Brevet FR2933311A1 — publié le 20100108

Domaines d'application L'invention concerne une amélioration de plateaux de colonne de contact gaz-5 liquide, par la mise au point de déversoirs optimisés, avec une hauteur de barrage supérieure aux hauteurs conventionnelles. L'invention s'applique au traitement de tout effluent gazeux, plus précisément le traitement de gaz naturel ou le captage du CO2. L'invention s'applique également à la distillation ou à la distillation réactive. 10 Cadre de l'invention et description de l'art antérieur Dans les procédés de distillation, de distillation réactive, de traitement ou de lavage de gaz, les transferts de masse et de chaleur entre une phase gaz et une 15 phase liquide, sont réalisés au moyen de technologies, appelées contacteurs, qui favorisent ces transferts. Il existe trois grands types de contacteurs, les garnissages vracs, les garnissages structurés et les plateaux de colonnes. La présente invention concerne une amélioration des plateaux de colonne, le 20 but étant l'augmentation de capacité et d'efficacité de ceux-ci, le tout impliquant une réduction importante de la taille de la colonne. Un gain en capacité permet de passer plus de débits, soit gaz, soit liquide, soit les deux. Ce gain en capacité peut permettre un gain de débits à diamètre de 25 colonne constant par remplacement des contacteurs existants par des nouveaux contacteurs plus capacitifs (dégoulottage), ce qui peut éviter la construction d'une nouvelle colonne, ou peut permettre un gain sur le diamètre de la colonne dans le cas d'un nouveau design. Dans les deux cas, un gain d'investissement est attendu. Parfois un gain en capacité entraîne également un gain sur les coûts de 30 fonctionnement. En effet, dans certains procédés de lavage de gaz, le bon fonctionnement du contacteur est assuré par une valeur minimale du débit de liquide par unité de surface. L'utilisation d'un contacteur plus capacitif permet alors, pour un débit gaz donné, de réduire le diamètre de la colonne; le débit de liquide par unité de surface étant maintenu constant, le débit total de liquide diminue. Les 35 coûts opératoires associés à la circulation du liquide s'en trouvent ainsi diminués. Un gain en efficacité se traduit par une réduction de la hauteur de colonne soit un gain sur les coûts d'investissements. 1 Les plateaux de colonne pour colonnes de distillation de lavage ou de traitement de gaz ont été développés depuis de nombreuses années et leur dimensionnement est bien établi pour ce qui relève de plateaux standards (cf. par exemple Engineering Data Book edited by Gas Processors Association, 1998). Les plateaux sont essentiellement dimensionnés à partir de règles de dimensionnement développées pour des applications de distillation et non à partir de règles spécifiques aux applications de traitement de gaz, qui ne sont pas du tout limitées par les mêmes phénomènes. Dans le cas des applications de distillation, les équilibres thermodynamiques sont extrêmement limitants et les plateaux actuels obtiennent des efficacités proches de 100% (cette efficacité étant le ratio entre la conversion obtenue avec le plateau réel et celle obtenue pour un plateau théorique parfaitement mélangé). Les phénomènes de transfert sont peu limitants, et il faut privilégier les aspects thermodynamiques, ce qui implique une circulation des flux à contre-courant dans la colonne et à l'échelle du plateau. En général, les plateaux opèrent à courants croisés, le liquide ayant un mouvement d'ensemble proche de l'horizontale sur le plateau de contact et le gaz ayant un mouvement d'ensemble proche de la verticale. Certains plateaux privilégient le mode co-courant à l'échelle du plateau, mais sur de petites distances et pour un écoulement d'ensemble plutôt horizontal. Dans tous les cas, la hauteur de barrage est peu importante (parfois nulle, le plus souvent égale à 50 mm, voire 70 mm) de sorte que la rétention liquide est faible et que l'écoulement de liquide n'est jamais orienté dans la direction verticale dans la zone de contact avec le gaz. De plus, la plupart des applications de distillation requièrent des valeurs de pertes de charge très faibles, ce qui induit