celle qui serait théoriquement nécessaire pour ele- ver le liquide du fond du bassin, jusqu'aux points les plus élegés des entonnoirs et pour atomiser le liquide.
Cette situation a deux causes : a) Le captage du liquide au fond d'un bassin, ainsi que l'acheminement de ce liquide et son transfert de la partie fixe à la.'partie mobile ne s'effectuent pas con- formément aux données de la dynam-que des fluides. Pour cette raison, et conformément à l'invention;'le liquide est d'abord conduit, dans la cuvette fixe, dans un sys- terne déflecteur a palettes, d'où il est',amené dans la partie relative,' laquelle est avantageusement aussi munie '- palettes, ce transfert se faisant dans'des con.
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ditions techniques exemptes de choc s et en tenant compte de la vitesse périphérique de la partie rotative au point de passage du liquide.
Il ne suffit pas que la partie rotative soit seule munie de palettes. Pour cette raison, l'invention a pour ob j e t à la fois le sy: t ème déflecteur de liquide fixe, mentionné plus haut, et l'emploi de palettes 51 dans la partie rotative C.A ce propos, di- vers essais ont démontré que l'on obtient un fonction- nement particulièrement favorable avec un dispositif cons- titué par plusieurs cylindres 52 ou cônes 53, concentri- ques les uns et les.autres, les palettes 51 étant dispo- sées dans les intervalles entré ces cylindres ou c8nes, le -bord supérieur desdits cylindres ou cônes étant muni d'une collerette plane 54 ou faiblement conique 55 (figs.
11 à 14) d'où a lieu l'atomisation du liquide.
Compte tenu des dimensions actuellement appliquées et des vitesses de rotation également citées plus haut, un arbre portant des systèmes d'élévation de liquide possè- de un poids si élevé que les pertes mécaniques dues à la friction dans les paliers et à d'autres causes deviennent fatalement très elevées.
Selon l'invention, ce poids est diminue par le fait que l'on réduit le diamètre du sys-. terne rotatif et que l'on augmente la vitesse de rotation Les enseignements de la mécanique.industrielle mettent en évidence ce qui suit :Lorsque, par exemple, on ré- duit de moitié le diamètre extérieur des systèmes à en- tonnoirs pour l'élévation du liquide, en doublant d'autre part la vitesse de rotation, le tout comparati- vement à un mode de réalisation existant, l'effort de traction agissant sur la paroi des entonnoirs demeure inchangé. Par contre, la force centrifuge avec laquelle le liquide est projeté du bord supérieur des entonnoirs passe du simple au double.
Afin de combiner le fait ainsi
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1-ec(,,nnL .1,?C ....,,1 aviotage complémentaire, on pousse l'été-
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vation de la vitesse de rotation jusqu'au point ou l'épure ; qui présente dans ce cas un diamètre réduit en conséquence, tourne à urle vitesse hypercritique. Sa vitesse de rotation est donc à ce moment plus elevée que la fréquence de vibra-
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tion naturelle de l'arbre portant le ¯Syst6ffi8 elévaJ,eü.r de liquide. On sait que, dans ce cas, et contrairement à ce qui .. se passe avec. une vitesse de rotation hypocritique; le centre de gravité du système rotatif tend automatiquement vers l'axe géométrique de rotation.
Ceci a pour effet d'éliminer les se- cousses et l'on obtient ainsi une marche aussi régulière que possible du dispositif.
La diminution du diamètre du système d'élévation ro- tatif, adoptée en raison de l'augmentation de la vitesse de rotation de l'arbre, a pour effet d'accroître la section de passage libre pour les gaz et les vapeurs.
Il en résulte
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l' 8vantae qui COnS?w=t,8 en ce que pour une Ca?JC1'G ...01131C;2 de l'appareil; on peut réduire la section de la colonne et diminuer les frais d'installation de l'appareil. Les avan-
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t,8.es mentionnés plus haut et dus à l'aujfiientation de la vitesse de rotation sont atteints si' l'on dépasse les vitesses de rotation actuellement courantes; d'autre part,il n'est pas absolument indispensable d'augmenter la vltesse de rotation jusqu'à la valeur hypercritique. Une
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vitesse de 400 tou.Y's/;d:r:..m:;e peut être considérée COÍ,':
.e nor- :;-18.le. Une vitesse de rotation de @CO tours/minute ne peut plus être considérée comme courante, compte tenu das exécu- %ions normales. Bile permet cependant déjà d'atteindre les
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aVcilûa'-' ...5 caractéristiques pour la principe de l'invention.
Celui-ci englobe donc aussi les régimas où l'on dépasse la
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vitesse de rotation IiOr:a.î3. 0'.,'.r v r c.LtS?i; les eV&l1teges précités, on. prévoiz encore un nombre de sécurité; ainsi; la llmi ta entre les vitesses de n'uation nC)},"IDéÙ3S et celles -qui. sont déjà couver-ces par le principe de l'invention sera
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fixée à 450 tours/minute..
2. ) La perte de pression quq subit la vapeur en tra- versant les systèmes échangeurs est trop élevée pour certains cas d'application.
