WO2018114696A1 - Colonne d'echange de matiere et/ou de chaleur entre un gaz et un liquide avec moyens de recirculation du liquide et son utilisation - Google Patents

Colonne d'echange de matiere et/ou de chaleur entre un gaz et un liquide avec moyens de recirculation du liquide et son utilisation Download PDF

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WO2018114696A1
WO2018114696A1 PCT/EP2017/083072 EP2017083072W WO2018114696A1 WO 2018114696 A1 WO2018114696 A1 WO 2018114696A1 EP 2017083072 W EP2017083072 W EP 2017083072W WO 2018114696 A1 WO2018114696 A1 WO 2018114696A1
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liquid
column
packing
gas
bed
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PCT/EP2017/083072
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Gauthier Perdu
Clément SALAIS
Xavier COURTIAL
Vincent Carlier
Claire Weiss
Thomas MAUBERT
Manel Fourati
Philippe BEARD
Pascal Alix
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IFP Energies Nouvelles
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    • B01D2257/504—Carbon dioxide

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas / liquid contact columns.
  • the fields of application of the invention may be gas treatment, CO 2 capture, dehydration, the separation of contaminants present in gas streams by a liquid solution, or the distillation of liquid compounds in a mixture.
  • contactors contact columns
  • the industry uses a large number of contactors (contact columns) gas / liquid.
  • the latter can be used for the separation of products, such as distillation processes, or the absorption of contaminants, such as amine treatment processes, in the gas treatment and / or CO 2 capture sector.
  • vertical contactors are generally used, which wash an ascending gas stream in countercurrent flow of a descending liquid stream.
  • the contaminants of the gas are retained by the liquid during the rise of the gas in the column with variable absorption rates.
  • Vertical contactors are also understood to mean the regeneration towers, in which the solvents (liquid) loaded with contaminants are purified by contact with a gas, which favors the extraction of the contaminants present in the solution loaded with contaminants.
  • the vertical contactors may contain bulk packing and / or structured packing contact inserts, and implement several packing beds with intermediate redistribution of the liquid flow, as shown diagrammatically in FIG.
  • the vertical contactors may contain bulk packing and / or structured packing contact inserts, and implement several packing beds with intermediate redistribution of the liquid flow, as shown diagrammatically in FIG.
  • a gas / liquid contact column CO containing packing for the case of the absorption of acid gases by an aqueous solution of amine (s), it is possible to use a gas / liquid contact column CO containing packing, divided into several packing beds 7.
  • contact CO receives the gaseous fluid to be treated at the bottom of column FA, and the solvent (liquid) poor column head SP.
  • the gaseous fluid to be treated is generally introduced at the bottom of the contactor with the aid of a gas distributor 13 making it possible to better uniformise the velocity profile of the ascending vapor phase over the whole of the lower section of the packing bed so as to improve the operating performance of the contactor.
  • the contact column CO delivers the treated gaseous fluid FT, purified of a portion of the contaminants, at the top of the column and the rich solvent SR, loaded with a portion of the contaminants contained in the gaseous fluid to be treated at the bottom of the column.
  • the transfer of contaminants from the gaseous fluid to the liquid solvent is operated via the intimate contact of the descending liquid phase and the ascending vapor phase within the contactor, at the level of the packing beds 7.
  • the packing beds 7 are composed of elements solids which have a high contact area, on which the liquid is uniformly distributed and flows downwards, which promotes contact with the upward vapor phase, and thus enables material and / or the heat between the two fluids.
  • a first type of packing consists of a multiplicity of singular solid elements, possibly identical and generally of moderate size (of the order of a centimeter), deposited in bulk within the contactors, hence the name of loose packing.
  • the second type, called structured packing is generally formed by steel sheets shaped and arranged in a particular manner.
  • a first type of system uses a unique device that both collects the liquid from the upper packing bed and redistributes it to the lower packing bed while allowing the passage of the gas phase, usually using chimneys. .
  • These are generally simple and economical systems but do not promote the mixing of the liquid phase collected from the upper packing bed because the circulation of the liquid collected on the tray remains transverse to the column.
  • three large families stand out:
  • Liquid distributors with gas fireplaces A liquid guard is established over the entire section of the distributor plate, and feeds the contact bed (lining) via orifices uniformly distributed on the bottom of the plate.
  • the gas is supplied via chimneys (eg US 2013 / 0277868A).
  • Figure 2 shows a distributor plate 1 with conventional chimneys, provided with chimneys 2 for the passage of gas, the chimneys being covered by "hats" 3 to prevent the passage of liquid in the gas chimneys (in flow situation to counter-current), and orifices 4 for the passage of liquid.
  • Liquid dispensers with liquid boxes A liquid guard is established on a set of boxes with supply ports, and the gas is conveyed by the remaining space (eg US4909967A).
  • Liquid distributors with liquid fireplaces these distributors operate on the same principle as the gas fireplace distributor. The difference is that the liquid is dispensed via stacks that may have orifices at different heights, thus allowing a wider range of flow rates to be passed than in the case of single orifices in the tray bottom.
  • the gas is conveyed via chimneys that can have a cylindrical or parallelepipedal shape (eg US5132055A, US4432913).
  • a second type of system uses separate devices to collect the liquid from the upper packing bed and to redistribute it on the lower packing bed, the liquid being transmitted from one system to the other via liquid transfer lines, otherwise referred to as liquid transfer legs by the man of the art; the passage of the vapor phase being commonly carried out using chimneys.
  • These are generally robust systems, which promote the mixing of the liquid phase because the liquid is collected at some very localized points.
  • it is necessary to separate the collecting portion of the dispensing portion.
  • the document "Process Engineering Guide: GBHE-PEG-MAS-612 Design and Rating of Packed Distillation Columns” illustrates these different systems.
  • the liquid collection devices are generally differentiated by the means allowing to pass the steam flow from the lower bed to the upper bed: ⁇ collecting trays with circular gas chimneys, provided with lids also called hats by the person skilled in the art,
  • liquid distribution devices On this second type of dispenser, the liquid distribution devices, are generally distinguished four sub-families:
  • Sprayers or nozzles in English "spray distributor"
  • compact requiring, like the previous distributor, a large static height (a pump can also be used to ensure the strength of distribution).
  • the distribution uniformity performance is more moderate on the liquid (due to the creation of liquid cone overlap areas).
  • the impact of the droplets on the packing is important for dispersing the liquid force and the system is very much subject to liquid entrainment by creating mist of droplets.
  • FIG 3 shows an example of the latter type of system that dissociates the collection of liquid from its distribution.
  • the collecting tray 1 comprises chimneys 2 for the passage of the gas.
  • the system for dispensing the liquid comprises a vertical pipe 5 and a plurality of sprinklers 6 (horizontal tubes provided with orifices or nozzles).
  • the liquid collection tray is connected to the distribution system by one or more relatively long vertical pipes so that the distributor system creates sufficient static height whatever the tilt conditions imposed by the swell and provides the driving force to the distributor .
  • the vertical pipe is dimensioned so that the variation of the liquid height due to a lack of horizontality is much lower than the height of the liquid pipe supplying the distribution system (US 2004/0020238 A1) .
  • the liquid distribution system can be formed by one or more sprinklers, and the gas is fed through chimneys located at the collector plate.
  • the countercurrent gas / liquid contact columns equipped with packing beds and installed on floating support are disturbed by a change in the circulation of the liquid, due to the movement of the column which deviates from the vertical position.
  • the distribution of the liquid is no longer uniform, which is added to the progressive deformation of the uniformity of the distribution of the liquid as the liquid progresses through a bed of packing.
  • Liquid distribution profiles are obtained whose heterogeneity increases, which then disturbs the distribution of the gas, which will distribute unevenly as a function of the bad distribution of liquid.
  • the gas may seek to avoid the liquid.
  • the loss of efficiency of the column results from the crossing of large flows of gas with low flow rates of liquids in the areas where the liquid circulates weakly.
  • the sizing engineers increase the liquid flow rate and / or the height of the packing beds, in order to achieve the purification performance.
  • By increasing the flow of liquid it imposes a larger column size, with a greater regeneration.
  • By increasing not only the size of the absorber, but possibly also that of the regeneration section the mass of the equipment making up the workshops present on the barge or the floating platform is increased, and thus the price of the project.
  • the designers of natural gas purification columns must also meet the problems of operational flexibility imposed by many cases of operation, especially for the liquid. In fact, for sizing, designers must consider the highest load gas flow associated with the highest contaminant concentrations. This dimensioning imposes the highest liquid absorbent solution flow rate to absorb a maximum amount of contaminants.
  • the minimum liquid flow rate imposes the height of the minimum vertical pipe (as well as the diameter) which distributes the liquid uniformly through the orifices, for example on the device of Figure 3.
  • the variability of the liquid flow imposes other dimensions of the collectors but must overcome the fluid distribution means previously defined for the case "turndown" (low flow) and then distributes the flow of higher liquid uniformly with a height of the vertical pipe of greater height to increase the driving force necessary to evacuate a higher flow.
  • turndown low flow
  • the model On oscillating columns, the model additionally imposes a vertical pipe with a sufficient height which must maintain a uniform and uniform distribution over the whole range of flows when the column tilts, thanks to a sufficient static height, and well positioned in the center of the column.
  • the variability on the liquid flow requires a variable filling of the liquid distribution system which respects all the cases of study, in particular the case "turndown" with low liquid flow (and minimal filling) and the case of dimensioning with high liquid flow ( and maximum filling).
  • the vertical pipe must then make a minimum height of 2.5 meters to 3.5 meters, which is repeated between each bed. We then impose an additional height of 6 to 9 meters from the column to implement this configuration if we consider a column of three to four beds.
  • the present invention relates to a material exchange column and, where appropriate, heat between a gas and a liquid.
  • the exchange column comprises at least one collection tray and a liquid distribution system arranged between two packing beds, and recirculation means of the liquid.
  • the liquid recirculation means connect an area below the packing bed to an area above the dispenser tray.
  • the recirculation means of the liquid make it possible to increase the efficiency of the column thanks to a better wetting rate.
  • the liquid recirculation means can limit the variability of the liquid flow, which reduces the height of the liquid distribution means.
  • the invention relates to a material and / or heat exchange column between a gas and a liquid comprising at least one packing bed, at least one collecting tray arranged above said packing bed, and distribution means of said packing bed. liquid on said bed of packing. Said column is equipped with means for recirculating the liquid from an area below said packing bed to an area above said collecting tray.
  • said means for recirculating said liquid comprise at least one pump.
  • said means for recirculating said liquid comprise at least one heat exchanger for cooling or heating said liquid.
  • said column is coupled to means for regenerating said liquid.
  • said means for regenerating said liquid are arranged to regenerate a portion of said liquid of said liquid recirculation means.
  • the flow rate of said liquid in said regeneration means of said liquid is between 20 and 200% of the flow rate of said liquid entering said column.
  • said liquid recirculation means draw said liquid at the bottom of said column.
  • said column comprises a plurality of packing beds, a plurality of collecting trays, and a plurality of distribution means.
  • said means for recirculating said liquid take said liquid in an area between two packing beds.
  • said means for recirculating said liquid convey said liquid in an area between two packing beds.
  • said means for recirculating said liquid distribute said liquid at the head of said column.
  • said means for recirculating said liquid comprise a flash balloon for partially regenerating said liquid.
