Brevet FR2902667A1 — publié le 20071228

Domaine technique Le domaine technique de l'invention est le traitement de tout effluent gazeux, ou de charge hydrocarbonée liquide, notamment le traitement de gaz naturel, la capture de CO2, la distillation ou la distillation réactive. Objet de l'invention L'invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide pour les plateaux de colonnes de contact gaz-liquide. Le dispositif de séparation peut avantageusement être mis en place sur une colonne existante. L'invention concerne également une méthode de séparation gaz-liquide à l'amont des clapets pour plateaux de colonnes de contact gaz-liquide. L'invention a également pour objet une colonne de contact gaz-liquide comprenant un dispositif de séparation selon l'invention sur au moins un des plateaux. Art antérieur Principe général Dans les colonnes envisagées (distillation, traitement de gaz, lavage de gaz), l'objectif est de mettre en contact la phase vapeur ou le gaz à traiter avec la phase liquide pour favoriser le transfert de matière entre les deux phases. Le contact se fait le plus souvent à contre-courant. Dans le cas des colonnes à plateaux, le liquide est injecté en tête de colonne et s'écoule de plateau en plateau. Le gaz circule du bas de la colonne vers le haut et se distribue au moyen de clapets sur les plateaux recouverts de liquide. Pour ces plateaux, on observe une augmentation modérée de la perte de charge pour une augmentation du facteur cinétique FS =.JpGu à débit liquide 2 fixé. Au-delà d'un facteur cinétique critique, l'augmentation de la perte de charge s'accentue notablement. Cette rupture de pente est associée à l'initiation du phénomène d'engorgement. On désigne par engorgement l'entraînement massif de liquide par le gaz sous forme de gouttelettes de tailles variables vers le plateau supérieur. Outre l'augmentation notable de la perte de charge, l'engorgement conduit à la pollution du plateau supérieur par le liquide chargé du plateau inférieur. Ceci peut donner lieu à une nette diminution de l'efficacité en particulier dans le cas de distillation. Le point de fonctionnement est donc choisi en dessous de l'engorgement. Pour un débit gaz et un débit liquide donnés, cette valeur permet de déterminer le diamètre de la colonne. Il faut en effet que le diamètre soit suffisamment grand pour que le facteur cinétique soit en dessous du facteur cinétique d'engorgement. Par ailleurs, la hauteur entre chaque plateau est choisie de façon à augmenter le nombre de gouttes liquides sédimentées et ainsi à limiter l'entraînement vers le niveau supérieur. Elle est également imposée pour garantir une garde liquide suffisante pour le débit liquide. La figure 1 présente le fonctionnement normal d'un plateau de colonne. Le gaz à traiter ou la phase vapeur (1) traverse les clapets (2) du plateau (n) pour s'écouler sous forme de bulles de gaz dans la nappe liquide (3). Au-dessus de cette émulsion se détachent des gouttes (4) pour former en dessous du plateau suivant (n+1) une zone de brouillard dense (5). Le désengagement liquide, c'est-à-dire la sédimentation des gouttes, se fait dans la zone inter-plateaux, zone de brouillard dispersé (6). Le liquide (7) s'écoule du plateau (n+1) vers le plateau (n) le long d'un déversoir (8). Une zone de désengagement gaz (9), consistant en un liquide aéré, est ménagée en tête de déversoir. Afin d'augmenter la capacité des colonnes à plateaux en débit gaz, des brevets proposent, depuis plusieurs années, d'insérer des dispositifs de séparation du liquide et du gaz en dessous des plateaux. 3 Le document US 1,983,762 décrit un dispositif pour réduire l'entraînement de liquide dans le gaz en récupérant le liquide séparé et en le ramenant vers l'étage de contact inférieur. Le plateau extracteur de liquide est placé en dessous du plateau de contact, le liquide extrait par centrifugation rejoint le plateau de contact inférieur par une conduite. En tête de colonne sont nécessaires deux plateaux d'extraction et un plateau à trou alignés entre eux pour parfaire la séparation. Des solutions alternatives, délicates dans leur mise en oeuvre, ont été envisagées afin d'améliorer ce genre de dispositifs en combinant plateaux de séparation et plateaux de contact séparés avec retour de la phase liquide vers le plateau inférieur par écoulement gravitaire dans une conduite, notamment séparation par inertie