FR2962349A1 - Colonne avec distribution de gaz et methode de caracterisation d'un element de mise en contact entre gaz et liquide - Google Patents

Colonne avec distribution de gaz et methode de caracterisation d'un element de mise en contact entre gaz et liquide Download PDF

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Abstract

L'invention a pour objet une colonne de mise en contact entre un gaz et un liquide, comportant un conduit d'alimentation de gaz (2), un conduit d'alimentation de liquide (4), au moins une zone fonctionnelle (6) comportant au moins un élément de mise en contact entre un gaz et un liquide, la zone fonctionnelle (6) étant disposée entre le conduit d'alimentation de gaz (2) et le conduit d'alimentation de liquide (4). Le conduit d'alimentation de gaz (2) coopère avec une zone de distribution (8) disposée entre le conduit d'alimentation de gaz et la zone fonctionnelle, la zone de distribution (8) consistant en un garnissage dont la hauteur est choisie de manière à ce que le gaz issu de la zone de distribution circule selon une vitesse locale sur la section d'entrée de lit de la zone fonctionnelle comprise entre -50% et +50% de la vitesse moyenne du gaz circulant dans la colonne.

Description

La présente invention concerne le domaine des équipements de mise en contact de fluides.
Les colonnes de mise en contact ont pour but de mettre en contact des fluides afin de réaliser des transferts de matière ou de chaleur entre un gaz et un liquide. Ce type d'équipement de mise en contact de fluide est largement utilisé pour réaliser des opérations de distillation, de rectification, d'absorption, d'échange de chaleur, d'extraction, de réaction chimique, etc.
Les colonnes de mise en contact sont généralement constituées d'une enceinte cylindrique munie d'éléments de mise en contact interne favorisant l'échange entre les fluides. Dans la colonne, les fluides peuvent circuler à co-courant ou à contre-courant. En général, la colonne permet de mettre en contact intime une phase gazeuse ascendante avec une phase liquide descendante. Les éléments de mise en contact, qui augmentent la surface de contact entre les fluides, peuvent être des plateaux, des garnissages structurés, c'est à dire la juxtaposition de plusieurs éléments unitaires agencés de manière ordonnée, par exemple des feuillets ondulés, ou des garnissages "vrac", c'est à dire des empilements anarchiques d'éléments unitaires, par exemple des anneaux ou des spirales.
Pour le bon fonctionnement d'une colonne de mise en contact, il est important que le gaz pénètre l'élément de mise en contact de manière homogène sur tout le diamètre de la colonne.
Cas "colonne industrielle" 25 Dans les colonnes industrielles, la problématique consiste à distribuer le gaz de façon la plus homogène possible sur de très grands diamètres. Ceux-ci font habituellement de 1 à 10 mètres de diamètre, voire 12 m de diamètre sur les unités de désulfuration des fumées de centrale thermique avec des hauteurs de lits correspondant 30 à la zone fonctionnelle de plusieurs mètres de haut, généralement entre 2 à 8 mètres , mais pouvant atteindre 12 à 15 mètres. II est donc nécessaire de bien distribuer les fluides pour permettre une utilisation optimum de la zone fonctionnelle. La distribution du gaz est généralement réalisée par des distributeurs complexes et donc coûteux. Une deuxième contrainte concerne la perte de charge engendrée par le système de distribution. Dans le cas du captage de CO2 opérant sur fumées industrielles disponibles à pression ambiante, un compresseur est nécessaire pour vaincre la perte de charge induite par la colonne (entrée et distribution, zone réactionnelle, sortie). On estime que la pénalité énergétique induite par un surcoût de perte de charge de près de 50 mbar correspond à un coût de 1,1 ME par an. Il est donc crucial de favoriser des technologies assurant une bonne distribution initiale pour le minimum de perte de charge possible, faute de quoi il est nécessaire de surdimensionner les équipements (diamètre de colonne, hauteurs associées à l'encombrement du distributeur et dimensionnement du compresseur). Bien entendu, il est préférable d'utiliser des technologies remplissant ces différents critères tout en ayant un coût minimal. Le choix industriel relève donc souvent d'un compromis entre coût et performances. Des solutions simples et peu coûteuses en terme d'investissement existent pour distribuer le gaz comme, par exemple, celle décrite dans le brevet US 6,341,765. Par contre, ce type de solution génère des pertes de charge importantes et est d'une efficacité très moyenne. Des solutions plus complexes, parfois très encombrantes, permettent d'obtenir des meilleurs résultats comme celles décrites dans les brevets US 5,106,544 ou GB 1,119,699, mais celles-ci sont très coûteuses à l'achat et à l'installation.
