FR3115710A3 - Contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière - Google Patents
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Abstract
Titre : Contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière Contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides, ledit contacteur comprenant un garnissage vrac (G), ledit garnissage vrac étant réparti dans plusieurs compartiments délimités par au moins une paroi, lesdits compartiments étant sensiblement parallélépipédiques et certains compartiments (L) disposés sur le bord du cylindre (V) ayant une section dans le sens du rayon du cylindre plus grande que les compartiments au milieu du cylindre. Figure de l’abrégé : Fig. 7
Description
La présente invention est relative à un contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière.
La présente invention concerne le domaine des colonnes de contact gaz/liquide et plus particulièrement les unités de traitement de gaz, de captage du CO2, de déshydratation ou encore de distillation.
Les unités de traitement de gaz et/ou de captage du CO2par lavage aux amines comprennent des colonnes d'absorption et de régénération de fluides, liquide ou gazeux. Ces dernières fonctionnent en écoulement gaz/liquide à contre-courant où à co-courant et peuvent être installées sur des bateaux, des barges flottantes ou des plateformes.
Les colonnes utilisées dans ces unités de traitement de gaz et/ou de capture de CO2et/ou de distillation et/ou de déshydratation fonctionnent généralement sur le principe d'un échange de matière et/ou de chaleur entre le gaz et le fluide qui circulent dans les colonnes. Les colonnes de mise en contact sont généralement constituées d'une enceinte cylindrique munie d'éléments de mise en contact internes favorisant l'échange entre les fluides. Les éléments de mise en contact (contacteur) qui augmentent la surface de contact peuvent être des garnissages structurés, des garnissages vrac ou des plateaux. Dans une colonne de traitement du gaz et le liquide circulent à contre-courant. Classiquement, cette colonne de traitement de gaz comporte plusieurs sections remplies par un contacteur, qui met en contact le gaz et le liquide afin de permettre les échanges. Toute maldistribution dans le lit de garnissage, si elle n'est pas maitrisée, peut dégrader de manière importante les performances de la colonne de contact. Afin d'éviter ce type de problèmes, différents empilements adaptés de garnissages structurés ont été développés.
Les garnissages de distillation en vrac à haute efficacité sont soumis à la canalisation des liquides et des vapeurs. Ce désavantage fait que de tels garnissages ne sont utilisés que dans des colonnes de distillation à petite section (dans des sections de colonne typiquement d'environ 100 cm2ou moins).
Cette invention concerne un contacteur cylindrique servant d’appareil de mélange à installer dans des colonnes de distillation de grande section, ce qui permet:
- Utilisation d’un garnissage de distillation en vrac à haute efficacité (par exemple, garnissage prismatique en spirale - SPP).
- Optimisation de mélange de liquide et de gaz dans les tronçons de la colonne.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides, ledit contacteur comprenant un garnissage vrac, ledit garnissage vrac étant réparti dans plusieurs compartiments délimités par au moins une paroi, lesdits compartiments étant sensiblement parallélépipédiques caractérisé en ce que certains compartiments disposés sur le bord du cylindre ont une section dans le sens du rayon du cylindre plus grande que les compartiments au milieu du cylindre.
Selon d’autres aspects facultatifs :
- la majorité des compartiments ont une section S dans le sens du rayon du cylindre.
- aucun compartiment du contacteur n’a de section dans le sens du rayon du cylindre plus petit que S.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu une colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre un gaz et un liquide, dans laquelle les deux fluides sont mis en contact au moyen d'au moins un contacteur tel que décrit ci-dessus.
Une telle colonne peut être utilisée pour un procédé de traitement de gaz, de captage de CO2, de distillation d'air.
L'efficacité du garnissage spiralé prismatique est telle que la hauteur des tronçons de distillation pourrait être divisée par dix. Il en résulte de grandes économies de coûts pour la colonne de distillation, la tuyauterie associée et la boîte froide elle-même.
La solution consiste à installer dans la colonne de distillation plusieurs tronçons de distillation comprenant des cellules formées par des parois verticales. Ces cellules sont remplies d'un garnissage de distillation en vrac à haute efficacité. Pour favoriser le mélange de gaz et de liquide, ces tronçons sont installés les uns sur les autres, avec un décalage très spécifique. Ce décalage doit être tel que le flux de liquide (descendant) et le flux gazeux (montant) sortant d'une cellule donnée, dans la section en vrac de la colonne, sont divisés en portions de flux égales dans les cellules placées en dessous (pour le flux de liquide) et au-dessus (pour le flux gazeux) de cette cellule donnée. Ceci est obtenu en faisant correspondre des sections de cellules d'un tronçon donné avec des portions égales de sections de cellules de packs placées au-dessus ou en dessous de ce pack donné. Cette disposition peut être obtenue avec des cellules en forme de parallélogramme.
