FR2909894A1 - Systeme deflecteur pour plateaux de colonnes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un plateau de colonne muni d'un système déflecteur pour la phase gaz dans des colonnes de contact gaz-liquide et une colonne de contact gaz-liquide équipée d'au moins un plateau selon l'invention.L'invention concerne également une méthode de séparation améliorée pour plateaux de colonnes de contact gaz-liquide au moyen du système déflecteur de la phase gaz.

Description

Domaine technique Le domaine technique de l'invention est le traitement de

tout effluent gazeux, ou de charge hydrocarbonée liquide, notamment le traitement de gaz naturel, la capture de CO2, et la distillation ou la distillation réactive. On entend par "système déflecteur" un système permettant de modifier l'orientation et la répartition d'un flux gazeux ou liquide sur une section de colonne de contact. On entend par "toit" tout moyen d'obturation au moins partielle du ciel situé 15 au-dessus de la section du déversoir SD. Le toit peut prendre la forme d'une plaque ou tout autre forme adéquate. On entend par "baffle" une plaque déflectrice, pouvant comprendre notamment une partie inférieure principale et une partie supérieure plus courte pliée par rapport à la 20 partie inférieure principale. Objet de l'invention 25 L'invention concerne un plateau de colonne comprenant un système déflecteur du gaz qui permet de réorienter le flux gaz et de le répartir sur une section de surface supérieure à la section conventionnelle de passage gaz au moyen d'un toit situé au-dessus du déversoir de liquide. Le système peut avantageusement être mis en place sur une colonne existante. 30 L'invention concerne également une méthode de mise en contact gaz-liquide utilisant au moins un plateau de colonne de contact gaz-liquide selon l'invention. L'invention a également pour objet une colonne de mise en contact gaz-liquide 35 comprenant au moins un plateau selon l'invention. 1 2909894 Art antérieur Principe général 5 Dans les colonnes envisagées (distillation, traitement de gaz, lavage de gaz), l'objectif est de mettre en contact le gaz à traiter avec un liquide pour favoriser le transfert de matière entre le gaz (ou la phase vapeur) et le liquide. Dans les procédés de distillation, de distillation réactive, de traitement ou de 10 lavage de gaz, les transferts de masse et de chaleur entre une phase gaz et une phase liquide, généralement en circulation à contre courant dans des colonnes (gaz ascendant et liquide descendant), sont réalisés au moyen de technologies, appelés contacteurs, qui favorisent ces transferts. Il existe trois grands types de contacteurs, les garnissages vracs, les garnissages structurés et les plateaux de colonnes.

Les plateaux de colonnes pour colonnes de distillation de lavage ou de traitement de gaz ont été développés depuis de nombreuses années et leur dimensionnement est bien établi pour ce qui relève de plateaux standards (cf. par exemple Engineering Data Book edited by Gas Processors Association, 1998). Afin d'optimiser le dimensionnement des colonnes, les voies majeures d'amélioration des plateaux de colonnes concernent soit leur efficacité, soit leur capacité. Ces dernières années les efforts de développement se sont particulièrement portés sur l'augmentation de la capacité par différents moyens. Un gain en capacité permet de passer plus de débit, soit gaz soit liquide, soit les deux. Ce gain en capacité peut permettre un gain de débits à diamètre de colonne constant par remplacement des contacteurs existants par des nouveaux contacteurs plus capacitifs (cas de revamps) ce qui peut éviter la construction d'une nouvelle colonne; ou peut permettre un gain sur le diamètre de la colonne dans le cas d'une nouvelle installation. Dans les deux cas, un gain d'investissement est attendu. Parfois un gain en capacité entraîne également un gain sur les coûts de fonctionnement. En effet, dans certains procédés de lavage de gaz, le bon fonctionnement du contacteur est assuré par une valeur minimale du débit de liquide par unité de surface. L'utilisation d'un contacteur plus capacitif permet alors, pour un débit gaz donné, de réduire le diamètre de la colonne. Le débit de liquide par unité de surface étant maintenu constant, le débit total de liquide diminue. Les coûts opératoires associés à la circulation du liquide s'en trouvent ainsi diminués.

