Brevet FR2861605A1 — publié le 20050506

Fr = V Jgxd La présente invention se rapporte à une méthode de mise en oeuvre d'un dispositif dans lequel un mélange intime entre une phase gazeuse et une phase liquide d'une part et une distribution radiale sensiblement uniforme dudit mélange au sein dudit dispositif d'autre part sont recherchés. La présente invention trouve de manière générale son application dans tous les procédés de traitement d'hydrocarbures mettant en oeuvre une phase liquide et une phase gazeuse dans au moins une étape de séparation, de purification ou de transformation chimique comme par exemple les procédés d'élimination des polluants contenus dans les hydrocarbures tels que les procédés d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation ou les procédés d'hydrogénation sélective, de lavage aux amines. La présente invention trouve son application plus particulièrement dans le domaine du lavage de gaz acides issus de champ d'exploitation de gaz en mer ou sur terre ou présents au sein d'une raffinerie. Dans la suite de la présente description, le cas particulier du traitement des gaz acides est décrit. Bien entendu, cet exemple d'application ne restreint aucunement le champ d'application de la présente invention. En particulier, la présente méthode peut être utilisée dans tout type de procédé de purification de la phase gazeuse et/ou de la phase liquide dans lequel un mélange intime et une distribution uniforme des phases gazeuse et liquide sont nécessaires. Dans les procédés de traitement de gaz, l'objectif est de maximiser les zones de contact entre le gaz à traiter et un liquide de lavage (de type solvant aqueux ou organique) ; il y a alors transfert de matière du gaz vers le liquide. En particulier, les composants acides du type H2S, SO2, CO2, COS sont particulièrement visés. Ces composants peuvent réagir ou non dans la phase liquide, on parle alors respectivement d'absorption chimique ou physique. Le dimensionnement de la colonne à l'intérieur de laquelle se fait le traitement, communément appelée contacteur dans le domaine, est très généralement déterminée en fonction de l'aire de surface effective nécessaire à un transfert de matière efficace. De façon connue, cette aire est par ailleurs substantiellement augmentée grâce à l'utilisation de garnissages qui peuvent être du type vrac, structuré, monolithique ou mousse solide. Les garnissages sont alimentés en liquide ou en gaz par des systèmes de distribution ou encore plateaux distributeurs dont le principal objectif est d'assurer un arrosage le plus uniforme possible sur la surface du garnissage. Cependant, les dispositifs connus ne garantissent généralement pas un mélange intime entre les phases en présence. En plus de la qualité d'arrosage, une seconde qualité recherchée est la souplesse de fonctionnement; on cherche ainsi à avoir un système qui fonctionne avec la plus large gamme possible de débit liquide et/ou de gaz. Dans le cas de systèmes simples, cette gamme est généralement limitée pour le liquide par un rapport de débit volumique allant de 1 à 3, parfois jusqu'à 10 entre le débit minimum et le débit maximum possible. Une troisième qualité concerne la qualité du mélange entre les deux phases gaz et liquide. La demande de brevet européen EP-A-1180393 ou son équivalent US 2002/0021991 propose un dispositif comprenant un compartiment liquide percé de cheminées pour le passage d'une phase gazeuse introduite en amont dans la colonne, cette disposition permettant d'obtenir une qualité adéquate du mélange et de contrôler le niveau liquide au sein du plateau distributeur. La présente invention décrit un système dont la mise en oeuvre permet une uniformité de la distribution, quelque soient les conditions d'utilisation, en particulier même lorsque la verticalité de la colonne de distribution n'est pas assurée, par exemple pour une utilisation sur plate-forme en mer. Le présent système fonctionne en outre sur une très large gamme de fonctionnement en débit liquide, c'est à dire un rapport de débit volumique allant de 1 à plus de 20, voire plus de 25. Enfin, au contraire de la majorité des dispositifs de l'art antérieur, il favorise un très bon contact entre les deux phases liquide et gazeuse, ce qui présente notamment l'avantage décisif de réduire le volume de garnissage situé en aval du plateau distributeur. De plus, la combinaison des deux précédents facteurs permettent une diminution de la taille de la colonne, ce qui se traduit par une baisse significative de son coût, en particulier pour les applications sur champ, généralement réalisées à forte pression. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à une méthode de mélange et de distribution d'un gaz et d'un liquide dans une enceinte comprenant un moyen de distribution constitué par un compartiment rempli de liquide traversée par un courant gazeux. Ladite méthode est caractérisée: - en ce qu'on injecte soit à contre courant de gaz, soit à co-courant de gaz le liquide dans la 30 ou les sections de passage du gaz à travers au moins deux orifices présents dans ledit compartiment, lesdits deux orifices étant placés sensiblement en vis-à-vis et - en ce que le diamètre et le nombre des orifices et/ou la vitesse V du liquide en sortie de chacun des orifices et/ou la distance d entre deux points d'injection placés en vis-à-vis sont choisis de telle façon que le nombre de Froude Fr, défini par la relation: Fr = V dans laquelle g est la constante de la gravité, jgxd soit supérieur à 0,5. De préférence, le nombre de Froude Fr est supérieur à 1. Selon un premier mode de mise en oeuvre de la présente méthode, le moyen de distribution est constitué par un compartiment rempli de liquide traversée par au moins une 5 section de passage pour le gaz et dans laquelle la ou les sections de passage sont des conduites de section sensiblement rectangulaire. Selon un autre mode de mise en oeuvre de la présente méthode, le moyen de distribution est constitué par un compartiment rempli de liquide traversé par au moins une 10 section de passage pour le gaz et dans laquelle la ou les sections de passage sont des cheminées de section sensiblement circulaire. Selon la présente invention, le diamètre de la cheminée peut être tel que la vitesse liquide en bas de la cheminée est inférieure à 0,35g d, , où de est le diamètre moyen d'une section de passage et g est l'accélération due au champ de la pesanteur. En général, le nombre d'orifices d'injection en vis-à-vis est compris entre 2 et 5. Selon un mode alternatif de mise en oeuvre de la présente méthode, le moyen de distribution est constitué par un compartiment liquide compris dans une section de passage continue du gaz dans ladite enceinte, ledit compartiment comprenant une partie centrale et des bras disposés de part et d'autre de ladite partie centrale et s'étendant vers la paroi de l'enceinte, des orifices d'injection du liquide étant ménagés sur les bras de telle manière qu'un orifice ait en vis-à-vis un autre orifice identique disposé sur un bras contigu. En général, le nombre de points d'injection de la phase liquide est compris entre environ 10 et environ 1000 points par m2. Typiquement, la taille des orifices d'injection du liquide est comprise entre environ 1 et environ 20 mm. La distance d entre deux orifices d'injection du liquide placés en vis-à-vis peut être comprise entre environ 10 mm et environ 500 mm. Le plateau de distribution est de préférence placé dans l'enceinte en amont d'un lit de particules solides catalytiques ou d'un lit de garnissage du type vrac, structuré, mousse, monolithique, dans le sens de circulation de la phase liquide. L'invention concerne également l'application de la méthode précédemment décrite au traitement d'un gaz acide comprenant au moins l'un des composés suivant: H2S, SO2, CO2, COS. La présente méthode peut en particulier être appliquée aux procédés mettant en oeuvre au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse dans au moins une étape de séparation, de purification ou de transformation chimique. Pour faciliter la compréhension de l'invention, les figures 1 à 5 donnent des exemples de réalisation non limitatifs d'un dispositif selon l'invention muni d'un interne de distribution placé par exemple en tête de la colonne, par exemple en amont d'un lit de garnissage ou d'un lit catalytique fixe pouvant fonctionner en écoulement liquide/gaz co-courant descendant. En particulier, - la figure 1 se rapporte à la description d'une installation globale dans laquelle peut typiquement être mise en oeuvre la présente invention, - la figure 2 illustre un mode de réalisation possible d'un colonne munie d'un 15 compartiment liquide traversé par des sections de passage pour le gaz, - les figures 3 et 4 représentent chacune un mode de réalisation