La présente invention concerne le domaine des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur entre deux fluides, et plus particulièrement les colonnes de traitement de gaz, de captage du C0 ₂ , de déshydratation ou encore de distillation.

Les colonnes utilisées dans des unités de traitement de gaz et/ou de capture de C0 ₂ et/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, appelés contacteur, augmentent la surface de contact entre les fluides, et peuvent être des garnissages structurés, des garnissages vrac ou des plateaux.

Le dimensionnement des colonnes de séparation gaz/liquide pour la distillation et/ou le traitement de gaz dépend de manière importante de la structure et de l'agencement des garnissages qui sont mis en œuvre pour favoriser les flux de transfert de matière ou de chaleur. Le diamètre des colonnes peut être notamment déterminé en fonction de la capacité de débit de gaz à l'engorgement d'un garnissage. De plus, la hauteur de la colonne peut être notamment déterminée en fonction de l'efficacité de transfert ou de séparation d'un garnissage. La capacité d'un garnissage correspond à la quantité de gaz passant dans un garnissage sans être en engorgement, c'est-à-dire sans accumulation de gaz dans une partie du garnissage. L'efficacité d'un garnissage correspond à la performance du contacteur en termes de transfert permis par le garnissage.

Le fonctionnement de telles colonnes, en général avec un gaz ascendant et un écoulement liquide descendant à contre-courant impose généralement un compromis entre capacité et efficacité. Le développement de nouveaux agencements de garnissages, pour améliorer les performances en optimisant la capacité en débit gaz, a permis de réduire les dimensions et donc les coûts d'investissement des colonnes.

Un exemple d'agencement classique pour des colonnes comprenant un garnissage pour l'échange de chaleur et/ou de matière entre des fluides circulant à contre-courant, est présenté en figure 1 . Cette figure illustre une colonne, dans laquelle les internes consistent de haut en bas en :

- un distributeur de liquide 5, - un premier lit de garnissage 7,

- un premier collecteur distributeur 6,

- un deuxième lit de garnissage 7,

- un deuxième collecteur distributeur 6,

- un troisième lit de garnissage 7, et

- un distributeur de gaz 1 .

Par exemple, les conditions opératoires rencontrées dans de telles colonnes sont : des taux d'arrosage liquide (débit liquide ramené à la surface de la colonne) de 5 à 200 m ³ /m ² /h, des facteurs cinétiques gaz (racine de l'inertie gaz construite sur la vitesse superficielle gaz) de 0,5 à 5 Pa½, et un ratio entre le débit nominal et le débit de turndown (désignant le régime de fonctionnement bas) variant entre 1 et 6. Les colonnes peuvent atteindre des diamètres de 1 à 10 m.

L'agencement en trois lits de garnissage de hauteur de 3 à 8 m (hauteur classique dans le cas du traitement de gaz) permet ici un gain en hauteur de colonne (performance) en redistribuant le liquide sur les lits inférieurs.

Un autre exemple d'agencement est une succession d'un lit de garnissage suivi d'une série de plateaux. Pour cet exemple, le gain en performance est obtenu en changeant le type de contacteur, certains contacteurs pouvant être plus ou moins performants localement en raison de la composition des fluides qui évolue dans la hauteur de la colonne. Les plateaux sont mis en œuvre en bas de colonne pour augmenter le transfert côté liquide qui est ralenti, car la solution liquide devient chargée en gaz absorbé et l'absorption y est limité par le transfert côté liquide.