  • said distribution means comprise at least one vertical supply line connected to said collecting tray, and at least one tube substantially horizontal connected to said supply line (5), said horizontal tube (5) having at least one orifice and / or a nozzle for dispensing said liquid.
  • the invention relates to a use of a column according to one of the preceding characteristics for a gas treatment process, capture of acid gases, distillation, dehydration or air separation.
  • the invention relates to a use of a column according to one of the preceding characteristics for a process for treating a gas specifically comprising COS in addition to CO 2 and H 2 S.
  • Figure 1 already described, illustrates a gas / liquid contactor arrangement containing packing, operating against the current, and implementing several packing beds with intermediate redistribution of the flow of liquid, according to the prior art.
  • FIG. 2 already described, illustrates a collector tray with chimneys according to the state of the art.
  • FIG. 3 already described, illustrates a collection tray equipped with a distribution system, connected by a liquid transfer line, according to the state of the art.
  • FIGS. 10a, 10b and 10c describe an inclined column, respectively according to the prior art at low flow rate, according to the prior art at high flow rate, and according to the invention at high flow rate.
  • the present invention relates to an exchange column (also called contact column) of material and possibly heat between a gas and a liquid.
  • the exchange column comprises at least one packing bed.
  • the so-called packing bed is a packing section which is distributed over a certain height of the column.
  • the packing may be loose packing or structured packing.
  • the packing corresponds to a contactor, and allows the contacting of the liquid and the gas, to allow exchanges of heat and / or material between the fluids.
  • the exchange column comprises at least one liquid redistribution system comprising a collecting plate and liquid distribution means.
  • Each liquid redistribution system is arranged between two packing beds, in an area called "inter-bed zone".
  • the collecting tray collects the liquid on its upper surface, and allows the passage of gas through the tray.
  • the passage of the gas through the tray can be achieved in particular by means of chimneys, equipped or not with hats. Indeed, during the passage of a liquid in a lining, the latter tends to accumulate in certain areas of preferential passage, generating local velocity gradients for the gas and liquid phases, thus degrading the performance of implementation in contact with liquid and gaseous fluids and the overall efficiency of the column. This phenomenon can be amplified when used in "floating offshore" conditions.
  • the liquid distribution means make it possible to distribute, in a homogeneous manner, the liquid collected by the collection tray onto the packing bed located directly below.
  • the liquid flows by gravity from an upper packing bed, through the collecting tray and dispensing means to be dispensed on a lower packing bed.
  • the distribution means may be of any type.
  • they may be in the form of orifices formed in the collecting tray, as described with FIG. 2.
  • the liquid distribution means are located below the collecting tray in the inter-bed zone, and are connected to the collecting tray for the passage of the liquid.
  • the dispensing means may be of any known form, in particular that illustrated in FIG. 3 (tubular orifice distributor).
  • the distribution means comprise at least one vertical supply line connected to the collecting plate, and at least one, preferably a plurality of tube (s) substantially horizontal (horizontal) connected to the vertical supply line.
  • Each horizontal tube is equipped with at least one orifice and / or a nozzle for dispensing the liquid.
  • the dispensing means may be dispensing means spray (with nozzles) or troughs.
  • the liquid distribution means allow a good distribution of the liquid on the lower packing bed, including in floating offshore conditions (offshore), for which the column can be inclined relative to the vertical.
  • the column according to the invention is equipped with liquid recirculation means, these liquid recirculation means allow the liquid to be returned to the column.
  • the liquid recirculation means take a portion of the liquid in at least one area below a bed of packing, and dispense at least a portion of the liquid taken from at least one upper area and located above a tray collector, where the recirculating liquid is associated with the internal liquid flow of the column.
  • the recirculation means make it possible to collect the liquid in at least one zone and to circulate it, and to reinject the liquid into the column at at least one higher level.
  • the liquid recirculation means make it possible to recirculate a liquid partially charged with contaminants C0 2 and / or H 2 S (having previously exchanged with the gas) and non-regenerated or partially regenerated contaminants contained therein.
  • the recirculating liquid can pass through a single packing bed to increase the flow rate over a limited height, or a plurality of packing beds to increase the flow rate over a large height, or even the entire height of the exchange column.
  • solvent recycling is useful because after a first exchange in the packing bed, the solvent retains a capacity for contaminant absorption, in particular because the maldistribution operating in the packing bed has reduced the efficiency of the column.
  • the overall absorption rate, and thus the efficiency of the column is improved.
  • the recirculation of the solvent improves the absorption of the slowest constituents to be absorbed (like the COS) by correcting the defects of efficiency of the column and putting in contact with the contaminated gas (in COS) a quantity of liquid bigger so more reactive.
  • the distribution means comprise at least one vertical pipe and at least one tube (see FIG.
  • the liquid recirculation means make it possible to reduce the height of the vertical pipe by compared to solutions without liquid recirculation.
  • the recirculation means limit the variability of the liquid flow rate between the cases of low flow rates of the "turndown" type and the cases of higher flow rates of maximum or design type, which makes it possible to reduce the difference between the minimum height and the maximum liquid height to be taken into account for sizing the length of the vertical pipe.
  • the advantage of limiting the length of the vertical pipe permitted by the invention is even greater if the recirculation is provided for a column positioned on a floating support, for two reasons. : 1 - the inclinations of the liquid in the wave-dependent collection and distribution system increase the need for vertical pipe length as a function of flow variability, and 2- maldistribution is due to the oscillating conditions of the floating unit, more important on a column of the floating offshore and the solvent taken has a greater additional absorption potential if it is recirculated.
  • the implementation of the invention decreases both the variability of flow rates and thus the length of the vertical pipe by a larger factor and improves the performance of the column.
  • the liquid recirculation means comprise a pump.
  • the pump allows recirculation of the liquid to a higher level of the column, and may also allow the flow of liquid to be adjusted.
  • the liquid recirculation means may comprise a collection system that provides power to the pump, and a mixing and distribution system to a higher level.
  • the recirculation means of the liquid are preferably arranged outside the exchange column.
  • the liquid recirculation means may also comprise a cooler.
  • the cooler is used to cool the recirculating liquid before reinjection into the column.
  • the absorption performance of the liquid In fact, low temperatures generally increase the absorption capacity of liquids, which increases the efficiency of the exchange column, as long as the kinetics of the reactions are not too affected.
  • the liquid recirculation means may comprise heating means.
  • the heating means make it possible to heat the recirculating liquid before reinjection into the column.
  • These heating means can advantageously be located to heat the recycled liquid injected at the top of the column or inter-bed packing area. Indeed, the higher temperatures generally increase the rate of absorption of contaminants in liquids because the chemical reactions that participate in the absorption are accelerated by increasing temperatures, which increases the efficiency of the column. exchange, if the absorption capacity is not too much affected. Thus, it is possible to increase the absorption performance of certain contaminants such as CO 2 or COS when present.
  • the collection of liquid for the liquid recirculation means can be carried out at the bottom of the column, that is to say at the bottom of the column, below the last packing bed of the column traversed by the liquid.
  • the fluid is collected at the outlet of the column, and it is not necessary to provide additional collection means for the recirculation.
  • the collection of liquid for the liquid recirculation means can be carried out in an inter-bed zone, that is to say between two packing beds.
  • the collection of the liquid can be carried out between the packing bed and the collecting tray located directly below the packing bed or benefit advantageously from the arrangement of the latter which adds a withdrawal of liquid in the device.
  • the reinjection of liquid by the liquid recirculation means can be carried out at the top of the column, that is to say at the top of the column, above the first packing bed of the column. crossed by the liquid.
  • the liquid flow is increased for the entire height of the exchange column.
  • the reinjection of liquid by the liquid recirculation means can be carried out in an inter-bed zone, that is to say between two packing beds .
  • the reinjection of the liquid can be advantageously carried out between the collecting tray and the packing bed located directly above the collecting tray.
  • the liquid flow is increased without increasing the total height of the exchange column.
  • the liquid flow rate in the liquid recirculation means may be between 20 and 200% of the flow rate of liquid circulating in the column in the absence of recirculation.
  • the flow of liquid in the packing bed is significantly increased, thus increasing the efficiency of the exchanges between the liquid and the gas.
  • the column may be equipped with means for regenerating the liquid.
  • the liquid regeneration means make it possible to regenerate the charged liquid (that is to say having exchanged with the gas) collected at the bottom of the column: in other words the liquid regeneration means make it possible to separate the liquid and the charges exchanged with the gas. Then, the regeneration means make it possible to reinject the discharged liquid purified of contaminants at the column head.
  • the liquid leaving the column can be reused, after regeneration, to achieve, in a continuous closed circuit, exchanges of heat and / or material with the gas to be treated.
  • the column is an amine wash column
  • the liquid used is a solvent comprising amines.
  • This liquid absorbs molecules from the gas, for example CO 2, COS and / or H 2 S, by contact with the gas in the packing beds.
  • the solvent is collected at the bottom of the column to be regenerated, that is to say separated from CO 2 , COS and / or H 2 S, and then to be reinjected into column head.
  • the charge, that is to say the CO 2, the COS and the H 2 S, is discharged from the regeneration means by another outlet.
  • the regeneration may consist of heating the solvent, generally at moderate pressure (a few bars). Regeneration can be implemented by at least one regeneration column and heating means (means for boiling the solvent).
  • the regenerated solvent ie with a reduced contaminant charge, is able to exchange again material and / or heat with the gas.
  • the solvent then has a greater absorption capacity, which is greater than that of the non-regenerated solvent at iso-temperature.
  • the liquid regeneration means are independent of the liquid recirculation means.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate a portion of the liquid flowing in the recirculation means of the liquid.
  • the liquid at the bottom of the column is separated into two portions: a first portion recycled (without regeneration) reinjected into the column, and a second portion passing through the regeneration equipment of the loaded solvent before being reinjected at the top of the column.
  • This design can be of interest for reducing the size of the regeneration means by limiting the flow rate to be treated in the regeneration and reducing the heating requirements.
  • the liquid recirculation means comprise a flash balloon, able to partially separate the liquid from its gaseous charge by a detent ( decrease of the pressure relative to the exchange column).
  • a detent decrease of the pressure relative to the exchange column.
  • the pressure in the contaminant absorption column H 2 S, COS and CO 2 is high, but the pressure in the flash tank is a medium pressure.
  • the reduction of the pressure in the flash balloon partially regenerates the liquid loaded by the effect of expansion of the liquid between the higher pressure of the absorber and the lower pressure of the flash balloon.
  • This embodiment allows a better efficiency of the column, by recirculating a partially discharged liquid of its contaminants, which increases the absorption capacity of the column in operation.
  • a variant of this embodiment may consist in associating a flash balloon in the recirculation circuit and regeneration means.
  • the liquid can be separated into two portions, a first portion of which is recycled without regeneration in the column, and the second portion of which is regenerated before being reintroduced at the top of the column.
  • the pressure in the exchange column is a high pressure
  • the pressure in the flash tank is a medium pressure
  • the pressure in the regeneration means is a low pressure.
  • FIG. 4 illustrates, schematically and not limited to, an exchange column according to different embodiments of the invention.
  • the collection tray and the distribution means located between the packing beds are not shown for reasons of simplification.
  • the collecting tray and the distribution means located between the packing beds can be made according to any known design, for example that illustrated in FIG. to 9 illustrate exchange columns with two packing beds, however this number of packing beds is not limiting.