de la section de passage de la phase gazeuse au travers du compartiment liquide, - les figures 5a et 5b montrent plus particulièrement la disposition des sections de passages respectives des phases gazeuse et liquide au sein du dispositif, - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un compartiment liquide est disposé dans une section de passage continu du gaz au sein de la colonne. La figure 1 schématise une colonne C dans laquelle peut être mis en oeuvre le présent procédé. La phase gazeuse à traiter est introduite en tête de colonne par une ligne 1, en amont d'un système de distribution ou plateau distributeur 2 dans lequel une phase liquide est introduite et mélangée à la phase gazeuse. Le mélange biphasique ainsi formé est ensuite distribué radialement au sein de la colonne de manière uniforme vers un lit 6 contenant un garnissage d'un type donné (par exemple du type vrac, structuré, mousse métallique ou céramique, ou encore monolithe) dans lequel la séparation des gaz acides est effectuée. Le gaz propre est ensuite évacué au bas de la colonne par une ligne 3, la phase liquide pouvant être recyclée après passage dans un système connu de régénération 4 via le plateau distributeur 2, sous l'action d'un moyen de pompage 5 et de moyens de recirculation 13. Ce système de régénération a pour fonction l'élimination au moins partielle des composés acides extraits dans la phase liquide, selon des techniques bien connues de l'homme du métier. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, dans le cas où une réaction chimique est envisagée, par exemple si on cherche à purifier ou à transformer la charge liquide initiale d'hydrocarbures au moyen d'un procédé classique d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, d'hydrogénation sélective etc., un lit de particules solides éventuellement catalytiques peut être disposé en aval du plateau distributeur à la place du lit de garnissage. Les flux de gaz et de liquide peuvent en outre sans sortir du cadre de l'invention, être mises en contact à contre courant selon des conditions définies habituellement par le spécialiste du métier, en particulier de façon à ce que le liquide ne soit pas entraîné par le gaz. La figure 2 illustre plus en détail la partie supérieure de la colonne C. Une phase gazeuse est injectée sensiblement suivant l'axe principal d'un réacteur par la conduite 1 dans une chambre gazeuse 9. Ledit gaz s'écoule ensuite grâce aux sections de passage 7 au travers du compartiment liquide 8 et est mélangé à la phase liquide, ledit mélange entrant finalement dans le lit de garnissage (ou le lit catalytique) 6 situé en aval du compartiment liquide, dans le sens de circulation des fluides. Lesdites sections de passage peuvent être des cheminées 100 tel qu'illustré par la figure 3 ou des conduites 101 de section sensiblement rectangulaire tel qu'illustré par la figure 4. Lesdites cheminées 100 ou lesdites conduites 101 comprennent en outre des perforations ou des orifices 10 permettant la sortie sous pression du liquide depuis le compartiment liquide 8 vers la section de passage du gaz 7. La phase gazeuse pénètre à travers les sections de passages 7 traversant le compartiment liquide 8. Les perforations ou orifices 10 permettent le passage du liquide sous pression du compartiment vers les sections de passage 7 et par suite le mélange des deux phases. L'utilisation de conduites rectangulaires est particulièrement adaptée dans le cas d'une forte contrainte de perte de charge sur le gaz et permet en outre de minimiser les risques d'entraînement de liquide par le gaz dans le cas d'une mise en oeuvre en contre courant de fluides. Dans cette configuration, la section de passage du gaz peut être sensiblement agrandie, pour un écartement entre les points d'injection du liquide et une taille des orifices d'injection du liquide 10 identiques, par rapport au mode de réalisation comprenant des cheminées cylindriques illustré par la figure 3. De plus, cette configuration est d'un montage plus aisé, le nombre ainsi que la longueur des soudures entre les deux plaques extrêmes délimitant l'enceinte et les pourtours supérieurs et inférieurs des cheminées ou conduites étant réduits. Le compartiment liquide 8 est alimenté par l'injection de la phase liquide à travers au moins une ligne d'injection 11 sensiblement radialement par rapport à l'axe principal du réacteur. Ce