FR2998191A1

FR2998191A1 - Colonne d'extraction liquide liquide utilisant des plateaux equipes d'un element generateur de perte de charge

Info

Publication number: FR2998191A1
Application number: FR1203121A
Authority: FR
Inventors: Le Cocq Damien Leinekugel; Frederic Augier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-05-23
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CH707291A2; KR102191956B1; US20140138285A1; US10233397B2; CH707291B1; FR2998191B1; KR20140064670A

Abstract

La présente invention décrit une colonne d'extraction liquide liquide à plateaux perforés et déversoirs, les plateaux étant de plus équipés d'un élément de friction additionnel qui permet d'augmenter l'épaisseur de la couche de coalescée et de garantir un écoulement à contre -courant des phases continue et dispersée.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapport au domaine des opérations d'extraction liquide-liquide ou extraction par solvant, mettant en contact une phase hydrocarbonée avec une phase partiellement 5 immiscible avec la charge hydrocarbonée et contenant une fraction d'eau. Un cas particulier est l'extraction de composés soufrés d'une phase hydrocarbure par une solution aqueuse de soude (concentrée de 10% à 20% poids par rapport à la solution totale), la phase hydrocarbure étant alors la phase dispersée, et la solution aqueuse de soude la phase dispersée. 10 EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Le principe de l'extraction par solvant entre deux phases liquides partiellement immiscibles est connu depuis plusieurs décennies. Si l'on met en contact une phase raffinat contenant le 15 soluté avec une phase extrait n'en contenant pas (ou peu), un transfert du soluté s'opère d'une phase à l'autre jusqu'à atteindre un équilibre thermodynamique entre les deux phases. Le phénomène est grandement facilité si, à l'équilibre thermodynamique, la concentration en soluté dans la phase extrait est supérieure à celle dans la phase raffinat. Le ratio de concentration entre les deux phases à l'équilibre est appelé coefficient de partage. 20 Une mise en oeuvre usuelle de l'extraction liquide-liquide consiste à mettre en contact les deux liquides en contre-courant, c'est à dire selon des directions d'écoulement opposées. En cas d'extraction dans une colonne positionnée verticalement, on parle alors d'une phase légère et d'une phase lourde. Un cas très courant est celui des systèmes composés d'une phase organique ou hydrocarbonée 25 et d'une phase aqueuse. Dans ce cas, la phase aqueuse est très souvent la phase lourde. Dans l'extraction liquide liquide, il faut aussi distinguer la phase continue et la phase dispersée. La phase continue suit un écoulement le plus proche possible de l'écoulement piston, c'est à dire sans rétro mélange. 30 La phase dispersée suit un écoulement globalement à contre courant de celui de la phase continue et traverse un système de plateaux perforés qui permet la formation de gouttelettes, gouttelettes qui coalescent pour former une couche coalescée située sous chaque plateau perforé lorsque la phase dispersée est la, phase légère (au dessus de chaque plateau lorsque la phase dispersée est la phase lourde). Les échanges de matière entre phase continue et phase dispersée se font essentiellement entre les gouttelettes de la phase dispersée et la phase continue s'écoulant au dessus de chaque 5 plateau. La mise en oeuvre à contre-courant permet de constituer plusieurs étages théoriques successifs dans la colonne, et ainsi d'atteindre une efficacité d'extraction largement supérieure à celle obtenue avec un seul étage correspondant à l'équilibre thermodynamique. Une description plus précise des opérations d'extraction liquide-liquide est fournie dans de 10 nombreux ouvrages dédiés, dont Handbook of Solvent Extraction de Lo, Baird & Hanson, Krieger Publishing Company, Malabar, 1991, ou Transport Phenomena in Liquid Extraction de Laddha & Degaleesan, Tata McGraw-Hill Publishing Co Ltd, 1976. Les notions d'étages théoriques y sont notamment décrites, ce qui est un point important pour comprendre l'intérêt de l'invention. 15 Dans une colonne d'extraction à plateaux et déversoirs, la phase dispersée doit former une couche coalescée sous le plateau lorsque la phase dispersée est la phase légère, ou au-dessus du plateau lorsque la phase dispersée est la phase lourde. L'épaisseur de cette couche coalescée doit être telle qu'elle garantit que le plateau est toujours en contact avec ladite phase coalescée. Une rupture de cette phase coalescée, même sur une partie seulement du plateau 20 peut entrainer une détérioration importante des performances de la colonne. En effet, dans le cas où la couche coalescée ne couvre pas l'intégralité de la surface du plateau perforé, il y a écoulement de la phase continue à travers le plateau, induisant ainsi des performances d'extraction plus faibles qu'attendues. C'est le phénomène dit de "pleurage". La rupture de la couche coalescée peut se produire pour diverses raisons, par exemple suite à 25 un problème de planéité de plateau, ou à des perturbations de l'interface entre la couche coalescée et la phase continue. L'épaisseur de la couche coalescée est déterminée par les pertes de charge associées à l'écoulement des deux phases. Les différentes contributions sont détaillées page 15-36 du Perry's Chemical Engineers Handbook, 7e ed. Mc Graw-Hill, 1999. La contribution liée à la 30 phase continue est liée aux pertes de charge dans le déversoir. La phase dispersée contribue quant à elle de deux manières : - par son écoulement à travers les perforations du plateau - par les effets liés à la tension interfaciale mise en jeux lors de la formation de gouttes Chacune de ces contributions est inversement proportionnelle à la différence de densités des deux phases liquides. Ainsi, plus la différence de densités est élevée, et moins la couche coalescée est épaisse.