Dans d'autres situations, c'est la structure même du garnissage qui est optimisée pour améliorer les performances. Par exemple, dans le cas de garnissages structurés, l'angle des corrugations du garnissage par rapport à la direction de l'écoulement peut être réduit en entrée et en sortie des blocs de garnissage, de sorte à augmenter la capacité à l'engorgement (comme décrit par exemple dans les brevets US 5,632,934, US 7,025,339 B2, US 6,321 ,567 B1 , US 6,206,349 B1 ). Dans la même idée, il a été proposé de réaliser un décalage sur la hauteur de plaques constitutives des garnissages structurés (comme décrit dans les brevets US 5,632,934 et US 7,025,339 B2), de sorte à générer des zones qui facilitent l'écoulement du gaz et réduisent la rétention liquide aux interfaces des tranches de garnissage. Afin d'optimiser le compromis en termes de capacité et d'efficacité, la présente invention concerne un contacteur pour colonne d'échange, dans lequel le contacteur comporte un garnissage et au moins une zone de chute libre d'un fluide. Les zones de chute libre permettent une accélération du fluide, ce qui entraîne une augmentation de la capacité maximale de gaz, une réduction des pertes de charge, et une augmentation du coefficient de transfert côté liquide. Le dispositif selon l'invention

L'invention concerne un contacteur pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides, ledit contacteur comprenant un garnissage pour le mélange desdits deux fluides. Ledit contacteur comporte au moins une zone de chute libre d'un desdits fluides, ladite zone de chute libre étant agencée au sein dudit garnissage.

Selon l'invention, ladite zone de chute libre peut être formée par un espace vide.

Selon une conception de l'invention, ladite zone de chute libre est formée par un garnissage ou une structure avec au moins un passage pour ledit fluide ayant une dimension comprise entre 2 et 100 fois la dimension du passage dudit fluide dans ledit garnissage.

Conformément à une mise en œuvre de l'invention, ladite zone de chute libre comporte une hauteur comprise entre 2 cm et 1 m, de préférence entre 5 cm et 0,5 m.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit garnissage est un garnissage structuré.

Selon une variante de réalisation, ladite zone de chute libre est agencée entre deux tranches consécutives de garnissage structuré.

Avantageusement, ladite zone de chute libre comporte une hauteur sensiblement identique à la hauteur d'une tranche de garnissage structuré.

Alternativement, ledit garnissage structuré comporte au moins un assemblage de garnissage comprenant une pluralité d'éléments de garnissage agencés en quinconce, de manière à former au moins une zone de chute libre.

Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit garnissage est un garnissage vrac.

Conformément à une variante de réalisation, ladite zone de chute libre est agencée entre deux tranches consécutives de garnissage vrac.

De manière alternative, ladite zone de chute libre est formée par au moins une cage vide agencée au sein du garnissage vrac.

En outre, l'invention concerne 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 selon l'une des caractéristiques précédentes. De plus, l'invention concerne une tilisation d'une colonne selon l'une des caractéristiques précédentes pour un procédé de traitement de gaz, de captage de gaz acides, de distillation ou de traitement de l'air.

Présentation succincte des figures

D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

La figure 1 , déjà décrite, illustre un exemple d'agencement d'une colonne d'échange de chaleur et/ou de matière.

La figure 2 illustre une colonne comprenant un garnissage structuré selon l'art antérieur.

La figure 3 illustre une colonne comprenant un contacteur selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 4 illustre une colonne comprenant un contacteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

La figure 5 illustre une colonne comprenant un contacteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

La figure 6 représente un exemple de réalisation de blocs de garnissage pour le troisième mode de réalisation selon l'invention.

La figure 7 illustre deux colonnes comparées, les colonnes comprenant un agencement de contacteur selon l'art antérieur et selon l'invention.

La figure 8 montre des courbes du taux d'absorption en fonction du taux d'arrosage pour les deux colonnes de la figure 7.

