FR2518419A1 - METHOD FOR PUTTING LIQUIDS IN CONTACT WITH GASES - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION EST RELATIVE A UN PROCEDE POUR METTRE DES LIQUIDES EN CONTACT AVEC DES GAZ, PAR INTRODUCTION D'UN JET DE LIQUIDE COHERENT SORTANT D'UNE BUSE A UNE VITESSE ELEVEE, DANS UN LIQUIDE A TRAVERS UNE COUCHE DE GAZ. CONFORMEMENT A LA PRESENTE INVENTION, LE JET DE LIQUIDE SORT DE LA BUSE A UNE VITESSE DE 20 A 38 MS AVEC UN NOMBRE DE REYNOLDS D'AU MOINS 400000 ET LA LONGUEUR DE LA TRAJECTOIRE LIBRE DU JET DE LIQUIDE EST MAINTENUE A UNE VALEUR D'AU MOINS 15 FOIS LE DIAMETRE DU JET DE LIQUIDE. CE PROCEDE REND POSSIBLE LA MISE EN CONTACT DE LIQUIDES AVEC DES GAZ DE FACON SIMPLE ET PEU COUTEUSE, AVEC UNE VITESSE ACCRUE DE TRANSFERT DE MASSE ET UNE MOINDRE CONSOMMATION D'ENERGIE PAR RAPPORT A L'ART ANTERIEUR.THE PRESENT INVENTION RELATES TO A PROCESS FOR PLACING LIQUIDS IN CONTACT WITH GAS, BY INTRODUCING A JET OF COHERENT LIQUID COMING FROM A NOZZLE AT A HIGH SPEED, INTO A LIQUID THROUGH A LAYER OF GAS. PURSUANT TO THE PRESENT INVENTION, THE JET OF LIQUID COMES OUT OF THE NOZZLE AT A SPEED OF 20-38 MS WITH A NUMBER OF REYNOLDS AT LEAST 400,000 AND THE LENGTH OF THE FREE TRAJECTORY OF THE JET OF LIQUID IS MAINTAINED AT A VALUE OF ' AT LEAST 15 TIMES THE DIAMETER OF THE JET OF LIQUID. THIS PROCESS MAKES POSSIBLE THE CONTACT OF LIQUIDS WITH GAS IN A SIMPLE AND LOW COST MANNER, WITH AN INCREASED MASS TRANSFER SPEED AND LESS ENERGY CONSUMPTION COMPARED TO THE PRIOR ART.
Description
La présente invention est relative à un procédéThe present invention relates to a process
pour mettre des liquides en contact avec des gaz, par intro- to put liquids in contact with gases, by introducing
duction d'un jet de liquide cohérent par l'intermédiaire d'une buse, à travers la couche de gaz à haute vitesse dans le liquide. En raison principalement de la quantité croissante d'effluents à purifier et des progrès en biotechnologie réalisés, ces dernières années, on a observé un besoin fortement accrû de nouveaux procédés pour mettre en contact des gaz et des liquides qui peuvent satisfaire de façon économique aux diverses nécessités, à savoir augmenter la ducting a stream of coherent liquid through a nozzle, through the gas layer at high velocity in the liquid. Due mainly to the increasing amount of effluent to be purified and advances in biotechnology achieved in recent years, there has been a greatly increased need for new processes to contact gases and liquids that can economically satisfy the various necessities, namely to increase the
capacité de l'équipement, diminuer l'investissement spécifi- capacity of the equipment, reduce the specific investment
que et les coûts énergétiques et réduire les durées de réaction et de séjour, par rapport aux réacteurs de mélange généralement utilisés à ce propos Aucun procédé connu unique that and the energy costs and reduce the reaction and residence times, compared to the mixing reactors generally used in this regard No single known process
ne peut, en pratique, satisfaire à toutes ces exigences. can not, in practice, satisfy all these requirements.