Les systèmes échangeurs décrits ci-dessus, à éléments internes rotatifs sont également applicables à la construc- tion. d'appareils de rectification. Ils n'ont cependant jamais trouvé une application dans ce domaine. On peut affirmer que la raison de cette situation, réside dans le fait que, pour résoudre les problèmes courants de la décomposition ther- mique de mélanges liquides, le's éléments internes 'fixes men- tionnés en premier lieu étaient suffisants, cela parce que notamment en raison des échanges combinés de chaleur et de matière entre la vapeur et le liquide - les coefficients de transmission de chaleur, qui se présentent lors de la conden- sation d'une partie, avec évaporation simultanée de l'autre partie, sont très importants des deux côtés des phases,,
et parce que la perte de pression dans la vapeur en circulation étai't tolérable. Cette perte représente en moyenne 2 mm de colonne de mercure par plateau échangeur et, dans le cas d'anneaux Raschig de 25mm, avec. la plus haute charge admissi- ble, s'élève à 3 mm de colonne de mercure par mètre d'épais- seur de couche.
Récemment et afin de permettre l'obtention de substan- ces nouvelles, le plus souvent à poids moléculaire élevé, il est devenu nécessaire de pouvoir entreprendre la rectificat tion dans un vide poussé, étant donné que les liquides à sé- parer réagissent chimiquement lorsqu'ils sont soumis aux pres- sions et donc aux températures plus élevées. Un simple exemple numérique, se rapportant également à l'objet de l'invention, permet de mettre en évidence'le fait que les éléments internes connus n'offrent pas la possibilité de satisfaire à cette condition.
Ainsi, par exemple, la pression absolue dans la colonne de sctifieetion ne doit pas dépasser 10 mm de colonne
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de mercure, compte tenu de la stabilité chimique des substan- ces à séparer, l'effet de séparation devant correspondre à celui produit par dix plateaux échangeurs.
On utilisera une pompe à vide agissant d'une manière si efficace que l'on obtient une pression absolue de 1 mm de colonne de Mercure à la. tête de la colonne de rectification (au-dessus du premier plateau supérieur extrême). Cn peut calculer faci- lement que les 10 plateaux échangeurs seulement déterminant dans la vapeur une chute de pression de 10 x 2 = 20 mm de colonne de mercure.; de sorte qu'il s'établit au pied de la colonne (au-dessous du premier plateau échangeur d'en bas) dne pression absolue de 1 = 20 = 21 mm de colonne de mercure, chiffre de beaucoup trop élevé si l'on tient compte de la condition posée au préalable.
Les plateaux échangeurs connus étant écartés, on pour- rait être amené à utiliser descorps de remplissage et à sou- mettre ceux-ci à de faibles charges,afin de réduire les pertes de pression., ce qui conduit à la construction de co- lonnes de grand diamètre, Toutefois, Inexpérience a démontré que ces éléments internes fixes sont inapplicables pour les trois raisons suivantes, Même si l'on était disposé à accep- ter une certaine perte de pression dans la vapeur en cir- culation: Dans un vide pousse; les quantités de liquide d'arrosage sont peu importantes, étant donné les faibles poids spécifiques des vapeurs.
La faible importance de la charge agit dans le même sens. Or, les très fai@les quantités en reflux déterminent un ruissellement insuffisant sur les corps de remplissage et donc un effet de séparation defavorable.
De plus, cet effet de séparation va en s'affaiblissant à me- sure que le diamètre de La colonne augmente; ce qui ressort des mesures systématiques. Il s'ensuit que les dispositifs de rectification connus ne permettent pas de satisfa-ire aux conditions posées par la rectification sous vide poussé.
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Partant de ce qui précède,l'invention vise à établir un dispositif permettant de remplacer les chicanes e1 et e de la fig.1, cette construction étant établie de telle façon @@e, en utilisant le dispositif d'atomisation rotatif décrit plus haut, on obtient que la vapeur en circulation subit seulement une perte de pression très légère, encore toléra- ble, ou ne subit aucune perte.. de pression, cependant que l'objectif de l'invention; qui consiste à recueillir le liqui- de d'un système échangeur et à le ramener au plateau a de ce même système, est atteint.
On arrive à ce principe de l'invention d'abord par des considérations de nature théori- que,dont. les c.onclusions ont été confirmées dans leur. exac- tituae parfaite'à l'aide de mesures. Lorsque, dans une sec- tion de colonne,supposée vide ou inoccupee pour la, plus grande part, le gaz ou la vapeur possède une vitesse de W, .. O on obtient des vitesses w1 et w2 dans les sections de pas- sage les plus étroites, laissées dans les étranglements déter- minés par les chicanes e1 et e2. A cet effet, on doit éta- blir dans le milieu en mouvement une baisse de pression P1 qui représente une grande partie de l'ensemble de la perte de pression d'un système. A cela s'ajoutent cependant encore les pertes de pression par déviation, par contraction .et par friction interne de la vapeur.
Plus les quotients des vi-
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tesses précitées, soit, 9-'"1. = 1 0 et 1'2 =: 2''Q. ! sont élevées, et plus la perte de pression sera importante, D'après la fig. 1, qui représente des réalisations pratiques à échelle, on obtient, des rapports de surface de
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tel::: y!,1 et c. = 5 ,
On sait par la théorie de la dynamique des fluides que les chutes de.pression (pertes de presseion) qui se manifestent dans ceux-ci sont déterminées par les accélérations, la con- traction, les chocs et la friction intérieure.
