Brevet FR2961112A1 — publié le 20111216

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un nouveau dispositif de distribution et de collecte de fluides au sein d'une colonne multi étagée mettant en oeuvre un écoulement desdits fluides dans un milieu de particules solides, appelé milieu granulaire. On appelle colonne multi étagée une colonne constituée d'une multiplicité de lits de solide granulaire disposés selon un axe sensiblement vertical. Chaque lit granulaire est supporté par une plaque support. Les différents lits successifs sont traversés en série par le ou les fluides mis en oeuvre dans la colonne. Le fluide traversant les lits successifs est appelé fluide principal pour le distinguer d'autres fluides auxiliaires qui peuvent être ajoutés au fluide principal par l'intermédiaire de plateaux généralement situés entre deux lits successifs, et appelés plateaux distributeurs. Chaque lit est alimenté par un plateau distributeur situé en amont dudit lit. La présente invention concerne la répartition des volumes occupés par les plateaux distributeurs, les lits granulaires, et certains internes liés au plateau distributeur qui seront 15 précisés plus loin. Dans la suite du texte, lorsqu'on parle par abréviation de plateaux, il s'agit de plateaux distributeur. Un plateau distributeur comprend typiquement un réseau d'amenée ou de collecte de fluides, dit réseau de distribution, et une ou plusieurs boites de mélange destinées à mélanger le fluide 20 injecté ou soutiré par l'intermédiaire du réseau de distribution avec le fluide principal. Pour rigidifier les plateaux distributeurs, des poutres peuvent être utilisées. Les plateaux peuvent alors être posés sur les poutres. D'autres systèmes sont possibles pour rigidifier les plateaux qu'on appelle de manière générale éléments de rigidification. Dans le contexte de la présente invention, on appelle internes le réseau de distribution de 25 fluide, et les poutres ou tout élément de rigidification des plateaux distributeurs. L'invention consiste essentiellement à laisser libre de tout obstacle les lits granulaires. Pour cela les internes, réseau de distribution et éléments de rigidification, ou au moins l'un des deux, sont intégrés au plateau distributeur lui même. Plus précisément, un plateau distributeur selon l'invention est préférentiellement un plateau 30 dans lequel le réseau de distribution des fluides et les éléments de rigidification sont positionnés à l'intérieur même dudit plateau. Généralement cette intégration des internes au sein même du plateau distributeur s'accompagne d'une augmentation de volume de ce dernier. La présente invention conduit donc à une répartition de volume modifiée par rapport à l'art antérieur entre le volume occupé par le lit granulaire, le volume du plateau, et le volume des internes. L'objectif de la présente invention est d'éviter au moins partiellement la présence d'éléments noyés dans le milieu granulaire, ce qui a pour effet d'améliorer l'écoulement du fluide dans le milieu granulaire et donc les performances du dispositif dans son ensemble, ceci malgré une éventuelle diminution du pourcentage volumique correspondant au lit granulaire. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Dans les procédés multi étagés de type réacteurs ou colonnes de séparation, les dispositifs de distribution mis en oeuvre peuvent avoir plusieurs fonctions comme l'injection ou le soutirage d'un débit de fluide dans le réacteur ou la colonne à un niveau quelconque de ladite colonne. Il est généralement souhaité que cette fonction d'injection ou de soutirage soit réalisée de manière équilibrée entre les différentes régions de la section de colonne. En effet, la section de la colonne est généralement divisée en un certain nombre de secteurs, chaque secteur devant être irrigué de manière homogène, par rapport aux autres. Ceci nécessite l'utilisation de distributeurs à géométrie particulière, pouvant atteindre chaque secteur et délivrant (ou prélevant) un débit approximativement égal sur chacun des secteurs, si ceux-ci sont de surfaces égales. Si les secteurs sont de surfaces différentes, les débits injectés ou prélevés sont approximativement proportionnels à la surface des secteurs associés. Lorsque les colonnes concernées sont de taille importante (entre 3 et 15 mètres de diamètre par exemple), des réseaux faisant appel à des conduites plus ou moins ramifiées sont souvent utilisés pour acheminer les fluides depuis l'extérieur de la colonne jusqu'aux différents plateaux