La présente invention permet de remplir tous les critères recherchés : très bonne efficacité de distribution, très faible perte de charge, faible coût d'investissement sans surcoût d'installation, très faible encombrement. Cas "colonne de laboratoire"
Des colonnes de plus petit diamètre sont généralement utilisées pour caractériser un élément de mise en contact en termes d'hydrodynamique et de transfert 30 de masse. Cette détermination est généralement réalisée dans une colonne de laboratoire, de diamètre inférieur à celui de la colonne industrielle, typiquement compris entre 0,1 et 1,0 mètre de diamètre. 25 L'utilisation d'un distributeur de type tubes perforés (également connu sous le terme "sparger") sous la zone fonctionnelle comprenant les éléments de mise en contact gaz/liquide, induit une zone de turbulence directement sous la zone fonctionnelle et perturbe la détermination du facteur d'engorgement dans le cas de l'utilisation de colonnes de diamètre inférieur ou égal à 1 mètre. Ainsi, habituellement, les fabricants de garnissage préconisent, dans le cas des colonnes de moins de 1 mètre de diamètre, une entrée latérale de gaz suivie d'une zone de tranquillisation sur une hauteur d'au moins 0,5 mètre, voire plusieurs mètres. Si cette configuration à l'entrée de la colonne permet une bonne détermination du facteur d'engorgement, celle-ci est problématique quant à la détermination des coefficients de transfert. En effet, elle génère une forte zone de turbulence sous la zone fonctionnelle, c'est à dire la zone comprenant le garnissage et assurant la mise en contact du gaz et du liquide, et dans laquelle on génère de façon indésirable des effets d'entrée importants.
De plus, la perte de charge linéique d'un gaz traversant un garnissage est faible, de l'ordre de 1 à 2 mbar/m. Pour obtenir une bonne détermination des critères de dimensionnement de la colonne industrielle, il est donc crucial, compte tenu de la faible perte de charge en entrée, d'avoir en entrée une répartition du flux de gaz la plus homogène possible.
La présente invention propose d'utiliser une hauteur de garnissage structuré ou vrac pour homogénéiser le flux gazeux sur le diamètre de la colonne afin d'optimiser le fonctionnement d'une colonne industrielle ou pour s'affranchir des effets d'entrée dans une colonne de caractérisation en vue de pouvoir utiliser les mesures pour l'extrapolation à l'échelle industrielle.
De manière générale, la présente invention a pour objet une colonne de mise en contact entre un gaz et un liquide, comportant un conduit d'alimentation de gaz, un conduit d'alimentation de liquide, au moins une zone fonctionnelle comportant au moins un élément de mise en contact entre un gaz et un liquide, la zone fonctionnelle étant disposée entre le conduit d'alimentation de gaz et le conduit d'alimentation de liquide, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation de gaz coopère avec une zone de distribution disposée entre le conduit d'alimentation de gaz et la zone fonctionnelle, la zone de distribution consistant en un garnissage dont la hauteur est choisie de manière à ce que le gaz issu de la zone de distribution circule selon une vitesse locale comprise entre -50% et +50% sur la section de la colonne en entrée de la zone fonctionnelle par rapport à la vitesse moyenne du gaz circulant dans la colonne.
Selon l'invention, le facteur d'engorgement du garnissage de la zone de distribution peut être inférieur d'au moins 20% au facteur d'engorgement des éléments de contact de la zone fonctionnelle. La hauteur de la zone de distribution peut être comprise entre 0,05 et 2,0 m. Un espace peut séparer la zone de distribution de la zone fonctionnelle, l'espace 10 ayant une hauteur au moins supérieure à 50 mm. Le conduit d'alimentation de gaz peut être orienté selon une direction latérale, c'est-à-dire perpendiculaire, par rapport à la hauteur de la colonne. Le garnissage de la zone de distribution peut être réalisé en métal, en matériau polymère ou en céramique. 15 Le taux de vide présenté par le garnissage de la zone de distribution peut être compris entre 0,90 et 0,99 et l'aire géométrique dudit garnissage est comprise entre 80 et 750 m2/m3.
La présente invention a également pour objet une méthode de caractérisation 20 d'un élément de mise en contact entre un gaz et un liquide dans lequel on effectue les étapes suivantes: a) on dispose ledit élément de mise en contact dans une colonne comportant un conduit d'alimentation de gaz et un conduit d'alimentation de liquide, l'élément de mise en contact étant disposé entre le conduit d'alimentation de gaz et le conduit 25 d'alimentation de liquide, b) on dispose une zone de distribution gaz dans la colonne entre le conduit d'alimentation de gaz et ledit élément de mise en contact, la zone de distribution consistant en un garnissage, c) on effectue au moins une mesure sur le gaz circulant entre la zone de distribution 30 et ledit élément.