grâce à un débrumiseur, décrit dans le document US2001/0015136, séparation par centrifugation avec des déflecteurs en U permettant d'arracher le film liquide à la paroi du séparateur dans le document WO 95/25571, séparation par tube à tourbillonnement EP 0 562 689 B1 dans un séparateur gaz-liquide arrangé au-dessus du moyen à contact gaz-liquide ou plateau de séparation associé à un plateau de contact comportant des moyens d'atomisation du liquide dans le document WO 02/34350 Al, ou enfin double plateau de séparation associant un étage pour la centrifugation et un étage pour forcer la sédimentation de la phase liquide dans le brevet DE 109 806. Description de l'invention La présente invention propose d'augmenter essentiellement la capacité de la colonne, mais aussi l'efficacité, en repoussant la limite de l'engorgement. L'invention s'appuie sur le principe d'une séparation du gaz et du liquide à l'amont du plateau afin de permettre une augmentation de la charge gazeuse. On envisage de disposer en amont de chaque clapet du plateau en se plaçant dans le sens de l'écoulement du gaz (en dessous de chaque clapet) un séparateur individuel gaz/liquide, le liquide récupéré étant recueilli au niveau du 4 même plateau. La séparation se fait avantageusement par centrifugation et/ou par impact. Cette invention a pour objet une amélioration des plateaux de colonne existants, type plateau à clapet ou plateaux à ouvertures fixes, à cloches ou à tout autre moyen de passage gaz. On désignera par extension dans le texte par "clapet" tout moyen de passage gaz dans une colonne de contact. L'invention prévoit la mise en oeuvre du dispositif de séparation pour les plateaux de colonnes de contact gaz/liquide (par exemple lavage de gaz sur champ d'exploitation de gaz ou en raffinerie, colonne à distiller etc). Résumé de l'invention Le dispositif de séparation pour plateau de colonne de contact gaz liquide selon l'invention comporte au moins un clapet caractérisé en ce qu'il comprend : • une cage disposée sous le clapet, • des moyens de circulation du gaz dans ladite cage, • des moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz inclus dans ladite cage, • des moyens d'évacuation du liquide vers un plateau inférieur. Outre la ou les ouvertures permettant l'évacuation par gravité du liquide en bas de la cage, les moyens d'évacuation du liquide peuvent comprendre au moins un autre orifice d'évacuation liquide situé de préférence dans la partie latérale supérieure de la cage. Dans un mode de réalisation, les moyens de centrifugation et/ou d'impact comportent une hélice. De préférence, la cage est de forme cylindrique. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de centrifugation et/ou d'impact comportent un labyrinthe comprenant un réseau de plaques . 5 Dans la suite de la description, on désignera par "labyrinthe" tout réseau permettant des changements de trajectoire du gaz à l'intérieur de la cage. La méthode de séparation pour colonne à plateaux de contact gaz-liquide comportant au moins un clapet selon l'invention comprend les étapes suivantes • on place en amont du clapet d'au moins un plateau de la colonne, dans le sens de l'écoulement du gaz, un dispositif de séparation gaz-liquide comprenant une cage équipée intérieurement de moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz, • on fait circuler le gaz dans ladite cage, • on évacue vers le plateau inférieur le liquide récolté . L'invention concerne également une colonne de contact gaz liquide comprenant le dispositif de séparation selon l'invention. Description détaillée Afin de repousser la limite de l'engorgement, on propose de séparer le liquide du gaz à l'amont des clapets, dans le sens de l'écoulement du gaz. Pour la séparation, on utilise principalement l'effet de centrifugation et l'effet d'inertie. La figure 2 représente deux plateaux successifs de colonne de contact gaz-liquide à contre-courant comprenant un dispositif de séparation des deux phases selon l'invention. Les moyens de séparation (11) sont placés individuellement sous chacun des clapets (12) des plateaux (n) et (n+1) de la portion de colonne schématisée sur la figure 2. La colonne représentée permet un écoulement à contre-courant : le gaz s'écoule de bas en haut, par les clapets (12) tandis que le liquide s'écoule de haut en bas, sur les plateaux. Le dispositif de séparation dans un plateau de