FR2946547A1 - Systeme de rigidification des plateaux d'une colonne multi-etagee de grand diametre. - Google Patents

Abstract

Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres, chaque plateau supportant un lit de particules et étant traversé de haut en bas par l'écoulement d'au moins un fluide, le dit dispositif consistant en une pluralité de poutres situées sous le plateau concerné, chaque poutre présentant une surface inférieure profilée en forme de triangle.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi-étagée de grand diamètre applicable à toute colonne mettant en oeuvre un écoulement de fluides au sein d'un milieu de particules solides, appelé milieu granulaire.

On appelle colonne multi étagée une colonne constituée d'une multiplicité de plateaux disposés selon un axe sensiblement vertical, chaque plateau supportant un lit de solide granulaire, et les différents plateaux étant traversés en série par le ou les fluides mis en oeuvre dans la colonne. Dans la suite du texte les plateaux sont appelés plateaux distributeur parce qu'ils assurent également une fonction d'injection ou de soutirage d'un fluide ajouté ou soustrait au fluide principal circulant à l'intérieur de la colonne.

Le domaine de l'invention est plus particulièrement celui des procédés d'adsorption en lits mobiles simulés (qu'on notera par abréviation LMS dans la suite du texte), notamment utilisés pour la séparation d'hydrocarbures aromatiques, plus particulièrement pour la séparation des xylènes et de l'éthylbenzène.

Il est courant sur les colonnes munies de plateaux de grand diamètre d'utiliser des poutres de support permettant d'assurer une certaine rigidité aux plateaux. Ces poutres peuvent être positionnées sous les plateaux, et partiellement ou totalement noyées dans les particules solides du milieu granulaire. Dans le cas ou la colonne est chargée en particules solides en déversant les particules à partir du haut de la colonne (méthode dite de chargement dense), les zones situées sous les poutres peuvent être mal chargées en particules, ce qui peut conduire à l'existence d'un volume vide de particules sous les poutres. Ce phénomène a des effets indésirables sur le fonctionnement du dispositif, tels que l'augmentation de la dispersion axiale dans la colonne et la diminution de l'efficacité de séparation de l'adsorption.

L'invention consiste essentiellement à utiliser des poutres profilées de telle manière que lors du chargement des particules solides suivant la méthode de chargement dense, n'apparaissent pas de volumes morts sous les poutres. L'invention a pour effet une amélioration des performances des colonnes réactives qui nécessitent souvent un écoulement des fluides proche de l'écoulement piston, ainsi qu'une amélioration des performances de séparation des colonnes de séparation de type LMS.

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 et homogène sur l'ensemble de la section de colonne. En effet, généralement chaque plateau de la colonne est divisé en un certain nombre de secteurs, chaque secteur devant être irrigué de manière homogène, par rapport aux autres. Concernant les procédés de séparation par adsorption en colonnes multi étagées, de type chromatographie ou LMS, il est courant, notamment pour les colonnes de grand diamètre (c'est à dire, dans le contexte de l'invention, supérieur à 2 mètres), de recourir à des poutres pour supporter les plateaux. Ces poutres, généralement positionnées sous les plateaux sont noyées dans le lit de particules solides. Ces poutres sont présentes dans la colonne au moment du chargement, et si celui-ci est réalisé suivant la méthode de chargement dense, le remplissage du volume de lit situé sous les poutres n'est généralement pas parfait. On entend par chargement non parfait le fait qu'un volume vide de particules peut se constituer sous la poutre ou un élément de celle ci durant le chargement, volume appelé dans la suite du texte volume mort.

Les répercussions de la présence de volumes morts sous les poutres sur les performances du procédé sont délicates à estimer, et des essais en maquette ont été réalisés spécialement pour développer la présente invention et évaluer son impact sur les performances d'une colonne réactive ou d'adsorption.