2 2909894 3 Un des principaux moyens étudiés est la mise en place en-dessous du plateau d'un équipement permettant la séparation des gouttelettes, il peut s'agir par exemple d'un équipement de type garnissage structuré ou dévésiculeur (cf. document US 2004/0099970).

5 De nombreux brevets font état d'ajout de plaques déflectrices pour améliorer les performances du plateau. Deux concepts sont à l'origine de l'ajout de plaques déflectrices, selon l'application visée. Un premier objectif est de distribuer la phase gaz de telle sorte qu'elle dirige la phase liquide pour améliorer l'écoulement et les échanges dans la phase d'émulsion 10 gaz/liquide (documents GB 734,759; SU858854, SU615941) ou au moins d'améliorer l'écoulement de liquide sur le plateau (US 4556522, GB 828655), au moyen de plaques longitudinales par rapport au sens de l'écoulement ou ayant une partie finale sensiblement horizontale. Un autre objectif est d'autre part d'arrêter les gouttes entraînées avec le liquide 15 par effet d'impact (WO99/26718, WO01/43844, DE156776). L'amélioration de capacité se fait donc soit par réorientation directe du flux liquide en phase liquide ou en phase mixte, soit par réorientation du flux liquide au moyen du gaz, afin d'éviter notamment les effets de bord.

20 La présente invention concerne une amélioration des plateaux de colonnes par l'augmentation de leur capacité en cherchant notamment à orienter le flux de gaz dans des directions privilégiées au-dessus de la zone d'émulsion ou zone de contact gaz-liquide ((4) sur la figure 1).

25 Description de l'invention Résumé de l'invention L'invention concerne un plateau de colonnes de contact gaz-liquide comprenant 30 une section de passage du liquide SD délimitée par au moins un déversoir et une section comportant des moyens de passage du gaz SAA, qui comprend un système déflecteur comprenant un toit au-dessus de la section SD, afin de répartir la phase gaz sur une section de superficie supérieure à la section comportant les moyens de passage du gaz SAA.

35 De préférence, tout le toit se situe au-dessus de l'interface gaz liquide.

2909894 4 Le système déflecteur peut comprendre une pluralité de plaques déflectrices allongées situées au-dessus du niveau du déversoir, dont une plaque forme ledit toit. De préférence, les plaques déflectrices et/ou le toit sont inclinées par rapport à la verticale. Dans un mode de réalisation selon l'invention, le toit et/ou les plaques déflectrices ont la forme de baffles comprenant une partie inférieure principale et une partie supérieure plus courte pliée.

10 L'invention concerne également une méthode de contact gaz-liquide en colonne qui comprend les étapes suivantes: • on met en place un écoulement liquide et gaz à contre courant à travers au moins un plateau de contact gaz-liquide comprenant une section de passage du liquide SD délimitée par au moins un déversoir et une section 15 comportant des moyens de passage du gaz SAA; • on réoriente la majeure partie de la phase gaz et on la répartit sur la totalité de la section de passage disponible au gaz correspondant à la section du plateau munie de moyens de passage gaz SAA augmentée de la section de passage du liquide SD, au moyen d'un système déflecteur 20 comprenant un toit au-dessus de la section de passage du liquide SD; • on évacue vers le plateau inférieur le liquide récolté. Dans un mode de réalisation, on réoriente la majeure partie de la phase gaz au moyen d'une pluralité de plaques déflectrices allongées situées au-dessus du niveau 25 du déversoir, dont une plaque forme ledit toit. Avantageusement, la réorientation du flux se fait totalement en phase gaz. On peut améliorer la répartition du gaz au moyen d'un matelas de type 30 dévésiculeur ou d'une fine épaisseur de garnissage disposé(e) juste au-dessus du toit et/ou des plaques. L'invention concerne enfin une colonne de contact gaz-liquide comprenant au moins un plateau de colonnes selon l'invention.