une limitation de la hauteur de liquide sur le plateau. Enfin, le design des plateaux est fait de telle sorte qu'un espace relativement important doit être prévu au-dessus du plateau, afin que les deux phases liquide/vapeur se séparent correctement : dans ce cas, seul le liquide peut descendre vers le plateau inférieur, et seul le gaz peut monter vers le plateau supérieur. Cet espace correspond à une hauteur presque équivalente à celle occupée par la zone de contact liquide/vapeur, ce qui implique une hauteur de colonne cumulée non utile au contact de près de 50% de la hauteur de la colonne. Dans le cas des applications d'absorption réactive, comme le traitement des gaz par un lavage aux amines (exemple non limitant), les efficacités des plateaux sont très faibles, de l'ordre de 10 à 20%. Cela implique que la thermodynamique n'est que peu limitante, les aspects transfert de masse devenant prépondérants. De plus, les contraintes de perte de charge sont moins fortes que dans le cas des distillations et on peut aller vers des rétentions de liquide plus importantes. Dans les applications conventionnelles, la hauteur de barrage du liquide usuelle rencontrée sur un plateau de colonne standard est en général comprise entre 20 et 50 mm, au maximum 70 mm, voire nulle, pour les applications ne nécessitant pas la présence d'un barrage. Pour des diamètres conventionnels de colonne compris entre 1 et 10 m, le ratio de la hauteur de barrage par rapport au diamètre de la colonne est donc inférieur à 0,07 et le plus souvent inférieur à 0,02. De manière surprenante, dans le cas de procédés de lavage de gaz, lorsqu'on augmente la hauteur du barrage de rétention de liquide au-delà des limites connues pour les cas de distillation classiques, une amélioration considérable de l'efficacité est apportée, notamment pour les colonnes de grand diamètre. Objets de l'invention : L'invention concerne un plateau de colonne muni de déversoirs optimisés, avec une hauteur de barrage de rétention liquide supérieure aux hauteurs conventionnelles. 25 L'invention concerne également une colonne comprenant au moins un plateau selon l'invention. En effet, il est possible que seule une partie de la colonne soit équipée de tels plateaux, le reste de la colonne étant équipé de technologies conventionnelles. 30 L'invention concerne également une méthode de mise en contact gaz-liquide utilisant une colonne dans laquelle on munit au moins un plateau d'un barrage de liquide ayant une hauteur supérieure à celle des barrages conventionnels, de sorte que la phase liquide a une direction principale orientée vers le haut et co-courante à l'écoulement de gaz. L'invention permet également l'incorporation sur le plateau, 35 dans la zone correspondant à la zone de contact, d'éléments technologiques classiques comme des plaques perforées, des grilles, ou des contacteurs de type garnissages vrac ou structurés.20 L'invention concerne également l'application de cette méthode pour le traitement du gaz naturel, le captage du CO2, la distillation ou la distillation réactive. Résumé de l'invention L'invention concerne un plateau de colonne de contact gaz-liquide muni d'un barrage (7B) pour la rétention du liquide, dans lequel la hauteur de barrage est supérieure à 70 mm de façon que ledit contact s'opère à co-courant. La hauteur h de barrage est choisie de manière préférée telle que le ratio (h/D) hauteur de barrage sur diamètre de colonne D soit supérieur à 0.05. De manière très préférée, le ratio hauteur de barrage sur diamètre de colonne (h/D) est supérieur à 0.07. Avantageusement le volume utile au contact est rempli d'internes de contact (13B). De préférence, ces internes de contact comprennent des grilles, des plaques perforées à fort taux d'ouverture ou des garnissages vracs ou structurés. 20 L'invention concerne également une colonne de contact gaz-liquide comprenant au moins un plateau selon l'invention. Dans un mode préféré de réalisation de la colonne, le déversoir comprend une restriction de la section de passage (14C) du liquide clair dans la jambe de 25 descente (5C). L'invention concerne également une méthode de contact gaz-liquide dans laquelle : o on équipe au moins un plateau de colonne de contact gaz-liquide d'un barrage de rétention de liquide (7B); 30 o on détermine la hauteur dudit barrage de sorte que la circulation de la phase liquide a une direction principale orientée vers le haut et co-courante à l'écoulement de gaz; o on opère le contact à co-courant du gaz et du liquide. 