  • Each exchange column may comprise one or more packing beds, for example between one and six packing beds, and preferably two, three, or four packing beds.
  • FIG. 4 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the treated gaseous fluid FT is discharged at the top of the column of FIG. CO exchange.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the CO exchange column is equipped with means for recirculating the liquid 8.
  • the liquid recirculation means 8 collect the liquid SR at the bottom of the column, and reinject the recycled liquid LR in an area between the packing beds, also called the inter zone. filling lids (space separating the two packing beds 7).
  • the recycled liquid LR is sent into the zone above the collecting tray 1 overlying the lower packing bed.
  • the recycled liquid LR is mixed with the descending liquid of the upper packing bed.
  • the mixture thus obtained is distributed by the distribution means (4, 5, 6) on the lower lining.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9 for the circulation of the liquid.
  • the recycled liquid flow rate can be between 20 and 200% of the flow of liquid sent for regeneration.
  • FIG. 5 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the treated gaseous fluid FT is discharged at the top of the column.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the exchange column CO is equipped with liquid recirculation means 8.
  • the liquid recirculation means 8 collect the liquid SR at the bottom of the column, and reinject the recycled liquid LR into an inter-bed packing area (space between the two packing beds 7).
  • the recycled liquid LR is mixed with the descending liquid of the upper packing bed.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9 for the circulation of the liquid.
  • the exchange column CO is coupled to means for regenerating the liquid.
  • the means for regenerating the liquid comprise a regeneration column 10, reboiler means 1 1, and a pump 16.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate a portion of the liquid leaving the bottom of the column CO: at the bottom of the column, the liquid is separated into two branches, a first for recycling in the inter-bed packing zone (by the recirculation means 8), and the second for the regeneration in the regeneration column 10.
  • the SP liquid found at the bottom of the regeneration column 10 and / or at the liquid outlet of the reboiling means 1 1, is injected at the top of the exchange column CO, for example by means of a pump 16.
  • the flow of recycled liquid may be between 20 and 200% of the flow of liquid sent for regeneration.
  • the separation between the two liquid streams can be operated independently before or after the pump 9.
  • FIG. 6 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the treated gaseous fluid FT is discharged at the top of the column of FIG. CO exchange.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the CO exchange column is equipped with liquid recirculation means 8.
  • the liquid recirculation means 8 collect the SR liquid at the bottom of the column, and reinject the recycled liquid LR at the top of the CO exchange column, above the upper lining bed.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9 for the circulation of the liquid.
  • the exchange column CO is coupled to liquid regeneration means.
  • the liquid regeneration means comprise a regeneration column 10, reboiling means 1 1, and a pump 16.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate a portion of the liquid avoiding or circulating in the liquid recirculation means 8 at the outlet of the pump 9, the liquid is separated into two branches, a first for recycling at the head of the exchange column CO, and the second for regeneration in the regeneration column 10.
  • the liquid SP is injected at the top of the exchange column CO, for example by means of the pump 16.
  • FIG. 7 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the fluid FT-treated gas is discharged at the top of the CO exchange column.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the exchange column CO is equipped with liquid recirculation means 8.
  • the liquid recirculation means 8 collect the liquid SR in the inter-bed zone, and reinject the recycled liquid LR at the head of the exchange column CO at the above the upper lining bed.
  • the recycled liquid LR is mixed with the liquid SP.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9 for the circulation of the liquid.
  • the exchange column CO is coupled to liquid regeneration means.
  • the liquid regeneration means comprise a regeneration column 10, reboiling means 11, and a pump 16.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate the SR liquid discharged at the bottom of the CO exchange column.
  • the liquid SP is injected at the top of the exchange column CO.
  • FIG. 8 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the treated gaseous fluid FT is discharged at the top of the column of FIG. CO exchange.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the exchange column CO is equipped with liquid recirculation means 8.
  • the liquid recirculation means 8 collect the liquid SR at the bottom of the exchange column CO, and reinject the recycled liquid LR into an inter-bed zone of packing.
  • the recycled liquid LR is mixed with the descending liquid of the upper packing bed.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9 for the circulation of the liquid.
  • the liquid recirculation means comprise a heat exchanger 12, for cooling the liquid, and allow a better efficiency of the CO exchange column.
  • the heat exchanger 12 may be provided to heat the liquid.
  • the exchange column CO is coupled to liquid regeneration means.
  • the liquid regeneration means comprise a regeneration column 10, reboiling means 1 1 and a pump 16.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate a portion of the liquid flowing in the liquid recirculation means 8: at the outlet pump 9, the liquid is separated into two branches, a first for the cooling and recycling in the inter-bed packing zone, and the second for the regeneration in the regeneration column 10.
  • the SP liquid is injected at the top of the CO exchange column, by For example, by means of the pump 16.
  • the recycled and cooled (or heated) liquid LR can be injected at the top of the exchange column CO.
  • FIG. 9 illustrates an exchange column CO comprising two packing beds 7.
  • a gaseous fluid to be treated FA is introduced at the bottom of the exchange column CO, and the treated gaseous fluid FT is discharged at the top of the column of FIG. CO exchange.
  • SP liquid for example a lean solvent in the context of an amine washing column
  • SR liquid solvent rich for the solvent example
  • the liquid recirculation means 8 collect the liquid SR at the bottom of the exchange column CO, and send it to a pressure zone less than operating pressure of the exchange column CO, in a flash balloon 15 where the dissolved gases are partially evacuated from the solvent under the effect of the expansion, and reinjecting a portion of the semi-regenerated recycled liquid LR in an inter-bedding area. In the inter-bed packing zone, the semi-regenerated recycled liquid LR is mixed with the descending liquid of the upper packing bed.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a flash flask 15. The flash flask collects the liquid SR from the bottom of the CO exchange column, and allows, by reducing the pressure relative to the CO exchange column, a partial separation of the liquid and its charge (for example gaseous).
  • the flash balloon 15 has an evacuation of the charges GR, for example rich gases (C0 2 , H 2 S).
  • the liquid recirculation means comprise a pump 9 for the circulation of the liquid at the outlet of the flash tank 15.
  • the exchange column CO is coupled to liquid regeneration means.
  • the liquid regeneration means comprise a regeneration column 10, reboiling means 1 1 and a pump 16.
  • the liquid regeneration means are arranged to regenerate a portion of the liquid flowing in the liquid recirculation means 8: at the outlet of the pump 9, the liquid is separated into two branches, a first for recycling in the inter-bed packing zone, and the second for regeneration in the regeneration column 10.
  • the SP liquid is injected at the top of the CO exchange column, for example by means of the pump 16.
  • the partially regenerated recycled liquid LR can be injected at the top of the CO exchange column.
  • a heat exchanger 12 may be provided in the liquid recirculation means of one of the embodiments of FIGS. 4 to 7 or 9.
  • the embodiments of FIGS. 6 to 9 may be implemented. without regeneration means 10, 1 1.
  • the regeneration means may be independent of the liquid recirculation means, in particular for the embodiments of FIGS. 5, 6, 8 and 9.
  • the collection of liquid may be carried out in several zones. , for example both at the bottom of the column and in the inter-bed packing zone, then the liquid collected in the several zones is mixed before being reinjected.
  • the recirculation means also improves the flexibility of the exchange column. They allow a more compact design, especially for the embodiment for which the dispensing means are similar to those shown in Figure 3.
  • the liquid distribution means are sized according to the minimum flow and the maximum flow.
  • the number of orifices (or nozzles) in the horizontal tubes can be established according to the minimum flow ("turndown"), so as to ensure a homogeneous liquid distribution regardless of the angle of tilt of the exchange column.
  • the height of the vertical pipe can be established according to the maximum flow to provide the driving force necessary to evacuate a larger flow through the orifices.
  • the liquid level increases in the vertical pipe to successfully evacuate the liquid through the nozzles by the fact a larger liquid height: the flow rate being greater through each orifice, with a proportionally higher fluid velocity.
  • the level of liquid in the vertical pipe effectively provides the greatest driving force by virtue of a greater mass of support, hence the greater flow through the orifices to the lining.
  • the column according to the invention With the column according to the invention, it sets up a recirculation that maintains a higher flow rate for the minimum flow.
  • the ratio between the minimum and maximum flow rate for the invention is lower than this same ratio for the prior art and this in all the configurations envisaged and shown in FIGS. 4 to 9. It is therefore possible to increase the number orifices or nozzles in the horizontal tubes to ensure the minimum flow. As a result, the required liquid height is less important to ensure maximum flow.
  • FIG. 10a illustrates an exchange column portion according to the prior art, for the minimum flow ("turndown") and for an inclination of the column.
  • the column comprises two packing beds 7, a collecting plate 1 equipped with gas passageways 2, liquid distribution means.
  • the liquid distribution means comprise a vertical pipe 5 and horizontal tubes 6.
  • the treated gas FT is discharged from the top of the column, and the liquid SR is discharged through the bottom of the column.
  • little liquid (gray part) is contained in the vertical pipe to ensure a homogeneous distribution through a number of orifices determined by this case.
  • FIG. 10b illustrates an exchange column portion according to the prior art, for the maximum flow rate and for an inclination of the column (identical to the inclination of FIG. 10a).
  • the column comprises two packing beds 7, a collecting plate 1 equipped with gas passageways 2, liquid distribution means.
  • the liquid distribution means comprise a vertical pipe 5 and horizontal tubes 6.
  • the treated gas FT is discharged from the top of the column, and the liquid SR is discharged through the bottom of the column.
  • a large liquid height (gray portion) is required in the vertical pipe to ensure homogeneous distribution and high flow through the same number of orifices.
  • FIGS. 10c illustrates an exchange column portion according to the invention, for the maximum flow rate and for an inclination of the column (identical to the inclination of FIGS. 10a and 10b).
  • the column comprises two packing beds 7, a collecting plate 1 equipped with gas passageways 2, liquid distribution means.
  • the liquid distribution means comprise a vertical pipe 5 and horizontal tubes 6.
  • the treated gas FT is discharged from the top of the column, and the liquid SR is discharged through the bottom of the column.
  • the column is equipped with liquid recirculation means 8.
  • the liquid recirculation means collect the liquid SR at the bottom of the column and reinject it into the inter-bedding zone above the collecting plate 1.
  • the liquid recirculation means 8 comprise a pump 9.
  • the liquid flow rate is higher, in particular the minimum flow rate, so the height of the vertical pipe 5 can be reduced compared with that illustrated in FIG. Figure 10b. It is thus possible to reduce the height of the liquid distribution means and to reduce the height of the exchange column. Thus, the exchange column is lower and less expensive.
  • the exchange column according to the invention is advantageously an amine scrubbing column for removing contaminants C0 2 , H 2 S and / or COS from a natural gas, but it is suitable for all types of solvents used in absorption.
  • the exchange column according to the invention is suitable for flow against the current.
  • the exchange column according to the invention can be used in gas treatment processes, C0 2 capture, distillation of liquid products, dehydration, air separation or heat exchange.
  • the column according to the invention can be used for floating offshore or terrestrial applications.
  • the invention may particularly relate to floating barges or offshore platforms, for example of the FPSO type (English Floating Production, Storage and Offloading which means floating platform production storage and unloading), or type FLNG (English Floating Liquefied Natural Gas which stands for floating platform of liquefied natural gas).