Partant de là,
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et afil1o' t '-"J)a.isser la perte de pression dans la vapeur en
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circulation d'un appareil de rectification, les deux chicane el et e2, destinées à ramener le liquide de l'enveloppe de la colonne vers les extrémités inférieures des écrans coni- ques en rotation, sont remplacées, conformément à l'invention, par une chicane unique 1, fige 2. Cette chicane est munie de cheminées de passage de vapeur 2, dimensionnées et conformées de telle fagon que la section de passage de vapeur soit aussi élevée que possible et qu'il ne se manifeste pas de pertes par contraction ou par choc.
Dans un système échangeur, la section de passage la plus étroite se présente une seule fois dans les manchons à vapeur 2,' dans lesquels existe une vitesse w1, cette vitesse, etant un multiple @=@1/@o de celle qui existe dans une section de colonne supposée vide. Dans un appareil contrôlé, d'un diamètre de colonne de 9CO mm, une valeur te, de 5,8 n'a donné lieu, dans le cadre de mesures effectuées systématiquement, qu'à une perte de pression globale de 1 mm de colonne d'eau = 0,074 mm tie colonne de mercure, lorsque la vitesse de la vapeur dans la section libre de la colonne était @O= 4m/s et que le poids spécifique de la vapeur @D= 0,045 kg/ms.
Ce poids spécifique correspond à celui des matières à poids molécu- laire élevé; lorsque la pression-absolue est de 10 mm de colonne de mercure. Il s'ensuit que dix systèmes échangeurs donnent lieu à une perte de pression de 0,74 mm de colonne de mercure seulement. Il convient de souligner que l'on a obtenu un effet de séparation très favorable lorsque, dans le cas de la rectification de mélanges éthanol-eau, on a mesuré un rapport de concentration moyen de 0,8 pour un enri- chissement de liquide de 50%, en moles, en fraction à point 1' ébullition moins élevé.
Afin d'augmenter la superficie des orifices des pas- sages de vapeur 2 dans les plateaux de captage et de reflux de liquide 1 et de réduire ainsi la'perte de pression dans la vapeur n circulation, on peut donner aux plateaux 1 la
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forme d'une surface conique qui va en s'evasant de l'inté- rieur vers l'extérieur.
Conformément à ce principe et toujours selon l'invention, on en arrive à une exécution constructi- ve dans laquelle le liquide projeté contre l'enveloppe cy- lindrique est intercepté au moyen d'une auge circulaire prévue sur cette enveloppe, ce liquide étant amené au bassin intérieur, par des canaux à liquide, tout en laissant une section de passage libre aussi grande que possible pour la vapeur, bassin d'où le dispositif élévateur en rotation élève à nouveau ce liquide.
Dans les figs. 3 à 6, l'auge annulaire d'un système échangeur est désignée par 11, les canaux de reflux par 12, et le bassin intérieur par 13. Dans ces figs.,14 désigne une rigole à joints hydrauliques, à travers laquelle le reflux s'écoule d'un système échangeur dans le suivant. En adoptant pour la colonne un diamètre de 900 mm, comme men- tionné plus haut, on a obtenu un rapport de surfaces de @= 2,3 (= section libre de la colonne, divisée par la section de 'passage de vapeur) , la perte de pression étant tombée à un cinquième environ de celle du mode de réalisa- tion de la fige 2, c'est-à-dire que, compte tenu des carac- téristiques techniques données (poids spécifique de la vapeur 0,046 kg/m3 et vitesse de la vapeur wO= 4 m/s), il s'établit,
par système échangeur une perte de pression de 0,2 mm de colonne d'eau seulement, c'est-à-dire, 'de 0,015 mm de colonne de mercure. Toutefois, lors de la recti- fication, et toutes autres conditions étant égales, on a mesuré un rapport d'enrichissement d'environ 10% inférieur à celui obtenu avec le mode de construction suivant la fig.2.
3. ) Des observations faites à l'aide de verres de regard ont permis d'expliquer ce phénomène par le fait que, par suite de la faible vitesse de la vapeur entre les canaux de reflux, de petites gouttelettes de liquide tombaient vers le bas.
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Or, ces gouttelettes de liquide ne tombent pas vers le bas uniquement à partir du bord de l'entonnoir; le choc' contre la paroi liquide donne lieu'par réflexion, à un rejet de &cattes, qui tombent également vers le bas.
Ce léger inconvénient peut' être éliminé grâce à une autre solution selon l'invention, solution qui permet de réaliser un avantage appréciable et qui consiste à disposer des tuyères 22 sur chaque plateau 21 d'un système échangeur suivant la fig. 7. L'embouchure inférieure de ces tuyères est convenablement arrondie, afin d'éviter des pertes par con- traction, tandis que la partie supérieure de chaque tuyère est évasée au-delà de sa section transversale, la plus étroi- te, conformément aux principes de la théorie de la dynamique des fluides, de telle manière que la presque totalité de l'énergie cinétique se transforme en énergie potentielle et qu'il ne se produit presqu'aucune perte de pression dans la vapeur lors de la traversée d'un plateau 21.