5 35 2909894 5 Description détaillée Liste des figures : 5 La figure 1 représente le schéma de principe d'une colonne à l'échelle de trois plateaux, telle que connue de l'art antérieur. La figure 2 représente le schéma de principe d'une colonne équipée d'un 10 système déflecteur selon la présente invention formé d'un toit et d'un système de plaques déflectrices sensiblement parallèles. La figure 3 représente une vue en coupe selon AA de la Figure 1 (colonne de l'art antérieur) montrant la répartition des sections : section de passage 15 correspondant aux déversoirs, SD, et section de passage correspondant à l'aire active, SAA. La figure 4 représente une vue en 3 dimensions d'un mode de réalisation de système déflecteur selon l'invention comprenant un toit et des plaques déflectrices 20 avec un système dévésiculeur placé juste au-dessus du système déflecteur. La figure 5 représente le résultat d'une simulation d'écoulement des flux en l'absence du système déflecteur du gaz selon l'invention.

25 La figure 6 représente le résultat d'une simulation d'écoulement des flux en présence d'un mode de réalisation du système déflecteur selon l'invention (toit et plaques déflectrices sensiblement parallèles).

30 Description des figures La présente invention permet d'optimiser le fonctionnement de colonnes de distillation ou d'absorption réactive ou de lavage de gaz dans lesquelles un gaz, G, est mis au contact d'un liquide, L, s'écoulant à contre courant. Le liquide est descendant 35 alors que le gaz est ascendant.

2909894 6 Comme représenté sur la Figure 1 (état de l'art actuel) ces colonnes (1) sont équipées de nombreux plateaux (10) sur lesquels se fait le contact entre les phases gaz (flèches en traits gras pointillés) et liquide (flèches en traits gras continus). Le liquide descend du plateau supérieur via une cheminée de descente (2), se répand sur 5 le plateau (10) sur lequel un niveau de liquide est retenu via un barrage en extrémité de plateau : déversoir (9). Cette zone de retenue liquide (4) est traversée par le gaz issu de la zone (3) située en-dessous du plateau de contact. La zone (4) est le siège d'un bouillonnement important favorisant le transfert de masse et de chaleur entre le gaz et le liquide. Les deux phases ayant été mises en contact doivent ensuite être 10 séparées. Le gaz continue son parcours ascendant au travers d'une zone de brouillard (7) dans laquelle les gouttes de liquide entraînées retombent dans la zone de transfert (4). Le gaz atteint ensuite une autre zone (8) dans laquelle plus aucune goutte n'est entraînée; le gaz peut alors accéder au plateau supérieur en passant par les clapets ou 15 tout autre moyen de passage gaz sur le plateau. Le liquide quant à lui déborde au-dessus d'un barrage pour tomber dans le déversoir (9). Une première zone de mélange (5) au niveau du ciel du déversoir existe. La section de cette zone doit être telle qu'elle permette la séparation des phases, c'est-à-dire que les bulles de gaz entraînées puissent remonter vers la partie supérieure alors que le liquide continue à 20 descendre vers le plateau inférieur en traversant une zone dans le bas du déversoir (6) de liquide clair dépourvu de gaz entraîné. La présente invention (Figure 2) consiste à adjoindre un toit (11) au-dessus de la section délimitée par le déversoir (19) et éventuellement d'autres plaques 25 déflectrices parallèles (12) au-dessus de la surface libre de l'écoulement liquide sur le plateau. Ces plaques inclinées qui peuvent prendre toute forme adéquate, notamment de baffles comme définies précédemment, ont pour objet de canaliser et répartir la phase gaz sur la totalité de la section de passage disponible au gaz.