compartiment liquide est maintenu en charge, c'est à dire continuellement rempli de liquide sous pression. Le maintien en charge du compartiment liquide pourra être effectué sans sortir du cadre de l'invention selon toute technique connue de l'homme du métier, en particulier par la présence sur la partie supérieure du compartiment liquide d'une vanne de purge non représentée sur la figure 2 et permettant l'évacuation d'une fraction de gaz contenue dans ledit compartiment. Le compartiment liquide étant en permanence maintenu en charge la mise en oeuvre de la présente invention permet d'éviter tout problème de niveau liquide fluctuant à l'amont des points d'injection du liquide. La dimension 12 de la section de passage 7 sera calculé de façon à ce qu'il n'y ait pas engorgement de la cheminée ou du conduit, par toute technique connue de l'homme du métier. Par exemple, lorsque les sections de passage comprennent des cheminées de section sensiblement circulaire, les conditions d'injection de la phase liquide sont optimisés pour que la vitesse liquide en bas de cheminée ne soit pas supérieure à 0,35Vg d, , où de est le diamètre d'une cheminée et g est l'accélération due au champ de la pesanteur. Enfin les cheminées 100 ou les conduites 101 pourront être avantageusement prolongés d'une distance variable en dessous du compartiment liquide 8 afin d'éviter qu'une partie du liquide se propage sous la face externe du compartiment et/ou afin de diminuer l'espace compris entre le point d'injection du mélange et l'entrée dans le lit. Selon l'invention, les sections de passage 7 doivent être munies d'orifices 10 percés de part et d'autre de la cheminée ou de la conduite de telle sorte que chaque orifice ait en vis-à-vis au sein de ladite section un autre orifice identique placé à une distance d. Les figures 5a et 5b illustrent une vue en coupe de la disposition desdits orifices 10 dans les cas particuliers respectivement d'une cheminée cylindrique et d'une conduite rectangulaire. La présente invention n'est cependant pas limitée aux deux modes de réalisation précédents comprenant au moins une section de passage de la phase gazeuse traversant un compartiment liquide. De manière générale, toute forme géométrique compatible avec la mise en oeuvre de la présente méthode pourra être envisagée. En particulier, selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est possible d'appliquer la présente méthode dans une colonne comprenant un compartiment liquide compris dans une section de passage continue du gaz. Par compartiment liquide compris dans la section de passage continue du gaz, il est entendu au sens de la présente description que le passage du gaz au travers du dispositif de distribution est effectué de façon continu sur toute la surface de section de la colonne comprenant ledit compartiment et non pas de façon discrète par des cheminées ou des conduites, tel qu'illustré par les figures 2, 3et4. La figure 6 illustre un tel exemple d'application. Le gaz traverse de façon continu sur toute la surface de section 16 de la colonne C un compartiment liquide 14 alimenté en phase liquide par des moyens 11 et comprenant une partie centrale 15 et des bras 13. Les bras 13 s'étendent vers la paroi de la colonne C et sont disposés de part et d'autre de ladite partie centrale 15. Deux bras 13 contigus du dispositif 14 sont séparés par un écartement 12. Selon l'invention, des orifices 10 sont ménagés sur les bras 13 de telle manière que les orifices 10 aient le plus souvent en vis-à-vis un autre orifice identique placé à une distance d égale à l'écartement 12 entre deux bras contigus. Bien entendu, les bras étant de longueurs différentes de façon à couvrir une surface maximale de la section de la colonne cylindrique, il est évident que certains orifices placés aux extrémités des bras 13 pourront par construction ne pas avoir de vis-à-vis selon l'invention. Par application de la présente méthode, il a été trouvé par le demandeur qu'il était possible d'améliorer sensiblement la qualité du mélange entre la phase gazeuse et la phase liquide ainsi que l'uniformité de la distribution radiale du mélange gaz/liquide, par exemple pour les plateaux distributeurs tels que précédemment décrits. Plus particulièrement, il a été trouvé par le demandeur selon un premier aspect de l'invention que le diamètre des orifices en vis-à-vis, ainsi que leur nombre, peuvent