  • FPSO International Floating Production, Storage and Offloading which means floating platform production storage and unloading
  • type FLNG English Floating Liquefied Natural Gas which stands for floating platform of liquefied natural gas
  • On the floating barges can also be installed distillation columns and / or dehydration columns using this device.
  • the column according to the invention is adapted in particular to the following configurations:
  • the invention is particularly suitable for high-pressure natural gas with low acid gas content (contaminant content of less than 2 mol%).
  • the flow rate determined to ensure column performance is low (approximately 10 to 30 m 3 / hr / m 2 column section) and column movements by displacing the liquid distribution can cause total dryness in sections outside the packing section in the column.
  • the average wetting rate is increased, and the dried zones are avoided and purification is ensured at all points of the section of the column.
  • the invention is also suitable for high-pressure natural gas whose compositions and flow rates are highly variable or at the end-of-life conditions of a hydrocarbon deposit, because it makes it possible to avoid oversizing the height of the beds. internal packing. Indeed, the principle of recirculation limits the oversizing of liquid collection and redistribution systems by taking advantage of lower ratios between maximum and minimum liquid flow rates, to obtain a more compact design of the distributors.
  • the invention is also suitable for gases with a high content of C0 2 or polluted with significant amounts of aromatics and heavy hydrocarbons, noting that the principle of recirculation can be combined with that of a detent (balloon flash) at medium pressure.
  • the invention is also suitable for gases with high contents of COS (from 10 parts per million to 1000 parts per million) because the recirculation of liquid favors the absorption of this contaminant which is slowly absorbed in amine solvents, and which requires usually large amounts of liquid, noting that one can combine the principle of recirculation with that of re-circulating solvent heating to accelerate the rate of absorption of COS.

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Abstract

La présente invention concerne une colonne d'échange (CO) de matière et le cas échéant de chaleur entre un gaz et un liquide. La colonne d'échange (CO) comporte au moins un plateau collecteur et un système de distribution du liquide agencés entre deux lits de garnissage (7), et des moyens de recirculation du liquide (8). Les moyens de recirculation du liquide (8) relient une zone située en dessous du lit de garnissage (7) à une zone située au-dessus du plateau distributeur.

Description

COLONNE D'ECHANGE DE MATIERE ET/OU DE CHALEUR ENTRE UN GAZ ET UN LIQUIDE AVEC MOYENS DE
RECIRCULATION DU LIQUIDE ET SON UTILISATION
La présente invention concerne le domaine des colonnes de contact gaz/liquide. Les domaines d'applications de l'invention peuvent être le traitement de gaz, le captage du C02, la déshydratation, la séparation de contaminants présents dans des flux gazeux par une solution liquide, ou encore la distillation de composés liquides en mélange.
L'industrie utilise de très nombreux contacteurs (colonnes de contact) gaz/liquide. Ces derniers peuvent être utilisés pour la séparation de produits, comme les procédés de distillation, ou encore l'absorption de contaminants, comme les procédés de traitement aux aminés, dans le secteur du traitement de gaz et/ou de captage du C02. Lorsqu'il s'agit de retirer des contaminants présents dans le gaz, comme le C02, l'eau, l'H2S, le COS par des procédés de lavage par un liquide, on utilise généralement des contacteurs verticaux, qui lavent un courant de gaz ascendant en circulation à contre-courant d'un courant liquide descendant. Ainsi, les contaminants du gaz sont retenus par le liquide lors de la remontée du gaz dans la colonne avec des vitesses d'absorption variables. On entend également par contacteurs verticaux les tours de régénération, dans lesquelles les solvants (liquide) chargés en contaminants sont épurés par contact avec un gaz, qui favorise l'extraction des contaminants présents dans la solution chargée en contaminants.
Il existe une grande variété de types de contacteurs gaz/liquide. Classiquement, les contacteurs verticaux peuvent contenir des internes de contact de type garnissage vrac et/ou garnissage structuré, et mettre en œuvre plusieurs lits de garnissages avec redistribution intermédiaire du flux de liquide, tel que schématisé sur la figure 1 . Par exemple, pour le cas de l'absorption de gaz acides par une solution aqueuse d'amine(s), on peut utiliser une colonne de contact gaz/liquide CO contenant du garnissage, réparti en plusieurs lits de garnissage 7. La colonne de contact CO reçoit le fluide gazeux à traiter en fond de colonne FA, et le solvant (liquide) pauvre en tête de colonne SP. Le fluide gazeux à traiter est généralement introduit en fond de contacteur à l'aide d'un distributeur gaz 13 permettant d'uniformiser au mieux le profil de vitesse de la phase vapeur ascendante sur l'ensemble de la section inférieure du lit de garnissage afin d'améliorer les performances de fonctionnement du contacteur. La colonne de contact CO délivre le fluide gazeux traité FT, épuré d'une partie des contaminants, en tête de colonne et le solvant riche SR, chargé d'une partie des contaminants contenus dans le fluide gazeux à traiter, en fond de colonne. Le transfert des contaminants du fluide gazeux vers le solvant liquide est opéré via la mise en contact intime de la phase liquide descendante et de la phase vapeur ascendante au sein du contacteur, au niveau des lits de garnissage 7. Les lits de garnissage 7 sont composés d'éléments solides qui présentent une surface de contact élevée, sur laquelle le liquide est réparti de manière uniforme et s'écoule vers le bas, ce qui favorise le contact avec la phase vapeur ascendante, et permet ainsi de transférer efficacement de la matière et/ou de la chaleur entre les deux fluides.
Deux grandes familles de garnissages sont disponibles actuellement. Un premier type de garnissage est constitué par une multiplicité d'éléments solides singuliers, possiblement identiques et généralement de taille modérée (de l'ordre du centimètre), déposés en vrac au sein des contacteurs, d'où le nom de garnissage vrac. Le second type, appelé garnissage structuré, est généralement formé par des tôles d'aciers mises en forme et arrangées de manière particulière.
Pour tous les types de garnissage, afin de disposer de toute la surface développée par l'interne de transfert, il convient que chacun des flux évoluant à contre-courant s'écoule de la manière la plus uniforme possible sur l'ensemble de la section de la colonne, et des internes de contact de la colonne. A cet effet, le solvant pauvre SP, en tête de colonne, est injecté de manière uniforme sur la section du lit de garnissage de tête 7, à l'aide d'un distributeur liquide 14. Généralement, les éléments constitutifs des lits de garnissage permettent de former ou/et de maintenir une distribution homogène et uniforme des fluides sur l'ensemble de la section de contact. Toutefois, lorsqu'une forte hauteur de contact est requise, il est préférable de recourir à une pluralité de lits de garnissage 7 et une pluralité de systèmes de redistribution liquide associés. En effet, lors du passage d'un liquide au sein d'un garnissage, ce dernier tend progressivement à s'accumuler dans certaines zones de passage préférentiel, et l'on dégrade l'uniformité de la distribution, jusqu'à générer des gradients de vitesses locales pour les phases gaz et liquide, dégradant ainsi les performances de mises en contact des fluides liquide et gazeux et l'efficacité globale de la colonne. Ce phénomène peut être amplifié en cas d'utilisation en conditions « offshore flottant ». Il devient alors préférable de raccourcir encore le lit de garnissage et de dédier une partie de la colonne à l'installation de dispositifs de collecte et de redistribution du liquide. Ceci dans le but de permettre la redistribution de la manière la plus homogène possible du flux de liquide sur la surface du garnissage inférieur 7. Le « Fractionation Research Inc. » (FRI) conseille de limiter la hauteur d'un lit de garnissage à une hauteur de huit mètres et de mélanger à nouveau la phase liquide avant de la réintroduire sur une section de garnissage inférieure (référence FRI, Fractionation Tray Design Handbook, vol 5 : Design Practices). Cette hauteur maximale peut varier selon les cas, et dépend de nombreux paramètres qui peuvent être : les conditions et débits de fonctionnement, des perturbations externes à la colonne d'échange comme les forces de mouvements sur les colonnes installées sur des supports flottants, tels que des barges et des navires de production, le type de garnissage, les propriétés des fluides, les conditions opératoires, etc .. La segmentation de la zone de contact en plusieurs lits de garnissage 7 peut nécessiter alors la mise en œuvre de systèmes de redistribution liquide 5, reliés à des plateaux collecteurs 1 . Ils sont installés entre deux lits de garnissage, soit pour cet exemple illustré, au-dessus des lits de garnissage 7 intermédiaire et inférieur.
Parmi les systèmes de redistribution liquide installés entre deux lits de garnissage successifs, deux types de systèmes sont utilisés pour collecter le liquide issu du lit de garnissage supérieur et le redistribuer vers le lit de garnissage inférieur.
Un premier type de système utilise un dispositif unique permettant à la fois de collecter le liquide issu du lit de garnissage supérieur et de le redistribuer sur le lit de garnissage inférieur tout en permettant le passage de la phase gaz, généralement à l'aide de cheminées. Ce sont généralement des systèmes simples et économiques mais qui ne favorisent pas le mélange de la phase liquide collectée depuis le lit de garnissage supérieur car la circulation du liquide collecté sur le plateau reste transversale à la colonne. Au sein de ce type de systèmes trois grandes familles se distinguent :
• Des distributeurs liquides à cheminées gaz : Une garde liquide s'établit sur toute la section du plateau distributeur, et alimente le lit de contact (garnissage) via des orifices uniformément répartis sur le fond du plateau. Le gaz est acheminé via des cheminées (ex. US 2013/0277868A). La figure 2 montre un plateau distributeur 1 à cheminées classique, muni de cheminées 2 pour le passage du gaz, les cheminées étant couvertes par des « chapeaux » 3 pour éviter le passage de liquide au sein des cheminées gaz (en situation d'écoulement à contre-courant), et des orifices 4 pour le passage de liquide.
• Des distributeurs liquides à caissons liquide : Une garde liquide s'établit sur un ensemble de caissons muni d'orifices d'alimentation, et le gaz est acheminé par l'espace restant (ex. US4909967A). • Des distributeurs liquides à cheminées liquide : ces distributeurs fonctionnent selon le même principe que le distributeur à cheminées gaz. La différence est que le liquide est distribué via des cheminées pouvant avoir des orifices situés à plusieurs hauteurs différentes, permettant ainsi de faire passer une plus large gamme de débits que dans le cas de simples orifices dans le fond de plateau. Le gaz est lui acheminé via des cheminées pouvant avoir une forme cylindrique ou parallélépipédique (ex. US5132055A, US4432913).
Un second type de systèmes utilise des dispositifs distincts pour collecter le liquide issu du lit de garnissage supérieur et pour le redistribuer sur le lit de garnissage inférieur, le liquide étant transmis d'un système à l'autre via des conduites de transfert de liquide, autrement dénommées jambes de transfert liquide par l'homme de l'Art; le passage de la phase vapeur étant couramment réalisé à l'aide de cheminées. Ce sont généralement des systèmes robustes, qui favorisent le mélange de la phase liquide car le liquide est rassemblé en quelques points très localisés. Au sein de ce type de systèmes, il convient de séparer la partie collectrice de la partie distributrice. Le document « Process Engineering Guide: GBHE- PEG-MAS-612 Design and Rating of Packed Distillation Columns » illustre notamment ces différents systèmes.