30 En effet, pour un plateau n, la section de passage utile à la phase gaz correspond à la section d'aire active, SAA ((23), munie de moyens de passage gaz (24) (Figure 3). La mise en place du toit selon l'invention et éventuellement d'autres plaques déflectrices sur un plateau n, permet de répartir et distribuer le gaz sur une surface totale correspondant à la section aire active SAA et à la section aire au-dessus 35 du déversoir SD (Figure 3 : aire SD correspondant au plateau n+l : (22), aire SD correspondant au plateau n dans le sens de l'écoulement du gaz : (21)). Cette distribution permet d'obtenir une vitesse locale de gaz moindre dans les zones (7) et 2909894 7 (8) (Figure 1). Certaines gouttes formées à l'interface gaz/liquide au-dessus de l'aire active sont entraînées par le gaz, elles sont habituellement séparées de la phase gaz dans la zone de désengagement ((7), Figure 1) dans un écoulement de gaz caractérisé par une vitesse gaz Ug_art anterieur donnée par la relation: Ug_art anterieur=Qg/SAA (I) où Qg correspond au débit volumique de gaz. Afin de ne pas entraîner de gouttes vers le plateau supérieur (phénomène dit d'engorgement ou de flooding) qui occasionne 10 une détérioration des performances de la colonne, il faut que cette vitesse soit inférieure à une vitesse critique de gaz, UG_critique, au-delà de laquelle les gouttelettes sont entraînées, c'est-à-dire : u g < UG_critique (II) 15 Le fait de redistribuer le gaz sur la section correspondant à {SAA+SD} permet de modifier l'expression de calcul de Ug qui devient: Ug = Ug_presente invention=Qg/(SAA+SD) (III) 20 Cette redistribution permet donc de passer plus de débit gaz tout en respectant le critère de l'équation (II). La présente invention permet donc un gain sur la capacité en terme de débit gaz dans le cas d'un revamp (souhait de passer plus de débit dans une colonne 25 existante) ou un gain sur la taille de la colonne (cas de design d'une nouvelle colonne). Elle permet également, mais dans une moindre mesure, de passer un débit de liquide plus important. En effet, l'augmentation de l'agitation consécutive à l'augmentation de débit de liquide, entraîne une augmentation de la formation de gouttes à l'interface. Or, pour un écoulement de gaz donné, l'augmentation de la 30 formation de ces gouttes sera compensée par la bonne séparation goutte/phase vapeur due à l'ajout des plaques. La mise en oeuvre d'au moins un plateau de colonne comprenant le système déflecteur selon l'invention permet donc une réorientation du flux majoritairement en 35 phase gaz, de préférence totalement en phase gaz. Cette bonne redistribution évite des survitesses locales et donc permet de passer un débit total plus important que 5 2909894 8 l'art antérieur. Elle est de plus relativement facile à mettre en oeuvre et moins coûteuse qu'un garnissage. La figure 4 illustre un mode de réalisation particulier de l'invention. En plus de 5 son rôle redistributif, le système déflecteur formé du toit (31) et des plaques déflectrices supplémentaires (32), présente d'autres avantages. En effet, sa présence offre une surface d'impact importante pour que les gouttes arrachées à l'interface gaz/liquide puissent venir s'écraser. Les gouttes ayant une inertie plus importante que la phase vapeur ne pourront pas suivre totalement le changement de trajectoire de la 10 phase vapeur induit par la présence de la ou des plaques; elles vont donc s'écraser sur ces plaques. L'impact de ces gouttes génère un film de liquide qui va ruisseler le long des plaques pour ensuite retomber sur le plateau. Comme il est beaucoup plus difficile à un écoulement de gaz d'arracher des gouttes à un film de liquide que de transporter des gouttes isolées, la formation de film de liquide est également favorable à la 15 séparation des gouttes de l'écoulement de la phase gaz. Les plaques déflectrices (32) peuvent prendre toute forme adéquate, notamment de baffles comme définies précédemment ayant une partie supérieure (33) pliée par rapport à la partie principale, elles ont pour objet de canaliser et répartir la phase gaz 20 sur la totalité de la section de passage disponible au gaz. Enfin, on peut adjoindre à ce système déflecteur un matelas de type dévésiculeur ou une fine épaisseur de garnissage (34) posé(e) juste au-dessus des plaques (32) (Figure 4). Cet équipement permet d'améliorer encore l'efficacité de séparation des phases et de redistribution de la phase vapeur.

25 Le système déflecteur selon l'invention peut être rnis en oeuvre au-dessus de n'importe quel plateau existant, notamment un plateau à perforations, à clapets fixes ou mobiles.

30 Exemple Des calculs CFD (Computational F/uid Dynamics ou Simulation Numérique des Écoulements) réalisés avec le logiciel commercial Fluent version 6.2 ont permis de modéliser l'effet redistributif du système de plaques déflectrices selon l'invention sur 35 une colonne de 0.94 m de diamètre, à un facteur cinétique gaz Fs de 1.1.