avantageusement être ajustés par construction en fonction de la vitesse V du liquide à 3o l'orifice et en fonction de la distance d entre deux orifices en vis-à- vis. Selon un autre aspect de la présente invention, pour un diamètre et un nombre d'orifices donnés, il sera possible, par une application alternative de la présente méthode, d'ajuster la vitesse V du liquide à l'orifice. Selon la présente méthode, le diamètre et le nombre des orifices et/ou la vitesse V du liquide à l'orifice et/ou la distance d entre deux points d'injection placés en vis-à-vis seront choisis de telle façon qu'il existe pour chaque orifice une condition sur un nombre de Froude, Fr défini par la relation Fr = V Jgxd Il a été trouvé par le demandeur qu'il est possible d'améliorer sensiblement l'efficacité du mélange et de la distribution des phases liquide et gazeuse en sortie du plateau distributeur lorsque ce nombre de Froude est supérieur à 0,5, de préférence supérieur à 1 et de manière très préférée supérieur à 1,5. Par ailleurs afin d'éviter des pertes de charges trop importantes (c'est-à-dire par exemple supérieures à 2 ou 3 MPa), le nombre de Froude selon l'invention est de préférence inférieur à 200, de manière préférée inférieur à 150 et de to manière très préférée inférieur à 100. En pratique, la vitesse pourra par exemple être calculée par l'homme du métier en fonction de la pression de liquide existant dans le compartiment liquide ou du débit de liquide entrant dans le compartiment liquide par la ligne d'injection 11. Quelque soit le mode de réalisation mis en oeuvre, le nombre de points d'injection de la phase liquide sera par exemple compris entre environ 10 et environ 1000 points par m2, de préférence entre environ 50 et 500 points par m2 et de manière très préférée entre environ 100 à 400 points par m2. La taille des orifices d'injection du liquide est généralement comprise entre environ 1 et environ 20 mm, de préférence entre environ 1 et environ 10 mm. La distance d entre deux orifices d'injection du liquide placés en vis-àvis peut être comprise entre environ 10 mm et environ 500 mm, de préférence entre environ 20 mm et environ 200 25 mm. Les exemples qui suivent sont fournis afin de montrer les avantages issus de l'application de la présente méthode mais ne doivent sous aucun des aspects décrits être considérés comme limitant l'étendue de la présente invention. Des calculs ont été réalisés avec un code commercial de simulation numérique des écoulements FLUENT 6.0 au moyen de l'approche "volume of fluid" disponible sur ledit code, afin de représenter l'écoulement de liquide à travers deux orifices placés en vis-à-vis l'un de l'autre pour différentes valeurs du nombre de Froude. Les images de la figure 7 représentent les résultats obtenus pour quatre valeurs du nombre de Froude précédemment décrit à savoir, 0,16, 0,8, 1,6 et 4,8 respectivement pour les images a, b, c et d. Dans le cas a, on observe que le liquide s'écoule le long de la paroi interne de la cheminée et une très faible interaction entre le gaz et le liquide. Dans le cas b, les jets de liquide issus des deux orifices se faisant face impactent l'un contre l'autre pour se fondre en un seul jet liquide qui s'écoule au centre de la cheminée. Dans les cas c et d, la vitesse d'impact entre les deux jets et suffisamment forte pour que ceux-ci éclatent en générant une nappe de liquide. Dans le cas d, l'impact est tellement violent que la nappe de liquide se désintègre elle même en plusieurs filets et gouttes de liquide de sorte que la surface entre le gaz et le liquide est très fortement accrue. Le graphe de la figure 8 a été obtenu en déterminant la surface de contact entre la phase gazeuse et la phase liqùide, et en considérant que la surface obtenue dans le cas du plus faible nombre de Froude (Fr=0,08) est la surface de contact de référence. L'ordonnée du graphe de la figure 8, appelée rapport de surface, correspond donc au rapport entre la valeur de la surface de contact correspondant au nombre de Froude indiqué en abscisse et la surface de contact de référence. La courbe représentée sur ce graphe montre une très forte influence du nombre de Froude sur ce rapport et donc sur la surface de contact entre le gaz et le liquide. Ainsi, en dessous d'une valeur du nombre de Froude de 0,5, la surface de contact est faible et peu affectée par la valeur du nombre de Froude. Au