35 De préférence, on dimensionne la hauteur h du barrage en fonction du diamètre D de la colonne telle que le rapport h/D soit supérieur à 0.05, et de manière plus préférée telle que le rapport h/D soit supérieur à 0.07. 15 Dans un mode préféré, on détermine en outre une restriction de la section de passage du liquide clair dans le déversoir pour augmenter le volume de la zone de contact gaz-liquide au-dessus du plateau, en fonction de l'efficacité recherchée. Avantageusement, on munit le volume utile au contact d'internes de contact de type grilles, plaques perforées à fort taux d'ouverture ou garnissages vracs ou structurés. Dans une variante de la méthode, on munit le plateau de colonne d'une chambre de liquide munie d'orifices sur sa face supérieure, on détermine lesdits orifices pour accélérer le liquide, et on constitue des moyens de cisaillement gaz-liquide en plaçant des moyens d'injection du gaz vers ladite face supérieure à proximité desdits orifices. La méthode selon l'invention peut être utilisée pour au moins l'une des applications suivantes: le captage du CO2, le traitement de gaz, la distillation réactive ou non. Description de l'invention La présente invention consiste en une amélioration des plateaux de colonne de mise en contact gaz-liquide, dans laquelle on munit le plateau d'un barrage de rétention de liquide, avec une hauteur de barrage supérieure aux hauteurs conventionnelles, de sorte que la phase liquide a une direction principale orientée vers le haut et co-courante à l'écoulement de gaz. Il est possible d'ajouter, à l'intérieur de la zone de contact sur le plateau, des éléments technologiques comme des plaques perforées, des grilles, ou des contacteurs de type garnissages vrac ou structurés. Description des figures Les figures ci-après illustrent l'invention de manière non limitative. Figure 1 : Schéma d'une colonne équipée de 12 plateaux standards (3). Le gaz entre en fond de colonne (1E) et sort en tête de colonne (1S), le liquide 35 entre en tête de colonne (2E) et sort en fond de colonne (2S).30 Figure 2 : Schéma d'une colonne équipée de 4 plateaux correspondant à la présente invention. La circulation des fluides dans la colonne reste inchangée. Le gaz entre en fond de colonne (1E) et sort en tête de colonne (1S), le liquide entre en tête de colonne (2E) et sort en fond de colonne (2S). La hauteur du barrage de rétention du liquide est plus importante, ce qui permet de maximiser le contact gaz-liquide et de diminuer le nombre de plateaux nécessaires afin d'obtenir la même efficacité que celle obtenue avec une colonne standard telle que décrite sur la figure 1. Figure 3 : Schéma d'un plateau standard. La phase liquide issue du plateau supérieur tombe dans un déversoir (en 4) dans une direction essentiellement verticale descendante (flèche pleine pour la phase liquide) en entraînant du gaz avec elle ; celui-ci se désengage et la phase liquide devient claire dépourvue de toute phase gaz dans la jambe de descente (5). Le liquide peut s'écouler sur le plateau selon une direction essentiellement horizontale sur le plateau dans la zone de contact (6). Le liquide franchit le barrage (7) pour tomber à nouveau en (8) vers le plateau inférieur. Le gaz suit un mouvement essentiellement vertical (flèches en pointillés). Il provient de l'espace inter plateau en (9) pour traverser le plateau en (10), puis la zone de contact gaz liquide (6). Il se désengage des gouttes entraînées dans la zone (11), et arrive dans la zone inter plateau dépourvue de phase liquide (12) identique à la zone (9). Figure 4 : Schéma d'un plateau selon la présente invention avec déversoirs simples. Comme précédemment, le liquide chargé de bulles de gaz (8B) franchit le barrage (7B) pour tomber à nouveau vers le plateau inférieur. La jambe de descente de liquide (5B) est plus haute que dans les colonnes