colonne de contact gaz liquide comporte pour chaque clapet d'un plateau n+1: • une cage située au-dessous du clapet (12), 6 • des moyens de circulation du gaz dans ladite cage, • des moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz contenus dans ladite cage comme représentés, • des moyens d'évacuation du liquide vers un plateau inférieur n. Les moyens d'évacuation du liquide comprennent la ou les ouvertures située(s) en bas de la cage et éventuellement un ou plusieurs orifices (13) situés sur la paroi latérale de la cage, préférentiellement en tête de la cage. Dans la colonne de contact à contre-courant de la figure 2, le gaz entre par le bas sur un plateau n par les clapets (12), génère une émulsion dans la nappe liquide et arrache des gouttes liquides qui sont entraînées en direction du plateau supérieur n+1. Avant d'entrer sur le plateau supérieur n+1 par les clapets dudit plateau, le gaz chargé de liquide entre dans un dispositif de séparation (11) selon l'invention. Dans un mode de réalisation, les moyens de centrifugation (par exemple par mise en rotation) et/ou d'impact (notamment par changement rapide de trajectoire) sont constitués par une hélice de plusieurs périodes autour d'un axe. De préférence, dans ce mode de réalisation, la cage est de forme cylindrique. Dans un autre mode de réalisation, les moyens d'impact sont constitués par un réseau de plaques alternées ou parallèles, symétriques ou asymétriques. De préférence, dans ce mode de réalisation, la cage est de forme parallélépipédique. La méthode de séparation gaz-liquide selon l'invention pour colonne à plateaux de contact gaz-liquide comprend les étapes suivantes : • on place en amont des clapets (12) d'au moins un plateau n+1 de la colonne, dans le sens de l'écoulement du gaz, un dispositif de séparation gaz-liquide individuel (11) sous forme d'une cage équipée intérieurement de moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz, 7 • on fait circuler le gaz entrant sur le plateau (n+1) par les clapets (12) dans ladite cage, • on sépare le gaz chargé du liquide par : a. centrifugation et/ou impact par changement de trajectoire du brouillard au moyen des obstacles imbriqués dans la cage, b. expulsion par centrifugation et/ou impact contre la paroi du séparateur individuel des gouttes liquides, c. formation d'un film liquide qui s'écoule par gravité le long de la paroi dans l'espace inter-plateaux, d. évacuation éventuelle des gouttelettes de liquide séparées, puis réarrachées par le gaz par au moins un orifice (13) situé en tête de la cage, dont la taille est ajustée en fonction du débit de gaz afin que la circulation principale du gaz s'effectue à l'intérieur du séparateur et non par ledit ou lesdits orifices d'évacuation liquide e. récupération du liquide récolté sur le plateau inférieur n. Le liquide récolté comprend le film liquide séparé par gravité le long de la paroi de la cage et évacué par le bas de la cage, mais également les gouttelettes éventuellement ré-entraînées par le gaz qui peuvent être évacuées par le ou les orifices d'évacuation liquide (13) situés latéralement, de préférence dans la partie supérieure de la cage. La figure 3 décrit des types de séparateurs selon l'invention : séparateur sous forme de labyrinthe comportant des plaques alternées (14) insérées dans une cage parallélépipédique (15) (figure 3a), labyrinthe comportant des plaques parallèles insérées dans une cage parallélépipédique (figure 3b), séparateur hélicoïdal comportant une hélice (17) insérée dans une cage cylindrique (18) (figure 3c), labyrinthe comportant un réseau de plaques inclinées (19) inséré dans une cage parallélépipédique (20) (figure 3d). Le gaz entre sur un plateau n par les clapets (12), génère une émulsion dans la nappe liquide et arrache des gouttes liquides qui sont entraînées en direction du plateau supérieur n+1. Avant d'entrer sur le plateau supérieur n+1 par les 8 clapets dudit plateau, le gaz chargé de liquide entre dans un dispositif de séparation selon l'invention en amont du clapet, le gaz purifié pénètre sur le plateau n+1 tandis que le liquide séparé s'écoule sur le plateau n. Les moyens de séparation (obstacles) à l'intérieur de la cage permettent la mise en rotation du brouillard ou/et de rapides changements de trajectoires. Les gouttes liquides, en raison de leur plus forte densité, sont expulsées par centrifugation ou viennent