de la colonne multi étagée, puis à partir d'un plateau donné vers chacun des secteurs dudit plateau. Les plateaux remplissent également une fonction de mélange entre l'écoulement principal dans la colonne et le ou les flux injectés par le réseau, de manière à alimenter le lit granulaire situé en aval dudit plateau avec un fluide à concentration homogène. Concernant les procédés de séparation par adsorption en colonnes multi étagées, de type chromatographie ou LMS, les brevets W02006/0271 1 8A1, US2006/0108274A1, EP0074815, FR9309593 fournissent des exemples de configurations de réseaux de distribution alimentant des plateaux positionnés à différentes hauteurs dans la colonne. Les réseaux de distribution peuvent être assez encombrants, et il est courant que ces réseaux soient positionnés dans le lit de solide granulaire (catalyseur ou adsorbant) afin de minimiser 5 le volume total de la colonne. En effet la pratique de l'homme du métier jusqu'ici a été de maximiser le volume du milieu granulaire dans l'enceinte réactionnelle, ce qui est généralement obtenu en minimisant la hauteur des plateaux distributeurs, et en positionnant les réseaux de distribution et/ou de collecte au sein même du milieu granulaire. 10 Le positionnement des réseaux au sein même des plateaux distributeurs est d'ailleurs présenté comme non pertinent dans le brevet WO09133254, car conduisant à des plateaux distributeurs trop volumineux. Il en est de même pour les dispositifs de rigidification des plateaux distributeurs qui sont souvent au moins en partie immergés au sein du lit granulaire. Il est par exemple courant d'utiliser des poutres noyées partiellement ou totalement dans le milieu 15 granulaire. On trouve une description de ces dispositifs de rigidification dans la demande française 09/02.803. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente un dispositif selon l'art antérieur comportant un plateau distributeur 20 divisé en panneaux et alimenté par un réseau de distribution positionné dans le lit granulaire situé en amont du plateau distributeur. La figure 2 représente un dispositif selon la présente invention. Le réseau de distribution est maintenant positionné dans le plateau lui même. La figure 3 représente une autre mise en oeuvre selon l'art antérieur. Le plateau distributeur est 25 posé sur des poutres partiellement noyées dans le lit granulaire. La figure 4 représente un dispositif selon la présente invention, poutres et réseau de distribution étant positionnés au sein même du plateau distributeur. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION 30 L'invention consiste à utiliser un plateau distributeur dans lequel les internes de distribution et de rigidification sont partiellement ou totalement inclus dans le plateau distributeur lui même. Il a été récemment mis en évidence dans un article de la revue" technologie de séparation et de purification" (Augier F, Laroche C, Brehon E, SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY, 63, 2, 466-474, OCT 22 2008) que les obstacles présents dans un milieu granulaire généraient de la dispersion axiale, ce qui détériore l'écoulement dans le milieu granulaire et peut nuire aux performances du procédé, notamment dans le cas d'une adsorption. Une méthode est d'ailleurs proposée dans cet article pour estimer l'impact des internes de distribution noyés dans le milieu granulaire. Cette méthode a été utilisée pour mettre en évidence les avantages de la présente invention. Le positionnement des réseaux de distribution et des dispositifs de rigidification dans les plateaux de distribution est possible si l'on accepte d'augmenter la hauteur des plateaux et donc de perdre une fraction du volume utile dans la colonne. Ceci revient, dans une colonne donnée de volume fixe, à augmenter le volume occupé par les plateaux et donc à diminuer partiellement le volume du milieu granulaire. Cependant, par un effet inattendu, il se trouve que la perte de volume du milieu granulaire est 15 plus que compensée par l'amélioration de l'écoulement dans le milieu granulaire, du fait de l'absence ou de la diminution des volumes d'obstacles noyés dans celui-ci. Le positionnement des internes de distribution et de rigidification dans les plateaux distributeurs peut donc, dans certains cas, améliorer les performances du procédé dans son ensemble. 