Concernant l'hydrodynamique dans un lit de particules solides, l'effet des internes noyés dans le lit a fait l'objet d'études publiées. On peut citer par exemple l'article pouvant se traduire en français par "Application de la simulation en mécanique des fluides au calcul des lits fixes d'adsorption. Effet de l'hydrodynamique à échelle laboratoire et industrielle" ("Application of computational fluid dynamics to fixed bed adsorption calculations: Effect of hydrodynamics at laboratory and industrial scale") de F.Augier, C.Laroche, E.Brehon, paru dans la revue Separation and Purification Technology 63, 2008, 466-474). L'effet de la présence de poutres est donc parfaitement quantifiable lorsque celles-ci sont complètement noyées dans le lit de particules. Mais dans le cas présent, le problème est plus complexe du fait de la présence d'un volume mort rempli au moins partiellement de liquide sous les poutres, ce qui perturbe la séparation de manière plus importante que l'effet de l'obstacle lui même.

Les brevets WO2006/027118A1, US2006/0108274 Al, EP0074815, FR9309593 fournissent des exemples de colonnes multi-étagées et de plateaux distributeurs de procédés en Lits 10 Mobiles Simulés.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La Figure 1 a selon l'art antérieur, est une représentation schématique des plateaux présents dans une colonne muti-étagée, des poutres supportant les plateaux et des volumes morts 15 présents sous les poutres. La Figure lb selon l'invention, est une représentation des plateaux présents dans une colonne muti-étagée, et des poutres profilées supportant les plateaux. La Figure 2a selon l'art antérieur, est un détail de la figure 1 a au niveau d'un volume mort sous une poutre. 20 La Figure 2b Selon l'invention, est un détail de la figure lb au niveau du profilage de la poutre. La Figure 3 selon l'art antérieur, est une photo d'un volume mort reproduit en maquette lors d'un chargement dense de particules solides. La Figure 4a selon l'art antérieur, est une vue schématique de la formation des volumes morts 25 sous les poutres durant un chargement dense. La Figure 4b selon l'invention, est une vue schématique de l'effet de comblement des volumes morts du au profilage des poutres durant le chargement dense. la Figure 5 est un graphique comparant les signaux de distribution de temps de séjour en l'absence de poutre (cas A), en présence d'une poutre standard à fond plat (cas B), en présence 30 d'une poutre profilée selon l'invention (cas C).

DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention peut se décrire comme un dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi-étagée de grand diamètre respectant au mieux un écoulement des fluides de type piston. On entend par piston un écoulement à très faible dispersion axiale.

On entend par grand diamètre un diamètre de la colonne supérieur à 2 mètres. Chaque plateau de la colonne supporte un lit de particules qui peuvent être selon l'application des particules de catalyseur dans le cas d'une colonne réactionnelle, ou des particules de solide adsorbant dans le cas d'une colonne de séparation de type en lit mobile simulé (LMS). Pour rigidifier chaque plateau on fait généralement appel à un système de poutraison placé au dessous ou au dessus dudit plateau. Dans le contexte de la présente invention qui vise principalement l'application aux colonnes en LMS, le système de poutraison est placé au dessous de chaque plateau de la colonne. Ce système de poutraison se trouve immergé dans le lit granulaire après le chargement de la colonne et la présente invention a pour but de maintenir un état d'écoulement du ou des fluides circulant dans la colonne aussi proche que possible d'un écoulement piston, en évitant la formation au dessous de chaque poutre d'un volume mort. Ce résultat est obtenu par un profilage adéquate de la surface inférieure de chaque poutre, et il a été trouvé que le profilage optimal de ladite surface correspond à une forme en triangle, sensiblement isocèle, l'angle des deux côtés sensiblement égaux dudit triangle par rapport à l'horizontale étant compris entre 20° et 40° et préférentiellement compris entre 25° et 35°. On entend par sensiblement égaux une égalité des côtés à plus ou moins 20%, et préférentiellement à plus ou moins 10%. Selon un premier schéma de poutraison, les poutres se répartissent en une poutre principale sensiblement alignée selon un diamètre de la colonne, et une multiplicité de poutres secondaires perpendiculaires à la poutre principale. On entend par sensiblement alignée une poutre confondue avec un diamètre de la colonne à plus ou moins 20 cm près.

