FR2990631A1 - Procede de distillation et colonne de distillation - Google Patents

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Guillaume Cardon
Daniel Gary
Guillaume Mougin
Marc Wagner
Golo Zick
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de distillation, une colonne de distillation (9) alimentée par un débit d'alimentation à au plus 0°C, contient au moins un contacteur vapeur-liquide (P1, P2) dans la colonne composé de ou revêtu de mousse métallique (M1, M2).

Description

5 La présente invention est relative à un procédé de distillation et à une colonne de distillation. Pour la distillation cryogénique d'air, un support pour le contact intime de la phase vapeur et liquide est nécessaire, pour effectuer l'échange de matière et de chaleur. Jusqu'aux années 1990 (voire jusqu'à présent dans 10 beaucoup d'industries et dans certains applications) le plateau représentait l'état de l'art, mais il présente toujours certaines failles : un coût de fabrication élevé (quantité de matière et main d'ceuvre requis), peu de flexibilité dans l'opération, contact vapeur-liquide en courant-croisé au lieu de contre-courant. Le garnissage en vrac montre plus de flexibilité dans 15 l'opération, mais est, malgré beaucoup d'effort des fabricants et chercheurs, susceptible aux maldistributions qui nuisent à la performance ; il reste plus coûteux dans la fabrication que le garnissage structuré. Ceci s'est avéré très performant pour les grands débits à traiter, mais trouve rapidement ses limites pour des petites colonnes ou pour des applications où une haute 20 efficacité est demandée Un objet de l'invention consiste à trouver un contacteur vapeur-liquide qui soit très bon marché à la fabrication. Un autre objet est de trouver un contacteur vapeur-liquide ayant un maximum de structuration pour éviter les maldistributions mais une haute efficacité de séparation. 25 Aujourd'hui les mousses métalliques de pores ouverts sont une technologie pleinement maîtrisée (taux de vide, taille des pores, taille des branches, ... ) et disponible en grande échelle (production mondial >10 mio m2/année). Les métaux transformables en mousse doivent être déposable électrolytiquement. Le développement d'une mousse en 30 aluminium n'est pas possible car il n'est pas possible de disposer d'un bain électrolytique en aluminium. Pour la distillation à basse température, le cuivre est la matière la mieux adaptée. La mousse est réalisée à partir d'un substrat en polyuréthane (PU) qui lui donnera ses caractéristiques finales. Après dépôt électrolytique de cuivre, 2 99063 1 2 la mousse est traitée thermiquement (par de l'air à 400°C) pour élimination des composés organiques, puis à plus haute température pour fritter le matériau afin de le recristalliser, de lui conférer sa stabilité et ses propriétés finales (tenue mécanique notamment). Cette mousse gardera une bonne ductilité pour pouvoir être mise sous sa forme finale (production de cylindres par enroulement, production de disques par découpe...). On récupère ainsi une mousse dont les brins sont creux, engendrant une capacité calorifique faible et une masse volumique faible. La surface géométrique par contre très élevée, une surface spécifique supérieure à 10000m2/m3 étant possible, va contribuer à l'échange intime entre la phase gazeuse et la phase liquide. Le choix du modèle offre de nombreuses possibilités en termes de densité, de diamètre des pores (1 à 3 mm par exemple), d'orientation. La technique de fabrication engendre une très grande reproductivité de fabrication. Elle garantit l'ouverture des cellules à 100% et une perte de charge homogène. Le débit sera équitablement distribué dans les pores, sans de chemin préférentiel. Les pores (ayant un diamètre maximal d'environ 3mm) forment environ le même arrangement que des billes en vrac et les brins sont creux. Cela permet d'atteindre des masses volumiques de l'ordre de 0.15 g/cm3. Les pores peuvent être orientés (allongé) dans un axe pendant la fabrication. Cette porosité orientée est caractéristique de l'anisotropie spécifique de la mousse PU utilisée. Cette caractéristique va développer un squelette spécifique qui peut améliorer l'écoulement dans la colonne.