20 Plus précisément, la présente invention peut donc se définir comme un dispositif de distribution de fluides, comprenant, dans le sens d'écoulement du fluide principal, un réseau de distribution de fluides auxiliaires, un plateau distributeur soutenu par des éléments de rigidification situés au dessous dudit plateau, ledit dispositif étant intercalé entre deux lits de solide granulaire successifs, le pourcentage volumique du réseau de distribution et des 25 éléments de rigidification se trouvant immergé au sein du milieu granulaire étant compris entre 0 et 3%, et préférentiellement compris entre 0 et 2%. Le cas correspondant à 0% signifie que le réseau de distribution et les éléments de rigidification sont entièrement intégrés au plateau lui même. Le volume utile de la colonne se répartit donc en volume du lit granulaire et volume du plateau distributeur. 30 Le cas correspondant à un pourcentage x %, avec x% inférieur à 3%, signifie précisément que le réseau de distribution et les éléments de rigidification ont globalement une proportion de leur volume qui correspond à x% du volume du lit granulaire. Ils sont immergés dans le lit granulaire à proportion de x%, avec x% inférieur à 3%. La limitation à 3% du volume immergé correspond à la somme des volumes immergés du réseau de distribution et des éléments de rigidification. Si le dispositif ne comprend pas d'éléments de rigidification , la limitation à 3% s'applique alors uniquement au réseau de distribution. Selon une variante préférée de l'invention, le Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé (LMS) est tel que la hauteur du plateau distributeur est inférieure à 0,3 m, et préférentiellement inférieure à 0,2m. L'intérêt de l'invention est particulièrement marqué sur les dispositifs multi étagés de grande taille. En effet, lorsque le diamètre de l'adsorbeur est suffisamment grand, c'est à dire supérieur à 3 mètres, et préférentiellement supérieur à 7 mètre, il est nécessaire de diviser les plateaux distributeurs en secteurs ou panneaux. Une telle division de plateaux en secteurs est détaillée dans les brevets WO 2006/055222A1, US 2009/0321359A1, WO 2008/125751AI, US 2008/0217232A1. Les panneaux peuvent être des secteurs radiaux ou des secteurs parallèles alignés selon un diamètre de la colonne. Lorsque les plateaux distributeurs sont divisés en panneaux, chaque panneau est alimenté par le réseau de distribution, ce qui nécessite l'utilisation d'un réseau complexe comprenant une multitude des conduites. La division des plateaux en différents panneaux est nécessaire pour assurer une bonne qualité de distribution, notamment lorsque le diamètre des adsorbeurs dépasse une taille critique supérieure à 3 mètres, et préférentiellement supérieure à 7 mètres. Donc pour un diamètre au delà de 3 mètres, et à plus forte raison au delà de 7 mètres, le recours à des plateaux distributeurs sectorisés en panneaux est pratiquement incontournable, mais en contrepartie le volume occupé par le réseau de distribution devient très important. Par ailleurs, le fait d'utiliser des plateaux divisés en panneaux et alimentés par un réseau de distribution complexe à grand nombre de conduites augmente le poids du dispositif global de distribution (réseau de distribution et plateau). D'ou le recours à des éléments de rigidification de type poutres pour limiter le fléchissement des plateaux et la dégradation de l'écoulement dans les plateaux et dans le lit granulaire qui peut en résulter. Les éléments de rigidification sont donc importants pour limiter le fléchissement des plateaux, et plus particulièrement dans les adsorbeurs de grands diamètres. Pour ces raisons, l'invention est d'un grand bénéfice dans les adsorbeurs de grands diamètres, et plus le diamètre augmente, plus l'invention est avantageuse. DESCRIPTION DES FIGURES La description détaillée de l'invention sera faite à partir des figures 1 à 4. Figure 1 : L'enceinte 1 représente une colonne multiétagée avec plateaux distributeurs selon l'art antérieur. La colonne est divisée en un certain nombre de lits granulaire (2). Entre deux lits granulaires successifs, notés lit amont et lit aval, s'intercale un plateau distributeur (10). Chaque plateau distributeur (10) est divisé en panneaux distincts et séparés par des cloisons verticales (5). Une grille supérieure (4) supporte le milieu granulaire (2) tout en permettant au fluide de rentrer à l'intérieur du plateau. Les panneaux comportent un réseau de distribution (6), une chambre d'injection perforée (8) qui permet d'injecter ou de soutirer un fluide auxiliaire dans le plateau. En cas d'injection, le fluide auxiliaire injecté est ainsi mélangé avec le fluide principal venant