Selon un second schéma de poutraison, l'ensemble des poutres est sensiblement parallèles. On entend par sensiblement parallèles des poutres qui peuvent faire entre elles un angle 30 inférieur à 20°, et préférentiellement inférieur à 10°.

Selon un troisième schéma de poutraison, les différentes poutres sont disposées selon des rayons. La présente invention est compatible avec tous les schémas de poutraison et s'applique à une majorité de poutres constituant ladite poutraison.

Dans un cas particulier préféré, la présente invention s'applique à chacune des poutres constituant la poutraison.. L'élément triangulaire qui définit le profilage de la surface inférieure de chaque poutre peut soit être inclus à la construction de la poutre, soit être rajouté sur des poutres à fond plat, ce qui peut présenter un intérêt si un système de poutraison standard à fond plat existe déjà.

De manière plus précise, la présente invention peut donc se définit comme un dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi-étagée de grand diamètre, chaque plateau supportant un lit de particules et étant traversé de haut en bas par l'écoulement d'au moins un fluide, le dit dispositif consistant en une pluralité de poutres situées sous le plateau concerné, chaque poutre présentant une surface inférieure profilée en forme de triangle.

L'angle des deux côtés approximativement égaux du triangle par rapport à l'horizontale est compris entre 20° et 40°, et préférentiellement compris entre 25° et 35°. Le dispositif de rigidification selon la présente invention permet d'améliorer l'écoulement des fluides à l'intérieur d'une colonne comportant une multiplicité de plateaux portant chacun un lit de solide granulaire, dite colonne multi-étagée.

L'amélioration de l'écoulement dans le présent contexte signifie que l'écoulement se rapproche au mieux d'un écoulement piston, c'est à dire d'un écoulement dans lequel la dispersion axiale du fluide traversant les différents lits successifs de la colonne est la plus faible possible. Cette caractéristique d'écoulement piston est particulièrement importante dans le cas d'une colonne réactionnelle, et dans le cas de colonne de séparation en LMS, car elle conditionne en grande partie les performances, soit en terme de rendement en produit recherché, soit en terme de sélectivité. De manière générale, les particules de solide adsorbant ou de catalyseur formant le lit granulaire de la colonne multi-étagée ont un diamètre ou un diamètre équivalent compris entre 10 et 100 microns, et plus particulièrement compris entre 10 et 800 microns (1 m = 1 micron = 10"6 mètre). On appelle diamètre équivalent le diamètre d'une sphère qui conserve le rapport surface sur volume de la particule considérée.

Dans la grande majorité des cas la vitesse superficielle du liquide circulant dans la colonne est comprise entre 1 et 5 mm/s et plus particulièrement comprise entre 1 et 2,5 mm/s. La vitesse superficielle se définit usuellement comme le rapport du débit volumique de fluide sur la section de la colonne supposée vide de tout obstacle.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Une colonne multi-étagé telle que représentée sur la figure 1 a constitue globalement un milieu granulaire, et le fluide circulant entre les différents plateaux est généralement un liquide en écoulement descendant. La présence éventuelle de gaz en plus de l'écoulement liquide ne modifie pas le dispositif de la présente invention qui peut donc s'appliquer à des colonnes à écoulements mixtes, gaz et liquide. Une colonne est composée d'une enceinte ou virole (1) cylindrique, et comprend différents plateaux distributeurs (4) délimitant des lits (2) de particules solides ou tamis. Les plateaux distributeurs (4) sont alimentés par des réseaux de conduites (6) connectés à 15 l'extérieur de la virole. Les plateaux distributeurs (4) ont pour fonction de mélanger le liquide venant du lit supérieur à celui injecté par le réseau de conduites (6), ou de soutirer une fraction du liquide sortant du lit supérieur, suivant un fonctionnement cyclique alternants les fonctions d'injection et de soutirage. 20 Lorsque la colonne est de grande taille, c'est à dire, dans le contexte de l'invention, supérieure à 2 mètre de diamètre, il est souvent nécessaire de rigidifier les plateaux avec des poutres (7) afin que lesdits plateaux restent les plus horizontaux possible, ceci malgré les différentes contraintes mécaniques et hydrauliques auxquelles ils sont soumis. L'invention s'applique au cas où les plateaux sont supportés par des poutres, et plus 25 précisément, dans le cas où les poutres supportant les plateaux sont positionnées sous les plateaux. Afin de ne pas perdre de volume de colonne disponible pour le catalyseur ou le solide adsorbant, les poutres peuvent être partiellement noyées dans le tamis (2).