Ce type de contacteur peut permettre de diminuer la hauteur d'une colonne si ses performances sont très intéressantes, d'autant plus que sa conductivité thermique est supérieure à celle de l'aluminium (401W/m.K contre 237W/m.K) favorisant ainsi le transfert de chaleur et de matière. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de distillation dans une colonne de distillation alimentée par un débit d'alimentation à au plus 0°C, caractérisé en ce qu'au moins un contacteur vapeur-liquide dans la colonne est composé de ou revêtu de mousse métallique. Il peut s'agit d'un procédé de distillation d'air ou d'un mélange contenant au moins 30% mol. d'hydrogène et au moins 30% mol de monoxyde de carbone ou d'un mélange contenant au moins 30% de dioxyde de carbone. Les pourcentages concernant des puretés dans ce document sont des pourcentages molaires. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation, de préférence pour mise en oeuvre comme décrit ci-dessus, comprenant au moins un contacteur vapeur-liquide en mousse métallique ou revêtu de mousse métallique. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - la mousse métallique est en cuivre. - la mousse est en cuivre à brin creux et dont l'épaisseur de brin est inférieure à lmm. - la mousse est en cuivre à brin plein, produite par exemple par moulage. - la mousse a des pores à diamètre entre 1 et 10 mm (préférentiellement entre 2 et 5 mm). - en état de marche, la colonne a un sens d'écoulement général de liquide et dans laquelle les pores sont allongés dans le sens de l'écoulement, de préférence vertical. la colonne a un axe vertical et le contacteur comprend une couche de mousse métallique, fixée à la colonne d'un côté de la virole de la colonne et permettant l'écoulement libre du liquide de l'autre côté de la virole, l'épaisseur de la couche dans le sens de l'axe et/ou la densité de la couche étant plus grande à proximité d'un côté de la virole que de l'autre côté de la virole. - la colonne comprend un empilement d'au moins deux disques de mousse métallique, les disques étant du même diamètre que la colonne. - la hauteur d'un disque est au moins deux fois inférieure au diamètre du disque. - la colonne comprend au moins une bande en mousse enroulée 30 autour d'un noyau central pour former un cylindre de même diamètre que la colonne. - la colonne comprend au moins un cylindre de mousse métallique de même diamètre que la colonne, tout le cylindre étant composé de mousse métallique. la hauteur d'un cylindre est supérieure à son diamètre. la colonne contient une pluralité de modules, chacun composé d'un ensemble de disques superposés ou de cylindres superposés. au moins deux modules ont des hauteurs différentes et/ou des géométries différentes. au moins deux modules ayant des géométries différentes comprennent un premier module constitué de mousse à un premier diamètre de pore et un deuxième module constitué de mousse à un deuxième diamètre de pore. - la colonne ne comprend pas de distributeur en dehors des contacteurs vapeur-liquide composé de ou revêtu de mousse métallique. les contacteurs vapeur-liquide composé de ou revêtu de mousse métallique ne sont pas reliés à la paroi de la colonne par des balayettes. les contacteurs vapeur-liquide composé de ou revêtu de mousse métallique sont en contact direct avec la paroi de la colonne. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation par distillation à basse température comprenant une enceinte contenant de l'isolation et , à l'intérieur de l'enceinte, au moins une colonne de distillation comprenant au moins un contacteur vapeur-liquide en mousse métallique ou revêtu de mousse métallique. L'invention sera décrite en plus de détail par rapport aux figures, qui représentent un ensemble de contacteur en mousse métallique pour colonne de distillation. Dans la Figure 1, on voit un empilement 1 de cinq disques identiques 3 (pour une meilleure visibilité les disques sont espacés dans l'image) qui composent un tronçon de la colonne de distillation. Chaque disque a une hauteur entre 2 et 10 cm. Chaque disque est composé d'une couche de mousse métallique en cuivre à brin creux, avec épaisseur de brin inférieur à 1 mm. Le mousse a des pores allongés orientés à la verticale ayant un diamètre entre 1 et 10mm, de préférence entre 2 et 5mm. Le nombre de disques est choisi selon la hauteur désirée de module. Ainsi les modules sont faciles à fabriquer, étant constitués d'un nombre plus ou moins grand de disques à hauteur fixe. Le diamètre du disque est égal