Selon l'invention, on peut utiliser la mesure effectuée à l'étape b) pour déterminer au moins une caractéristique dudit élément de mise en contact : courbe d'engorgement, coefficient de transfert côté liquide, coefficient de transfert côté gaz, aire efficace.
Par exemple, la courbe d'engorgement est déterminée par mesure de pression, l'aire efficace est mesurée par absorption de CO2 par une solution de soude ou d'amine, le coefficient de transfert côté liquide est déterminé par absorption chimique de CO2 dans une solution de carbonates ou d'amine, le coefficient de transfert côté gaz est déterminé par absorption chimique de SO2 dans une solution de soude ou par évaporation d'eau dans un gaz non saturé en eau.
Dans la colonne selon l'invention, une bonne homogénéisation du flux gazeux en entrée de la zone fonctionnelle est obtenue, et ce pour une large gamme de diamètres de colonne. L'invention est bien adaptée à des colonnes de taille industrielle mais peut aussi avantageusement être utilisée dans des colonnes de laboratoire pour caractériser l'hydrodynamique et le transfert de matière de la zone fonctionnelle. En particulier, la mise en oeuvre d'une colonne selon l'invention permet d'améliorer sensiblement la qualité des mesures des coefficients de transfert en minimisant les effets d'entrée, sans altérer la mesure de l'engorgement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels : la figure 1 schématise une colonne selon l'invention, la figure 2 schématise une colonne de laboratoire selon l'invention, la figure 3 schématise une colonne mise en oeuvre pour réaliser les exemples comparatifs, la figure 4 représente différents distributeurs de gaz dans le cas d'une colonne de 8 mètres de diamètre, la figure 5 représente les répartitions de gaz obtenus avec les distributeurs de gaz de la figure 4 dans le cas d'une colonne industrielle, la figure 6 représente une comparaison de la variation de la perte de charge linéique AP/L en fonction du facteur de débit de gaz Fs selon le distributeur employé (figure 4), la figure 7 représente les répartitions de gaz obtenus avec des distributeurs de gaz de la figure 4 dans le cas d'une colonne de laboratoire.
La figure 1 représente une colonne (1) comportant une zone fonctionnelle (6) 5 munie d'éléments de mise en contact entre gaz et liquide. La colonne permet de mettre en contact intime, dans la zone fonctionnelle, une phase gazeuse ascendante avec une phase liquide descendante. Les éléments de mise en contact qui augmentent la surface de contact entre les fluides, peuvent être des garnissages structurés, c'est à dire la juxtaposition de plusieurs éléments unitaires 10 agencés de manière ordonnée, par exemple des feuillets ondulés, ou des garnissages "vrac", c'est à dire des empilements anarchiques d'éléments unitaires, par exemple, des anneaux ou des spirales. Les garnissages structurés peuvent être constitués de feuilles pliées et arrangées de manière organisée sous forme de grands blocs comme décrit par exemple 15 dans les documents US 3,679,537 et US 4,296,050 (garnissages de type Mellapak commercialisé par Sulzer Chemtech). Les garnissages "vrac" de nouvelle génération sont généralement constitués d'éléments métalliques pourvus de perforations et des portions d'arc de formes sophistiquées tels que les garnissages IMTP commercialisés par Koch Glitsch. 20 Le gaz est injecté latéralement par le conduit (2) sous les éléments de mise en contact (6). Le liquide est injecté dans la colonne (1) par le conduit (4) au-dessus des éléments de mise en contact (6). Le gaz, après mise en contact avec le liquide au sein du garnissage (6) est évacué par une conduite (3) en tête de colonne et le liquide par une conduite (5) en bas de colonne. 25 Selon l'invention, on dispose dans la colonne (1) une zone de distribution gaz (8) constituée de garnissage structuré ou d'un lit de garnissage vrac. La zone de distribution est positionnée entre le point d'injection de gaz par le conduit (2) dans la colonne (1) et l'élément de mise en contact (6). Ainsi, le gaz injecté dans la colonne (1) traverse le 30 garnissage (8) avant d'atteindre les éléments de mise en contact (6). Le garnissage (8) a pour rôle d'homogénéiser la répartition du flux de gaz sur la section de la colonne (1), notamment en homogénéisant la vitesse de circulation du gaz sur la section de la colonne (1). Par exemple, selon l'invention, on choisit le garnissage (8), notamment sa hauteur, pour que le gaz issu du garnissage (8) ait une vitesse locale sur la section de la colonne en entrée de la zone fonctionnelle comprise entre -50% et +50% de la vitesse moyenne du gaz, et de préférence comprise entre -30 et +30% de la vitesse moyenne du gaz. La vitesse moyenne correspondant au débit total de gaz divisé par la section de la colonne à la sortie du garnissage (8), c'est-à-dire au niveau de la partie supérieure du garnissage (8).