Les tuyères 22 peuvent présenter une section transversale circulaire,car- rée, rectangulaire, ou toute autre, et peuvent tre situées dans des plans droits ou coniques. Selon une autre variante de cette solution, le plateau peut être constitué par des tuyères annulaires (non circulaires) . Etant donné que la nappe de liquide - qui, au-dessus d'un plateau, est orientée vers l'extérieur et, dans des cas déterminés, est en outre dirigée'de façon légèrement oblique vers le haut - exerce un effet d'aspiration sur la vapeur, on peut réaliser à l'aide du dispositif suivant l'invention une rectification exempte de pertes (de pression) .
A ce propos, des mesures systématiques ont permis de constater que l'effet d'aspiration d'une nappe de liquide donne lieu, dans les conditions de narche indiquées, à une élévation de la pression de vapeur, orientée de bas an' haut, de 0,2 mm de colonne d' eau.
.Etant donné que la partie supérieure de la tuyère est élargie confo@@ément aux principes de la dynamique des fluides.
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on a la possibilité de faire en sorte que l'énergie cinétique qui se manifeste dans la section transversale la plus étroite de la tuyère, se transforme en énergie potentielle au-dessus de cette tuyère, ce qui permet de traverser un plateau prati- quement sans perte. Lorsque la section transversale la plus étroite de la tuyère annulaire représente 3 cm par exemple, il s'y établit une vitesse de gaz ou de vapeur 2,8 fois supé- rieure à celle qui existe au-dessus des tuyères lorsque celles ci présentent une hauteur totale de 20 cm, pour un angle de divergence de 15 .
Seule une tuyère annulaire - contrairement à une tuyère circulaire - permet une conversion sans pertes de la vitesse en pression, étant donné que les bords supérieurs se rencontrent directement sur une ligne circulaire et ne laissent pas d'espaces morts pour la formation de remous, lesquels se forment inévitablement entre les tuyères même lorsque ces dernières sont circulaires. Comparativement aux tuyères circulaires, les tuyères annulaires sont d'une cons- truction notablement plus économique. En considérant les vitesses précitées, qui se manifestent au-dessus des tuyères annulaires et dans leur section transversale la plus étroite, on constate que la pression de vapeur ou de gaz, qui s'exerce sur une goutte de liquide de bas en haut, est, dans la section de passage la plus étroite, presque 10 fois plus élevée qu'au dessus des tuyères.
Pour cette raison, les gouttes de liquide qui tombent dans les sections transversales étroites sont chassées de celles-ci vers le haut, sont happées par la masse de liquide projetée vers l'extérieur par le système élévateur rotatif et -sont amenées vers l'enveloppe de la colonne.
Une autre solution, susceptible d'être utilisée aussi bien seule qu'en combinaison avec le plateau à tuyères, cela afin d'éliminer les inconvénients de la réflexion de liquide mentionnée'plus haut, consiste à garnir la paroi in- térieure du système échangeur de tapis feutrés ou de bandes de
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tissus. Ces tapis ou bandes de tissus sont avantageusement fixées au voisinage de la puroi cylindrique, sur une grille de support, à travers laquelle le liquide peut s'écouler librement, vers le bas, entre la paroi et le tapis jusqu'au plateau d'interception. En principe, le tapis de freinage décrit ci-dessus et éprouvé par des essais peut être appli- qué de façon générale partout où il s'agit d'empêcher une dis- persion et un rejet du liquide projeté sur une paroi.
Les figs. 8 et 9 représentent l'objet de l'invention d'une manière schématique. Le plateau de captage ou d'in- terception de liquide est remplacé par des tuyères annulaires 31 juxtaposées concentriquement. Le liquide, qui arrive par l'aubage directeur 32 vers le système rotatif, d'élé- vation-de liquide, est projeté par ce dernier système vers l'extérieur, en direction de l'enveloppe, où il rencontre la natte 33 laquelle empêche la dispersion du liquide et son rejet vers le centre. Au contraire, le liquide s'écoule vers le plateau 34 et parvient, par l'entremise des tubes de circulation 35, dans le bassin fixe 36. Les tubes 37 per- mettent l'éc.oulement du liquide d'un plateau vers celui situé immédiatement au-dessous.
Alors que, dans la construction de machines, le mou- vement d'éléments de machine, mouvement qui comprend également la rotation, est très généralement considéré comme allant de soi - bien que, dans certains cas, il soit nécessaire de prévoir des systèmes de réserve ,, le principe dynamique n'est
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pas courant dans la c onstruc tion d' appareïls, lorsqu'il s'a- git de systèmes changeurs, et aboutit éventuellement aussi à l'établissement de systèmes de rserve. Pour pallier cet in- convénient, et selon l'invention, le liquide d'un système échangeur est élevé pneumatiquement au centre de la colonne, en évitant la présence d'organes rigides mobiles et est pro- jeté à l'extérieur tout en se pulvérisant.
Pour réaliser ce
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processus pneumatique, on prélève du liquide, par exemple depuis le plateau fixe d'un système échangeur, on le conduit vers le bas à l'extérieur de la colonne et on l'évapore dans un système de distillation ou d'ébullition situé plus bas.