au diamètre interne de la colonne et l'usage de balayettes pour refléter le liquide de la paroi n'est plus forcément nécessaire. Ainsi les disques 5 sont en contact direct avec la paroi interne de la colonne. La colonne de distillation contient au moins un module constitué par un empilement 1 avec plus ou moins de disques 5 en mousse métallique. Entre deux modules adjacents ou au-dessus du module supérieur, il n'est pas forcement nécessaire de prévoir de moyen de distribution. Les modules sont espacés entre eux par une espace vide, permettant l'entrée ou le soutirage de fluides de la colonne de distillation. Alternativement, les modules peuvent être constitués d'au moins un cylindre 5 de mousse métallique en cuivre produit par enroulage d'une bande de mousse métallique 4 autour d'un noyau central 6 constitué par un matériau compatible avec le fluide et les conditions du procédé (températures cryogéniques). Ce matériau pourra être par exemple en cuivre, aluminium, acier inoxydable.... Ce noyau central pourra également être constitué par un noyau cylindrique réalisé à partir de la mousse métallique en cuivre (Figure 2) ou formant un bloc de mousse sans noyau central (Figure 3). Dans ce cas, le cylindre 5 des Figures 2 et 3 a le même diamètre que la virole de la colonne et a le même axe vertical que celle-ci. Ainsi un cylindre 5 ou un empilement de plusieurs cylindres peuvent remplacer l'empilement 1 de la Figure 1, étant en contact direct avec la paroi de la colonne. La hauteur du cylindre 5 peut avoir une valeur jusqu'à quelques mètres. Alternativement la colonne peut contenir les contacteurs qui sont des plateaux en mousse métallique ou des plateaux revêtus de mousse métallique M1. Dans l'exemple de la Figure 4, le plateau classique est remplacé par une couche de mousse métallique à densité constante, dont la hauteur est variable, pour le plateau supérieur P1 de l'exemple. Les plateaux P1, P2 en mousse sont fixés à la virole 9 de la colonne d'un côté par une plaque horizontale 11 qui empêche le passage de gaz et de liquide. Par contre de l'autre côté du disque, une espace permet au liquide de tomber sur le disque adjacent. Ainsi le plateau P1, P2 est en forme de disque de même diamètre que la colonne avec deux découpes droites pour permettre la fixation et le passage de liquide.
Les plateaux P1, P2 de la colonne sont disposés en quinconce de sorte que le liquide descend d'abord à proximité d'un côté de la virole 9 pour le plateau P1 et ensuite à proximité du côté opposé pour le plateau P2. Ainsi la surface supérieure du plateau P1 forme une surface plate, circulaire et horizontale mais la surface inférieure forme une surface ayant une pente, l'épaisseur au bord du disque d'un côté étant la moitié de l'épaisseur au bord d'en face. Ainsi le liquide L descendant la colonne s'écoule majoritairement sur la surface supérieure du plateau dans un sens horizontal, le liquide étant empêché de traverser la mousse par la vapeur qui en sort. La vapeur montante V traverse le plateau en mousse M1. Le gaz traversera préférentiellement du côté où le plateau est moins épais. Ainsi une force résultante est créée par un gradient d'épaisseur de mousse. Une autre solution pour cette problématique consisterait de la fabrication d'une mousse anisotrope pour permettre à la vapeur de traverser préférentiellement sur un côté que sur l'autre. Le plateau inférieur P2 de l'exemple de la Figure 4 montre le cas où le plateau est formé de plusieurs couches. Différentes couches de mousses métalliques M1, M2 ayant une densité différente peuvent également servir à améliorer l'étanchéité du plateau contre le passage de liquide à travers ou pour homogénéiser et/ou diminuer la taille de bulles qui s'échappent à la surface du plateau. Ici une première couche de mousse métallique M2 superpose une deuxième couche M1 de mousse métallique. La première couche est un disque tronqué à épaisseur constante à diamètre inférieur au diamètre de la virole 9. La deuxième couche est à épaisseur variable. La densité de la mousse M1 peut être inférieure ou supérieure à celle de la mousse M2. Pour la deuxième couche, la couche est plus épaisse d'un côté que de l'autre en face. Evidemment les plateaux de la colonne peuvent tous être du même 30 type P1 ou P2. La solution présentée dans cette invention permet une production de plateaux à bas coût avec une faible intensité de main d'ceuvre. La conception des plateaux est relativement simple à optimiser car une très large gamme de densités de mousse est disponible.