Les dispositifs de collecte du liquide se différencient généralement par le moyen permettant de laisser passer le flux vapeur du lit inférieur vers le lit supérieur : · plateaux collecteurs à cheminées gaz circulaires, munies de couvercles aussi appelés chapeaux par l'homme de l'Art,
• plateaux collecteurs à cheminées gaz rectangulaires, munies de chapeaux, ou
• plateaux collecteurs à cheminées gaz de type gouttière.
Sur ce second type de distributeur, les dispositifs de distribution du liquide, se distinguent généralement quatre sous familles :
• distributeurs à auges (en anglais « through distributor »), plutôt compacts mais exigeant une horizontalité parfaite (déconseillés en services critiques et en conditions offshore flottantes et oscillantes, c'est-à-dire en mer), • plateau à cheminées perforées (en anglais « orifice riser type distributor »), plutôt compact, mais réservé aux colonnes de faible diamètre (inférieur à 1 m), exigeant une horizontalité parfaite : les défauts d'uniformité de distribution sont généralement importants (déconseillés en services critiques et en conditions offshore flottantes et oscillantes),
• distributeurs tubulaires à orifices (en anglais « perforated piping distributor »), peu compact, présentant une force motrice supérieure aux distributeurs précédents et nécessitant donc une hauteur statique de liquide généralement plus importante au dessus du distributeur, mais délivrant généralement une distribution uniforme du liquide y compris en conditions offshore et oscillantes, ou
• pulvérisateurs ou buses (en anglais « spray distributor »), peu compacts, nécessitant, comme le distributeur précédent, une hauteur statique importante (une pompe peut également être utilisée pour assurer la force de distribution). La performance d'uniformité de distribution est plus modérée sur le liquide (à cause de la création de zones de recouvrement des cônes liquides). L'impact des gouttelettes sur le garnissage est important pour disperser la force liquide et le système est très fortement sujet à l'entraînement liquide par création de brouillard de gouttelettes.
La figure 3 montre un exemple de ce dernier type de systèmes qui dissocie la collecte du liquide de sa distribution. Le plateau collecteur 1 comporte des cheminées 2 pour le passage du gaz. Le système pour la distribution du liquide comprend une conduite verticale 5 et une pluralité d'arroseurs 6 (tubes horizontaux munis d'orifices ou de buses).
Pour des conditions offshore flottant, c'est généralement ce type de système illustré sur la figure 3, assurant la collecte et la redistribution du liquide entre deux lits de garnissage, qui est privilégié pour deux raisons : 1 - on minimise les effets des oscillations du liquide dans la jambe centrale, et 2- on recherche une distribution uniforme vers le lit inférieur. Aussi, le plateau collecteur de liquide est relié au système de distribution par une ou plusieurs conduites verticales relativement longues afin que le système distributeur crée la hauteur statique suffisante quelles que soient les conditions d'inclinaison imposées par la houle et fournit la force motrice au distributeur. En effet, la conduite verticale est dimensionnée de manière à ce que la variation de la hauteur de liquide due à un défaut d'horizontalité soit largement inférieure à la hauteur de la conduite de liquide alimentant le système de distribution (US 2004/0020238 A1 ). Dans ce cas, le système de distribution de liquide peut être formé par un ou plusieurs arroseurs, et le gaz est acheminé par des cheminées situées au niveau du plateau collecteur.
Les colonnes de contact gaz/liquide à contre-courant équipées de lits de garnissage et installées sur support flottant sont perturbées par une modification de la circulation du liquide, en raison du mouvement de la colonne qui s'écarte de la position verticale. La distribution du liquide n'est plus uniforme, ce qui s'ajoute à la déformation progressive de l'uniformité de la distribution du liquide lorsque le liquide progresse au travers d'un lit de garnissage. On obtient des profils de distribution de liquide dont l'hétérogénéité s'accroit, qui perturbent ensuite la distribution du gaz qui va se répartir de manière non uniforme en fonction de la mauvaise distribution de liquide. Dans les zones de forts mouillages, le gaz peut chercher à éviter le liquide. La perte d'efficacité de la colonne résulte du croisement de débits importants de gaz avec des débits faibles de liquides dans les zones où le liquide circule faiblement. Pour faire face à la perte d'efficacité de la colonne, les ingénieurs chargés du dimensionnement augmentent le débit de liquide et/ou la hauteur des lits de garnissage, de manière à réussir la performance d'épuration. En augmentant le débit de liquide, on impose une colonne de taille plus conséquente, avec une régénération plus importante. En augmentant non seulement la taille de l'absorbeur, mais éventuellement aussi celle de la section de régénération, on augmente la masse des équipements composant les ateliers présents sur la barge ou la plateforme flottante, et donc le prix du projet. Les concepteurs de colonnes d'épuration de gaz naturel doivent également répondre aux problèmes de flexibilité opératoire imposée par de nombreux cas de fonctionnement, notamment pour le liquide. En effet, pour le dimensionnement, les concepteurs doivent considérer le débit de gaz de charge le plus élevé, associé aux concentrations en contaminants les plus élevées. Ce dimensionnement impose le débit de solution liquide absorbante le plus élevé pour absorber une quantité de contaminants maximale. Or, les autres cas de fonctionnement imposent des conditions de fonctionnement plus faibles et minimales (en termes de débit et de quantité de contaminants présents dans le gaz à épurer), ce qui définit en particulier un cas « turndown » (marche technique minimale ou faible débit) ou des cas « pauvres ». Dans ce cas, le débit de liquide retenu pour opérer est plus faible.
La hauteur de liquide constituant la force motrice de distribution du liquide au travers des orifices, le débit de liquide minimum impose la hauteur de la conduite verticale minimum (ainsi que le diamètre) qui distribue le liquide de manière uniforme au travers des orifices, par exemple sur le dispositif de la figure 3. La variabilité du débit liquide impose d'autres dimensions des collecteurs mais doit s'affranchir des moyens de distribution du liquide préalablement définis pour le cas « turndown » (faible débit) et distribue alors les débits de liquide supérieurs de manière uniforme avec une hauteur de la conduite verticale de hauteur supérieure afin d'augmenter la force motrice nécessaire à l'évacuation d'un débit supérieur. On dispose alors d'un dispositif capable de distribuer la variabilité des débits de liquide avec des conduites verticales relativement longues, mais le besoin d'installer les conduites verticales plus longues augmente la hauteur totale des colonnes, ainsi que le poids des équipements des ateliers sur le FLNG ou le support flottant. Sur des colonnes oscillantes, le modèle impose en sus une conduite verticale avec une hauteur suffisante qui doit maintenir une distribution homogène et uniforme sur toute la gamme de débits lorsque la colonne s'incline, grâce à une hauteur statique suffisante, et bien positionnée au centre de la colonne. La variabilité sur le débit liquide impose un remplissage variable du système de distribution du liquide qui respecte tous les cas d'étude, notamment le cas « turndown » à faible débit liquide (et remplissage minimal) et le cas de dimensionnement à fort débit liquide (et remplissage maximal). Par exemple, pour le système de distribution selon la figure 3, la conduite verticale doit alors faire une hauteur minimale de 2.5 mètres à 3.5 mètres, qui se répète entre chaque lit. On impose alors une hauteur supplémentaire de 6 à 9 mètres de la colonne pour mettre en œuvre cette configuration si on considère une colonne de trois à quatre lits.
La présente invention concerne une colonne d'échange de matière et le cas échéant de chaleur entre un gaz et un liquide. La colonne d'échange comporte au moins un plateau collecteur et un système de distribution du liquide agencés entre deux lits de garnissage, et des moyens de recirculation du liquide. Les moyens de recirculation du liquide relient une zone située en dessous du lit de garnissage à une zone située au-dessus du plateau distributeur. Les moyens de recirculation du liquide permettent d'augmenter l'efficacité de la colonne grâce à un meilleur taux de mouillage. De plus, les moyens de recirculation du liquide permettent de limiter la variabilité du débit de liquide, ce qui permet de réduire la hauteur des moyens de distribution de liquide. Le dispositif selon l'invention
L'invention concerne une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur entre un gaz et un liquide comportant au moins un lit de garnissage, au moins un plateau collecteur agencé au- dessus dudit lit de garnissage, et des moyens de distribution dudit liquide sur ledit lit de garnissage. Ladite colonne est équipée de moyens de recirculation du liquide depuis une zone située en-dessous dudit lit de garnissage vers une zone située au-dessus dudit plateau collecteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens de recirculation dudit liquide comportent au moins une pompe.
Conformément à une mise en œuvre, lesdits moyens de recirculation dudit liquide comportent au moins un échangeur de chaleur pour refroidir ou réchauffer ledit liquide.
Selon une caractéristique, ladite colonne est couplée à des moyens de régénération dudit liquide. De préférence, lesdits moyens de régénération dudit liquide sont agencés pour régénérer une portion dudit liquide desdits moyens de recirculation de liquide.
Avantageusement, le débit dudit liquide dans lesdits moyens de régénération dudit liquide est compris entre 20 et 200 % du débit dudit liquide entrant dans ladite colonne.
Conformément à un mode de réalisation, lesdits moyens de recirculation du liquide prélèvent ledit liquide en fond de ladite colonne.
Selon une mise en œuvre, ladite colonne comporte une pluralité de lits de garnissage, une pluralité de plateaux collecteurs, et une pluralité de moyens de distribution.
De manière avantageuse, lesdits moyens de recirculation dudit liquide prélèvent ledit liquide dans une zone située entre deux lits de garnissage. De préférence, lesdits moyens de recirculation dudit liquide acheminent ledit liquide dans une zone située entre deux lits de garnissage.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de recirculation dudit liquide distribuent ledit liquide en tête de ladite colonne.
Conformément à une option de réalisation, lesdits moyens de recirculation dudit liquide comportent un ballon de flash pour régénérer partiellement ledit liquide.
Selon une mise en œuvre, lesdits moyens de distribution comportent au moins une conduite verticale d'alimentation reliée audit plateau collecteur, et au moins un tube sensiblement horizontal relié à ladite conduite d'alimentation (5), ledit tube horizontal (5) comportant au moins un orifice et/ou une buse pour la distribution dudit liquide.
En outre, l'invention concerne une utilisation d'une colonne selon l'une des caractéristiques précédentes pour un procédé de traitement de gaz, de captage de gaz acides, de distillation, de déshydratation ou de séparation d'air.
De plus, l'invention concerne une utilisation d'une colonne selon l'une des caractéristiques précédentes pour un procédé de traitement d'un gaz comportant spécifiquement du COS en plus du C02 et de l'H2S.
Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un schéma de contacteur gaz/liquide contenant du garnissage, opérant à contre-courant, et mettant en œuvre plusieurs lits de garnissages avec redistribution intermédiaire du flux de liquide, selon l'art antérieur.
La figure 2, déjà décrite, illustre un plateau collecteur à cheminées selon l'état de l'art.
La figure 3, déjà décrite, illustre un plateau collecteur équipé d'un système de distribution, reliés par une conduite de transfert liquide, selon l'état de l'art.
Les figures 4 à 9 décrivent différents modes de réalisation de la colonne selon l'invention. Les figures 10a, 10b et 10c décrivent une colonne inclinée, respectivement selon l'art antérieur à débit faible, selon l'art antérieur à débit élevé, et selon l'invention à débit élevé.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne une colonne d'échange (appelée également colonne de contact) de matière et possiblement de chaleur entre un gaz et un liquide. Selon l'invention, la colonne d'échange comporte au moins un lit de garnissage. On appelle lit de garnissage une section de garnissage qui est répartie sur une certaine hauteur de la colonne. Le garnissage peut être du garnissage vrac ou du garnissage structuré. Le garnissage, correspond à un contacteur, et permet la mise en contact du liquide et du gaz, afin de permettre les échanges de chaleur et/ou de matière entre les fluides.