s'écraser contre la paroi. Elles forment un film qui s'écoule par gravité par le bas de la cage dans l'espace inter-plateaux. Au moins une partie du liquide est récoltée sur le plateau d'origine inférieur. Une autre partie du liquide peut aussi être réintégrée dans le brouillard dense au-dessus du plateau inférieur, où elle est rebrumisée. Bien que la majeure partie du liquide séparé s'écoule par gravité par le bas de la cage en formant un film suffisamment mince sur la paroi de la cage pour éviter le réarrachage de gouttelettes par le gaz, il peut être nécessaire de prévoir également des moyens d'évacuation du liquide en tête du dispositif de séparation. A cet effet, un ou plusieurs orifices de sortie liquide comme décrits précédemment (Figure 2 (13)) peuvent être placés latéralement, de préférence dans la partie supérieure de la paroi de la cage afin d'éviter le réentraînement des gouttes liquides vers le plateau suivant et de permettre leur évacuation vers le plateau inférieur. La taille caractéristique de l'orifice sera à ajuster en fonction du débit gaz. En effet, on s'assurera que la circulation principale du gaz s'effectue à l'intérieur du séparateur et ne passe pas par le ou les orifice(s) d'évacuation liquide. Le ou les orifices d'évacuation du liquide réarraché ne sont pas représentés sur la figure 3. Le dispositif est simple et facile à mettre en oeuvre puisqu'il ne comporte pas de plateau supplémentaire à ajouter. De manière avantageuse, le dispositif de séparation peut être mis en oeuvre dans une colonne de contact gaz-liquide ou, dans un autre mode de réalisation, adapté sur une colonne existante (revamping de colonne) pour en améliorer l'efficacité. On pourra alors envisager de fixer, par exemple par soudage, chaque séparateur sous l'ensemble des clapets dans le cas de modification d'une colonne existante. 9 La figure 4 représente le pourcentage de particules attrapées par les parois, a, en fonction du diamètre des gouttes, d, pour différentes vitesses d'entrée du gaz dans le cas d'un système hélicoïdal de pas 20 mm par exemple selon la figure 3c. Les courbes de séparation obtenues sont représentatives de celles obtenues avec la méthode de séparation pour colonne à plateaux de contact gaz-liquide selon l'invention pour différentes géométries de séparateurs. L'emploi du dispositif selon l'invention permet : d'augmenter sensiblement le débit de gaz à diamètre fixé ou de réduire le diamètre de colonne pour un même débit de gaz, d'augmenter le débit liquide et donc l'efficacité à débit gaz fixé, de diminuer la hauteur entre deux plateaux, en garantissant une hauteur minimale pour la garde liquide, et ainsi d'augmenter l'efficacité pour une hauteur de colonne donnée (augmenter le nombre de plateaux dans la colonne) ou de diminuer la hauteur de colonne à efficacité constante. En effet, une forte augmentation du débit gaz génère un brouillard entre les deux plateaux, mais le liquide n'est plus transporté vers le niveau supérieur grâce au dispositif de séparation selon l'invention. La perte de charge est augmentée par le dispositif de séparation, mais l'efficacité n'est pas diminuée puisque le liquide du plateau supérieur ne sera plus pollué par le liquide chargé du plateau inférieur. Une efficacité plus élevée peut même être obtenue en raison de la persistance d'une forte quantité d'interface gaz/liquide sur toute la hauteur entre deux plateaux consécutifs (émulsion puis brouillard). On peut envisager, dans un second temps, une diminution de la hauteur entre deux plateaux puisque une zone de désengagement liquide spécifique n'est plus nécessaire. La hauteur n'est limitée que par la hauteur de brouillard dense. L'ajustement se fait sur la hauteur de brouillard dispersé. 10 En conclusion, pour une charge gaz donnée, le diamètre de la colonne, ainsi qu'éventuellement sa hauteur, peuvent être notablement réduits par l'installation du dispositif de séparation selon l'invention. Dans le cas de dégoulottage, ce dispositif permet de passer sensiblement plus de débit dans la colonne existante. Les figures 1, 2, 3 et 4 sont présentées dans un but illustratif. 