L'utilisation de mousse métallique en cuivre peu réactive à l'oxygène permet une amélioration de la sécurité dans le cas des installations de séparation d'air et une amélioration de fiabilité dans le cas des installations de capture de CO2 (grâce à un meilleur comportement à la corrosion que l'aluminium). Une colonne construite de cette manière peut par exemple distiller de l'air, un mélange contenant au moins 30% mol. d'hydrogène et au moins 30% mol de monoxyde de carbone ou un mélange contenant au moins 30% de dioxyde de carbone. La distillation a lieu à une température inférieure à 0°C. Le contacteur en mousse métallique peut également être un plateau en mousse métallique.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de distillation dans une colonne de distillation (9) alimentée par un débit d'alimentation à au plus 0°C, caractérisé en ce qu'au moins un contacteur vapeur-liquide (3, 5, P1, P2) dans la colonne est composé de ou revêtu de mousse métallique.
  2. 2. Procédé de distillation d'air ou d'un mélange contenant au moins 30% mol. d'hydrogène et au moins 30% mol de monoxyde de carbone ou d'un mélange contenant au moins 30% de dioxyde de carbone selon la revendication 1.
  3. 3. Colonne de distillation, de préférence pour mise en oeuvre selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un contacteur vapeur-liquide (3, 5, P1, P2) en mousse métallique ou revêtu de mousse métallique.
  4. 4. Colonne selon la revendication 3 caractérisée en ce que la mousse métallique (3, 5, Ml, M2) est en cuivre.
  5. 5. Colonne selon la revendication 4 dans laquelle la mousse (3, 5, Ml, M2) est en cuivre à brin creux et dont l'épaisseur de brin est inférieure à 25 1 mm.
  6. 6. Colonne selon la revendication 4 dans laquelle la mousse (3, 5, Ml, M2) est en cuivre à brin plein. 30
  7. 7. Colonne selon la revendication 3, 4, 5 ou 6 dans laquelle la mousse (3, 5, Ml, M2) a des pores à diamètre entre 1 et 10 mm (préférentiellement entre 2 et 5 mm).
  8. 8. Colonne selon l'une des revendications 3 à 7 dans laquelle, en état de marche, la colonne (9) a un sens d'écoulement général de liquide et dans laquelle les pores sont allongés dans le sens de l'écoulement, de préférence vertical.
  9. 9. Colonne selon l'une des revendications 3 à 8 ayant un axe vertical dans lequel le contacteur comprend une couche de mousse métallique (M1, M2), fixée à la colonne d'un côté de la virole de la colonne et permettant l'écoulement libre du liquide de l'autre côté de la virole, l'épaisseur de la couche dans le sens de l'axe et/ou la densité de la couche étant plus grande à proximité d'un côté de la virole que de l'autre côté de la virole.
  10. 10. Colonne selon l'une des revendications 3 à 8 comprenant un empilement d'au moins deux disques (5) de mousse métallique, les disques 15 étant du même diamètre que la colonne.
  11. 11. Colonne selon l'une des revendications 3 à 8 ou 10 comprenant au moins une bande en mousse (4) enroulée autour d'un noyau central (6) pour former un cylindre (5) de même diamètre que la colonne ou au moins 20 un cylindre (5) de mousse métallique de même diamètre que la colonne, tout le cylindre étant composé de mousse métallique.
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