La disposition des packs les uns sur les autres selon le décalage spécifique décrit ci-dessus permet un très bon mélange des flux liquides et gazeux, favorisant des flux homogènes dans la section de colonne, et éventuellement corrigeant les perturbations d’un distributeur de liquide défectueux ou d'un cellule défectueux.
Les parois cellulaires peuvent être perforées pour assurer un bon équilibre de pression entre les cellules adjacentes.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides, ledit contacteur comprenant un garnissage vrac, ledit garnissage vrac étant réparti dans plusieurs compartiments délimités par au moins une paroi, lesdits compartiments étant sensiblement parallélépipédiques, caractérisé en ce que certains compartiments disposés sur le bord du cylindre ayant une section plus grande que les compartiments au milieu du cylindre.
La section est mesurée sur une ligne correspondant au diamètre du contacteur.
Le contacteur comprend une pluralité de compartiments contenant chacun du garnissage vrac. Le principe de base de l'invention est de découper le lit de garnissage vrac selon la direction axiale de la colonne en plusieurs compartiments de garnissage vrac. Les compartiments sont délimités par des parois, formées de plaques éventuellement perforées. Les perforations permettent d'équilibrer la pression de part et d'autre la paroi et ainsi entre les différents compartiments. Le fractionnement de la section du garnissage vrac en plusieurs lits (compartiments) délimités par une paroi permet d'éviter le déplacement massif du liquide latéralement ou la formation de passage préférentiel du liquide dans le garnissage, sous l'effet de l'inclinaison de la colonne. En effet, la paroi permet d'atténuer/freiner l'inertie et le déplacement latéral des phases liquide et vapeurs et assure ainsi une bonne homogénéité et uniformité de distribution des phases dans lit de garnissage. De plus, l'inclinaison de la colonne pouvant entraîner également un déplacement du garnissage vrac, les compartiments permettent de limiter le déplacement du garnissage vrac.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu une colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre un gaz et un liquide, dans laquelle les deux fluides sont mis en contact au moyen d'au moins un contacteur tel que décrit ci-dessus.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu une utilisation d'une colonne telle que décrite ci-dessus pour un procédé de traitement de gaz, de captage de CO2, de distillation d'air.
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.
La hauteur et la section des cellules peuvent être adaptées aux dimensions du garnissage de distillation en vrac. Ainsi les cellules de la sont plus hautes que celles de la . Dans les deux cas, les cellules ont des sections carrées. Les parties illustrées font partie d’un contacteur ayant au moins trente cellules, remplies de garnissages vrac.
Dans les deux cas, les cellules d’un contacteur sont décalées par rapport à celles du contacteur en dessous, une fois les contacteurs mis en place dans une colonne.
L'assemblage dans la colonne de distillation doit être tel qu'il n'y ait, au bord de la colonne, aucune cellule de petite section. En effet, ces cellules de petite section P, dans lesquelles la quantité de garnissage en vrac pourrait être limitée, pourraient créer des chemins de contournement pour liquides et/ou gaz. Des cellules de petite section P en bord de l’appareil vers la virole sont illustrées dans la . Ces cellules de petite section P entraînant un risque de contournement de la zone de distillation:
La solution de la consiste à adapter les dimensions des cellules au bord de la virole de la colonne.
La solution pour éviter ce phénomène est de couper les tôles plates, ayant des fentes dans leurs parties supérieures, exactement à la dimension de la colonne et d'adapter la longueur des tôles ayant leurs fentes dans leurs parties inférieures.
Le gaz et le liquide peuvent s'écouler dans la colonne à contre-courant ou à co-courant.
Dans la , on voit un assemblage sans risque de contournement de la zone de distillation. Le contacteur comprend un assemblage de compartiments majoritairement de section rectangulaire, voire carrée.
La vue de dessus montre les tôles plates ayant des fentes dans leurs parties supérieures pour pouvoir s’imbriquer les unes dans les autres. D’autres façons de construire l’assemblage de compartiment sont envisageables. On voit que certains compartiments L en bordure du contacteur et proche de la virole V de la colonne ont une section dans le sens du rayon du cylindre plus grande que les compartiments au centre du contacteur. De préférence aucun compartiment L disposé sur le bord de la virole V n’a de section dans le sens du rayon de la virole plus petite que les compartiments au milieu du cylindre. Pour ce faire, certaines tôles sont découpées vers le bord du contacteur de sorte que les compartiments n’ont pas de section carrée.