Les garnissages structurés ou "vrac" qui équipent la zone de distribution (8) peuvent être en métal, en matériau polymère ou en céramique, de préférence en métal.
Le taux de vide présenté par le garnissage de la zone de distribution (8) peut être compris entre 0,60 et 0,99, de préférence compris entre 0,90 et 0,99. L'aire géométrique dudit garnissage peut être comprise entre 80 et 750 m2/m3, de préférence comprise entre 80 et 250 m2/m3. Par exemple, la zone de distribution (8) comporte un empilement de 1 à 5 galettes de garnissage structuré, de préférence de 1 à 3 galettes, ou un lit de garnissage vrac. Par galette de garnissage structuré, on entend un bloc de garnissage de hauteur comprise entre 180 et 250 mm. La hauteur de la zone de distribution (8) peut être comprise entre 0,05 et 2,0 m, de préférence comprise entre 0,2 et 0,7 m. Une excellente valeur de la hauteur étant comprise entre 0,4 et 0,6 m. Une faible hauteur de garnissage dans la zone (8) est suffisante pour distribuer le gaz de manière homogène sur la section de la colonne. Cette faible hauteur de garnissage engendre qu'une très faible perte de charge. Donc la zone de distribution de gaz (8) selon l'invention permet d'homogénéiser la vitesse de circulation du gaz sur toute la section de la colonne, tout en limitant la perte de charge.
La zone de distribution (8) est placée dans la partie inférieure de la colonne (1), en dessous (ou en amont en suivant le trajet du gaz) de la zone fonctionnelle (6). Les deux zones de distribution (8) et fonctionnelle (6) peuvent être soit disjointes (donc séparées par un espace (11) comme représenté par la figure 1), soit accolées (dans ce cas, il n'y a pas d'espace (11)). Dans le cas des colonnes de laboratoire, les deux zones peuvent être disjointes pour pouvoir mettre en place un capteur de pression et/ou un piquage pour prélever une portion du gaz ou du liquide sur laquelle on peut effectuer des mesures juste en entrée de zone fonctionnelle. De préférence, le type de garnissage structuré ou "vrac" utilisé dans la zone de distribution (6) peut être choisi pour être plus capacitif que le garnissage structuré ou "vrac" qui équipe la zone fonctionnelle. II est plus capacitif, ce qui signifie que, de préférence, le garnissage de la zone de distribution (8) atteint son point d'engorgement pour un débit de gaz supérieur de 20% à 50% à celui de la zone fonctionnelle (6) de façon à limiter tout engorgement précoce initié dans la zone de distribution (8) du fait d'effets d'entrée non maîtrisés. La colonne selon l'invention peut être mise en oeuvre pour la désacidification d'un gaz naturel, la décarbonatation des fumées ou le traitement des gaz de queue d'un procédé Claus ou dans tout type de traitement de gaz. Dans ces applications, le gaz à traiter est mis en contact avec une solution absorbante liquide dans une colonne munie d'une zone de distribution gaz composée d'un garnissage.
La zone de distribution peut également être mise en oeuvre dans une colonne de laboratoire destinée à déterminer différentes caractéristiques d'un élément de mise en contact entre gaz et liquide.
La figure 2 représente une colonne de laboratoire avec une zone de distribution (8) selon l'invention. Les références de la figure 2 identiques à celles de la figure 1 désignent les mêmes éléments. La zone de distribution (8) selon l'invention, c'est-à-dire composée d'un garnissage permet d'homogénéiser le flux de gaz entrant dans l'élément de mise en contact gaz/liquide (6) qui est étudié, et ainsi obtenir des mesures des capteurs (91, 92, 93) et des prélèvements par les piquages (101, 102, 103) qui correspondent à un fonctionnement homogène sur la section de l'élément (6) étudié.
La caractérisation vise, entre autres, à déterminer les performances de transfert, de masse et en particulier l'aire efficace ae, ainsi que les performances en terme de perte de charge et en particulier le facteur d'engorgement Fc. L'aire efficace ae correspond à l'aire réellement disponible pour réaliser le contact gaz-liquide dans le garnissage. Le facteur d'engorgement Fc est le ratio entre le débit de gaz circulant au travers du garnissage et le débit de gaz correspondant à la limite d'engorgement pour un même débit de liquide. L'engorgement correspond à la limite de fonctionnement de la colonne de mise en contact pourvu d'un garnissage, c'est à dire au débit maximum de gaz que l'on peut faire passer dans la colonne pour un débit de liquide constant dans le cas d'un écoulement à contre-courant.