du lit amont. Le plateau distributeur (10) comporte également une grille inférieure (3) ou plaque perforée, ou tout autre moyen permettant de distribuer l'écoulement sur le lit granulaire aval. La grille inférieure (3) peut aussi être divisée selon les panneaux. Il y a alors une grille inférieure par panneau. Les chambres d'injection (8) sont alimentées par le réseau de distribution (6), qui permet d'amener le fluide de l'extérieur de l'enceinte vers chaque panneau. Le réseau (6) permet aussi de collecter le fluide dans chaque panneau. Selon l'art antérieur, le réseau (6) est noyé dans le milieu granulaire (2). Figure 2 : En conservant la même numérotation des éléments que pour la figure 1, la figure 2 présente une mise en oeuvre de l'invention dans laquelle le réseau de distribution (6) est maintenant positionné à l'intérieur même du plateau distributeur (10). Le plateau distributeur (10) peut alors selon les cas voir sa hauteur augmentée. Le lit 30 granulaire (2) ne possède plus d'obstacle en son sein et permet donc un écoulement non perturbé du fluide. Figure 3 : La figure 3 selon l'art antérieur représente un plateau distributeur (10) qui ne comporte ici qu'un seul panneau, posé sur des poutres (7). Les poutres sont partiellement noyées dans le milieu granulaire (2), ce qui permet de limiter la hauteur entre les grilles supérieure (4) et inférieure (3). Le réseau de distribution (6) est également noyé dans le lit granulaire (2). Il existe un espace vide entre le bas du plateau (5) et la surface supérieure du lit granulaire aval. Cet espace (9) fait conventionnellement partie du plateau distributeur (5). Figure 4 : La figure 4 représente un mode de réalisation de l'invention. La numérotation est la même que pour la figure 3. Le réseau de distribution (6) et les poutres (7) sont maintenant intégrés au plateau distributeur (10) et compris entre les grilles supérieure (4) et inférieure (3). Pour cela, l'espacement entre les 2 grilles (4) et (3) a été augmenté par rapport à l'art antérieur. L'espace (9) contient entièrement les poutres (7). Les lits granulaires amont et aval sont libres de tout obstacle. L'intérêt de l'invention réside dans le fait que l'écoulement dans les lits granulaires est amélioré en l'absence d'obstacles dans le lit, et que cette amélioration compense la perte de volume liée à l'augmentation de hauteur du plateau distributeur. Cet effet d'amélioration de la performance globale des lits est illustré dans les exemples comparatifs ci joint. EXEMPLES COMPARATIFS Dans les exemples ci-dessous on compare les performances de séparation d'une colonne d'adsorption en lit mobile simulé (LMS) selon l'art antérieur (cas de référence ) et selon l'invention ( cas 1, 2 et 3). Les performances sont comparées en termes de nombre d'étages théoriques par lit (NET) présents dans la colonne d'adsorption. Les performances sont calculées par méthode numérique décrite dans l'article cité dans le paragraphe sur l'art antérieur. Le NET est représentatif de la qualité d'une séparation par adsorption, c'est à dire de la pureté et du rendement associés à la séparation. Tous les calculs sont réalisés dans les conditions suivantes : Colonne d'adsorption de 15 mètres utiles et de 8 mètres de diamètre, divisée en 12 lits. Le cas de référence correspond, selon l'art antérieur, à des plateaux distributeurs de 0,05 m de hauteur, alimentés par des réseaux de distribution noyés dans le lit granulaire et occupant 1,2% du volume total. Les plateaux sont posés sur des poutres occupant 2,41% du volume total. Le débit de liquide QL est de 0,729 m3/s. La vitesse superficielle moyenne du fluide dans le cas de référence est alors de 0,015 m/s. Le NET global par lit granulaire dans le cas selon l'art antérieur est alors calculé à 10,98. Les autres cas de 1 à 3 présentent différentes variantes selon l'invention, pour lesquelles la fraction volumique d'internes (réseau ou poutres) a été diminuée par rapport au cas de référence. Suivant les calculs, cette diminution s'accompagne d'une augmentation plus ou moins importante de la hauteur du plateau (H plateau), et donc d'une diminution de la fraction volumique occupée par le lit granulaire ( %volume tamis). Le tableau 1 ci dessous rassemble les valeurs de hauteur du plateau ( H plateau), hauteur du lit 15 granulaire (Hlit) et la répartition en % des volumes internes, plateau et tamis pour le cas de référence et les cas 1,2,3 selon l'invention. Cas Ref 1 2 3 0 adsorbeurs 8 8 8 8 m QL 0,729 0,729 0,729 0,729 m3/s H