Sch Ugerl, K (Chem -Ing Tech 52, 951-965, ( 1980)) donne un bon aperçu des méthodes connues Selon lui, les unités de contact gaz-liquide connues peuvent être classées en fonction de la méthode de transfert d'énergie, parmi les groupes suivants: systèmes mécaniques, systèmes à compresseur, Sch Ugerl, K (Chem-Ing Tech 52, 951-965, (1980)) gives a good overview of the known methods. According to him, the known gas-liquid contact units can be classified according to the energy transfer method. , among the following groups: mechanical systems, compressor systems,
systèmes à pompe et leur associations. pump systems and their associations.
Une comparaison des différents systèmes de contact gaz-liquide est effectuée en pratique en fonction de la vitesse du transfert de masse, de la consommation d'énergie spécifique du transfert de masse et de la dépendance de ces deux facteurs avec la viscosité De façon générale, onpeut établir pour les systèmes connus, que dans le cas de liquides à viscosité élevée, ils ne peuvent pas simultanément satisfaire aux exigences d'une vitesse élevée de transfert A comparison of the different gas-liquid contact systems is carried out in practice as a function of the speed of the mass transfer, the specific energy consumption of the mass transfer and the dependence of these two factors on the viscosity. It can be established for known systems that in the case of high viscosity liquids they can not simultaneously satisfy the requirements of a high transfer rate.
de masse et d'une demande énergétique minimum. mass and minimum energy demand.
Dans la plupart des systèmes basés sur un contact gaz-liquide, la vitesse de transfert de masse entre la phase gazeuse et la phase liquide correspond au procédé le plus lent et cette vitesse détermine-aussi les durées des autres réactions Une augmentation de la vitesse de transfert de masse permet une notable diminution des durées de réaction, dans de nombreux cas accompagnée d'une réduction du volume opérationnel du système Dans le cas o une augmentation de la concentration est rendue possible par une augmentation de la vitesse du transfert de masse et est accompagnée d'un In most systems based on gas-liquid contact, the mass transfer rate between the gas phase and the liquid phase corresponds to the slowest process and this speed also determines the duration of the other reactions. mass transfer allows a significant decrease in reaction times, in many cases accompanied by a reduction in the operational volume of the system In the case where an increase in concentration is made possible by an increase in the mass transfer rate and is accompanied by
accroissement de la viscosité, il est très important d'as- increase in viscosity, it is very important to
surer que le fonctionnement du système ne dépende que dans that the operation of the system depends only on
une mesure réduite, de la viscosité de la phase liquide. a reduced measurement of the viscosity of the liquid phase.
En général, les systèmes connus ne peuvent pas satisfaire cette exigence, Dans les systèmes connus à base de pompe, une variante comprenant un jet de liquide qui plonge ou entre In general, the known systems can not meet this requirement. In known pump-based systems, a variant comprising a jet of liquid which dips or enters
en contact, est utilisée de façon croissante Il est carac- in contact, is being used more and more.
téristique de ces systèmes que le gaz est envoyé à travers le liquide à l'aide d'un jet plongeant du haut et entrant of these systems that the gas is sent through the liquid using a jet plunging up and in
en collision avec le liquide, tandis que le liquide lui- collide with the liquid, while the liquid itself
même circule Deux types de tels systèmes sont connus: l'entraînement du gaz est réalisé avec une pompe à jet de liquide; dans ce cas, le gaz est dispersé dans le jet de liquide avant le choc (brevet RDA N O 56 763); le gaz est transporté mécaniquement dans le liquide sous l'effet de l'inégalité superficielle du jet de liquide libre cohérent traversant la couche de gaz; dans ce cas, la principale dispersion du gaz a lieu après Two types of such systems are known: the entrainment of the gas is carried out with a liquid jet pump; in this case, the gas is dispersed in the jet of liquid before the impact (RDA Patent No. 56 763); the gas is transported mechanically in the liquid under the effect of the surface unevenness of the coherent free liquid jet passing through the gas layer; in this case the main dispersion of the gas takes place after
le choc, (Sch Ugerl, K, Chem-Ing Tech 52 956 ( 1980 >). shock, (Sch Ugerl, K, Chem-Ing Tech 52 956 (1980)).