Ainsi tous les compartiments de la colonne ont au minimum la section dans le sens du rayon de la virole d’un compartiment carré au milieu de la virole V. On voit que certains compartiments sur le bord ont une section au moins 50% plus grande que celle des compartiments du milieu.
Ces tronçons de distillation 5 sont installés avec quelques espaces mécaniques dans la colonne. Pour assurer un bon support de l'ensemble {tronçons 5 + garnissage en vrac} ainsi que la possibilité de transporter les colonnes de distillation horizontalement et sans perturbation de la distribution de liquide et de gaz, une solution consiste à souder sur la colonne un soutien de tronçon 3 en haut et en bas de ces tronçons 5. Entre chaque soutien de tronçon 5 et le tronçon de distillation 3 adjacent, un maillage 7 est installé.
Les tronçons 5 présentent des lignes verticales (ici cinq lignes verticales) correspondant aux parois de cellules, l’espace entre les parois étant rempli de garnissages vrac.
On voit ici que les tronçons 5 correspondant à ceux de la sont bien décalés les uns par rapport aux autres, de sorte que le carrés d’un tronçon ne sont pas superposés exactement sur ceux d’en dessous. Le tronçon 5 correspond à un contacteur, chaque cellule ayant la même longueur correspondant à la hauteur du tronçon 5.
Dans les unités de séparation cryogénique de l'air, les colonnes de distillation comprennent des garnissages structurés ou des plateaux de distillation ayant une efficacité beaucoup plus faible que le garnissage spiralé prismatique.
Jusqu'à présent, les garnissages de distillation en vrac à haute efficacité (par exemple, les garnissages prismatiques en spirale - SPP) sont utilisés dans les colonnes de distillation de très petite section.
Il existe des colonnes de distillation utilisant des cloisons verticales (par exemple ceux d’US5755 933) mais le but est très différent. Dans les colonnes utilisant des partitions verticales, l'objectif est de créer plusieurs distillations dans la même colonne, afin de minimiser le nombre de colonnes de distillation pour séparer les flux multi-composants. Dans de telles colonnes, la composition et les flux ne sont pas uniformes dans une section partitionnée donnée.
Ici, le principe est de créer des parois verticales formant des cellules ; chaque cellule, remplie d'un garnissage de distillation en vrac, communiquant avec plusieurs cellules placées en haut et en bas pour avoir une distribution uniforme de liquide et de gaz dans toutes les sections de la colonne de distillation. Dans ces colonnes, les flux et la composition dans une section donnée sont uniformes.
Il est important de noter que l'invention ne décrit pas l'installation de colonnes de distillation unitaires installées côte à côte. Dans l'appareil décrit, les cellules forment une seule colonne de distillation.
Dans les colonnes de distillation, des parois verticales forment des cellules ; ces cellules étant remplies d'un garnissage de distillation en vrac à haute efficacité. Chaque cellule communique avec plusieurs cellules placées en haut et en bas pour avoir une distribution uniforme de liquide et de gaz dans toutes les sections de la colonne de distillation. L'agencement est tel que les sections de cellules d'un pack donné correspondent à des portions égales de sections de cellules de tronçons placées au-dessus ou en dessous de ce tronçon donné.
Cette innovation comprend également une conception spécifique pour éviter l'effet négatif du bord de la colonne de distillation.
Cette innovation peut être utilisée pour distiller tous les types de fluides nécessitant des colonnes de distillation de grande section.
Le contacteur peut être installé dans une colonne pour effectuer un échange de chaleur et/ou de matière entre un gaz et un liquide.,
La colonne peut être utilisée pour un procédé de traitement de gaz, de captage de CO2, de distillation d'air.
Claims (5)
- Contacteur cylindrique pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides, ledit contacteur comprenant un garnissage vrac (G), ledit garnissage vrac étant réparti dans plusieurs compartiments délimités par au moins une paroi, lesdits compartiments étant sensiblement parallélépipédiques caractérisé en ce que certains compartiments (L) disposés sur le bord du cylindre (V) ont une section dans le sens du rayon du cylindre plus grande que les compartiments au milieu du cylindre.
- Contacteur selon la revendication 1 dans lequel la majorité des compartiments ont une section S dans le sens du rayon du cylindre.
- Contacteur selon la revendication 2 dans lequel aucun compartiment du contacteur n’a de section dans le sens du rayon du cylindre plus petit que S.
- Colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre un gaz et un liquide, dans laquelle les deux fluides sont mis en contact au moyen d'au moins un contacteur selon une des revendications précédentes.
- Utilisation d'une colonne selon la revendication 4 pour un procédé de traitement de gaz, de captage de CO2, de distillation d'air.
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