Etant donné la position basse du dispositif de distillation, on obtient qu'il s'établit dans le tube d'arrivée du liquide un niveau de liquide qui, en dépit de la résistance à l'écou- lement, empêche un retour du liquide vers le système échan- geur, d'où ce dernier arrive. La vapeur produite est dirigée vers le haut et est amenée dans le centre du même système échangeur, à un dispositif fixe dans lequel le liquide est élevé, projeté à l'extérieur et pulvérisé. Des quantités de vapeur distinctes peuvent être utilisées pour l'élévation et pour la pulvérisation. D'autre part, on peut amener aux divers systèmes de la vapeur provenant d'un dispositif d'ébullition ou de distillation central commun.On peut éventuellement utiliser la vapeur d'eau ou un gaz pour l'exé-. cution du processus pneumatique.
La fig, 10 est une illustration de la solution, men- tionnée en dernier lieu, selon la présente invention. Dans cette fig. 41 désigne les tuyère s annulaires, et 42 le bassin fixe d'où le système pneumatique, de refoulement et de pulvérisation 43 élève le liquide et le projette contre l'en- veloppe garnie de tapis de tissus de freinage 44. Le liquide s'accumule sur la partie annulaire 45 du plateau d'où le gros du liquide arrive par les tubes de reflux 46, dans le bassin fixe 42. Une autre partie du liquide parvient, à travers le tube descendant 47, dans la chaudière de distillation 48, où a lieu la production de vapeur. Cette dernière est amenée par la conduite 49 au dispositif d'élévation et d'atomi- sation 43.
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The invention relates to exchangers, in particular to rectification devices, provided with rotating internal elements housed in vertical columns; primarily suitable for reverse flow exchangers.
In order to allow an exchange of materials or heat, or both at the same time, between, on the one hand, gases and vapors and, on the other hand, a liquid (with a view to absorption or rectification, for example), vertical columns are most often used, in which the two phases are conducted in countercurrent. A. Inside these columns are arranged internal elements intended to make it also perfect
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as possible the aforementioned exchange between the two phases. The best-known elements are the exchanger plates established in the manner of bells or perforated plates, as well as the filling bodies.
On the other hand, special constructions have been created, the nature of which was determined either by the partial exchange resistances which appear between the respective nuclei of the two phases and their contact surface, or by the desire to reduce to minimum pressure drops in the circulating gas or steam. The present invention starts from one of those special known types, namely, that of the types employed in the absorption art which is more particularly suitable for washing the benzol contained in the illumination gas by means of washing oil.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawings which show it by way of example. In these drawings:
Fig. 1 is an exemplary embodiment of the known special construction mentioned above, this view being in section.
Fig. 2 is a sectional view corresponding to that of fig.l, but showing an exchanger device established according to the invention.
Fig. 3 is a perspective representation, seen from above, of part of the internal elements of an exchanger according to the invention.
Fig. 4-is a perspective view of the internal organs according to FIG. 3, looking from below.
Fig. 5 is a sectional view along line V-V of the system shown in FIGS. 3 and 4.
Fig. 6 is a section along the line VI-VI of FIG. 5.
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Fig. 7 is an exemplary embodiment of an exchanger according to the invention.
Fig. 8 is a schematic sectional view of another variant of an exchanger according to the invention.
Fig. 9 is a partial view, looking from above, of the exchanger according to FIG. 8.
The f ig. 10 is a variant, according to the invention, of the exchanger shown in FIGS. 7 to 9, while figs. 11 to 14 show, schematically and in section, fragments of special embodiments of the rotating internal elements employed in the exchangers according to the invention.
As shown in fig. 1, the liquid which moves from top to bottom in a cylindrical column is collected in various exchanger systems arranged one above the other. In these systems, the liquid is lifted out of fixed cuvettes or trays a by means of rotating conical screens c, fixed on a shaft b, the liquid being projected outside and atomized from the edge of these screens under the effect of centrifugal force. The gas, which flows from bottom to top, must pass through the sheet of liquid dl which forms in this case. However, he must first lick the baffles e1 and e2, which represent continuous, unperforated surfaces.
These baffles determine the appearance of other liquid layers d2 and d3, as a result of the dripping of the liquid, these latter layers being crossed by the gas in an essentially horizontal direction.
The improvement in the exchange of matter, achieved by means of such a system during the absorption described above, is of such essential interest that, by comparison, the loss of pressure which the gas undergoes during the passage of a system is generally unimportant.
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Such liquid circulating exchanger systems are used successfully in the art, in a limited field, although they have serious flaws, revealed by systematic observations and measurements. The object of the present invention is to eliminate these defects and thus extend the field of application of the systems considered insi, in the current state of the art, such an apparatus has, for a diameter of l @ m column for example, a group of funnels (c in fig.l) with an outer diameter of 0.5 m; while its tree spins at :: '00'. revolutions per minute approximately. This number of turns is below the shaft's own vibration frequency.
Consequently, the latter spins at a hypocritical speed. Examination of an apparatus having the dimensions and operating characteristics mentioned above has made it possible to observe the drawbacks which will be indicated below and which have given rise to the inventions which will also be described below. The) The efficiency of the circulation of the liquid is very unfavorable, that is to say, the effective consumption of energy for the rotation of the shaft is more than 100 times greater than that which would be theoretically necessary to raise the liquid from the bottom of the basin, to the most elegant points of the funnels and to atomize the liquid.
