Brevet FR2807505A1 — publié le 20011012

La présente invention concerne le domaine des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur, notamment des colonnes de lavage ou de distillation des mélanges gazeux. Plus précisément, elle concerne les distributeurs recueillant le liquide descendant à l'intérieur de ces colonnes et le répartissant sur la surface supérieure de la zone active de la colonne qu'ils surplombent. Au cours des processus de séparation des différents constituants d'un mélange gazeux à l'intérieur de colonnes, il peut être nécessaire d'extraire les gaz ascendants à l'intérieur de cette colonne, afin de leur faire subir un traitement tel qu'une opération d'échange thermique destinée à les ramener à une température donnée. C'est notamment le cas lorsqu'on procède à l'intérieur de la colonne à un lavage des gaz ascendants au moyen d'un constituant liquide. Comme exemple d'un tel procédé, on peut citer l'opération de séparation de l'hydrogène des mélanges contenant de l'hydrogène, du CO et du méthane obtenus par reformage du méthane à la vapeur d'eau. Au cours de l'opération de séparation visant à recueillir l'hydrogène pur en tête de colonne, on peut procéder à un lavage de l'hydrogène par du méthane liquide que l'on introduit dans la partie supérieure de la colonne. Pour qu'une telle opération de lavage soit la plus efficace possible, il faut maintenir dans l'ensemble de la colonne une température aussi proche que possible de - C, alors que le lavage est exothermique. A cet effet, il est connu d'extraire en différents endroits de la colonne les gaz ascendants, de les faire transiter par un échangeur de chaleur chargé de les refroidir, et de les réintroduire dans la colonne à un niveau supérieur au niveau o ils avaient été prélevés. L'abaissement de la température des gaz recueillis après leur passage dans l'échangeur provoque la condensation du ou des composés les moins volatils du mélange gazeux. Ce liquide condensé est recueilli par des gardes hydrauliques qui le déversent dans des récipients distributeurs. Ces récipients distributeurs comportent un fond perforé qui leur permet de répartir le liquide qu'ils contiennent sur la surface supérieure d'une zone active, telle qu'un garnissage, qu'ils surplombent. Ces ensembles gardes hydrauliques-distributeurs constituent des organes relativement encombrants, dont la hauteur totale peut atteindre quelques mètres. La colonne comportant généralement une pluralité de garnissages et d'étages o les gaz ascendants sont extraits, refroidis puis réintroduits dans la colonne, cette construction conduit nécessairement à l'édification de colonnes de grande hauteur, ayant donc un prix de revient élevé. De plus, ces ensembles gardes hydrauliques- distributeurs sont de structure complexe, et sont eux-mêmes coûteux à réaliser. Le but de l'invention est de procurer aux utilisateurs des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur des distributeurs liquide-gaz notablement moins complexes que les distributeurs existants, de manière à permettre une réduction du coût de construction de la colonne, et éventuellement de sa hauteur totale. A cet effet, l'invention a pour objet un distributeur liquide-gaz pour colonne d'échange de matière et/ou de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient unique de forme extérieure générale sensiblement cylindrique, adapté pour définir un espace annulaire entre sa paroi latérale et la paroi intérieure de ladite colonne, et comportant un fond perforé, des moyens pour relier le récipient à la paroi intérieure de la colonne et des moyens autorisant le transfert des gaz dudit espace annulaire à l'espace situé au-dessus du récipient. Ces derniers moyens peuvent être constitués par des ouvertures ménagées dans un rebord supérieur dudit distributeur, ou dans la paroi latérale du récipient. Préférentiellement, ce récipient comporte un rétrécissement de sa section transversale interne dans sa partie centrale. L'invention a également pour objet une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comportant au moins un distributeur liquide-gaz recueillant le liquide descendant pour le distribuer sur une zone active qu'il surplombe, caractérisée en ce que ledit distributeur est conforme au type précédemment décrit. Selon une variante de l'invention, lesdits moyens autorisant le transfert des gaz ascendants dudit espace annulaire à l'espace situé au-dessus du récipient comportent une conduite de prélèvement des gaz ascendants dans ledit espace annulaire et une conduite de réintroduction desdits gaz dans la colonne au-dessus du récipient. Selon une autre variante de l'invention, des ouvertures sont ménagées dans un rebord supérieur du récipient, et débouchent dans un échangeur de chaleur intégré à ladite colonne. 25. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à intégrer au distributeur liquide-gaz un récipient unique de forme générale cylindrique à fond perforé, auquel aucune garde hydraulique distincte n'est associée. Selon les diverses variantes de l'invention, le récipient coopère avec la paroi de la colonne pour envoyer les gaz ascendants subir un traitement dans un appareillage situé à l'extérieur ou à l'intérieur de la colonne, ou laisse passer les gaz ascendants. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes: - la Figure 1 qui représente, vue en coupe longitudinale, une portion de colonne de séparation d'un mélange gazeux selon l'art antérieur; - la Figure 2 qui représente, vue en coupe longitudinale, une portion de colonne de séparation d'un mélange gazeux équipée d'un distributeur liquide-gaz selon l'invention; - la Figure 3 qui représente, vue en coupe longitudinale, une portion de colonne de séparation d'un mélange gazeux équipée d'un distributeur liquide-gaz selon une variante de l'invention; - la Figure 4 qui représente, vu de dessus, un distributeur liquide-gaz selon une autre variante de l'invention; - la Figure 5 qui représente, vue en coupe longitudinale, une portion de colonne de séparation d'un mélange gazeux équipée d'un distributeur liquide-gaz selon une autre variante de l'invention. La portion de colonne de séparation d'un mélange gazeux selon l'art antérieur représentée sur la figure 1 comporte une paroi ou virole cylindrique 1. Elle est remplie sur une portion de sa hauteur par un garnissage 2 constituant une zone active de la colonne. Dans l'installation donnée en exemple, les gaz sortants du garnissage 2 se trouvent à une température supérieure à celle qui serait souhaitable pour que l'on puisse effectuer avec la plus grande efficacité une opération de lavage de ces gaz. C'est le cas, par exemple, lorsque la colonne doit traiter un mélange hydrogène/CO/méthane provenant d'une réaction de reformage du méthane par de la vapeur d'eau, que la colonne a pour fonction de séparer en hydrogène gazeux pur d'une part, recueilli en tête de colonne, et en mélange CO/méthane liquide d'autre part, recueilli en pied de colonne. A cet effet, on souhaite souvent réaliser une opération de lavage du mélange gazeux ascendant par du méthane liquide introduit en tête de colonne. Pour que cette opération de lavage ait une efficacité maximale, il convient qu'elle ait lieu à une température proche de -1 80 C. Les gaz sortant du garnissage 2 à une température légèrement plus élevée que celle souhaitée, on effectue un prélèvement de ces gaz au moyen d'une conduite 3 piquée sur la paroi 1 de la colonne. Les gaz ainsi recueillis sont envoyés dans un échangeur de chaleur 4, o ils subissent un apport de frigories (par exemple au moyen de CO liquide). Une fois la température des gaz ramenée à -180 C, les gaz et le liquide qui s'est condensé lors de l'opération de transfert thermique sont réintroduits dans la colonne par une conduite 5. Celle-ci débouche dans la colonne à un niveau supérieur au niveau o se situait la conduite 3 d'extraction des gaz. La fraction liquide des matières réintroduites dans la colonne est recueillie par une garde hydraulique 6. Cette garde hydraulique 6 se présente sous la forme d'un entonnoir dont la circonférence de la partie supérieure est solidaire du pourtour de la paroi interne 1 de la colonne, à un niveau situé entre celui de la conduite 3 de prélèvement des gaz et celui de la conduite S de réintroduction des gaz et du liquide condensé dans la colonne. La partie en entonnoir de la garde hydraulique 6 débouche sur une portion cylindrique 7, équipée d'un fond plein 8. Du liquide 9 peut donc s'accumuler dans le fond de la garde hydraulique 6. Des conduites 10,11 permettent d'introduire ce liquide 9 dans un distributeur 12 situé sous la garde hydraulique 6. Ce distributeur 12 peut se présenter classiquement sous la forme d'un récipient de forme complexe dont le fond est muni de perforations 13,14,15,16,17,18. Le liquide 19 présent dans le distributeur 12 s'écoule à travers les perforations 13,14,15,16,17,18 dudit distributeur en direction du garnissage 2. Les hauteurs de liquide 9,19 présent dans la garde hydraulique 6 et dans le distributeur 12 correspondent aux pertes de charges du gaz entre les niveaux supérieur et inférieur de ces liquides. Le fond du distributeur 12 est également équipé de dômes 20 munis de perforations 21 permettant de laisser passer les gaz ascendants sortant du garnissage 2 à travers le distributeur 12. La colonne de séparation selon l'invention représentée sur la figure 2 comporte, placé entre les niveaux respectifs des conduites 3 de prélèvement des gaz et 5 de réintroduction des gaz et du liquide condensé, un support 22 qui parcourt l'intérieur de la paroi 1 de la colonne sur l'ensemble de sa circonférence. Sur ce support 22 repose un rebord supérieur 23 d'un récipient 24, qui fait partie d'un distributeur liquidegaz selon l'invention. Ce récipient 24 a une forme générale cylindrique, et son fond 25 comporte des perforations 26. Son diamètre extérieur " d " est inférieur au diamètre intérieur "D" de la colonne. Ces perforations 26 distribuent le liquide 27 présent dans le récipient 24 sur la surface supérieure du garnissage 2 que le récipient 24 surplombe. Les gaz ascendants sortant du garnissage 2 passent à travers l'espace annulaire défini d'une part par la paroi interne 1 de la colonne et d'autre part par la paroi externe du récipient 24. Ils sont orientés vers la conduite 3 de prélèvement des gaz, du fait que le support 22 sur lequel repose le rebord supérieur 23 du récipient 24 délimite, en coopération avec la paroi latérale du récipient 24, une zone étanche aux gaz ascendants. Comme dans l'art antérieur, ces gaz ascendants transitent dans un échangeur de chaleur 4 qui abaisse leur