Selon l'invention, la colonne d'échange comporte au moins un système de redistribution du liquide comprenant un plateau collecteur et des moyens de distribution de liquide. Chaque système de redistribution du liquide est agencé entre deux lits de garnissage, dans une zone appelée « zone inter-lits ». Le plateau collecteur collecte le liquide sur sa surface supérieure, et permet le passage du gaz à travers le plateau. Le passage du gaz à travers le plateau peut être notamment réalisé au moyen de cheminées, équipées ou non de chapeaux. En effet, lors du passage d'un liquide au sein d'un garnissage, ce dernier tend à s'accumuler dans certaines zones de passage préférentiel, générant des gradients de vitesses locales pour les phases gaz et liquide, dégradant ainsi les performances de mise en contact des fluides liquide et gazeux et l'efficacité globale de la colonne. Ce phénomène peut être amplifié en cas d'utilisation en condition « offshore flottant ». Lorsqu'une forte hauteur de contact est requise, il devient préférable de recourir à une pluralité de lits de garnissage et une pluralité de dispositifs de collecte et de distribution du liquide. Dans ce cas, il est avantageux de redistribuer de la manière la plus homogène et uniforme possible le flux de liquide sur la surface du garnissage inférieur. Il devient généralement préférable d'utiliser des collecteurs / redistributeurs de liquide entre deux sections de garnissage, au-delà d'une hauteur de garnissage de huit mètres (hauteur maximale préconisée par le FRI). Cette hauteur maximale préconisée peut être modifiée (généralement diminuée) selon les conditions de fonctionnement (offshore flottant, type de garnissage, propriétés des fluides, conditions opératoires...) pour limiter l'amplitude de la maldistribution au sortir du lit de garnissage.
Les moyens de distribution du liquide permettent de distribuer, de manière homogène, le liquide collecté par le plateau collecteur sur le lit de garnissage situé directement en dessous. Ainsi, le liquide s'écoule par gravité d'un lit de garnissage supérieur, au travers du plateau collecteur et des moyens de distribution pour être distribué sur un lit de garnissage inférieur. Les moyens de distribution peuvent être de tout type. Par exemple, ils peuvent être sous la forme d'orifices formés dans le plateau collecteur, tels que décrits avec la figure 2. En variante, les moyens de distribution du liquide sont situés en-dessous du plateau collecteur dans la zone inter-lits, et sont reliés au plateau collecteur pour le passage du liquide. Les moyens de distribution peuvent être de toute forme connue, notamment celle illustrée à la figure 3 (distributeur tubulaire à orifices). Selon un mode de réalisation de l'invention (pouvant être combiné avec les différentes variantes décrites ci-après), les moyens de distribution comprennent au moins une conduite verticale d'alimentation reliée au plateau collecteur, et au moins un, de préférence une pluralité de, tube(s) sensiblement horizontal (horizontaux) relié(s) à la conduite verticale d'alimentation. Chaque tube horizontal est équipé d'au moins un orifice et/ou une buse pour la distribution du liquide. Alternativement, les moyens de distribution peuvent être des moyens de distribution à spray (avec des buses) ou à auges. Les moyens de distribution du liquide permettent une bonne distribution du liquide sur le lit de garnissage inférieur, y compris dans des conditions offshore flottant (en mer), pour lesquelles la colonne peut être inclinée par rapport à la verticale.
La colonne selon l'invention est équipée de moyens de recirculation du liquide, ces moyens de recirculation du liquide permettent de retourner le liquide vers la colonne. Les moyens de recirculation du liquide prélèvent une partie du liquide dans au moins une zone située en dessous d'un lit de garnissage, et distribuent au moins une portion du liquide prélevé dans au moins une zone supérieure et située au-dessus d'un plateau collecteur, où le liquide en recirculation est associé au flux de liquide interne de la colonne. Ainsi, les moyens de recirculation permettent de collecter le liquide en au moins une zone, et de le mettre en circulation, et de réinjecter le liquide dans la colonne à au moins un niveau plus élevé. De cette manière, le débit de liquide est augmenté dans le garnissage, ce qui permet d'augmenter le taux de mouillage, et donc de limiter les pertes d'efficacité par mal distribution de liquide et donc l'efficacité des échanges de matière et/ou de chaleur entre le gaz et le liquide. Les moyens de recirculation de liquide permettent de faire recirculer un liquide partiellement chargé en contaminants C02 et/ou H2S (ayant préalablement échangé avec le gaz) et non-régénéré ou partiellement régénéré des contaminants qu'il contient. Le liquide en recirculation peut traverser un seul lit de garnissage pour augmenter le débit sur une hauteur limitée, ou une pluralité de lits de garnissage pour augmenter le débit sur une hauteur importante, voire sur la totalité de la hauteur de la colonne d'échange. De plus, le recyclage de solvant (liquide) s'avère utile, car après un premier échange dans le lit de garnissage, le solvant conserve une capacité d'absorption des contaminants, notamment car la maldistribution opérant dans le lit de garnissage a réduit l'efficacité de la colonne. Ainsi, on améliore le taux d'absorption global, donc le rendement de la colonne. En particulier, la recirculation du solvant améliore l'absorption des constituants les plus lents à absorber (comme le COS) en corrigeant les défauts d'efficacité de la colonne et en mettant au contact avec le gaz contaminé (en COS) une quantité de liquide plus grande donc plus réactive. De plus, pour le mode de réalisation, pour lequel les moyens de distribution comportent au moins une conduite verticale et au moins un tube (cf. figure 3), les moyens de recirculation du liquide permettent de réduire la hauteur de la conduite verticale, par rapport aux solutions sans recirculation de liquide. En effet, les moyens de recirculation limitent la variabilité du débit liquide entre les cas de bas débits de type « turndown » et les cas de plus hauts débits de type maximum ou design, ce qui permet de diminuer l'écart entre la hauteur minimale et la hauteur maximale de liquide à prendre en compte pour le dimensionnement de la longueur de la conduite verticale. Ainsi, il est possible de réduire la hauteur de la conduite verticale du dispositif de redistribution et donc la hauteur totale de la colonne en limitant les besoins de flexibilité des distributeurs liquide quant à la variabilité des débits d'opération. Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, l'avantage de limitation de la longueur de la conduite verticale permis par l'invention est encore plus grand si la recirculation est prévue pour une colonne positionnée sur un support flottant, pour deux raisons : 1 - les inclinaisons du liquide dans le système de collecte et de distribution oscillant en fonction de la houle augmentent le besoin de longueur de conduite verticale en fonction de la variabilité des débits, et 2- la maldistribution est, du fait des conditions oscillantes de l'unité flottante, plus importante sur une colonne de l'offshore flottant et le solvant prélevé a un potentiel d'absorption complémentaire plus important s'il est recirculé. La mise en œuvre de l'invention diminue à la fois la variabilité des débits et donc la longueur de la conduite verticale d'un facteur plus important et améliore la performance de la colonne.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de recirculation du liquide comportent une pompe. La pompe permet la recirculation du liquide vers un niveau plus élevé de la colonne, et peut permettre également de régler le débit de liquide. En outre, les moyens de recirculation du liquide peuvent comporter un système de collecte qui permet d'alimenter la pompe, et un système de mélange et de distribution vers un niveau supérieur. Les moyens de recirculation du liquide sont agencés préférentiellement à l'extérieur de la colonne d'échange.
Conformément à une mise en œuvre de l'invention, les moyens de recirculation du liquide peuvent comprendre également un refroidisseur. Le refroidisseur permet de refroidir le liquide en recirculation avant sa réinjection dans la colonne. Ainsi, il est possible d'augmenter la performance d'absorption du liquide. En effet, les basses températures augmentent généralement la capacité d'absorption des liquides, ce qui permet d'augmenter l'efficacité de la colonne d'échange, tant que les cinétiques des réactions ne sont pas trop affectées.
Alternativement, les moyens de recirculation de liquide peuvent comprendre des moyens de chauffage. Les moyens de chauffage permettent de chauffer le liquide recirculant avant sa réinjection dans la colonne. Ces moyens de chauffage peuvent avantageusement être situés pour chauffer le liquide recyclé injecté en tête de colonne ou en zone inter-lits de garnissage. En effet, les plus fortes températures augmentent généralement la vitesse d'absorption des contaminants dans les liquides car les réactions chimiques qui participent à l'absorption sont accélérées par des températures croissantes, ce qui permet d'augmenter l'efficacité de la colonne d'échange, si la capacité d'absorption n'est pas trop affectée. Ainsi, il est possible d'augmenter la performance d'absorption de certains contaminants comme le C02 ou COS lorsqu'ils sont présents.
Selon une conception particulière, la collecte de liquide pour les moyens de recirculation de liquide peut être réalisée en fond de colonne, c'est-à-dire en bas de la colonne, en-dessous du dernier lit de garnissage de la colonne traversé par le liquide. Ainsi, on collecte le fluide en sortie de colonne, et il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens de collecte supplémentaire pour la recirculation.
Selon une option de réalisation, lorsque la colonne d'échange comporte une pluralité de lits de garnissage, la collecte de liquide pour les moyens de recirculation de liquide peut être réalisée dans une zone inter-lits, c'est-à-dire entre deux lits de garnissage. Dans ce cas, la collecte du liquide peut être réalisée entre le lit de garnissage et le plateau collecteur situé directement en-dessous du lit de garnissage ou bénéficier avantageusement de l'arrangement de ce dernier qui ajoute un soutirage de liquide dans le dispositif.
Conformément à un mode de réalisation, la réinjection de liquide par les moyens de recirculation de liquide peut être réalisée en tête de colonne, c'est-à-dire en haut de la colonne, au-dessus du premier lit de garnissage de la colonne traversé par le liquide. Ainsi, le débit de liquide est augmenté pour la totalité de la hauteur de la colonne d'échange.
En variante et lorsque la colonne d'échange comporte une pluralité de lits de garnissage, la réinjection de liquide par les moyens de recirculation de liquide peut être réalisée dans une zone inter-lits, c'est-à-dire entre deux lits de garnissage. Dans ce cas, la réinjection du liquide peut être réalisée avantageusement entre le plateau collecteur et le lit de garnissage situé directement au-dessus du plateau collecteur. Ainsi, le débit de liquide est augmenté sans augmenter la hauteur totale de la colonne d'échange.