This situation has two causes: a) The collection of the liquid at the bottom of a basin, as well as the routing of this liquid and its transfer from the fixed part to the moving part are not carried out in accordance with the data. of fluid dynamics. For this reason, and in accordance with the invention; 'the liquid is first conducted, in the fixed bowl, in a deflector system with vanes, from where it is', brought into the relative part,' which is advantageously also provided '- pallets, this transfer being done dans'des con.
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Technical editions free of shocks and taking into account the peripheral speed of the rotating part at the point of passage of the liquid.
It is not enough that the rotating part is only provided with pallets. For this reason, the object of the invention is both the fixed liquid deflector system, mentioned above, and the use of vanes 51 in the rotating part CA this connection, various tests have shown that a particularly favorable operation is obtained with a device consisting of several cylinders 52 or cones 53, each concentric with one another, the vanes 51 being arranged in the intervals between these cylinders or cones, the upper edge of said cylinders or cones being provided with a flat collar 54 or slightly conical 55 (figs.
11 to 14) where the atomization of the liquid takes place.
Considering the dimensions currently applied and the rotational speeds also mentioned above, a shaft carrying liquid lifting systems has such a high weight that the mechanical losses due to friction in the bearings and other causes inevitably become very high.
According to the invention, this weight is reduced by the fact that the diameter of the sys- is reduced. dull rotary and that the speed of rotation is increased The teachings of industrial mechanics highlight the following: When, for example, the outside diameter of funnel systems for elevation is halved. liquid, by doubling the speed of rotation on the other hand, the whole in comparison with an existing embodiment, the tensile force acting on the wall of the funnels remains unchanged. On the other hand, the centrifugal force with which the liquid is projected from the upper edge of the funnels changes from single to double.
In order to combine the fact so
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1-ec (,, nnL .1,? C .... ,, 1 additional aviotage, we push the summer-
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vation of the speed of rotation to the point or the draft; which in this case has a correspondingly reduced diameter, rotates at hypercritical speed. Its speed of rotation is therefore at this moment higher than the frequency of vibration.
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natural tion of the tree carrying the ¯Syst6ffi8 elévaJ, eü.r of liquid. We know that, in this case, and contrary to what .. happens with. hypocritical rotational speed; the center of gravity of the rotary system automatically tends towards the geometric axis of rotation.
This has the effect of eliminating jerks and thus the device runs as smoothly as possible.
The reduction in the diameter of the rotary lifting system, adopted due to the increase in the speed of rotation of the shaft, has the effect of increasing the free passage section for gases and vapors.
It results
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the 8vantae which COnS? w = t, 8 in that for a Ca? JC1'G ... 01131C; 2 of the apparatus; the section of the column can be reduced and the installation costs of the device reduced. Advances
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t, 8.es mentioned above and due to the increase in the rotational speed are achieved if one exceeds the currently current rotational speeds; on the other hand, it is not absolutely essential to increase the speed of rotation up to the hypercritical value. A
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speed of 400 t.Y's /; d: r: .. m:; e can be considered COÍ, ':
.e nor-:; - 18.the. A rotation speed of @CO revolutions / minute can no longer be considered as usual, taking into account normal operations. Bile, however, already makes it possible to reach
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aVcilûa'- '... 5 characteristics for the principle of the invention.
This therefore also includes the regimas where we exceed the
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rotation speed IiOr: a.î3. 0 '.,'. R v r c.LtS? I; the aforementioned eV & lteges, on. still provide a security number; so; the llmi ta between the speeds of nC)}, "IDéÙ3S and those -which are already covered by the principle of the invention will be
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set at 450 rpm.
2.) The pressure loss which the steam undergoes when passing through the exchanger systems is too high for certain applications.
The exchanger systems described above, with rotating internal elements, are also applicable to the construction. rectifying apparatus. However, they never found an application in this area. It can be said that the reason for this situation lies in the fact that, in order to solve the current problems of the thermal decomposition of liquid mixtures, the fixed internal elements mentioned in the first place were sufficient, this because in particular in due to the combined exchanges of heat and matter between the vapor and the liquid - the coefficients of heat transfer, which arise during the condensation of one part, with simultaneous evaporation of the other part, are very important of two sides of the phases,
and because the loss of pressure in the circulating steam was tolerable. This loss represents on average 2 mm of mercury column per exchanger plate and, in the case of 25mm Raschig rings, with. the highest permissible load is 3 mm of mercury column per meter of layer thickness.
Recently and in order to allow the production of new substances, most often of a high molecular weight, it has become necessary to be able to carry out rectification in a high vacuum, since the liquids to be separated react chemically when they are subjected to pressure and therefore to higher temperatures. A simple numerical example, also relating to the subject of the invention, makes it possible to demonstrate that the known internal elements do not offer the possibility of satisfying this condition.
So, for example, the absolute pressure in the sctification column should not exceed 10 mm column
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of mercury, taking into account the chemical stability of the substances to be separated, the separation effect having to correspond to that produced by ten exchanger plates.
We will use a vacuum pump acting in such an efficient manner that we obtain an absolute pressure of 1 mm column of Mercury at the. head of the rectification column (above the first extreme upper plate). It can easily be calculated that only 10 exchanger plates determine in the vapor a pressure drop of 10 x 2 = 20 mm of mercury column .; so that it is established at the foot of the column (below the first exchanger plate from below) an absolute pressure of 1 = 20 = 21 mm of mercury column, figure much too high if we takes into account the condition set beforehand.