De plus, le terme lié à la perte de charge due à l'écoulement à travers les perforations du plateau est généralement prédominant. Or ce terme est proportionnel à la densité de la phase dispersée. Ainsi, plus la phase dispersée est légère, moins la couche coalescée est épaisse. Lorsque le rapport entre la densité de la phase dispersée et la différence de densités des phases liquide est trop faible, il convient d'utiliser une vitesse à la traversée des orifices de la phase dispersée très élevée pour garantir une épaisseur de couche coalescée minimale. Or une forte vitesse à la traversée des orifices entraine une très large distribution de taille de gouttes, avec formation de fines gouttelettes pouvant être entrainées par la phase continue dans le déversoir, induisant ainsi des performances d'extraction plus faibles qu'attendues. Il est généralement préconisé d'opérer la colonne d'extraction liquide liquide avec une vitesse 15 à la traversée des orifices optimale, (ladite valeur optimale dépendant du système liquide liquide considérée) tout en disposant d'une épaisseur de couche coalescée supérieure à une limite basse comprise entre 30 mm et 70 mm. La vitesse à la traversée des orifices optimale peut être calculée suivant différentes méthodes, décrites dans le Handbook of Solvent Extraction, déjà cité plus haut. Le régime d'écoulement 20 recherché est celui dans lequel la phase à disperser sort du trou sous la forme d'un jet continu de taille maximale. La brisure de ce jet génère alors des gouttelettes de petites tailles, idéales pour le transfert entre phases. La gamme optimale de vitesse aux orifices est généralement comprise entre 0,15 et 0,3 m/s d'après Handbook of Solvent Extraction. 25 Il n'est toutefois pas possible de respecter simultanément ces deux critères lorsque la différence de densité entre les deux phases est élevée (supérieure à 300 kg/m3), et que la phase légère présente une faible densité (inférieure à 700 kg/m3). En cas de forte différence de densités entre phases, le respect d'une épaisseur minimale de couche coalescée implique une vitesse à la traversée des orifices qui peut être plus élevée que 30 la vitesse recommandée pour générer un jet de taille maximale en sortie de trous.