L'inconvénient fondamental des procédés connus The fundamental disadvantage of known processes
exploitant le dernier principe, réside en ce qu'une aug- the last principle, is that an increase
mentation de la vitesse du jet de liquide provoque une forte réduction de la quantité de gaz dissous par unité d'énergie (van de Sande, E and Smith, J M, Chem Eng J. , 225-233 ( 1975), Figure 6), tandis que la profondeur de pénétration du jet de liquide est si faible dans la gamme des petites vitesses du jet de liquide avantageuses du the speed of the liquid jet causes a sharp reduction in the amount of dissolved gas per unit of energy (Van de Sande, E and Smith, JM, Chem Eng J, 225-233 (1975), Figure 6), while the penetration depth of the liquid jet is so low in the range of advantageous low velocity liquid jet velocities of the
point de vue énergétique (inférieures à 5 m/s), que l'uti- energy point of view (below 5 m / s), that the use of
lisation pratique, en particulier l'utilisation-industrielle practical use, especially industrial use
à grande échelle, est ainsi considérablement réduite (Chem. on a large scale, is thus considerably reduced (Chem.
Eng J 10, 231 ( 1975) On peut attribuer à ce fait que l'efficacité de tels procédés obtenue en pratique, est inférieure à celle des contacteurs gaz-liquide d'autres Eng J 10, 231 (1975) It can be attributed to this fact that the efficiency of such processes obtained in practice is lower than that of the gas-liquid contactors of others.
types (Chem Ing Tech 52, 951-965 ( 1980), Table II). types (Chem Ing Tech 52, 951-965 (1980), Table II).
La présente invention cherche à fournir un procédé qui élimine ou réduit les inconvénients-des solutions connues et rendre possible le contact de liquides avec des gaz de façon simple et peu coûteuse, tout en atteignant des vitesses accrues de transfert de masse et une consommation The present invention seeks to provide a process which eliminates or reduces the disadvantages of known solutions and makes it possible to contact liquids with gases in a simple and inexpensive way, while achieving increased mass transfer rates and consumption.
énergitique inférieure à celle de l'art antérieur. less energetic than that of the prior art.
La présente invention repose sur la constatation que le rendement et les propriétés d'un système peuvent être fortement augmentés, si la vitesse du jet de liquide atteint ou dépasse la valeur de 20 m/s et si le nombre de Reynolds du jet de liquide quittant la buse atteint ou The present invention is based on the observation that the efficiency and properties of a system can be greatly increased, if the liquid jet velocity reaches or exceeds the value of 20 m / s and the Reynolds number of the liquid jet leaving the nozzle reaches or
dépasse la valeur de 400 000 Cette-constatation est éton- exceeds the value of 400 000 This finding is surprisingly
nante parce que, étant donnée la relation connue existant entre la vitesse du jet de liquide et de l'absorption spécifique du gaz, on s'attend à ce qu'avec de telles valeurs de vitesse de jet de liquide, la quantité de gaz pouvant because, given the known relationship between the velocity of the liquid jet and the specific absorption of gas, it is expected that with such liquid jet velocity values, the amount of gas can be
se dissoudre, diminue plutôt qu'augmente. to dissolve, diminishes rather than increases.
Une autre base de la présente invention consiste en la découverte du fait que la quantité de gaz qui peut être dissous par unité d'énergie, peut être encore accrue si la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide cohérent atteint ou dépasse 15 fois le diamètre du jet de liquide. Another basis of the present invention is the discovery that the amount of gas that can be dissolved per unit of energy can be further increased if the length of the free path of the coherent liquid jet reaches or exceeds 15 times the diameter of the liquid jet.
En conséquence, la présente invention est rela- Accordingly, the present invention is related to
tive à un procédé pour mettre en contact des liquides avec to a process for contacting liquids with
des gaz, selon lequel un jet de liquide cohérent est intro- gases, according to which a coherent liquid jet is introduced
duit à vitesse élevée à partir d'une buse, à travers une couche de gaz dans le liquide Conformément à la présente invention, le jet de liquide sort de la buse à une vitesse de 20 à 38 m/s, de préférence 24 à 28 m/s, avec un nombre de Reynolds d'au moins 400 000 et la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide est maintenue à une valeur d'au moins 15, de préférence de 20 à 25 fois at high speed from a nozzle, through a layer of gas in the liquid In accordance with the present invention, the jet of liquid exits the nozzle at a speed of 20 to 38 m / s, preferably 24 to 28 m / s, with a Reynolds number of at least 400,000 and the length of the free path of the liquid jet is maintained at a value of at least 15, preferably 20 to 25 times
le diamètre du jet liquide.the diameter of the liquid jet.