conventionnelles. Le gaz suit un mouvement essentiellement vertical (flèches en pointillés). Il provient de l'espace inter plateaux (9B) pour traverser le plateau (10B), puis la zone de contact gaz liquide (6B). Il se désengage des gouttes entraînées dans la zone (11B), et arrive dans la zone inter plateaux dépourvue de phase liquide (12B), identique à la zone inférieure 9B. La zone de contact gaz liquide (6B) est traversée par les deux phases de façon cocourante ascendante. Cette zone de contact peut être équipée de grilles perforées (13B) ou de tout type de garnissage favorisant les phénomènes de brisure et coalescence de bulles favorables au transfert de masse gaz-liquide. Figure 5 : Schéma d'un plateau selon la présente invention avec déversoirs optimisés : la section de passage de la jambe de descente dans la partie de liquide claire (5C) est fortement réduite. La restriction de passage disponible pour le liquide clair permet de laisser proportionnellement plus de volume utile à la zone de contact (6C). La réduction de section de passage du liquide d'un plateau à l'autre est déterminée pour intervenir après que le liquide s'est désengagé des bulles de gaz (8C) au niveau de la zone (14C). Seul du liquide clair passe dans la portion restreinte de la jambe de descente (5C) Figure 6 : Schéma d'un plateau selon la présente invention avec déversoirs optimisés - vue selon la coupe A-A de la Figure 5 . La figure représente les deux jambes de descentes issues du plateau supérieur (5D), le déversoir (7D) et les deux jambes de descentes qui vont vers le plateau inférieur (5DD). Figure 7 : Schéma du déversoir dans un cas optimisé avec restriction de la section de passage du liquide clair dans deux jambes de descente. La figure 7 représente une vue en perspective de tout le système de déversoir, du barrage (7E) à la zone de restriction de section (14E) qui alimente deux jambes de descente (5E). Les jambes de descente se terminent par tout système permettant l'évacuation du liquide, ici des fentes (15E). Description détaillée de l'invention, La présente invention consiste à mettre en oeuvre un plateau avec des hauteurs de barrages très importantes, de sorte que la phase liquide a une direction principale orientée vers le haut et co-courante à l'écoulement de gaz. La hauteur de désengagement entre les plateaux est maintenue constante, tandis que la hauteur de contact entre gaz et liquide est augmentée du fait des hauteurs de barrage optimisées. L'invention permet de diminuer le nombre de plateaux nécessaires, donc la hauteur de la colonne pour obtenir les mêmes niveaux d'efficacité que pour des colonnes standard. La hauteur de barrage de rétention liquide des plateaux de colonne selon l'invention est supérieure à 70 mm, de manière préférée supérieure à 200 mm, voire supérieure à 500 mm, voire encore, pour certaines applications, supérieure à 1000 mm. Dans le cadre de la présente invention, en fonction du diamètre de colonne utilisé, il est recommandé d'avoir des ratios h/D supérieurs à 0,07, de manière encore plus préférée supérieurs à 0,1. Dans le cas des grands diamètres, notamment lorsque D dépasse 7 mètres, h/D doit au moins être supérieur à 0,05. Le volume de contact peut être dénué de tout interne, mais de façon privilégiée, la mise en oeuvre de grilles, de plaques perforées à fort taux d'ouverture ou la mise en place de garnissages (vracs ou structurés) peut être avantageux. L'ajout d'internes assure un contact gaz-liquide de façon très intime, ce qui est favorable à l'efficacité du transfert de masse gaz-liquide. Ce dispositif développe de nombreux avantages, énoncés non limitativement ci-après : - Les transferts de masse gaz liquide sont très efficaces, via une agitation de la phase liquide et un renouvellement permanent de l'interface gaz/liquide. Ces transferts peuvent être encore optimisés, notamment grâce à l'ajout d'internes (phénomènes de rupture et coalescence de bulles), ce qui permet in fine d'avoir une efficacité de plateau sensiblement supérieure à celle d'un plateau standard. L'utilisation de plateaux selon l'invention permet de passer d'une efficacité de près de 20% (par exemple pour une colonne munie de