De ce fait, les gouttelettes formées peuvent être de tailles non homogènes, ce qui est néfaste au transfert et à l'hydrodynamique. En effet, les fines gouttelettes risquent d'être entrainées dans les déversoirs, ce qui peut dégrader les performances du procédé. La colonne selon la présente invention est une colonne d'extraction liquide-liquide avec 5 plateaux spécifiquement adaptés au système présentant une forte différence de densité entre les deux phases liquide, et dont la phase légère présente une faible densité, de manière à garantir l'existence d'une couche coalescée au dessus ou au dessous de chaque plateau. L'existence de cette couche coalescée est essentielle pour éviter le phénomène de pleurage et permettre un écoulement à contre courant de la phase continue et de la phase dispersée. 10 La présente invention décrit donc une colonne d'extraction liquide liquide équipée de plateaux spécifiques qui assurent une perte de charge suffisante à la traversée desdits plateaux, même lorsque le rapport de la masse volumique de la phase dispersée sur la différence de masse volumique des deux phases (dispersée et continue) est faible. Ce rapport de masse volumique peut en particulier devenir très faible lorsque la différence de 15 masse volumique entre phase lourde et phase légère devient importante (par exemple supérieure à 300 kg/m3). DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 20 La figure 1 représente une colonne d'extraction liquide liquide à plateaux et déversoirs selon l'art antérieur. La figure 2 représente la colonne d'extraction liquide liquide selon la présente invention dans laquelle chaque plateau est équipé d'un élément de friction additionnel qui est ici un plateau à porosité strictement inférieure à la porosité du plateau ouvert. 25 La figure 3 représente une vue de dessus d'un plateau selon l'invention équipé d'un élément de friction additionnel qui est un plateau à porosité strictement inférieure avec ses orifices décalés par rapport à ceux du plateau ouvert. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION 30 La présente invention peut se définir comme une colonne d'extraction liquide liquide à contre-courant avec plateaux perforés à déversoirs mettant en contact une phase dispersée légère et une phase continue lourde, le soluté étant transféré de la phase dispersée à la phase continue, ladite colonne étant munie de plateaux ouverts à degré de perforation compris entre 2% et 6% et chaque plateau ouvert étant complété par un élément de friction additionnel de porosité strictement inférieur à celle du plateau ouvert, chaque élément de friction étant placé au dessous de chaque plateau ouvert à une distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm au dessous dudit plateau. Lorsque la phase dispersée est la phase lourde et la phase continue, la phase légère, la définition de la colonne d'extraction selon la présente invention devient: Colonne d'extraction liquide liquide à contre-courant avec plateaux perforés à déversoirs, mettant en contact une phase dispersée lourde et une phase continue légère, le soluté étant transféré de la phase dispersée à la phase continue, ladite colonne étant munie de plateaux ouverts à degré de perforation compris entre 2% et 6%, complétés par des éléments de friction additionnels de porosité strictement inférieur à celle du plateau ouvert, chaque élément de friction étant placé au dessus de chaque plateau ouvert à une distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm au dessus dudit plateau. La porosité exprimée en % représente la fraction vide du plateau rapporté à la section libre de la colonne. Selon une première variante de la présente invention, les éléments de friction additionnels sont des plateaux perforés situés au dessous (ou au dessus si la phase dispersée est la phase lourde) 20 de chaque plateau ouvert ayant une porosité égale à p fois celle du plateau ouvert p étant compris entre 0,6 et 0,9. Selon une caractéristique préférée de la présente invention, les éléments de friction additionnels lorsqu'ils sont des plateaux, ont leurs orifices décalés par rapport à ceux du plateau ouvert auquel il se rattache. 25 Selon une autre variante de la présente invention, les éléments de friction additionnels sont constitués d'une ou plusieurs couches d'un matériau en fibres tissées. Selon une caractéristique préférée de la présente invention, les déversoirs de chaque plateau ont une section de passage comprise entre 6 % et 20 % de la section libre de la colonne. Selon une autre caractéristique préférée de la présente invention, le nombre de plateaux de la 30 colonne d'extraction selon la présente invention est compris entre 4 et 25, et préférentiellement compris entre 6 et 20.