La figure 9 montre des courbes des pertes de charge en fonction du facteur cinétique pour les deux colonnes de la figure 7.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne un contacteur pour colonne d'échange de chaleur et/ou de matière entre deux fluides. Selon l'invention, le contacteur comprend un garnissage pour favoriser les échanges entre les fluides. En outre, le contacteur selon l'invention comporte au moins une zone de chute libre d'un des fluides, c'est-à-dire une zone dans laquelle le mouvement du fluide est similaire à une chute libre ; son déplacement n'est pas ou est peu entravé par une structure mécanique. La zone de chute libre est agencée au sein du garnissage, par exemple entre deux tranches de garnissage, ou intégrée au sein du garnissage. La zone de chute libre est donc comprise entre deux zones comprenant du garnissage ; un fluide traversant une zone de chute libre provient d'une zone comprenant du garnissage et est dirigé vers une autre zone comprenant du garnissage. De préférence, le fluide en chute libre dans la zone de chute libre est un liquide, dont le mouvement au sein de cette zone est un mouvement dû à la gravité. Le liquide peut être alors sous forme de gouttes ou de filets liquides.

Lors de l'impact sur le garnissage situé en dessous de la zone de chute libre, l'énergie cinétique ainsi générée est dissipée par étalement en créant simultanément de l'aire interfaciale et de l'agitation du film liquide sur le garnissage situé en-dessous. Dans cette zone de chute libre, la vitesse du fluide augmente (par la gravité), ce qui permet d'augmenter l'énergie cinétique du fluide dans le contacteur, ce qui a un impact sur les flux de transfert, et permet par conséquent l'augmentation du coefficient de transfert du fluide (noté k _L ). Lorsque le système est dans un régime limité par le coefficient de transfert côté liquide (k _L ), cette agitation supplémentaire permet d'augmenter ce coefficient, et engendre un gain au niveau du taux d'absorption. On peut ainsi obtenir un taux d'absorption par quantité de garnissage utilisé, et potentiellement par hauteur de lit, supérieur à celui qui est obtenu pour atteindre les spécifications recherchées par un contacteur sans zone de chute libre. En l'absence de cette zone de chute libre, l'énergie potentielle est dissipée par les forces visqueuses entre le film liquide et la surface du garnissage.

De plus, l'aire efficace du contacteur selon l'invention est globalement réduite dans ce processus car dans la zone de chute libre, l'absence de garnissage diminue la surface interfaciale, car celle générée par les gouttes et les filets liquides reste inférieure à celle développée par le garnissage. Cette réduction d'aire dans la zone de chute réduit les flux de transfert (cet effet intuitivement attendu est la raison pour laquelle l'homme du métier ne réaliserait pas cette invention). Grâce à l'invention, il existe donc un compromis contre-intuitif entre le gain de coefficient de transfert côté liquide k _L et la perte d'aire efficace a _e pour obtenir un optimum en terme de (k _L a _e ) global du lit en fonction de la hauteur de la zone de chute libre du liquide.

Un autre avantage de l'invention est l'augmentation de la capacité maximale de gaz. En outre, l'énergie cinétique du liquide permet à ce dernier de contrecarrer les contraintes de cisaillement imposées par le gaz.

La présence de zone(s) de chute libre permet également de réduire le coût du garnissage utilisé, de réduire la masse des internes de la colonne, et de réduire le taux de rétention de liquide.

Selon l'invention, le garnissage peut être un garnissage vrac ou un garnissage structuré. On appelle garnissage vrac, des empilements anarchiques, aléatoires, d'éléments unitaires possédant des formes particulières, par exemple des anneaux, des spirales... Les échanges de chaleur et/ou de matière se réalisent au sein de ces éléments unitaires. Ces éléments unitaires peuvent être en métal, en céramique, en plastique ou en matériaux analogues. Les demandes de brevet EP 1478457 et WO 2008/067031 décrivent deux exemples d'élément unitaire de garnissage vrac. Le garnissage vrac offre des qualités intéressantes en termes d'efficacité de transfert, de perte de charge réduite et de simplicité d'installation.