plateaux conventionnels telle que représentée sur la figure 1) à une efficacité de plus de 30% et qui peut dépasser 50%. la grande hauteur entre deux plateaux successifs permet d'assurer une bonne séparation des phases dans le déversoir. Par conséquent, il est notamment possible de réaliser une variante du dispositif selon l'invention, comprenant une restriction de la surface de passage du liquide dans les jambes de descente, dans la portion correpondant au liquide clair, ce qui laisse plus de place au volume dédié au contact gaz/liquide, la séparation entre le gaz et le liquide est facilitée en tête de plateau, la longueur de barrage étant très importante. En effet, la circulation ascendante du liquide permet de choisir un barrage de débordement qui suit le diamètre de la colonne (cf. Figure 3), on atteint ainsi des longueurs de barrage de près de 2 fois le diamètre, ce qui n'est possible avec des plateaux standards que pour des plateaux de 4 passes et des colonnes de grand diamètre. cette mise en oeuvre est favorable à une bonne distribution du gaz dans la partie de désengagement du gaz au-dessus du plateau, cela permet d'éviter le phénomène d'engorgement de façon trop précoce et donc permet une bonne capacité. Cette technologie peut donc constituer une alternative à la mise en place d'internes de re-distribution. Dans ce cas, la surface de passage gaz est donc sensiblement égale à la section de la colonne. - au total, dans la réalisation selon l'invention, la proportion entre le volume de contact gaz-liquide et les volumes inutiles (désengagement du gaz, désengagement du liquide, barrages) est bien supérieure à celle rencontrée dans les technologies connues. On passe ainsi d'une gamme 30 à 50% de volume utile à une gamme de 50 à 80% de volume utile. Notamment dans le cas des grands diamètres, ce type de mise en oeuvre peut être avantageusement couplé à l'utilisation d'un plateau disposant d'une chambre liquide, munie d'orifices sur sa face supérieure déterminés pour accélérer le liquide en aval desdits orifices, et comprenant des moyens d'injection du gaz vers ladite face supérieure situés à proximité desdits orifices pour constituer des moyens de cisaillement gaz-liquide. La phase liquide provenant du plateau amont se répartit dans la chambre, puis est évacuée vers le haut au niveau des orifices. La phase gaz, provenant du plateau situé au-dessous, peut circuler dans des tubes verticaux. Dans un mode de réalisation de cette variante, les tubes traversent de part et d'autre la chambre liquide. Ces tubes débouchent alors au-dessus de ladite chambre liquide, au niveau des orifices précédemment décrits. Les orifices permettant le passage du liquide sont généralement situés au plus près des tubes contenant le gaz, et de manière plus préférée entourent les tubes sous forme de couronnes. Ce dispositif de chambre liquide permet d'assurer un très fort cisaillement entre le gaz et le liquide générant ainsi de nombreuses bulles de petites tailles qui se renouvellent à grande vitesse. La création de bulles et leur renouvellement est très favorable au transfert de matière gaz/liquide, dont le paramètre principal est l'aire interfaciale entre les deux phases. Cet effet de cisaillement est obtenu par deux réalisations possibles des moyens de passage gaz : 1. on dispose l'injection du gaz coaxialement auxdits orifices (tubes simples) 2. les moyens d'injection du gaz comprennent un venturi, et on accélère le liquide en plaçant lesdits orifices (21F) en aval du venturi. Exemple : désacidification d'un gaz naturel On choisit un gaz naturel à une pression de 70 bars contenant 14 % de gaz acides (10% d'H2S et 4% de CO2). On souhaite traiter le gaz afin de garantir en sortie de 10 colonne des concentrations d'H2S et de CO2 respectivement inférieures à 5 ppm et 50 ppm. On utilise un procédé de lavage aux amines utilisant de la DEA (diéthanolamine) à 40% en poids. L'utilisation d'un simulateur de procédés permet de déterminer le dimensionnement 15 de la colonne. Pour atteindre les spécifications en concentrations d'H2S et de CO2 dans le gaz traité, il faut mettre en oeuvre, dans le cas de plateaux ayant une hauteur de barrage conventionnelle (50 mm), une colonne de 4.75 m de diamètre comprenant 34 plateaux standards espacés de 600 mm avec une hauteur de désengagement de 300 mm, ce qui correspond à une hauteur d'équipement 20 installés de plus de 20 m de haut. Dans le cas de la présente invention, avec une hauteur de désengagement maintenue constante de 300 mm, et avec des hauteurs de barrage de 500 mm on peut atteindre les mêmes spécifications avec 15 plateaux, ce qui conduit à une hauteur d'équipement de 12 m. 25 Les plateaux équipés de barrages liquide conformes à la présente invention permettent un gain minimal de 10% sur le diamètre et de 25 % sur la hauteur, ce qui se traduit par un gain total de 32 % sur le volume de la colonne. 30 Dans le mode préféré où le volume utile au contact est rempli de garnissage vrac de type IMTP de Koch-Glitsch, pour obtenir les mêmes spécifications de sortie pour le gaz traité, il suffit de mettre en oeuvre une colonne équipée de 6 plateaux selon la présente invention, avec une hauteur de barrage de 700 mm, ce qui conduit à une hauteur d'équipement installé de seulement 6 m. 35 Revendications1. Plateau de colonne de contact gaz-liquide muni d'un barrage (7B) pour la rétention du liquide caractérisé en ce que la hauteur de barrage est supérieure à 70 mm de façon que ledit contact s'opère à co-courant. 2. Plateau de colonne de contact gaz-liquide selon la revendication 1 dans lequel la hauteur h de barrage est choisie telle que le ratio (h/D) hauteur de barrage sur diamètre de colonne D soit supérieur à 0.05. 3. Plateau de colonne de contact gaz-liquide selon la revendication 2 dans lequel le ratio hauteur de barrage sur diamètre de colonne (h/D) est supérieur à 0.07. 4. Plateau de colonne selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le volume utile au contact est rempli d'internes de contact (13B). 5. Plateau de colonne selon la revendication 4 dans lequel les internes de contact comprennent des grilles, des plaques perforées à fort taux d'ouverture ou des garnissages vracs ou structurés. 6. Colonne de contact gaz-liquide comprenant au moins un plateau selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Colonne de contact selon la revendication 6 dans laquelle le déversoir comprend une restriction de la section de passage (14C) du liquide clair dans la jambe de descente (5C). 8. Méthode de contact gaz-liquide caractérisée en ce que : a. on équipe au moins un plateau de colonne de contact gaz-liquide d'un barrage de rétention de liquide (7B); b. on détermine la hauteur dudit barrage de sorte que la circulation de la phase liquide a une direction principale orientée vers le haut et cocourante à l'écoulement de gaz; c. on opère le contact à co-courant du gaz et du liquide. 9. Méthode de contact selon la revendication 8 dans laquelle on dimensionne la hauteur h du barrage en fonction du diamètre D de la colonne telle que le rapport h/D soit supérieur à 0.05. 10. Méthode de contact selon la revendication 9 dans laquelle on dimensionne la hauteur h du barrage en fonction du diamètre D de la colonne telle que le rapport h/D soit supérieur à 0.07. 11. Méthode de contact selon l'une des revendications 8 à 10 dans laquelle on détermine en outre une restriction de la section de passage du liquide clair dans le déversoir pour augmenter le volume de la zone de contact gaz-liquide au-dessus du plateau, en fonction de l'efficacité recherchée. 12. Méthode de contact selon l'une des revendications 8 à 11 dans laquelle on munit le volume utile au contact d'internes de contact de type grilles, plaques perforées à fort taux d'ouverture ou garnissages vracs ou structurés. 13. Méthode de contact selon l'une des revendications 8 à 12 dans laquelle on munit le plateau de colonne d'une chambre de liquide munie d'orifices sur sa face supérieure, on détermine lesdits orifices pour accélérer le liquide, et on constitue des moyens de cisaillement gaz-liquide en plaçant des moyens d'injection du gaz vers ladite face supérieure à proximité desdits orifices. 14. Méthode selon l'une des revendications 8 à 13, pour au moins l'une des applications suivantes: le captage du CO2, le traitement de gaz, la distillation réactive ou non.15