La colonne d'extraction selon la présente invention s'applique en particulier à l'extraction de composés soufrés d'une phase hydrocarbure par une solution aqueuse de soude représentant de 10% à 20% poids, la phase hydrocarbure étant la phase dispersée. Enfin la colonne d'extraction selon la présente invention s'applique particulièrement bien au 5 cas où la différence de densité entre la phase lourde et la phase légère est supérieure à 300 kg/m3 et la densité de la phase légère est inférieure à 750 kg/m3 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 10 L'invention concerne une colonne d'extraction liquide-liquide à contre-courant avec plateaux perforés et déversoirs, mettant en oeuvre une phase lourde et une phase légère entre lesquelles s'échange un soluté, la différence de masse volumique entre les deux liquides étant élevée (supérieure à 300 kg/m3), et la masse volumique de la phase légère étant faible (inférieure à 750 kg/m3). 15 La phase légère peut être selon le cas la phase continue ou la phase dispersée. Dans la suite du texte, pour la clarté, nous prendrons le cas d'une phase légère dispersée, mais la colonne selon l'invention s'applique tout aussi bien au cas d'une phase légère lourde. La différence essentielle entre les deux cas de figure est que dans le cas d'une phase dispersée légère la couche de coalescence se trouve au dessous du plateau, et dans le cas d'une phase 20 dispersée lourde elle se trouve au dessus dudit plateau. L'objet de l'invention consiste à assurer un bon fonctionnement de la colonne d'extraction en garantissant une épaisseur de couche coalescée minimale (c'est à dire supérieure à 7 cm), et une vitesse à la traversée des orifices optimale pour générer des gouttes présentant une distribution de taille très resserrée. 25 L'invention combine de manière astucieuse un plateau perforé dit "ouvert" (Po) présentant une importante surface perforée, de manière à garantir une vitesse à la traversée des orifices optimale, correspondant à un jet continu de phase dispersée de taille maximale en sortie d'orifice, et un équipement que nous nommerons par la suite « élément de friction » additionnel (Pad) permettant d'assurer une épaisseur de couche coalescée supérieure à 7 cm. 30 L'élément de friction (Pad) est situé au sein de la couche coalescée de phase dispersée, et à une distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm du plateau ouvert auquel il est associé.

Il génère des pertes de charge sur la phase dispersée telles que l'épaisseur de couche coalescée est supérieure à 7 cm. Selon une première variante de la colonne selon l'invention, l'élément de friction (Pad) permettant de générer la perte de charge complémentaire est un second plateau perforé.

Si la phase dispersée est la phase légère, l'élément de friction additionnel (Pad) est donc situé sous le plateau perforé ouvert (Po). Si la phase dispersée est la phase lourde, l'élément de friction additionnel (Pad) est situé au dessus du plateau perforé ouvert (Po). Le degré de perforation de l'élément de friction additionnel (Pad) est inférieur à celui du 10 plateau perforé "ouvert" (Po) dans un rapport R compris entre 0,6 et 1, et préférentiellement compris entre 0,6 et 0,8. Le degré de perforation du plateau ouvert est compris entre 2% et 6% rapporté à la section de la colonne vide. Pour calculer le degré de perforation de l'élément de friction, on applique donc le rapport R au degré de perforation du plateau ouvert. 15 Les perforations de l'élément de friction (Pad) sont positionnées de manière à ne pas être dans le même axe vertical que les perforations du plateau perforé ouvert (Po) comme cela est montré sur la figure 3. Selon une variante préférée de la présente invention, les perforations de l'élément de friction (Pad) peuvent être décalées de manière à se trouver en opposition par rapport aux perforations 20 du plateau ouvert (Po), comme cela est montré sur la figure 3. Il est bien clair que cette disposition décalée de l'élément de friction par rapport au plateau ouvert maximise la perte de charge provoquée par ledit élément. Selon une seconde variante du procédé selon l'invention, l'élément de friction (Pad) permettant de générer la perte de charge complémentaire est un ensemble de fibres tissées. 25 Cet élément de friction facilite ainsi la coalescence de la phase dispersée et permet de maintenir l'épaisseur de la couche coalescée (Ch) dans la plage voulue. De façon plus précise la figure 1 selon l'art antérieur décrit une colonne d'extraction liquide alimentée en une phase lourde par la conduite 2, et en une phase légère par la conduite 3. La phase lourde qui est la phase continue sort en pied de colonne par la conduite 5, et la phase 30 légère qui est la phase dispersée sort en tête par la conduite 4. La colonne est équipée de 8 plateaux à déversoir de type ouverts numérotés de P1 à P8. Chaque plateau ouvert est composé d'une plaque perforée (6) et d'un déversoir (7).