plateau 0,05 0,1 0,19 0,1 m H lit 1,2 1,15 1,06 1,15 m %Volume internes 3,61% 0,00% 0,00% 1,84% 0/0 Volume plateau 4,00% 8,00% 15,2% 8,00% % volume tamis 92,39% 92,00% 84,8% 90,16% Vsl 0,0150 0,0145 0,0145 0,0148 m/s NET total 10,98 11,93 10,99 11,17 tableau 1 : comparaison entre différentes configurations à même débit de liquide 20 On remarque que toutes les configurations selon l'invention ( cas 1, 2 et 3) sont meilleures que le cas de référence, car le NET global par lit est toujours supérieur à 10,98. - Le cas 1 (volume d'interne = 0%) présente un volume de plateau double de celui du cas de référence (8%). Le volume de lit granulaire est légèrement diminué (92% contre 92,39%). 25 Le NET passe à 11, 93 contre 10,98 dans le cas de référence. - Le cas 2 (volume d'interne = 0%) présente un volume de plateau plus important que celui du cas 1, car la hauteur du plateau a été porté à 19 cm. Le NET est légèrement augmenté à 11,0, malgré la diminution assez nette du volume occupé par le milieu granulaire 84,8% contre 92,39 % dans le cas de référence. - Le cas 3 correspond à un cas où le volume immergé des internes dans le lit granulaire est de 1,84 %. Le volume du plateau distributeur reste à 8% et le volume du lit granulaire est de 90,2 %, c'est à dire inférieur à celui du cas de référence (92,39%). Dans ce cas encore, le NET est augmenté à 11,18. Dans le tableau 2, on reprend les 3 cas du tableau 1, mais on modifie le débit liquide QL de manière à ajuster le NET par lit de tamis à la valeur de référence (NET = 10,98). Cela permet de tirer pleinement bénéfice de l'invention en termes de gain de capacité de production. Ainsi, la séparation est réalisée à iso-qualité, mais l'augmentation du débit de liquide correspond à une augmentation proportionnelle de capacité de séparation du dispositif global. Cas Ref 1 2 3 0 adsorbeurs 8 8 8 8 m QL 0,729 0,792 0,730 0,742 m3/s H plateau 0,05 0,1 0,19 0,1 m H lit 1,2 1,15 1,06 1,15 m %Volume internes 3,61% 0.00% 0.00% 1,84% °la Volume plateau 4.00% 8.00% 15,2% 8.00% % volume tamis 92,39% 92.00% 84,8% 90,16% Vs! 0,0150 0,0157 0,0145 0,0150 m/s NET total 10,98 10,98 10,98 10,98 tableau 2: comparaison entre différentes configurations à même nombre d'étages théoriques On remarque ici encore que l'invention permet d'augmenter le débit liquide et donc la capacité de production du dispositif qui lui est proportionnelle. Le gain varie suivant la mise en oeuvre entre 0,1% et 8,6% d'augmentation de la capacité, le meilleur résultats étant obtenu pour le cas 1. REVENDICATIONS1) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS), comprenant dans le sens d'écoulement du fluide principal un réseau de distribution (6) de fluides auxiliaires, et un plateau distributeur (10) soutenu par des éléments de rigidification (7) situés au dessous dudit plateau (10), ledit dispositif étant intercalé entre deux lits de solide granulaire successifs (2), notés lit amont et lit aval, le pourcentage volumique du réseau de distribution et des éléments de rigidification se trouvant immergés au sein des lits amont et aval étant compris entre 0 et 3%, et préférentiellement compris entre 0 et 2%. 2) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS) selon la revendication 1, dans lequel le pourcentage volumique du réseau de distribution se trouvant immergé au sein du lit amont est égal à 0. 3) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS) selon la revendication 1, dans lequel le pourcentage volumique des éléments de rigidification (7) se trouvant immergés dans le lit granulaire aval est égal à 0. 4) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS) selon la revendication 1, dans lequel le pourcentage volumique du réseau de distribution (6) et des éléments de rigidification (7) se trouvant immergés dans les lits granulaires amont et aval est égal à 0. 5) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS) selon la revendication 1, dans lequel la hauteur du plateau distributeur est inférieure à 0,3 m, et préférentiellement inférieure à 0,2 m. 30 6) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé ( LMS) selon la revendication 1, dans lequel le diamètre de la colonne est supérieur à 3 mètres, et préférentiellement supérieur à 7 mètres. 20 25 7) Dispositif de distribution de fluides dans une colonne multiétagée fonctionnant en lit mobile simulé (LMS) selon la revendication 1, dans lequel le plateau distributeur (10) est divisé en secteurs radiaux ou en panneaux parallèles alignés selon un diamètre de la colonne.10