On appelle garnissage structuré, un empilement de tubes, ou de plaques, de feuilles pliées, corruguées (de l'anglais « corrugated », c'est-à-dire sensiblement ondulé avec des angles droits), et arrangées de manière organisée sous forme de grand blocs comme décrit notamment dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050. Les garnissages structurés ont l'avantage d'offrir une grande aire géométrique pour un diamètre représentatif donné. Classiquement, un contacteur comprenant du garnissage structuré est formé de plusieurs tranches de garnissage structuré empilées les unes sur les autres, et orientées perpendiculairement aux tranches de garnissage adjacentes de manière à favoriser les échanges entre les fluides. La figure 2 illustre un exemple de colonne comprenant un tel contacteur selon l'art antérieur. Sur cette figure, la colonne est représentée de manière simplifiée, notamment sans les moyens de distribution de gaz et de liquide, et sans les plateaux distributeurs. Tel que représenté, le contacteur est formé par huit tranches de garnissage empilées les unes sur les autres. Sur les figures de droite, les orientations respectives du garnissage structuré dans deux tranches consécutives sont illustrées. L'orthogonalité des orientations du garnissage structuré peut être répétée pour toutes les tranches du contacteur.

Avantageusement, la zone de chute libre comporte une hauteur comprise entre 0,02 et 1 m. De préférence, la hauteur de la zone de chute libre est d'au moins 5 cm. De plus, la hauteur de la zone de chute libre peut être de manière avantageuse inférieure à 50 cm. Ainsi, l'augmentation de la vitesse est assurée et la hauteur de la colonne est limitée.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la zone de chute libre est formée par un espace vide, c'est-à-dire un espace ne comprenant aucun garnissage, ni aucun autre élément solide. Seul un système de support des garnissages peut partiellement occuper cet espace vide.

Avantageusement, la hauteur de la zone de chute libre est agencée entre deux tranches de garnissage : le contacteur est alors constitué d'une alternance de couches de garnissage espacées, l'espace entre les couches formant des zones de chute libre. L'espacement périodique des tranches de garnissage permet d'éviter des points d'amorçage d'engorgement situés aux interfaces de tranches successives de garnissage. En outre, cette conception du contacteur permet de réduire la perte de charge totale en créant une zone de plus faible surface spécifique de solide.

De préférence, l'espacement entre les couches est sensiblement de la hauteur des tranches de garnissage. Selon un exemple, les tranches de garnissage et les espacements ont une hauteur d'environ 20 cm.

Selon une autre conception du premier mode de réalisation, l'espace vide peut être formé par un agencement particulier d'éléments de garnissage. Selon un exemple, le garnissage structuré peut comporter au moins un bloc de garnissage comprenant une pluralité d'éléments de garnissage structuré agencés en quinconce, de manière à laisser au moins une zone de chute libre. L'agencement en quinconce peut consister en une alternance d'éléments de garnissage structuré situés dans la partie haute du bloc et d'éléments de garnissage structuré situés dans la partie basse du bloc.

Conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention, la zone de chute libre peut être formée par un garnissage (dit garnissage grossier) ou une structure avec un passage permettant la chute libre du liquide. La chute libre du liquide est permise quand les passages de liquide dans le garnissage grossier ou la structure ont une dimension comprise entre 2 et 100 fois la dimension du passage du fluide dans le garnissage formant le contacteur.

Les deux premiers modes de réalisation sont compatibles avec un garnissage structuré et avec un garnissage vrac.

Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, pour un garnissage vrac, la zone de chute libre est formée par un espace vide délimité par au moins une cage agencée au sein du garnissage. La cage permet le passage du liquide et empêche le passage des éléments de garnissage vrac. Pour cela, la cage peut être grillagée. De préférence, la cage peut avoir une forme de parallélépipède rectangle, notamment une forme cubique. Les cages peuvent être régulièrement réparties, par exemple pour former des sections du contacteur sans garnissage vrac. Alternativement, la répartition des cages peut être irrégulière. Les figures 3 à 6 illustrent différents modes de réalisation de l'invention. Ces modes de réalisation ne sont pas limitatifs. La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention, dans lequel le garnissage est un garnissage structuré, et dans lequel les zones de chute libre sont des espaces vides formés par un espacement des tranches de garnissage structuré. Sur cette figure, la colonne est représentée de manière simplifiée, notamment sans les moyens de distribution de gaz et de liquide et sans les plateaux distributeurs. Selon le mode de réalisation de la figure 3, le contacteur comporte cinq tranches de garnissage structuré 7, et les tranches sont espacées les unes des autres, de manière à former quatre zones de chute libre 8. Cette hauteur de lit et ce nombre de tranches ne sont pas limitatifs, le contacteur peut comprendre une vingtaine de tranches de garnissage et de zones de chute libre. Sur les figures de droite, les orientations respectives du garnissage structuré 7 dans deux tranches de garnissage structuré consécutives sont illustrées. L'orthogonalité des orientations des tranches consécutives de garnissage structuré peut être répétée pour toutes les tranches du contacteur.

Alternativement, pour le mode de réalisation de la figure 3, les tranches de garnissage 7 peuvent être formées par du garnissage vrac.

La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le garnissage est un garnissage vrac, et dans lequel les zones de chute libre sont formées par des cages irrégulièrement réparties au sein du garnissage vrac. Sur cette figure, la colonne est représentée de manière simplifiée, notamment sans les moyens de distribution de gaz et de liquide et sans les plateaux distributeurs. Selon le mode de réalisation de la figure 4, le contacteur comporte un garnissage vrac 7, à l'intérieur duquel une pluralité de cages 9 est intégrée. La figure de droite illustre un exemple de réalisation d'une cage 9 grillagée. Pour cet exemple de réalisation, la taille des grilles permet le passage du liquide et empêche le passage des éléments du garnissage vrac.

Les figures 5 et 6 illustrent un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le garnissage est un garnissage structuré, et dans lequel les zones de chute libre sont des espaces vides formés par un agencement particulier d'éléments de garnissage. Sur la figure 5, la colonne est représentée de manière simplifiée, notamment sans les moyens de distribution de gaz et de liquide et sans les plateaux distributeurs. La figure 6 représente un assemblage d'éléments de garnissage pour ce mode de réalisation. Selon le mode de réalisation de la figure 5, le contacteur comprend un empilement de tranches de garnissage structuré 7. Chaque tranche de garnissage comporte une pluralités d'assemblages 10 d'éléments de garnissage structuré. Un assemblage d'éléments de garnissage 10 comprend une pluralité d'éléments 12 de garnissage structuré agencés en quinconce, de manière à laisser au moins une zone de chute libre 1 1 . Chaque élément 12 de garnissage peut avoir sensiblement une forme parallélépipédique rectangle, possédant une épaisseur réduite par rapport à la hauteur. Chaque assemblage 10 peut comporter quatre éléments 12. Selon une variante de réalisation, l'assemblage 10 peut sensiblement avoir une forme de parallépipède rectangle de section carrée. L'agencement en quinconce consiste une alternance d'éléments 12 de garnissage structuré situés dans la partie haute de l'assemblage 10 et d'éléments de garnissage structuré situés dans la partie basse de l'assemblage 10.

L'invention concerne également une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur entre deux fluides, dans laquelle deux fluides sont mis en contact au moyen d'au moins un contacteur gaz/liquide, la colonne comprenant au moins une première entrée d'un fluide liquide, au moins une deuxième entrée d'un fluide gazeux, au moins une première sortie d'un fluide gazeux et au moins une deuxième sortie d'un fluide liquide. Selon l'invention, le contacteur est un contacteur selon l'une quelconque des variantes décrites ci-dessus. De plus, la colonne 1 peut comporter au moins un plateau distributeur, pour permettre la distribution des fluides sur le contacteur. Selon un mode de réalisation, la colonne peut être de conception identique à la colonne classique décrite en figure 1 .