température au niveau souhaité. Après leur réintroduction dans la colonne par la conduite 5, les gaz refroidis poursuivent leur ascension, alors que le liquide condensé et le liquide de lavage s'écoulent dans le récipient 24, sans que soit prévue une garde hydraulique distincte ou tout autre organe comparable à la garde hydraulique 6 de la Figure 1. La hauteur de liquide 27 présent dans le récipient 24 correspond à la perte de charge du gaz entre l'amont et l'aval du distributeur 24. Par rapport à la configuration selon l'art antérieur illustré sur la Figure 1, l'exemple de configuration selon l'invention de la Figure 2 présente une hauteur inférieure d'environ 1 m, donc sensiblement diminuée. Cela permet de procurer à la colonne une hauteur moins importante qu'à l'accoutumée, ce qui est d'autant plus avantageux si les étages d'extraction, de refroidissement et de réintroduction des gaz dans la colonne sont nombreux. En variante, comme représenté sur la Figure 3, le récipient 24 peut comporter un rétrécissement 28 de son diamètre intérieur dans sa partie centrale. On peut ainsi réduire la quantité de liquide 27 retenue dans le récipient 24. Pour faciliter la collecte du liquide 27, on peut également prévoir de conférer au récipient 24 une forme en entonnoir au-dessus du rétrécissement 28 de sa section transversale. En variante, comme représenté sur la figure 4, les rebords supérieurs 23 des récipients 24 peuvent comporter des ouvertures 29. En coopération avec des ouvertures similaires pratiquées dans les supports 22, ces ouvertures 29 autorisent une remontée des gaz à l'intérieur de la colonne. Ces ouvertures 29 peuvent ainsi déboucher dans des échangeurs thermiques similaires dans leur fonction à l'échangeur 4 des figures 1 à 3, mais intégrés à la paroi 1 de la colonne. Après le passage des gaz dans ces échangeurs, et leur réintroduction à l'intérieur de la colonne, le liquide qui s'est condensé redescend pour être recueilli dans les récipients 24. Les distributeurs selon l'invention peuvent être aussi être utilisés dans le cas o on ne désire pas faire subir aux gaz ascendants de traitement particulier, mais o on désire seulement répartir le liquide descendant de façon régulière sur la surface du garnissage (ou, de manière générale, la zone active) que le distributeur surplombe. A cet effet, on peut utiliser la variante du récipient 24 représentée sur la Figure 5. Il est installé dans une colonne dont la paroi 1 ne comporte pas de moyens pour faire subir aux gaz ascendants un traitement particulier, que ce soit à l'extérieur ou l'intérieur de la colonne. Comme dans les variantes représentées sur les Figures 2 et 3, l'espace annulaire entre le récipient 24 et la paroi 1 de la colonne est obturé à son extrémité supérieure par un rebord 22 solidaire de la paroi 1 de la colonne, coopérant avec un rebord supérieur 23 du récipient, les deux étant dépourvus d'ouvertures pouvant être traversées par les gaz ascendants. En revanche, on trouve de telles ouvertures 30 sur la paroi latérale du récipient 24. De cette façon, tout le liquide condensé descendant des étages supérieurs de la colonne transite par le récipient 24, et ne vient pas gêner l'ascension des gaz dans l'espace annulaire. En variante, les orifices 30 pourraient être prévus dans le rebord 23. REVENDICATIONS 1. Distributeur liquide-gaz pour colonne d'échange de matière et/ou de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient unique (24) de forme extérieure générale sensiblement cylindrique, adapté pour définir un espace annulaire entre sa paroi latérale et la paroi intérieure (1) de ladite colonne, et comportant un fond (25) perforé, des moyens pour relier le récipient (24) à la paroi intérieure (1) de la colonne, et des moyens autorisant le transfert des gaz dudit espace annulaire à l'espace situé au-dessus du récipient (24). 2. Distributeur liquide-gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient (24) comporte un rétrécissement (28) de sa section transversale interne dans sa partie centrale. 3. Distributeur liquide-gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens autorisant le transfert des gaz sont constitués par des ouvertures (29) ménagées dans un rebord supérieur (23) dudit récipient (24). 4. Distributeur liquide-gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens autorisant le transfert des gaz sont constitués par des ouvertures (30) ménagées dans la paroi latérale du récipient (24). 5. Colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comportant au moins un distributeur liquide-gaz recueillant le liquide descendant pour le distribuer sur une zone active (2) qu'il surplombe, caractérisée en ce que ledit distributeur est conforme à l'une des revendications 1 à 4. 6. Colonne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens autorisant le transfert des gaz ascendants dudit espace annulaire à l'espace situé au-dessus du récipient (24) comportent une conduite (3) de prélèvement des gaz ascendants dans ledit espace annulaire et une conduite (4) de réintroduction desdits gaz dans la colonne au- dessus du récipient (24). 7. Colonne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit distributeur est conforme à la revendication 3, et en ce que lesdites ouvertures (29) débouchent dans une échangeur de chaleur intégré à ladite colonne.