2909894 9 Le facteur cinétique gaz est défini comme suit : Fs = . Jpg .Vsg où pg désigne la masse volumique du gaz en kg/m3 et Vsg la vitesse superficielle du gaz en m/s.

5 Sans le système selon l'invention (plateau de colonne conventionnel) on observe une forte recirculation au-dessus du déversoir descendant, qui limite la section utile au passage du gaz à la section correspondant à l'aire active SAA (Figure 5). La mise en oeuvre d'un plateau selon l'invention permet une redistribution de la phase gaz sur la section comprenant l'aire active et l'aire au-dessus du déversoir, on n'observe plus de 10 recirculation (Figure 6). On passe d'une vitesse maximale dans la zone (7) de la figure 1 de 1 m/s sans le système de plaques déflectrices à une vitesse de moins de 0.8 m/s, ce pour un débit de gaz identique. Si l'on considère que la vitesse maximale tolérable pour éviter 15 l'entraînement de gouttelettes est de 1 m/s, la présente invention permet un gain de 30% sur le débit gaz, puisque avec un débit égal à 1.3 fois le débit initial, on retrouve la même valeur de vitesse maximale dans la section de désengagement (8) que dans le cas de l'état de l'art. Il s'agit d'un cas favorable de petite colonne avec un ratio important surface de déversoir sur surface totale de colonne. Ce ratio étant 20 généralement compris entre 10 et 20%, on atteint un gain de capacité de +12.5% jusqu'à près de 33 % respectivement.

Claims (10)

Revendications

1. Plateau de colonne de contact gaz-liquide comprenant une section de passage du liquide SD délimitée par au moins un déversoir (39) et une section comportant des moyens de passage du gaz SAA, caractérisé en ce qu'il comprend un système déflecteur comprenant un toit (31) au-dessus de la section SD, afin de répartir la phase gaz sur une section de superficie supérieure à la section comportant les moyens de passage du gaz SAA.

2. Plateau selon la revendication 1 dans lequel tout le toit (31) se situe au-dessus de l'interface gaz liquide.

3. Plateau selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système déflecteur comprend une pluralité de plaques déflectrices allongées (32) situées au-dessus du niveau du déversoir, dont une plaque forme ledit toit (31).

4. Plateau selon l'une des revendications précédentes dans lequel les plaques déflectrices (32) et/ou le toit (31) sont inclinées par rapport à la verticale.

5. Plateau selon l'une des revendications précédentes dans lequel le toit et/ou les plaques déflectrices ont la forme de baffles comprenant une partie inférieure principale et une partie supérieure plus courte pliée (33).

6. Méthode de contact gaz-liquide en colonne caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: • on met en place un écoulement liquide et gaz à contre courant à travers au moins un plateau de contact gaz-liquide comprenant une section de passage du liquide SD délimitée par au moins un déversoir (39) et une section comportant des moyens de passage du gaz SAA; • on réoriente la majeure partie de la phase gaz et on la répartit sur la totalité de la section de passage disponible au gaz correspondant à la section du plateau munie de moyens de passage gaz SAA augmentée de la section de passage du liquide SD, au moyen d'un système déflecteur comprenant un toit (31) au-dessus de la section de passage du liquide SD; • on évacue vers le plateau inférieur le liquide récolté.

7. Méthode selon la revendication 6 dans laquelle on réoriente la majeure partie de la phase gaz au moyen d'une pluralité de plaques déflectrices allongées (32) situées au-dessus du niveau du déversoir (39), dont une plaque forme ledit toit (31).

8. Méthode selon l'une des revendications 6 ou 7 dans laquelle la réorientation du flux se fait totalement en phase gaz. 2909894 11

9. Méthode selon l'une des revendications 6 à 8 dans laquelle on améliore la répartition du gaz au moyen d'un matelas de type dévésiculeur ou une fine épaisseur de garnissage (34) disposé(e) juste au-dessus du toit (31) et/ou des plaques (32). 5

10. Colonne de contact gaz-liquide comprenant au moins un plateau de colonne selon l'une des revendications 1 à 5.