Le gaz et le liquide peuvent s'écouler dans la colonne à contre-courant ou à co- courant. De préférence, le liquide s'écoule par gravité dans le contacteur. La colonne selon l'invention peut être utilisée dans des procédés de traitement de gaz, de captage de C0 ₂ (par exemple par lavage aux aminés), de distillation ou de transformation de l'air.

De plus, l'invention peut être utilisée avec tout type de fluide, notamment tout type de solvant.

Exemple comparatif

Afin de montrer les avantages du contacteur selon l'invention, on compare un contacteur selon l'art antérieur, dans lequel des tranches de garnissage structuré sont empilées, et un contacteur selon l'invention, dans lequel des tranches de garnissage structuré sont espacées.

La figure 7 montre les deux agencements de lits de garnissage structuré qui sont comparés. La comparaison est réalisée dans le cadre d'une exploitation d'un système d'absorption réactive de C0 ₂ dans une solution de MDEA (Methyl Di-Ethanol Aminé), dans un régime contrôlé par le transfert de masse côté liquide. Plus précisément, les mesures ont été réalisées dans une colonne de 150 mm de diamètre, à une pression totale de 1 ,5 bars absolu, et à température ambiante (environ 20 °C) avec une solution à 3% pds de MDEA dans de l'eau et un gaz contenant 1 % vol de C0 ₂ dans de l'air. Dans le premier contacteur AA (selon l'art antérieur), les blocs de garnissage structuré 7 sont empilés de manière classique sur une hauteur de 1 ,76 m (8 tranches) de garnissage. Dans le second contacteur INV (selon l'invention), un agencement avec un espacement entre chaque tranche de garnissage est proposé sur une hauteur de 1 ,76 m.

La figure 8 présente des mesures obtenues avec des lits de garnissage structuré

Mellapak 250X ® (SULZER, Suisse). La courbe illustre les taux d'absorption Tabs de C0 ₂ rapportés à la hauteur de garnissage (fraction de C0 ₂ absorbé par rapport à la quantité de C0 ₂ entrant divisée par la hauteur de garnissage) mesurés dans ces lits en fonction du débit liquide Tarr à un débit de gaz correspondant à un facteur cinétique de Fs=0,65 VPa. Le contacteur selon l'invention INV produit un taux d'absorption Tabs par hauteur de garnissage qui est supérieur à celui de l'agencement classique AA et permet une réduction de la quantité de garnissage requise d'environ 35% à performances égales. La hauteur totale de lit requise reste inchangée mais un espacement différent devrait permettre in fine une réduction de cette hauteur de lit, ce qui permettrait de réduire la hauteur de colonne. La séparation séquentielle des tranches de garnissage structuré réduit ainsi significativement le coût du garnissage dans une zone en limitation par le coefficient de transfert côté liquide k _L .

L'invention permet en outre de réduire la perte de charge liée à l'écoulement en diminuant la densité globale de garnissage. Des résultats comparatifs, obtenus avec le garnissage structuré Mellapak 250X ® (SULZER, Suisse), sont donnés dans la figure 9 qui montrent la perte de charge par hauteur de lit dp/dz en fonction du facteur cinétique gaz de Fs=0,65 VPa à un taux d'arrosage (débit liquide) de 100 m ³ /m ² /h. Les mesures ont été réalisées dans le même système que décrit plus haut avec un liquide constitué d'eau et un gaz constitué d'air à 1 ,5 bars absolu et à température ambiante. Grâce au contacteur selon l'invention INV, la perte de charge est réduite de 30%. Ces pertes de charge sont importantes dans les applications de captage du C0 ₂ en post combustion où les fumées sont à pression atmosphérique, ainsi que dans les colonnes de distillation basses pression et sous vide.

En outre, les résultats illustrés dans la figure 9 montrent que le point d'engorgement est repoussé de 7% avec le contacteur selon l'invention INV. Ce repoussement du point d'engorgement traduit l'augmentation de la capacité à l'engorgement en termes de débit gaz à un débit liquide donné.