La perte de charge générée à la traversée des plateaux induit la présence d'une couche de phase dispersée coalescée (8) sous chaque plateau. La section et la forme du déversoir du plateau fermé peuvent être constantes sur toute sa longueur, ou variables comme présenté sur la figure 1 par les éléments de sections différentes 5 (10) et (12). La figure 2 selon l'invention montre de façon plus précise l'association d'un plateau noté Po avec son élément de friction qui est ici un plateau noté Pad. La couche coalescée sous le plateau est notée Ch. D désigne le déversoir dont la section est comprise entre 6% et 20% de la section libre de la 10 colonne. La figure 3 selon l'invention montre en vue de dessus un plateau ouvert associé à un plateau perforé situé au dessous (ou au dessus si la phase dispersée est la phase lourde), le plateau perforé additionnel ayant une porosité égale à p fois celle du plateau ouvert, p étant compris entre 0,6 et 0,9. On montre sur la figure 3 le décalage entre les orifices (To) du plateau ouvert 15 et ceux (Tad) du plateau fermé situé au dessous. La section (D) du déversoir représentant environ 8 % de la section libre de la colonne est également montrée. EXEMPLE COMPARATIF SELON L'INVENTION 20 L'exemple comparatif qui suit est obtenu par simulation. La charge à traiter est un GPL (gaz de pétrole liquéfié) contenant 100 ppm de méthanethiol. Le solvant utilisé pour extraire le méthanethiol est une solution de soude à 20%. La phase dispersée est la phase hydrocarbure. La phase continue est la solution de soude. 25 Les débits de GPL et de soude sont de 165 et 4,3 m3/h respectivement. L'extraction est réalisée à 30°C et sous 10 bars absolus. Trois dispositifs distincts sont utilisés pour réaliser l'extraction. 1) Le dispositif 1 dit "à plateaux ouverts" est selon l'art antérieur. Il est constitué d'une colonne d'extraction équipée de 15 plateaux perforés avec déversoirs, 30 distants de 1 m, et de 2,9 m de diamètre. Les perforations sont de 5 mm de diamètre et la surface perforée est égale à 2,9 % de la section de colonne, de manière à avoir une vitesse à travers les orifices de 0,24 m/s, comme le recommande l'art antérieur.

Les déversoirs ont une surface égale à 7,3 % de la section de colonne. L'épaisseur de couche coalescée sous plateau est alors de 1 cm. 2) Le dispositif 2, toujours selon l'art antérieur, est dit "à plateaux fermés". Il est en tout point similaire au dispositif 1, mais la surface perforée est égale à 0,7% de la section de colonne.

5 La vitesse à travers les orifices est alors de 1,01 m/s. L'épaisseur de couche coalescée sous plateau est alors de 10 cm. 3) Le dispositif 3 est selon l'invention. Il est constitué d'une colonne d'extraction équipée de 15 plateaux de type ouverts, tels que ceux équipant le dispositif 1, chaque plateau selon le dispositif 1 étant associé à un plateau fermé selon le dispositif 2, le plateau fermé étant situé 10 au dessous du plateau fermé. L'ensemble plateau ouvert (Po)/plateau fermé (Pad) forme le plateau selon l'invention. Chaque plateau fermé est situé sous un plateau ouvert, à une distance de 0,8 cm de ce dernier. Les perforations de chaque plateau fermé sont positionnées de manière à ne pas être dans l'axe des performations du plateau ouvert situé juste au-dessus. Les plateaux ouverts sont 15 distants de 1 m. La vitesse à travers les orifices est de 0,24 cm/s L'épaisseur de la couche coalescée est de 10 cm. 1) Le dispositif constitué de plateaux ouverts ne permet pas d'assurer une épaisseur de couche 20 coalescée suffisante sur l'ensemble de la section de la colonne pour éviter les problèmes de rétro mélange de la soude qui est la phase continue. La faible épaisseur de la couche coalescée de la phase hydrocarbure permet à une fraction de la phase continue de soude de passer au travers du plateau perforé, entrainant le phénomène de pleurage et écartant l'écoulement du régime piston souhaité.