II est possible d'établir des courbes d'engorgement du garnissage avec une bonne fiabilité, ce qui revient à déterminer, à débit de liquide fixé, le débit de gaz maximum admissible. La détermination des courbes d'engorgement est bien connue de l'Homme du métier et consiste généralement à mesurer, à débit de liquide fixé, la perte de charge du gaz traversant le lit de garnissage (6) pour différents débits de gaz. La perte de charge est mesurée grâce à des capteurs de pression placés en entrée et sortie de la zone fonctionnelle, et/ou tout le long de la zone fonctionnelle (capteurs 91 92 et 93 sur la figure 2). Les courbes d'engorgement sont ensuite utilisées pour calculer le diamètre des colonnes industrielles. Le diamètre de la colonne de caractérisation est, quant à lui, fixé de manière à s'affranchir au maximum des effets de taille. En général, il s'agit de conserver un ratio minimum entre le diamètre de la colonne et la dimension caractéristique du garnissage testé, celle-ci pouvant être de manière non exhaustive un diamètre , une longueur ou le diamètre équivalent d'une sphère de même densité. La dimension caractéristique d'un garnissage structuré peut être, par exemple, et de manière non exhaustive, la taille d'une corrugation (ou plissement) ou le diamètre hydraulique d'un canal (qui correspond à 4 x périmètre mouillé rapporté à la surface de passage, soit 4/ag pour un garnissage structuré complètement mouillé, ag étant l'aire géométrique du garnissage). En général, la prise en compte de la taille caractéristique retenue et du ratio minimum entre le diamètre de la colonne et la dimension caractéristique du garnissage testé conduit à des diamètres de colonnes d'essais compris entre 0,10 et 1,0 m, de préférence entre 0,4 et 1,0 m. La hauteur de la zone fonctionnelle (6) peut être fixée par l'Homme du métier, celle-ci étant fonction du système chimique utilisé. En général, celle-ci est comprise entre 0,5 et 5,0 m, de préférence entre 2,0 et 5,0 m. Le facteur de débit gaz, Fs= pg . Vsg (avec p9: masse volumique du gaz en kg/m3 et Vs9: vitesse superficielle du gaz en m.s') est en général compris entre 0,2 et 5 Pa°'5, de préférence entre 0,5 et 4,0 Pa°'5. La gamme de débit liquide est en général comprise entre 1 et 200 m3/m2/h, de préférence entre 5 et 100 m3/m2/h.
La méthode selon l'invention permet également de déterminer les paramètres de transfert: coefficients de transfert côté gaz et liquide, kL, kG, et aire interfaciale gaz/liquide, ae. Pour ce faire, le flux d'un composé A, depuis la phase gaz vers la phase liquide, ou bien depuis la phase liquide vers la phase gaz, est mesuré. L'aire interraciale (ou aire efficace ae) peut être mesurée par absorption chimique d'un gaz par un liquide, par exemple par absorption de CO2 par une solution de soude, ou bien encore par absorption de CO2 par une solution d'amine telle que la MEA ou la DEA. Le coefficient de transfert côté liquide (kL) peut être déterminé par une absorption physique d'ammoniac dans l'eau, ou par absorption chimique de CO2 dans une solution de carbonates ou d'amine type MDEA. Le coefficient de transfert côté gaz (kG) peut être déterminé par une absorption 10 chimique de SO2 dans une solution de soude, ou encore une évaporation d'eau dans un gaz non saturé en vapeur d'eau. Bien entendu, il existe de nombreux autres systèmes dans la littérature, tels que par exemple l'absorption chimique de NH3 dans une solution de H2SO4, l'absorption physique de SO2 dans l'eau, la désorption d'O2 de l'eau, etc. 15 Les coefficients de transfert sont déterminés par prise d'échantillons de liquide et de gaz. Les prises d'échantillons de gaz et de liquide sont en général réalisées en entrée et en sortie de la zone fonctionnelle et/ou tout le long de la zone fonctionnelle c'est-à-dire par des prises d'échantillons au niveau des piquages référencés 101, 102 et 103 sur la figure 2. 20 La phase liquide peut être analysée par potentiométrie, chromatographie, spectrométrie Raman, ou toute autre technique connue de l'Homme du métier. La phase gazeuse peut être analysée par chromatographie, spectrométrie infra-rouge ou toute autre technique connue de l'Homme du métier pour analyser des gaz. 25 Le composé A est choisi, généralement dans le groupe formé par l'air, NH3, H2O, CO2, SO2i N2, 02, H2S, NOX, S0,, COS, RSH, de préférence dans le groupe formé par l'air, NH3, H2O, CO2, SO2, 02, H2S.