Les poutres sont généralement de forme parallélépipédiques, avec une dimension (largeur) 30 nettement plus petite que les deux autres (longueur, hauteur). On appelle donc largeur la plus petite dimension de la poutre considérée.

La surface inférieure de la poutre est très généralement une surface plane, ou sensiblement plane, que nous désignons par poutre à fond plat. La présente invention est compatible avec n'importe quelle forme de poutre et en particulier peut s'appliquer à des poutres à fond plat. Le remplissage du tamis (2) constituant chaque lit entre deux plateaux peut être réalisé de différentes manières.

a) Une méthode de chargement particulièrement avantageuse consiste à faire tomber le tamis en pluie à partir du haut de la colonne, car dans ce cas les grains s'ordonnent d'eux même pour former un lit à faible porosité interstitielle. On parle alors de chargement dense, méthode qui présente l'avantage de maximiser la masse de tamis présent entre deux plateaux successifs. Le chargement dense se déroule comme suit : Le plateau du niveau N est positionné sur la section de colonne, porté par les poutres P. Les poutres P+1 supportant le plateau de niveau N+1 immédiatement au dessus du plateau de niveau N sont également mises en place, mais pas le plateau N+1, afin de pouvoir charger le tamis. Le tamis est ensuite versé en pluie sur le plateau N jusqu'à son niveau maximal. Après le chargement, le plateau N+1 est positionné sur les poutres P+l, et la même procédure est appliquée pour remplir le lit au dessus du plateau N+1. Un inconvénient possible lorsque l'on utiliser la méthode de chargement dense en présence de poutres, est le mauvais chargement possible du tamis sous les poutres. Lorsque les poutres sont de forme rectangulaire, ou plus généralement à fond plat, le tamis versé ne tombe pas directement sous les poutres, car ces dernières recouvrent une fraction de la surface qui n'est pas accessible aux particules solide s lors du chargement. La zone comprise entre le bas des poutres P+1 et le haut du plateau situé immédiatement au dessous, c'est à dire le plateau de niveau N, est appelée zone d'ombre car le tamis venant du haut de la colonne durant la remplissage ne peut y accéder directement. Cette zone se remplit donc plus lentement que les zones ouvertes, et il en résulte un déficit de hauteur de tamis, tel qu'illustré en figure 2a. Ce phénomène de déficit de hauteur de tamis génère la formation d'un sillon situé à l'aplomb de la partie la plus basse de la poutre considérée, sillon d'une profondeur maximale h. De nombreuses expériences ont montré que le sillon est de section triangulaire, à peu près constante sous toute la longueur de la poutre.