De manière avantageuse, le débit de liquide dans les moyens de recirculation de liquide peut être compris entre 20 et 200 % du débit de liquide circulant dans la colonne en absence de recirculation. Ainsi, le débit de liquide dans le lit de garnissage est augmenté de manière importante, augmentant ainsi l'efficacité des échanges entre le liquide et le gaz.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la colonne peut être équipée de moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide permettent de régénérer le liquide chargé (c'est-à-dire ayant échangé avec le gaz) collecté en fond de colonne : en d'autres termes les moyens de régénération du liquide permettent de séparer le liquide et les charges échangées avec le gaz. Puis les moyens de régénération permettent de réinjecter le liquide déchargé épuré des contaminants en tête de colonne. Ainsi, le liquide sortant de la colonne peut être réutilisé, après régénération, pour réaliser, de manière continue en circuit fermé, des échanges de chaleur et/ou de matière avec le gaz à traiter. Par exemple, si la colonne est une colonne de lavage aux aminés, le liquide utilisé est un solvant comprenant des aminés. Ce liquide absorbe des molécules issues du gaz, par exemple du C02, du COS et/ou de l'H2S, par contact avec le gaz dans les lits de garnissage. Après le passage dans les lits de garnissage, le solvant est collecté en fond de colonne pour être régénéré, c'est-à- dire séparé du C02, du COS et/ou de l'H2S, puis pour être réinjecté en tête de colonne. La charge, c'est-à-dire le C02, le COS et l'H2S, est évacuée des moyens de régénération par une autre sortie. Dans le cas d'une solution absorbante aux aminés, la régénération peut consister en un chauffage du solvant, généralement à pression modérée (quelques bars). La régénération peut être mise en œuvre par au moins une colonne de régénération et par des moyens de chauffage (moyens pour monter à ébullition le solvant). Le solvant régénéré, c'est à dire avec une charge de contaminants réduite, est apte à échanger à nouveau de la matière et/ou de la chaleur avec le gaz. Le solvant présente alors une capacité d'absorption plus grande, qui est supérieure à celle du solvant non régénéré à iso-température.
Conformément à une variante de l'invention, les moyens de régénération du liquide sont indépendants des moyens de recirculation du liquide. Alternativement, les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer une partie du liquide circulant dans les moyens de recirculation du liquide. Ainsi, le liquide en fond de colonne est séparé en deux portions : une première portion recyclée (sans régénération) réinjectée dans la colonne, et une deuxième portion passant dans les équipements de régénération du solvant chargé avant d'être réinjectée en tête de colonne. Cette conception peut être intéressante pour réduire le dimensionnement des moyens de régénération par limitation du débit à traiter dans la régénération et réduire les besoins de chauffage.
Selon un mode de réalisation de l'invention avantageux dans le cadre des échanges de matière entre le liquide et le gaz, les moyens de recirculation du liquide comportent un ballon de flash, apte à séparer partiellement le liquide de sa charge gazeuse par une détente (diminution de la pression par rapport à la colonne d'échange). Sur les procédés d'absorption des contaminants du gaz naturel, la pression dans la colonne d'absorption des contaminants H2S, COS et C02 est élevée, mais la pression dans le ballon de flash est une moyenne pression. En effet, la réduction de la pression dans le ballon de flash permet de régénérer partiellement le liquide chargé par effet de détente du liquide entre la pression plus haute de l'absorbeur et la pression plus basse de ce ballon de flash. Ce mode de réalisation permet une meilleure efficacité de la colonne, en faisant recirculer un liquide partiellement déchargé de ses contaminants, ce qui augmente la capacité d'absorption de la colonne en opération.
Une variante de ce mode de réalisation peut consister à associer un ballon de flash dans le circuit de recirculation et des moyens de régénération. En sortie du ballon de flash, le liquide peut être séparé en deux portions, dont une première portion est recyclée sans régénération dans la colonne, et dont la deuxième portion est régénérée avant d'être réintroduite en tête de colonne. On considère que la pression dans la colonne d'échange est une haute pression, que la pression dans le ballon de flash est une moyenne pression, et que la pression dans les moyens de régénération est une basse pression. Ce mode peut s'appliquer avantageusement pour limiter la hauteur des colonnes pénalisées par des variabilités de débit liquide importantes entre le débit maximum nécessaire et le débit minimum nécessaire, comme des colonnes installées sur support flottant ou FLNG.
Les figures 4 à 9 illustrent, de manière schématique et non limitative, une colonne d'échange selon différents modes de réalisation de l'invention. Sur ces figures, à l'exception de la figure 4, le plateau collecteur et les moyens de distribution localisés entre les lits de garnissage ne sont pas représentés pour des raisons de simplification. Toutefois, le plateau collecteur et les moyens de distribution localisés entre les lits de garnissage peuvent être réalisés selon toute conception connue, par exemple celle illustrée en figure 3. Les figures 4 à 9 illustrent des colonnes d'échange avec deux lits de garnissage, toutefois ce nombre de lits de garnissage n'est pas limitatif. Chaque colonne d'échange peut comprendre un ou plusieurs lits de garnissage, par exemple entre un et six lits de garnissage, et de préférence deux, trois, ou quatre lits de garnissage. La figure 4 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR en fond de colonne, et réinjectent le liquide recyclé LR dans une zone entre les lits de garnissage encore appelée zone inter-lits de garnissage (espace séparant les deux lits de garnissage 7). En particulier, le liquide recyclé LR est envoyé dans la zone au-dessus du plateau collecteur 1 surmontant le lit de garnissage inférieur. Dans la zone inter-lits de garnissage, le liquide recyclé LR est mélangé au liquide descendant du lit de garnissage supérieur. Le mélange ainsi obtenu est distribué par les moyens de distribution (4, 5, 6) sur le garnissage inférieur. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide. Le débit de liquide recyclé peut être compris entre 20 et 200 % du débit de liquide envoyé pour la régénération.
La figure 5 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR en fond de colonne, et réinjectent le liquide recyclé LR dans une zone inter-lits de garnissage (espace entre les deux lits de garnissage 7). Dans la zone inter- lits de garnissage, le liquide recyclé LR est mélangé au liquide descendant du lit de garnissage supérieur. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide. En outre, la colonne d'échange CO est couplée à des de moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide comportent une colonne de régénération 10, des moyens de rebouillage 1 1 , et une pompe 16. Les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer une portion du liquide sortant du fond de la colonne CO : en fond de la colonne, le liquide est séparé en deux branches, une première pour le recyclage dans la zone inter-lits de garnissage (par les moyens de recirculation 8), et la seconde pour la régénération dans la colonne de régénération 10. En sortie de la colonne de régénération 10, le liquide SP retrouvé en fond de colonne de régénération 10 et/ou en sortie liquide des moyens de rebouillage 1 1 , est injecté en tête de la colonne d'échange CO, par exemple au moyen d'une pompe 16. Le débit de liquide recyclé peut être compris entre 20 et 200 % du débit de liquide envoyé pour la régénération. La séparation entre les deux flux de liquide peut être opérée indépendamment avant ou après la pompe 9.
La figure 6 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR en fond de colonne, et réinjectent le liquide recyclé LR en tête de la colonne d'échange CO, au-dessus du lit de garnissage supérieur. En tête de colonne, le liquide recyclé LR est mélangé au liquide SP. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide. En outre, la colonne d'échange CO est couplée à des moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide comportent une colonne de régénération 10, des moyens de rebouillage 1 1 , et une pompe 16. Les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer une portion du liquide évitant ou circulant dans les moyens de recirculation du liquide 8 : en sortie de la pompe 9, le liquide est séparé en deux branches, une première pour le recyclage en tête de la colonne d'échange CO, et la seconde pour la régénération dans la colonne de régénération 10. En sortie de la colonne 10 et/ou en sortie liquide des moyens de rebouillage 1 1 , le liquide SP est injecté en tête de la colonne d'échange CO, par exemple au moyen de la pompe 16.
La figure 7 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR dans la zone inter-lits, et réinjectent le liquide recyclé LR en tête de la colonne d'échange CO au-dessus du lit de garnissage supérieur. En tête de la colonne d'échange CO, le liquide recyclé LR est mélangé au liquide SP. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide. En outre, la colonne d'échange CO est couplée à des moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide comportent une colonne de régénération 10, des moyens de rebouillage 1 1 , et une pompe 16. Les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer le liquide SR évacué en fond de la colonne d'échange CO. En sortie de la colonne de régénération 10 et/ou en sortie liquide des moyens de rebouillage 1 1 , le liquide SP est injecté en tête de la colonne d'échange CO.
La figure 8 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR en fond de la colonne d'échange CO, et réinjectent le liquide recyclé LR dans une zone inter-lits de garnissage. Dans la zone inter-lits de garnissage, le liquide recyclé LR est mélangé au liquide descendant du lit de garnissage supérieur. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide. De plus, les moyens de recirculation du liquide comportent un échangeur de chaleur 12, pour refroidir le liquide, et permettre une meilleure efficacité de la colonne d'échange CO. Alternativement, l'échangeur de chaleur 12 peut être prévu pour chauffer le liquide. En outre, la colonne d'échange CO est couplée à des moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide comportent une colonne de régénération 10, des moyens de rebouillage 1 1 et une pompe 16. Les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer une portion du liquide circulant dans les moyens de recirculation du liquide 8 : en sortie de la pompe 9, le liquide est séparé en deux branches, une première pour le refroidissement et recyclage dans la zone inter-lits de garnissage, et la seconde pour la régénération dans la colonne de régénération 10. En sortie de la colonne de régénération 10, le liquide SP est injecté en tête de la colonne d'échange CO, par exemple au moyen de la pompe 16. Alternativement au mode de réalisation illustré en figure 7, le liquide recyclé et refroidi (ou réchauffé) LR peut être injecté en tête de colonne d'échange CO.
La figure 9 illustre une colonne d'échange CO comprenant deux lits de garnissage 7. Un fluide gazeux à traiter FA est introduit en fond de la colonne d'échange CO, et le fluide gazeux traité FT est évacué en tête de la colonne d'échange CO. Un liquide SP (par exemple un solvant pauvre dans le cadre d'une colonne de lavage aux aminés) est injecté en tête de la colonne d'échange CO, et le liquide SR (solvant riche pour l'exemple du solvant) est évacué en fond de la colonne d'échange CO. La colonne d'échange CO est couplée à des moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide 8 collectent le liquide SR en fond de la colonne d'échange CO, et l'envoient dans une zone de pression inférieure à la pression opératoire de la colonne d'échange CO, au sein d'un ballon de flash 15 où les gaz dissous s'évacuent partiellement du solvant sous l'effet de la détente, et en réinjectent une partie du liquide recyclé semi-régénéré LR dans une zone inter-lits de garnissage. Dans la zone inter-lits de garnissage, le liquide recyclé semi-régénéré LR est mélangé au liquide descendant du lit de garnissage supérieur. Les moyens de recirculation du liquide 8 comportent un ballon de flash 15. Le ballon de flash collecte le liquide SR du fond de la colonne d'échange CO, et permet par une diminution de la pression par rapport à la colonne d'échange CO, une séparation partielle du liquide et de sa charge (par exemple gazeuse). Le ballon de flash 15 comporte une évacuation des charges GR, par exemple des gaz riches (C02, H2S). De plus, les moyens de recirculation du liquide comportent une pompe 9 pour la circulation du liquide en sortie du ballon de flash 15. En outre, la colonne d'échange CO est couplée à des moyens de régénération du liquide. Les moyens de régénération du liquide comportent une colonne de régénération 10, des moyens de rebouillage 1 1 et une pompe 16. Les moyens de régénération du liquide sont agencés pour régénérer une portion du liquide circulant dans les moyens de recirculation du liquide 8: en sortie de la pompe 9, le liquide est séparé en deux branches, une première pour le recyclage dans la zone inter-lits de garnissage, et la seconde pour la régénération dans la colonne de régénération 10. En sortie de la colonne de régénération 10, le liquide SP est injecté en tête de la colonne d'échange CO, par exemple au moyen de la pompe 16. Alternativement au mode de réalisation illustré en figure 8, le liquide recyclé partiellement régénéré LR peut être injecté en tête de colonne d'échange CO.