La hauteur de la zone de distribution (8) peut être comprise entre 0,05 et 1,0 m, 30 de préférence comprise entre 0,2 et 0,5 m. La zone de distribution (8) peut être placée dans la partie inférieure de la colonne, en dessous la zone fonctionnelle (6). De préférence, les deux zones sont disjointes. Dans le cas des colonnes de laboratoire, l'espace (11) séparant la zone de distribution (8) de la zone fonctionnelle (6) peut présenter une hauteur d'au moins 50 mm, de préférence d'au moins 100 mm. De cette façon, il est possible de placer un capteur de pression et/ou un piquage (93) pour effectuer une mesure ou une prise d'échantillon entre les zones fonctionnelle (6) et de distribution (8).
La méthode selon l'invention est particulièrement adaptée à l'acquisition de données expérimentales qui peuvent ensuite être intégrées dans des simulateurs permettant de réaliser le dimensionnement d'installations de distillation, réactive ou non, et d'absorption réactive.
Exemples
Les avantages de l'invention sont illustrés par les exemples comparatifs présentés ci-après. Les exemples se basent sur des calculs de simulation numérique des écoulements (Computational Fluid Dynamics - CFD) réalisés avec le logiciel commercial Fluent 6.3.26. L'objectif est de comparer la qualité de la distribution obtenue et la perte de charge associée entre différentes géométries de système de distribution. La figure 3 représente un schéma simplifié de colonne avec le système de distribution gaz (SD-G). Les références de la figure 3 identiques aux références de la figure 1 désignent les mêmes éléments.
Exemple 1: cas d'une colonne industrielle
Le cas traité est celui d'une colonne (1) de 8 m de diamètre équipée d'un lit de 25 garnissage de garnissage vrac correspondant à de I'IMTP-40. Le débit massique de gaz arrivant par le conduit (2) est de 121 kg/s. La figure 4 représente quatre configurations différentes pour la distribution du gaz (SD-G) : SD-G1 : pas de système de distribution, cas souvent retenu pour des 30 colonnes de petite dimension; SD-G2 : distributeur en tube; SD-G3 : distributeur en peigne, géométrie couramment retenue à l'échelle industrielle; SD-G4 : pas de distributeur mais deux galettes de garnissage structuré positionnées juste sous le lit de garnissage, géométrie correspondant à la présente invention. Les deux galettes, de près de 200 mm de haut, de garnissage structuré correspondant à du Mellapak 250X, les deux galettes étant décalées de 90° l'une par rapport à l'autre quant à la direction des plaques du garnissage structuré.
La figure 5 représente les cartographies, ou contours, de l'amplitude des vitesses locales du gaz en entrée de lit de garnissage pour les différents systèmes étudiés. La gamme de vitesse est identique pour les quatre cas, et est comprise entre 1,5 m/s en noir et 8 m/s en blanc. Les résultats quantitatifs liés à cet exemple sont reportés dans le Tableau 1. Celui-ci indique, pour chacun des quatre systèmes testés, les valeurs des amplitudes de vitesse, U, des trois composantes des vecteurs vitesses (Ux, Uy, Uz) selon les directions x, horizontale correspondant à l'axe du tube d'entrée du gaz, y, horizontale perpendiculaire à x, et z verticale orientée vers le haut. Les valeurs de perte de charge associées à l'énergie perdue requise pour assurer la distribution sont également données. Enfin, on a reporté les valeurs d'écart-type des vitesses en entrée de lit de garnissage (écart par rapport à l'idéal). Dans un cas de distribution idéale, les composantes, Ux et Uy devraient être nulles, la composante Uz devrait être égale à la vitesse débitante, ici de 1,8 m/s. Système U (m/s) Ux (m/s) Uy (m/s) Uz (m/s) DP écart/idéal min max min max min max min max (mbar) (%) SD-G1 0 10,7 -10,3 2,9 -3,6 3,4 1,4 3,7 104 269 SD-G2 1,8 8,2 - 5,8 1,3 -7,0 7,0 1,6 3,3 108 238 SD-G3 1,9 4,0 - 2,2 2,5 -3,0 2,5 1,8 2,4 200 100 SD-G4 1,7 2,7 - 0,3 0,1 -0,2 0,2 1,7 2,7 106 21 Tableau 1 On observe sur la figure 5, d'importantes différences entre les quatre géométries. La première image montre que sans système de distribution (SD-G1) on observe une très forte hétérogénéité des vitesses (traduite par les contrastes de couleur) ce qui est néfaste au bon fonctionnement de la colonne. La mise en place d'un système classique du type tube perforé (SD-G2) ne permet pas de réduire significativement les hétérogénéités observées. La mise en place d'un système plus complexe, de type peigne (SD-G3), permet d'obtenir une distribution très largement améliorée, les hétérogénéités ont significativement baissé (la vitesse maximale n'est plus que de 2,2 fois la vitesse débitante, alors que celle-ci atteignait des valeurs proches de 5 dans les deux cas précédents - cf. Tableau 1). Cette amélioration a un coût, puisqu'elle s'accompagne d'une perte de charge en très forte augmentation, celle-ci passant de près de 100 mbar à près du double. Dans le cas correspondant à la présente invention (SD-G4), on observe non seulement une amélioration de la qualité de la distribution, mais en plus une réduction de la perte de charge associée. En effet, les hétérogénéités sont réduites d'un facteur 5 par rapport au cas précédent, la valeur maximale de la vitesse n'étant plus que de 1,5 fois celle de la vitesse débitante, les vitesses horizontales sont quant à elles réduites d'un facteur 10. On note enfin que la perte de charge associée est réduite d'un facteur 2 par rapport au cas avec système complexe (SD-G 3) pour une qualité de résultat très largement améliorée, on note que l'on retrouve les mêmes valeurs de perte de charge que dans le cas sans aucun système de distribution, et donc il parait difficile de diminuer encore cette valeur. On obtient donc, selon l'invention, un excellent résultat en terme d'écart à 20 l'idéalité ramené à la perte de charge requise.