La profondeur h du sillon est reliée à la largeur de la poutre L et à l'angle 0 formé par les côtés du sillon par rapport à l'horizontal (Cf figure 2a) : h_Ltan 9 2 Des essais de chargement en maquette avec du tamis de type zéolite de granulométrie moyenne d'environ 650 m ont montré que l'angle 0 était généralement compris entre 30 et 35°. La figure 3 présente une photo de volume mort (8) observé en maquette froide sous un 10 obstacle (7) de 10cm de large. L'angle 0 du sillon mesuré par rapport à l'horizontale est compris entre 30 et 35 °. Le processus de formation du volume mort durant la chargement de tamis est schématisé en figure 4a. Le tableau 1 ci dessous rassemble les valeurs expérimentales d'angle 0, et de hauteur du sillon 15 (h) obtenus sur maquette pour différentes valeurs de largeur (L) et de hauteur de poutre (H) et différentes vitesses de chargement du tamis (exprimée en cm/minute). Largeur Hauteur Vitesse de Angle Hauteur de talus (cm) (cm) chargement (0) (cm) (cm/mnl 5 0,1 1 31 1,5 5 0,2 1 33 1,6 5 0,4 1 32 1,6 5 0,4 2 35 1,7 5 0,4 0,5 33 1,6 0,4 1 32 3,2 20 0,4 1 32 6,2 10 0,4 1 35 3,5 10 0,4 1 33 3,2 10 0,4 1 32 3,1 10 0,4 1 34 3,3 TABLEAU1 20 Il est remarquable de constater que dans la plage des valeurs explorées, l'angle 9 reste compris dans une fourchette relativement étroite, comprise entre 30 et 35°. L'invention consiste à utiliser des poutres dont la surface inférieure est de forme triangulaire, le triangle épousant au mieux la forme du sillon constaté expérimentalement.

On parle alors de poutres profilées (9) selon l'invention, comme représentées en figures lb et 2b. La surface inférieure des poutres profilées étant de forme similaire à celle du volume mort (ou sillon) situé sous une poutre à fond plat, le tamis, durant le chargement dense, se répartit autour de la poutre sans laisser de volume mort. Le chargement du tamis à proximité des poutres profilées (9) est schématisé en figure 4b.

b) On peut noter que la problématique évoquée pour le chargement dit chargement dense n'existe pas pour l'autre type de chargement dit chargement "à la manche", c'est à dire un chargement dans lequel un opérateur contrôle la surface de chargement. Ce chargement évite la formation de volumes morts, mais conduit à une densité de chargement plus faible que le chargement dit dense.

EXEMPLE L'efficacité du dispositif selon l'invention a été testée à l'aide d'essais en maquette en plexiglas. La maquette reproduit une portion de lit de 1 m de haut, de 60 cm de large et de 18 cm de profondeur. La maquette est munie de dispositifs de distribution et de collecte en tête et fond de manière à rendre l'écoulement global dans la maquette le plus piston possible, c'est à dire avec le minimum de dispersion axiale. La maquette est remplie de billes de verre de 2 mm de diamètre, suivant la méthode de chargement dense. 3 configurations notées A, B, C sont étudiées :

Configuration A: Absence de poutre Configuration B: Poutre à fond plat de 10cm de large, 18 cm de profondeur et 40 cm de hauteur. La poutre est positionnée en tête de lit, donc le bas de la poutre est situé à 60 cm du fond de la maquette.

Configuration C: Poutre profilée selon l'invention, c'est à dire poutre identique à celle du cas B prolongée à son extrémité inférieure par un triangle sensiblement isocèle, de manière similaire à la figure 2C. La hauteur du triangle est h = 3cm. L'angle 0 est de 32°. On entend par triangle sensiblement isocèle, un triangle qui a deux côtés égaux à plus ou moins 20% près, et préférentiellement à plus ou moins 10% près.

L'écoulement dans le lit est caractérisé pour les 3 cas par la méthode dite de distribution des temps de séjour, telle que détaillée dans de nombreux ouvrages de génie chimique, dont 10 "Génie de la réaction chimique, D.Schweich, Tec&Doc,2001, Paris".