D'autres configurations sont envisageables. Par exemple, un échangeur de chaleur 12 peut être prévu dans les moyens de recirculation du liquide de l'un des modes de réalisation des figures 4 à 7 ou 9. De plus, les modes de réalisation des figures 6 à 9 peuvent être mis en œuvre sans moyen de régénération 10, 1 1 . Selon d'autres configurations, les moyens de régénération peuvent être indépendants des moyens de recirculation du liquide, en particulier pour les modes de réalisation des figures 5, 6, 8 et 9. En outre, la collecte de liquide peut être réalisée en plusieurs zones, par exemple à la fois en fond de colonne et en zone inter-lits de garnissage, puis le liquide collecté dans les plusieurs zones est mélangé avant d'être réinjecté.
Les moyens de recirculation améliorent également la flexibilité de la colonne d'échange. Ils permettent une conception plus compacte, notamment pour le mode de réalisation pour lequel les moyens de distribution sont semblables à ceux illustrés en figure 3. Les moyens de distribution du liquide sont dimensionnés en fonction du débit minimal et du débit maximal. D'une part, le nombre d'orifices (ou de buses) dans les tubes horizontaux peut être établi en fonction du débit minimal (« turndown »), de manière à assurer une distribution du liquide homogène quel que soit l'angle d'inclinaison de la colonne d'échange. D'autre part, la hauteur de la conduite verticale peut être établie en fonction du débit maximal pour assurer la force motrice nécessaire à l'évacuation d'un débit plus important à travers les orifices. En effet, étant donné que les moyens de distribution sont inchangés (même nombre d'orifices ou de buses dans les tubes horizontaux), le niveau de liquide augmente dans la conduite verticale pour réussir l'évacuation du liquide au travers des buses par le fait d'une hauteur de liquide plus grande : le débit étant plus grand à travers chaque orifice, avec une vitesse de fluide proportionnellement plus élevée. Le niveau de liquide dans la conduite verticale assure effectivement la plus grande force motrice grâce à une masse d'appui plus importante, d'où le débit plus important au travers des orifices vers le garnissage.
Avec la colonne selon l'invention, on met en place une recirculation qui maintient un débit plus important pour le débit minimal. Ainsi, le ratio entre le débit minimal et maximal pour l'invention est inférieur à ce même ratio pour l'art antérieur et ce dans toutes les configurations envisagées et exposées dans les figures 4 à 9. Il est donc possible d'augmenter le nombre d'orifices ou de buses dans les tubes horizontaux pour assurer le débit minimal. En conséquence, la hauteur de liquide requise est moins importante pour assurer le débit maximal.
La figure 10a illustre une portion de colonne d'échange selon l'art antérieur, pour le débit minimal (« turndown ») et pour une inclinaison de la colonne. La colonne comporte deux lits de garnissage 7, un plateau collecteur 1 équipé de cheminées 2 de passage du gaz, des moyens de distribution du liquide. Les moyens de distribution de liquide comportent une conduite verticale 5 et des tubes horizontaux 6. Le gaz traité FT est évacué par le haut de la colonne, et le liquide SR est évacué par le fond de la colonne. Dans le cas du faible débit, peu de liquide (partie grisée) est contenu dans la conduite verticale pour assurer une distribution homogène au travers un nombre d'orifices déterminés par ce cas.
La figure 10b illustre une portion de colonne d'échange selon l'art antérieur, pour le débit maximal et pour une inclinaison de la colonne (identique à l'inclinaison de la figure 10a). La colonne comporte deux lits de garnissage 7, un plateau collecteur 1 équipé de cheminées 2 de passage du gaz, des moyens de distribution du liquide. Les moyens de distribution de liquide comportent une conduite verticale 5 et des tubes horizontaux 6. Le gaz traité FT est évacué par le haut de la colonne, et le liquide SR est évacué par le fond de la colonne. Dans le cas du débit maximal, une hauteur importante de liquide (partie grisée) est nécessaire dans la conduite verticale pour assurer une distribution homogène et un débit important au travers du même nombre d'orifices. La figure 10c illustre une portion de colonne d'échange selon l'invention, pour le débit maximal et pour une inclinaison de la colonne (identique à l'inclinaison des figures 10a et 10b). La colonne comporte deux lits de garnissage 7, un plateau collecteur 1 équipé de cheminées 2 de passage du gaz, des moyens de distribution du liquide. Les moyens de distribution de liquide comportent une conduite verticale 5 et des tubes horizontaux 6. Le gaz traité FT est évacué par le haut de la colonne, et le liquide SR est évacué par le fond de la colonne. De plus la colonne est équipée de moyens de recirculation du liquide 8. Les moyens de recirculation du liquide collectent le liquide SR en fond de colonne et le réinjectent dans la zone inter-lits de garnissage au-dessus du plateau collecteur 1 . Les moyens de recirculation du liquide 8 comprennent une pompe 9. Grâce à la recirculation du liquide, le débit de liquide est plus important, en particulier le débit minimal, donc la hauteur de la conduite verticale 5 peut être réduite par rapport à celle illustrée la figure 10b. Il est ainsi possible de réduire la hauteur des moyens de distribution de liquide et de réduire la hauteur de la colonne d'échange. Ainsi, la colonne d'échange est moins haute et moins onéreuse.
La colonne d'échange selon l'invention est avantageusement une colonne de lavage aux aminés pour éliminer les contaminants C02, H2S et/ou COS d'un gaz naturel mais elle est adaptée à tous types de solvants utilisés en absorption.
La colonne d'échange selon l'invention est adaptée aux écoulements à contre-courant.
La colonne d'échange selon l'invention peut être utilisée dans des procédés de traitement de gaz, de captage de C02, de distillation de produits liquides, de déshydratation, de séparation de l'air ou d'échange de chaleur. La colonne selon l'invention peut être utilisée pour des applications offshore flottantes ou terrestres.
En outre, l'invention peut concerner tout particulièrement des barges flottantes ou des plateformes offshore, par exemple de type FPSO (de l'anglais Floating Production, Storage and Offloading qui signifie plateforme flottante de production de stockage et de déchargement), ou du type FLNG (de l'anglais Floating Liquefied Natural Gas qui signifie plateforme flottante de gaz naturel liquéfié). Sur les barges flottantes, peuvent être installées également des colonnes de distillation et/ou des colonnes de déshydratation utilisant ce dispositif.
Dans le cas des procédés de traitement de gaz et/ou de captage du C02 au moyen d'une colonne offshore flottant, la colonne selon l'invention est adaptée notamment aux configurations suivantes :
L'invention est particulièrement adaptée aux gaz naturels à haute pression à faibles teneurs en gaz acides (teneurs en contaminants inférieures à 2% mol). Le débit déterminé pour assurer la performance de la colonne est faible (environ de 10 à 30 m3/h/m2 de section de colonne) et les mouvements de la colonne en déplaçant la distribution de liquide peuvent provoquer des assèchements totaux dans les sections extérieures à la section de garnissage dans la colonne. Avec les colonnes selon l'art antérieur, à ces endroits, on a une perte d'efficacité totale de l'absorption des gaz acides qui ne sont pas au contact avec le liquide et déterminent une mauvaise performance de la colonne d'échange. Avec une recirculation selon l'invention, on augmente le taux de mouillage moyen, et on évite les zones asséchées et on assure l'épuration en tout point de la section de la colonne. L'invention est également adaptée aux gaz naturels à haute pression dont les compositions et les débits sont très variables ou aux conditions de fin de vie d'un gisement d'hydrocarbures, car elle permet d'éviter de surdimensionner la hauteur des lits d'interne en garnissages. En effet, le principe d'une recirculation limite le surdimensionnement des systèmes de collecte et de redistribution de liquide en tirant profit de ratios plus faibles entre les débits de liquide maximal et minimal, pour obtenir une conception plus compacte des distributeurs.
L'invention est également adaptée aux gaz à forte teneur en C02 ou pollués avec des quantités importantes d'aromatiques et d'hydrocarbures lourds, en remarquant que l'on peut cumuler le principe de la recirculation à celui d'une détente (ballon de flash) à moyenne pression.
L'invention est également adaptée aux gaz à fortes teneurs en COS (de 10 parties par millions à 1000 parties par million) car la recirculation de liquide favorise l'absorption de ce contaminant qui s'absorbe lentement dans les solvants amine, et qui requiert habituellement des quantités importantes de liquide, en remarquant que l'on peut cumuler le principe de la recirculation à ce celui d'un réchauffage du solvant recirculé pour accélérer la vitesse d'absorption du COS.

Claims

Revendications
1 ) Colonne d'échange de matière et/ou de chaleur entre un gaz et un liquide comportant au moins un lit de garnissage (7), au moins un plateau collecteur (1 ) agencé au-dessus dudit lit de garnissage (7), et des moyens de distribution dudit liquide (4, 5, 6) sur ledit lit de garnissage (7), caractérisé en ce que ladite colonne (CO) est équipée de moyens de recirculation du liquide (8) depuis une zone située en-dessous dudit lit de garnissage (7) vers une zone située au-dessus dudit plateau collecteur (1 ).
2) Colonne selon la revendication 1 , dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) comportent au moins une pompe (9). 3) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) comportent au moins un échangeur de chaleur (12) pour refroidir ou réchauffer ledit liquide.
4) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite colonne (CO) est couplée à des moyens de régénération dudit liquide (10, 1 1 ). 5) Colonne selon la revendication 4, dans laquelle lesdits moyens de régénération dudit liquide (10, 1 1 ) sont agencés pour régénérer une portion dudit liquide desdits moyens de recirculation de liquide (8).
6) Colonne selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle lesdits moyens de régénération reçoivent un débit dudit liquide (8) compris entre 20 et 200 % du débit dudit liquide entrant dans ladite colonne (CO).
7) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de recirculation du liquide (8) prélèvent ledit liquide en fond de ladite colonne (CO).
8) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite colonne (CO) comporte une pluralité de lits de garnissage (7), une pluralité de plateaux collecteurs (1 ), et une pluralité de moyens de distribution (4, 5, 6).
9) Colonne selon la revendication 8, dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) prélèvent ledit liquide dans une zone située entre deux lits de garnissage (7). 10) Colonne selon l'une des revendications 8 ou 9, dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) acheminent ledit liquide dans une zone située entre deux lits de garnissage (7).
1 1 ) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) distribuent ledit liquide en tête de ladite colonne (CO).
12) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de recirculation dudit liquide (8) comportent un ballon de flash (15) pour régénérer partiellement ledit liquide.
13) Colonne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de distribution comportent au moins une conduite verticale (5) d'alimentation reliée audit plateau collecteur (1 ), et au moins un tube (6) sensiblement horizontal relié à ladite conduite d'alimentation (5), ledit tube horizontal (5) comportant au moins un orifice et/ou une buse pour la distribution dudit liquide.
14) Utilisation d'une colonne (CO) selon l'une des revendications précédentes pour un procédé de traitement de gaz, de captage de gaz acides, de distillation, de déshydratation ou de séparation d'air.
15) Utilisation d'une colonne (CO) selon l'une des revendications précédentes pour un procédé de traitement d'un gaz comportant spécifiquement du COS en plus du C02 et de l'H2S.
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