Exemple 2: cas d'une colonne de laboratoire: détermination de la limite d'engorgement
25 On cherche à déterminer la limite d'engorgement d'un garnissage structuré commercial en métal. Une colonne de 150 mm de diamètre selon l'agencement de la figure 3, fonctionnant en écoulement à contre-courant d'eau et d'air, est utilisée selon différentes configurations. On injecte un débit liquide par le conduit 4 de 50 m3/h, et un débit de gaz variable par le conduit (2). Dans la zone fonctionnelle (6), le garnissage 30 étudié est le MellapakPlus 252.Y (Sulzer Chemtech). On dispose 9 galettes de garnissage dans la zone (6,) ce qui correspond à une hauteur de 1,9 m environ. La configuration 1 (conforme à l'invention, correspond au cas SD-G4 de la figure 4 ) met en oeuvre une entrée latérale du gaz, puis une zone de distribution composée de 2 galettes de garnissage structuré, soit une hauteur de 0,4 m environ. L'espace entre la zone de distribution et la zone fonctionnelle est de 0,1 m environ. La détermination de la perte de charge est réalisée entre l'entrée et la sortie de la zone fonctionnelle (6). La configuration 2 (non conforme à l'invention, correspond au cas SD-G1 de la figure 4 ) met en oeuvre une entrée latérale du gaz sans zone de distribution, la perte de charge étant déterminée en entrée et en sortie du lit composé de 9 galettes de garnissage structuré. La configuration 3 (non conforme à l'invention, correspond au cas SD-G3 de la figure 4) met en oeuvre un distributeur gaz de type "sparger" et la perte de charge est mesurée en entrée et en sortie du lit composé de 9 galettes de garnissage structuré.
La figure 6 exprime la variation de la perte de charge linéique AP/L en fonction du facteur de débit gaz Fs. La perte de charge linéique AP/L est exprimée en mbar/m. Le facteur de débit gaz Fs correspond à la racine carré de la densité du gaz pg multipliée par la vitesse Vs superficielle du gaz (Fs = .p-; x Vs) et est exprimé en Pa°'5. La variation du facteur de débit pour les différentes configurations conduit aux résultats présentés sur la figure 6 (-: configuration 1, A: configuration 2, x: configuration 3). Les différentes courbes sont obtenues en mesurant la perte de charge du gaz entre l'entrée et la sortie pour différentes valeurs de débit de gaz.
Ainsi, les configurations 1 et 2 (- et A) conduisent à des résultats analogues tandis que le distributeur de type "sparger" (configuration 3 (x)) modifie considérablement la limite d'engorgement. Par conséquent, l'utilisation de la configuration 1 selon l'invention permet de ne pas modifier la limite d'engorgement du garnissage étudié.
Exemple 3 : cas d'une colonne de laboratoire: calculs CFD
Des simulations numériques ont été réalisées en prenant en compte la colonne de l'exemple 2 afin d'illustrer les écarts de distribution entre différentes zones de 30 distribution à l'entrée de la colonne. Les zone de distributions retenues sont les configurations SD-G1, SD-G3 et SD-G4 de la figure 4 dans la colonne de la figure 3.