Les essais sont réalisés avec de l'eau, circulant à la vitesse superficielle de 1,5 cm/s (vitesse en fût vide). A l'instant t = 0, une injection ponctuelle de solution saline est réalisée en tête de maquette. 15 La conductivité est mesurée dans la conduite de sortie de maquette. Les signaux sont normés de manière à avoir des surfaces sous la courbe de 1 (sans dimension) et une valeur nulle à t = 0. Les signaux sont aussi exprimés en fonction du temps relatif de perçage, défini comme le temps physique depuis l'injection auquel on retranche le temps de séjour moyen dans la 20 maquette. Ce traitement sur le temps permet de comparer la forme des signaux de sortie en s'affranchissant des écarts de temps de séjour ou des différence d'amplitude du signal. Ce traitement permet donc d'analyser le caractère piston de l'écoulement dans la maquette. Plus le signal de sortie est resserré et haut, plus l'écoulement est piston. Inversement, plus le signal est étalé et moins l'écoulement est piston, c'est à dire plus il présente de la dispersion 25 axiale.

Les résultats de cette étude expérimentale sont présentés en figure 5. Le cas A sans poutre fournit le signal le plus haut, donc l'écoulement le plus piston. Le cas B, avec une poutre selon l'art antérieur à fond plat, et un volume mort formé durant le 30 chargement dense, fournit un signal moins haut et plus étalé que le cas A, ce qui montre que la poutre génère de la dispersion axiale et que l'écoulement est moins piston.

Le cas C, avec une poutre profilée selon l'invention, fournit un signal très légèrement plus bas et plus large que le cas A, mais bien plus haut que le cas B. L'écoulement généré par le cas C est donc quasiment aussi piston que le cas A sans poutre.

Le caractère piston de chaque écoulement peut être également quantifié en terme de nombre d'étages théoriques (NET). Le NET est calculé en régressant un modèle hydrodynamique en cascade de NET réacteurs agités en série. Plus le NET est élevé, plus l'écoulement est piston (et plus faible est la dispersion axiale). Les résultats, qui sont reportés dans le tableau 2 ci-dessous, montrent l'intérêt de l'invention pour améliorer l'écoulement en présence de poutres.

NET Configuration A sans poutre 162 Configuration B poutre à fond plat 69 Configuration C poutre profilée 145 TABLEAU 2 La dégradation de l'écoulement est naturellement fonction du nombre de poutres présentes dans la colonne, exprimé en terme de ratio entre la surface projetée de toutes les poutres et la section de ladite colonne. Cette fraction de surface occupée par l'ensemble des poutres est de l'ordre de 2 à 7% dans les colonnes industrielles, contre 17% à 20% dans la maquette. L'impact des poutres sur l'écoulement est donc bien plus faible dans les colonnes industrielles que dans la maquette, ce qui signifie que l'approche à l'écoulement piston sera encore mieux réalisée sur une colonne industrielle munie de poutres profilées selon l'invention par rapport aux résultats obtenus en maquette.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres, chaque plateau supportant un lit de particules et étant traversé de haut en bas par l'écoulement d'au moins un fluide, le dit dispositif consistant en une pluralité de poutres situées sous le plateau concerné, chaque poutre présentant une surface inférieure profilée en forme de triangle.
2. 2) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel l'angle 0 des deux côtés sensiblement égaux du profilage en triangle, par rapport à l'horizontale est compris entre 20° et 40°, et préférentiellement compris entre 25° et 35°.
3. 3) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel les poutres profilées se répartissent en une poutre principal alignée sensiblement selon un diamètre de la colonne et une pluralité de poutres secondaires sensiblement perpendiculaires à ladite poutre principale.
4. 4) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel les poutres profilées sont toutes sensiblement parallèles.
5. 5) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel les poutres profilées sont toutes sensiblement alignées selon des rayons.
6. 6) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel les particules solides constituant le lit granulaire ont un diamètre ou diamètre équivalent compris entre 300 et 800 microns.30
7. 7) Dispositif de rigidification des plateaux d'une colonne multi étagée de diamètre supérieur à 2 mètres selon la revendication 1, dans lequel la vitesse superficielle du fluide circulant à l'intérieur de la colonne est comprise entre 1 et 2,5 mm/s 10 15 20