dessus de 0,5, voire de 1 ou 1,5 cette surface augmente rapidement avec le nombre de Froude, et pour un nombre de Froude de 5, celle-ci est près de 15 fois supérieure à la valeur de référence. Les procédés de séparation, de purification ou de transformation chimique peuvent donc être substantiellement améliorés au moyen de la méthode de mélange et de 25 distribution selon l'invention qui permet une meilleure distribution des deux phases. Par exemple, le respect d'une valeur limite du nombre de Froude pour chaque orifice lors du dimensionnement du plateau distributeur permettra de garantir un bon contact entre le gaz et le liquide même pour la valeur minimale de débit liquide envisagée pour alimenter celui-ci. REVENDICATIONS 1. Méthode de mélange et de distribution d'un gaz et d'un liquide dans une enceinte comprenant un moyen de distribution constitué par un compartiment rempli de liquide traversée par un courant gazeux ladite méthode étant caractérisée - en ce qu'on injecte soit à contre courant de gaz, soit à co-courant de gaz le liquide dans la ou les sections de passage du gaz à travers au moins deux orifices présents dans ledit compartiment, lesdits deux orifices étant placés sensiblement en vis-à-vis et - en ce que le diamètre et le nombre des orifices et/ou la vitesse V du liquide en sortie de chacun des orifices et/ou la distance d entre deux points d'injection placés en vis-à-vis sont choisis de telle façon que le nombre de Froude Fr, défini par la relation: Fr = V dans laquelle g est la constante de la gravité, Vgxd soit supérieur à 0,5. 2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle le nombre de Froude Fr est supérieur à 1. 3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle le moyen de distribution est constitué par un compartiment rempli de liquide traversée par au moins une section de passage pour le gaz et dans laquelle la ou les sections de passage sont des conduites de section sensiblement rectangulaire. 4. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle le moyen de distribution est constitué par un compartiment rempli de liquide traversé par au moins une section de passage pour le gaz et dans laquelle la ou les sections de passage sont des cheminées de section sensiblement circulaire. 5. Méthode selon la revendication 4 dans laquelle le diamètre de la cheminée est tel que la 30 vitesse du liquide en bas de la cheminée est inférieure à 0,35Vg d, , où d, est le diamètre moyen d'une section de passage et g est l'accélération due au champ de la pesanteur. 6. Méthode selon la revendication 4 ou 5 dans laquelle le nombre d'orifices d'injection en vis-à-vis est compris entre 2 et 5. 7. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle le moyen de distribution est constitué par un compartiment liquide compris dans une section de passage continue du gaz dans ladite enceinte, ledit compartiment comprenant une partie centrale et des bras disposés de part et d'autre de ladite partie centrale et s'étendant vers la paroi de l'enceinte, des orifices d'injection du liquide étant ménagés sur les bras de telle manière qu'un orifice ait en vis-à-vis un autre orifice identique disposé sur un bras contigu. 8. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le nombre de points d'injection de la phase liquide est compris entre environ 10 et environ 1000 10 points par m2 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la taille des orifices d'injection du liquide est comprise entre environ 1 et environ 20 mm. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la distance d entre deux orifices d'injection du liquide placés en vis-à-vis peut être comprise entre environ 10 mm et environ 500 mm. 11. Méthode selon l'une des revendications 1 à 10 dans laquelle le plateau de distribution 20 est placé dans l'enceinte en amont d'un lit de particules solides catalytiques ou d'un lit de garnissage du type vrac, structuré, mousse, monolithique, dans le sens de circulation de la phase liquide. 12. Application de la méthode selon l'une des revendications précédentes au traitement d'un 25 gaz acides comprenant au moins l'un des composés suivant: H2S, SO2i CO2, COS. 13. Application de la méthode selon l'une des revendications précédentes aux procédés mettant en oeuvre au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse dans au moins une étape de séparation, de purification ou de transformation chimique.