11 L'exemple suivant illustre l'invention à titre non limitatif. Exemple A titre d'exemple, des calculs ont été réalisés avec un code de calcul de simulation numérique des écoulements afin d'évaluer l'efficacité d'un séparateur pour différentes géométries. L'écoulement gaz est simulé. Les particules liquides sont injectées avec un diamètre et une densité définie dans la zone inter-plateaux. Le présent exemple montre les résultats obtenus pour : • un système hélicoïdal comprenant deux périodes de pas variant entre 15 et 30 mm et de rayon 35 mm (1.8 fois le rayon du clapet) inséré dans une cage cylindrique de 35 mm de rayon, • un système de plaques alternées symétriques ou antisymétriques de périodicité 20 mm inséré dans une cage de 35 mm de côté. Les courbes d'efficacité du tri (A), (B) et (C), données par la figure 4, représentent le pourcentage de particules captées par les parois, a, en fonction du diamètre des gouttes, d, pour différentes vitesses d'entrée de gaz vg=0.1, 0.5, 1 et 2 m.s-1 dans le cas d'un système hélicoïdal de pas 20 mm. Elles sont typiques de celles trouvées pour chacune des géométries de séparateur testées. Lorsque le diamètre augmente, le pourcentage de particules récupérées augmente. Les effets de centrifugation et d'inertie permettent la récupération suivant le diamètre. Les simulations montrent un fort effet de centrifugation pour un diamètre de gouttes inférieur à 10 m dans le cas hélicoïdal. Pour des diamètres supérieurs à 50 m, il semble que l'effet d'inertie soit prépondérant. Dans le cas de très faibles diamètres d=11.1m, aucun de ces deux effets ne suffit à capter l'ensemble des particules. Le diamètre de coupure dioo, pour lequel 100 % des gouttes sont récupérées, diminue avec la vitesse. Pour toute la gamme de vitesses et quel que soit le séparateur considéré, l'ensemble des gouttes est récupéré pour des diamètres nettement inférieurs au 12 diamètre de particules correspondant à la sédimentation pour la vitesse gaz imposée. Ceci n'est pas vérifié en l'absence de séparateur. Pour comparaison, on se reportera au tableau 1 qui donne les diamètres d1oo pour une même vitesse en l'absence et en présence du dispositif de séparation selon l'invention. Vg (m.s-l) 0.1 1 2 Référence (absence 58 350 >600 de séparateur) Séparateur hélicoïdal Par ailleurs, en présence du dispositif de séparation selon l'invention, le diamètre de coupure reste largement inférieur au diamètre minimal de gouttes attendu expérimentalement. Ce dernier point est particulièrement important puisqu'il garantit une séparation totale liquide/gaz. Si le système hélicoïdal reste le plus efficace et le moins contraignant en terme de perte de charge occasionnée, l'ensemble des dispositifs envisagés permet néanmoins de récupérer toutes les gouttelettes de diamètre supérieur à 10 pm. Tous sont donc satisfaisants au regard de l'application envisagée. 13 Revendications 1. Dispositif de séparation pour plateau de colonne de contact gaz liquide comportant au moins un clapet caractérisé en ce qu'il comprend: • une cage disposée sous le clapet, • des moyens de circulation du gaz dans ladite cage, • des moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz inclus dans ladite cage, • des moyens d'évacuation du liquide vers un plateau inférieur. 2. Dispositif de séparation selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'évacuation du liquide comprennent au moins un orifice d'évacuation liquide situé dans la partie latérale supérieure de la cage. 3. Dispositif de séparation selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel les moyens de centrifugation et/ou d'impact comportent une hélice. 4. Dispositif de séparation selon la revendication 3 dans lequel la cage est de forme cylindrique. 5. Dispositif de séparation selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel les moyens de centrifugation et/ou d'impact comportent un labyrinthe comprenant un réseau de plaques . 6. Dispositif de séparation selon la revendication 5 dans lequel la cage est de forme parallélépipédique. 7. Méthode de séparation pour colonne à plateaux de contact gaz-liquide comportant au moins un clapet caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: • on place en amont dudit clapet d'au moins un plateau de la colonne, dans le sens de l'écoulement du gaz, un dispositif de séparation gaz-liquide comprenant une cage équipée intérieurement de moyens de centrifugation et/ou d'impact du gaz, • on fait circuler le gaz dans ladite cage, • on évacue vers le plateau inférieur le liquide récolté. 14. Colonne de contact gaz liquide comprenant le dispositif de séparation selon l'une des revendications 1 à 6. 15