Le procédé conforme à la présente invention est très largement applicabie pour réaliser un contact intense entre la plupart des liquides variés, par exemple des solutions ou des suspensions et des gaz ou des mélanges gazeux Des applications possibles sont, par exemple, la fermentation aérobie, la purification d'effluent biologique aérobie, l'aération de viviers, des réactions catalytiques gaz-liquide, par exemple l'hydrogénation The process according to the present invention is very widely applicable to effecting intense contact between most of the various liquids, for example solutions or suspensions and gases or gas mixtures. Possible applications are, for example, aerobic fermentation, purification of aerobic biological effluent, aeration of viviers, catalytic gas-liquid reactions, for example hydrogenation
catalytique et la purification des gaz par absorption. catalytic and purification of gases by absorption.
Les principaux avantages du procédé conforme à la présente invention sont les suivants: The main advantages of the process according to the present invention are the following:
a) Une augmentation notable de la vitesse de trans- (a) A significant increase in the speed of trans-
fert de masse est rendue possible, par rapport à ce que fournissent des procédés connus Il permet une valeur maximum de la vitesse de transfert d'oxygène à partir de l'air, de 50 à 55 kg 02/m 3 x-heure, ce qui est un multiple de la quantité d'oxygène qui peut être dissoute avec un mass is made possible, compared to that provided by known methods It allows a maximum value of the oxygen transfer rate from air, 50 to 55 kg 02 / m 3 x-hour, this which is a multiple of the amount of oxygen that can be dissolved with a
équipement connu.known equipment.
b) La vitesse élevée de transfert de masse permet de réduire notablement le volume du réacteur et d'augmenter (b) The high mass transfer rate significantly reduces reactor volume and increases
en proportion la concentration du produit. in proportion to the concentration of the product.
c) Il rend possible une consommation d'énergie spécifique avantageuse; pour dissoudre 1 kg de 02, il (c) It makes possible an advantageous specific energy consumption; to dissolve 1 kg of 02, he
faut 0,17 à 0,38 k Wh d'énergie.0.17 to 0.38 k Wh of energy is required.
d) Le transfert de masse est pratiquement indé- d) Mass transfer is practically inde-
pendant de la-viscosité du liquide, sur une large gamme. during the viscosity of the liquid, over a wide range.
e) Une vitesse extrêmement élevée de l'utilisa- e) Extremely high speed of use
tion du gaz est permise, si bien qu'une vitesse donnée de transfert de masse peut être atteinte avec une prise de gaz relative bien plus petite,entrainant ainsi une gas flow is permitted, so that a given mass transfer rate can be achieved with a much smaller relative gas uptake, thus
meilleure utilisation du volume.better use of the volume.
f) Le procédé peut être effectué dans un équipement extrêmement simple, avec de faibles coûts d'entretien et d'investissement. Une augmentation de la dimension de l'équipement peut être réalisée avec une diminution simultanée de la f) The process can be carried out in extremely simple equipment, with low maintenance and investment costs. An increase in the size of the equipment can be achieved with a simultaneous decrease in
consommation spécifique d'énergie du transfert de masse. specific energy consumption of mass transfer.
Un quelconque type de buse convenable pour produire un jet cohérent de liquide peut être utilisé conformément au procédé Afin de réduire les pertes d'écoulement, il est avantageux d'utiliser le dénommé "tuyau à jet" ayant un profil paraboloîde-hyperboloide, utilisé dans des Any type of nozzle suitable for producing a coherent stream of liquid can be used in accordance with the process. In order to reduce flow losses, it is advantageous to use the so-called "jet pipe" having a paraboloid-hyperboloid profile, used in of the
turbines Pelton.Pelton turbines.
Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront In addition to the foregoing, the invention also includes other arrangements, which will emerge
de la description qui va suivre.of the following description.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du The invention will be better understood by means of
complément de description qui va suivre, qui se refère à additional description which follows, which refers to
des exemples de mise en oeuvre du procédé objet de la examples of implementation of the process object of the
présente invention.present invention.
Exemple 1Example 1
On introduit 0,2 m 3 d'une solution de sulfite de sodium 0,5 M dans un récipient ayant une hauteur de 2,5 m et un diamètre de 0,45 m et on la fait circuler à travers une buse de 0,02 m de diamètre en présence de 0, 001 mole/ * 5 litre de sulfate de cobalt à titre de catalyseur A l'aide d'un jet de liquide ayant une vitesse de 22,5 m/s (RE = 450 000) et une longueur de trajectoire libre de 0,4 m, on obtient une vitesse de transfert d'oxygène à partir de l'air à la pression atmosphérique, qui est de 49,2 kg de 02 /m 3 x heure, telle que mesurée sur la méthode reposant sur l'oxydation du sulfite de sodium (Linek, V and Vacek V, Chem Eng Sci 36, 1747-68 ( 1981)) Cette valeur correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,18 k Wh/kg de 02 0.2 m 3 of a 0.5 M sodium sulfite solution is introduced into a container having a height of 2.5 m and a diameter of 0.45 m and is circulated through a nozzle of 0, 0.2 m in diameter in the presence of 0.001 mole per liter of cobalt sulfate as a catalyst Using a jet of liquid having a velocity of 22.5 m / s (RE = 450 000) and a free path length of 0.4 m, a rate of oxygen transfer from air at atmospheric pressure of 49.2 kg O 2 / m 3 x hour, as measured on the method based on the oxidation of sodium sulphite (Linek, V and Vacek V, Chem Eng Sci 36, 1747-68 (1981)) This value corresponds to a specific energy consumption of 0.18 k Wh / kg of 02
Exemple 2Example 2
Là procédure décrite dans l'exemple 1 est répétée si ce n'est que l'on utilise un jet de liquide ayant une vitesse de 34,8 m/s(Re = 556 000) et une bute de 0,O 16 m de diamètre La vitesse de dissolution de l'oxygène est de ,0 kg de 02/m 3 x-heure,qui correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,38 k Wh/kg de 2 The procedure described in Example 1 is repeated except that a jet of liquid having a velocity of 34.8 m / s (Re = 556 000) and a stop of 0.016 m 2 are used. diameter The rate of dissolution of oxygen is 0 kg 02 / m 3 x-hour, which corresponds to a specific energy consumption of 0.38 k Wh / kg of 2
Exemple 3Example 3
On met en circulation 2,5 m 3 d'une solution 0,5 M de sulfite de sodium dans un récipient de 6,5 m de hauteur et 1 m de diamètre, à travers une buse de 0,06 m de diamètre, en présence de 0,001 mole/l de sulfate de cobalt catalyseur de même que dans l'exemple 1 La longueur de la trajectoire libre du jet de liquide-est de 09 m et sa vitesse est de 25,4 m/s (Re = 1 524 000) La vitesse de dissolution de l'oxygène èst de 54,5 kg de 02/m 3 x heure, qui correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,17 k Wh / kg de 2.5 m 3 of a 0.5 M solution of sodium sulphite is put into circulation in a vessel 6.5 m high and 1 m in diameter, through a nozzle 0.06 m in diameter. presence of 0.001 mol / l of cobalt sulfate catalyst as in Example 1 The length of the free path of the liquid jet is 09 m and its speed is 25.4 m / s (Re = 1524 000) The dissolution rate of oxygen is 54.5 kg of O 2 / m 3 x hour, which corresponds to a specific energy consumption of 0.17 k Wh / kg of
Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inven- As is apparent from the foregoing, the invention
tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la tion is not limited to those of its modes of implementation, of realization and of application which have just been described more explicitly; on the contrary, it embraces all the variants that may come to the mind of the technician in the field, without departing from the scope, the scope, the
présente invention.present invention.
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