The known exchanger plates being discarded, it might be necessary to use filling bodies and to subject them to low loads, in order to reduce the pressure losses, which leads to the construction of columns. of large diameter, However, experience has shown that these fixed internals are inapplicable for the following three reasons, Even if one was prepared to accept a certain loss of pressure in the circulating steam: In a high vacuum ; the quantities of coolant are small, given the low specific weight of the vapors.
The low magnitude of the load acts in the same direction. However, the very low amounts in reflux determine insufficient runoff on the filling bodies and therefore an unfavorable separation effect.
In addition, this separation effect becomes weaker as the diameter of the column increases; what emerges from systematic measures. It follows that the known rectifying devices do not allow satisfa-ire the conditions posed by the rectification under high vacuum.
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Starting from the above, the invention aims to establish a device making it possible to replace the baffles e1 and e of FIG. 1, this construction being established in such a way @@ e, by using the rotary atomization device described above. the result is that the circulating steam undergoes only a very slight loss of pressure, still tolerable, or does not undergo any loss of pressure, while the object of the invention is to achieve this; which consists in collecting the liquid from an exchanger system and returning it to the plate a of this same system, has been achieved.
This principle of the invention is arrived at first by considerations of a theoretical nature, including. the conclusions were confirmed in their. perfect exactitude with the help of measurements. When, in a column section, assumed to be empty or mostly unoccupied, the gas or vapor has a velocity of W, .. O we obtain velocities w1 and w2 in the passage sections narrower, left in the constrictions determined by the baffles e1 and e2. To this end, a pressure drop P1 must be established in the moving medium, which represents a large part of the total pressure drop of a system. In addition, however, there are also pressure losses by deflection, by contraction and by internal friction of the steam.
Plus the quotients of the
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the aforementioned tesses, that is, 9 - '"1. = 1 0 and 1'2 =: 2" Q.! are high, and the greater the pressure loss will be, According to fig. 1, which represents realizations practices at scale, we obtain surface ratios of
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tel ::: y !, 1 and c. = 5,
It is known from the theory of fluid dynamics that the pressure drops (pressure losses) which occur in them are determined by the accelerations, the contraction, the shocks and the internal friction.
From there,
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and afil1o 't' - "J) a.isser the pressure loss in the steam by
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circulation of a rectifying apparatus, the two baffles e1 and e2, intended to return the liquid from the casing of the column to the lower ends of the conical screens in rotation, are replaced, in accordance with the invention, by a single baffle 1, freeze 2. This baffle is provided with vapor passage stacks 2, dimensioned and shaped in such a way that the vapor passage section is as high as possible and that there are no losses by contraction or by shock.
In an exchanger system, the narrowest passage section occurs only once in the steam sleeves 2, 'in which there is a speed w1, this speed being a multiple @ = @ 1 / @ o of that which exists in a supposedly empty column section. In a controlled apparatus, with a column diameter of 9CO mm, a te value of 5.8 only gave rise, in the context of measurements carried out systematically, to an overall pressure loss of 1 mm column of water = 0.074 mm in the mercury column, when the vapor velocity in the free section of the column was @ O = 4m / s and the specific gravity of the vapor @ D = 0.045 kg / ms.
This specific weight corresponds to that of the high molecular weight materials; when the absolute pressure is 10 mm of mercury column. It follows that ten exchanger systems give rise to a pressure loss of only 0.74 mm of mercury column. It should be emphasized that a very favorable separation effect was obtained when, in the case of rectification of ethanol-water mixtures, an average concentration ratio of 0.8 was measured for a liquid enrichment of. 50%, by moles, as a lower boiling fraction.
In order to increase the surface area of the openings of the vapor passages 2 in the liquid collection and reflux plates 1 and thus to reduce the pressure loss in the circulating vapor, the plates 1 can be given the
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forms a conical surface which widens from the inside to the outside.
In accordance with this principle and still according to the invention, we arrive at a constructive execution in which the liquid projected against the cylindrical casing is intercepted by means of a circular trough provided on this casing, this liquid being conveyed in the interior basin, by liquid channels, while leaving as large a free passage section as possible for the steam, from which basin the rotating lifting device raises this liquid again.
In figs. 3 to 6, the annular trough of an exchanger system is designated by 11, the reflux channels by 12, and the interior basin by 13. In these figs., 14 denotes a channel with hydraulic seals, through which the reflux flows from one exchanger system to the next. By adopting a diameter of 900 mm for the column, as mentioned above, an area ratio of @ = 2.3 (= free section of the column, divided by the section of the vapor passage) was obtained, the pressure loss having fallen to about a fifth of that of the embodiment of fig 2, that is to say that, taking into account the technical characteristics given (specific weight of the vapor 0.046 kg / m3 and vapor speed wO = 4 m / s), it is established,
per exchanger system a pressure loss of only 0.2 mm water column, that is to say, '0.015 mm mercury column. However, during rectification, and all other conditions being equal, an enrichment ratio of about 10% lower than that obtained with the construction method according to FIG. 2 was measured.
3.) Observations made with sight glasses have explained this phenomenon by the fact that, due to the low speed of the vapor between the reflux channels, small droplets of liquid fell downwards. .