Le débit de gaz retenu est de 2,0 m/s. L'entrée du lit de la zone fonctionnelle se situe à environ 1 mètre au dessus de la zone d'injection. Sur la figure 7, la représentation a) correspond à la configuration sans distributeur (SD-G1), la représentation b) correspond à la configuration avec distributeur 5 de type "sparger" (SD-G3) et la représentation c) correspond à la configuration avec zone de distribution selon l'invention (SD-G4). En ce qui concerne la gamme de couleur, le noir correspond à une vitesse de 0 m/s et le blanc à une vitesse de 11 m/s. On observe sur la figure 7 que la répartition du gaz la plus homogène est 10 obtenue avec la colonne selon l'invention, c'est à dire avec une zone de distribution de gaz composée d'un garnissage.
Le tableau 2 ci-dessous permet de quantifier les écarts de distribution selon les différentes configurations. 15 sans distributeur avec distributeur avec zone configuration SD-G1 configuration SD-G3 de distribution configuration SD-G4 vitesse max entrée 11 5 3 de lit (m/s) écart-type des vitesses 123 37 20 entrée de lit (%) perte de charge (mbar) 0,5 95,5 0,5 Tableau 2
Dans ce tableau 2, il est mis en évidence que la configuration avec zone de distribution conduit aux meilleurs résultats, que ce soit en termes d'homogénéité de 20 distribution ou de perte de charge.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1) Colonne de mise en contact entre un gaz et un liquide, comportant un conduit d'alimentation de gaz (2), un conduit d'alimentation de liquide (4), au moins une zone fonctionnelle (6) comportant au moins un élément de mise en contact entre un gaz et un liquide, la zone fonctionnelle (6) étant disposée entre le conduit d'alimentation de gaz (2) et le conduit d'alimentation de liquide (4), caractérisé en ce que le conduit d'alimentation de gaz (2) coopère avec une zone de distribution (8) disposée entre le conduit d'alimentation de gaz (2) et la zone fonctionnelle (6), la zone de distribution (8) consistant en un garnissage dont la hauteur est choisie de manière à ce que le gaz issu de la zone de distribution (8) circule selon une vitesse locale comprise entre -50% et +50% sur la section de la colonne en entrée de la zone fonctionnelle (6) par rapport à la vitesse moyenne du gaz circulant dans la colonne.
  2. 2) Colonne selon la revendication 1, dans laquelle le facteur d'engorgement du garnissage de la zone de distribution (8) est inférieur d'au moins 20% au facteur d'engorgement des éléments de contact de la zone fonctionnelle (6).
  3. 3) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la hauteur de la zone de distribution (8) est comprise entre 0,05 et 2,0 m.
  4. 4) Colonne selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'un 25 espace (11) sépare la zone de distribution (8) de la zone fonctionnelle (6), l'espace (11) ayant une hauteur au moins supérieure à 50 mm.
  5. 5) Colonne selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le conduit d'alimentation de gaz (2) est orienté selon une direction perpendiculaire par rapport à la 30 hauteur de la colonne.
  6. 6) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le garnissage de la zone de distribution (8) est réalisé en métal, en matériau polymère ou en céramique.20
  7. 7) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le taux de vide présenté par le garnissage de la zone de distribution (8) est compris entre 0,90 et 0,99 et l'aire géométrique dudit garnissage est comprise entre 80 et 750 m2/m3.
  8. 8) Méthode de caractérisation d'un élément de mise en contact entre un gaz et un liquide dans lequel on effectue les étapes suivantes: a) on dispose ledit élément de mise en contact (6) dans une colonne comportant un conduit d'alimentation de gaz (2) et un conduit d'alimentation de liquide (4), l'élément de mise en contact étant disposé entre le conduit d'alimentation de gaz et le conduit d'alimentation de liquide, b) on dispose une zone de distribution gaz (8) dans la colonne entre le conduit d'alimentation de gaz et ledit élément de mise en contact, la zone de distribution (8) consistant en un garnissage, c) on effectue au moins une mesure (93) sur le gaz circulant entre la zone de distribution et ledit élément.
  9. 9) Méthode selon la revendication 8, dans laquelle on utilise la mesure effectuée à l'étape b) pour déterminer au moins une caractéristique dudit élément de mise en contact : courbe d'engorgement, coefficient de transfert côté liquide, coefficient de transfert côté gaz, aire efficace.
  10. 10) Méthode selon la revendication 9, dans laquelle la courbe d'engorgement est déterminée par mesure de pression, l'aire efficace est mesurée par absorption de CO2 par une solution de soude ou d'amine, - le coefficient de transfert côté liquide est déterminé par absorption chimique de CO2 dans une solution de carbonates ou d'amine, - le coefficient de transfert côté gaz est déterminé par absorption chimique de 30 SO2 dans une solution de soude ou par évaporation d'eau dans un gaz non saturé en eau.
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