25 Ce dispositif ne permet donc plus de garantir un écoulement convenable à contre-courant. Il en résulte que l'ensemble des plateaux ouverts se comporte comme un seul étage théorique. 2) Le dispositif constitué de plateaux fermés assure une épaisseur de couche coalescée importante, mais, en raison du diamètre des orifices, la vitesse à travers les orifices est 30 tellement élevée, qu'il y a formation de fines gouttelettes de phase dispersée. Ces fines gouttelettes de phase dispersée posent des problèmes de coalescence sous le plateau, ce qui induit un rétro mélange de la soude, ainsi qu'un problème de rétro mélange de la phase hydrocarbure dû à l'entrainement des plus fines gouttelettes dans les déversoirs par la phase continue de soude. Ce dispositif ne permet donc plus de garantir un écoulement convenable à contre-courant. Il en résulte que l'ensemble des plateaux fermés se comporte comme un seul étage théorique. 3) Enfin, le dispositif selon l'invention assure quant à lui un bon écoulement à contre-courant, en maintenant une grande épaisseur de couche coalescée et en générant une distribution de taille de goutte resserrée. Les plateaux ont alors une efficacité de 18,7%. Le dispositif présente donc un nombre d'étages théoriques équivalent de 2,8. 10

Claims

REVENDICATIONS1) Colonne d'extraction liquide liquide à contre-courant avec plateaux perforés à déversoirs mettant en contact une phase dispersée légère et une phase continue lourde, le soluté étant transféré de la phase dispersée à la phase continue, ladite colonne étant munie de plateaux ouverts à degré de perforation compris entre 2% et 6% complétés par des éléments de friction additionnels de porosité strictement inférieure à celle du plateau ouvert, chaque élément de friction étant placé au dessous de chaque plateau ouvert à une distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm au dessous dudit plateau.
2) Colonne d'extraction liquide liquide à contre-courant avec plateaux perforés à déversoirs mettant en contact une phase dispersée lourde et une phase continue légère, le soluté étant transféré de la phase dispersée à la phase continue, ladite colonne étant munie de plateaux ouverts à degré de perforation compris entre 2% et 6% complétés par des éléments de friction additionnels de porosité strictement inférieur à celle du plateau ouvert, chaque élément de friction étant placé au dessus de chaque plateau ouvert à une distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm au dessus dudit plateau.
3) Colonne d'extraction liquide liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans 20 laquelle les éléments de friction additionnels sont des plateaux perforés situé au dessous (ou au dessus si la phase dispersée est la phase lourde) de chaque plateau ouvert ayant une porosité égale à p fois celle du plateau ouvert p étant compris entre 0,6 et 0,9.
4) Colonne d'extraction liquide liquide selon la revendication 3, dans laquelle les éléments de 25 friction additionnels ont leurs orifices décalés par rapport à ceux du plateau ouvert auquel il se rattache.
5) Colonne d'extraction liquide liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle les éléments de friction additionnels sont constitués d'une ou plusieurs couches d'un 30 matériau en fibres tissées.
6) Colonne d'extraction liquide liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle les déversoirs de chaque plateau ont une section de passage comprise entre 6 % et 20 % de la section libre de la colonne.
7) Colonne d'extraction liquide liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le nombre de plateaux ouverts est compris entre 4 et 25, et préférentiellement compris entre 6 et 20.
8) Application de la colonne d'extraction liquide liquide selon l'une des revendications 1 à 6, à 10 l'extraction de composés soufrés d'une phase hydrocarbure par une solution aqueuse de soude représentant de 10% à 20% poids, la phase hydrocarbure étant la phase dispersée.
9) Application de la colonne d'extraction selon l'une des revendications 1 à 6, au cas où la 15 différence de masse volumique entre la phase lourde et la phase légère est supérieure à 300 kg/m3, et la masse volumique de la phase légère est inférieure à 750 kg/m3.