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However, these liquid droplets do not fall downwards only from the edge of the funnel; the impact 'against the liquid wall gives rise, by reflection, to a rejection of & cats, which also fall downwards.
This slight drawback can be eliminated by means of another solution according to the invention, a solution which makes it possible to achieve an appreciable advantage and which consists in placing nozzles 22 on each plate 21 of an exchanger system according to FIG. 7. The lower mouth of these nozzles is suitably rounded, in order to avoid losses by contraction, while the upper part of each nozzle is flared beyond its narrowest cross section, in accordance with the requirements. principles of the theory of fluid dynamics, such that almost all of the kinetic energy is transformed into potential energy and that almost no loss of pressure in the vapor occurs when passing through a tray 21.
The nozzles 22 may have a circular, square, rectangular, or any other cross section, and may be situated in straight or conical planes. According to another variant of this solution, the plate can be constituted by annular (non-circular) nozzles. Since the layer of liquid - which above a plate is directed outwards and in certain cases is also directed slightly obliquely upwards - exerts a suction effect on the steam, it is possible to achieve, using the device according to the invention, a rectification free of (pressure) losses.
In this regard, systematic measurements have shown that the suction effect of a sheet of liquid gives rise, under the indicated pressure conditions, to an increase in the vapor pressure, oriented from bottom to top, 0.2 mm water column.
As the upper part of the nozzle is widened in accordance with the principles of fluid dynamics.
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we have the possibility of causing the kinetic energy which manifests itself in the narrowest cross section of the nozzle to be transformed into potential energy above this nozzle, which makes it possible to cross a plateau practically without loss. When the narrowest cross section of the annular nozzle is 3 cm, for example, a gas or vapor velocity is 2.8 times greater than that which exists above the nozzles when they have a total height of 20 cm, for a divergence angle of 15.
Only an annular nozzle - unlike a circular nozzle - allows lossless conversion from speed to pressure, since the top edges meet directly on a circular line and leave no dead spaces for the formation of eddies, which inevitably form between the nozzles even when the latter are circular. Compared to circular nozzles, annular nozzles are significantly more economical in construction. Considering the aforementioned speeds, which occur above the annular nozzles and in their narrowest cross section, it can be seen that the vapor or gas pressure, which is exerted on a drop of liquid from bottom to top, is , in the narrowest passage section, almost 10 times higher than above the nozzles.
For this reason, the drops of liquid which fall in the narrow cross sections are driven up therefrom, are caught by the mass of liquid projected outwards by the rotary lifting system and are brought to the casing. of the column.
Another solution, which can be used both alone and in combination with the nozzle plate, in order to eliminate the drawbacks of the liquid reflection mentioned above, consists in lining the internal wall of the exchanger system. felted rugs or strips of
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fabrics. These carpets or strips of fabric are advantageously fixed in the vicinity of the cylindrical puroi, on a support grid, through which the liquid can flow freely, downwards, between the wall and the carpet to the interception plate. . In principle, the brake mat described above and tested by tests can be applied in general anywhere where it is a question of preventing dispersion and rejection of the liquid sprayed on a wall.
Figs. 8 and 9 represent the object of the invention in a schematic manner. The liquid capture or interception plate is replaced by annular nozzles 31 concentrically juxtaposed. The liquid, which arrives through the directing blading 32 towards the rotary liquid-lifting system, is projected by the latter system towards the outside, in the direction of the envelope, where it meets the mat 33 which prevents liquid dispersion and rejection to the center. On the contrary, the liquid flows towards the tray 34 and arrives, through the circulation tubes 35, in the fixed basin 36. The tubes 37 allow the flow of the liquid from one tray to that. located immediately below.
While in machine building the movement of machine parts, which also includes rotation, is very generally taken for granted - although in some cases it is necessary to provide for reserve ,, the dynamic principle is
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not common in the design of equipment, when it comes to changing systems, and possibly also results in the establishment of reserve systems. To overcome this drawback, and according to the invention, the liquid of an exchanger system is lifted pneumatically in the center of the column, avoiding the presence of rigid movable members, and is thrown to the outside while remaining. spraying.
To achieve this
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pneumatic process, liquid is taken, for example from the fixed plate of an exchanger system, it is led downwards outside the column and evaporated in a distillation or boiling system located below .
Given the low position of the distillation device, a liquid level is established in the liquid inlet tube which, despite the resistance to flow, prevents the liquid from returning to the liquid. the exchange system, where the latter comes from. The vapor produced is directed upwards and is brought in the center of the same exchanger system, to a fixed device in which the liquid is raised, projected outside and atomized. Separate amounts of steam can be used for lifting and for spraying. On the other hand, steam from a common central boiling or distillation device can be supplied to the various systems. Water vapor or a gas can optionally be used for the execution. cution of the pneumatic process.
Fig. 10 is an illustration of the last mentioned solution according to the present invention. In this fig. 41 designates the annular nozzles, and 42 the fixed basin from which the pneumatic, delivery and spray system 43 lifts the liquid and projects it against the envelope lined with braking cloth mats 44. The liquid s' accumulates on the annular part 45 of the plate from where the bulk of the liquid arrives through the reflux tubes 46, in the fixed basin 42. Another part of the liquid arrives, through the descending tube 47, in the distillation boiler 48, where steam production takes place. The latter is brought by line 49 to the lifting and atomizing device 43.