Domaine technique

L’invention consiste en l’amélioration du design des séparateurs gaz-liquide utilisés notamment dans un procédé H-Oil™, en vue d’obtenir une meilleure séparation gaz-liquide dans la zone supérieure du réacteur souvent appelée zone de recyclage liquide, ou plus simplement zone de recyclage ou zone de recycle.

Le procédé H-Oil™ est un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes, de type gasoil sous vide ou résidus, qui met donc en présence la phase hydrocarbure liquide, la phase gaz hydrogène dispersée sous forme de bulles, et le catalyseur lui-même dispersé sous forme de particules solides d’une taille typiquement comprise entre 0,2 et 2 millimètres.

Le procédé H-Oil™ est donc un procédé fluidisé triphasique qui utilise un réacteur spécifique. Ce réacteur est équipé d’un dispositif de séparation gaz-liquide situé dans la partie supérieure du réacteur de manière à permettre le recyclage du liquide qui est renvoyé après séparation dans la zone réactionnelle du réacteur. Une des caractéristiques importantes des réacteurs de type H-Oil™ est leur fort taux de recyclage liquide défini comme le rapport du débit liquide recyclé sur le débit de charge liquide entrant et qui est généralement situé dans la gamme de 1 à 10.

La présente invention peut se définir comme un dispositif amélioré de séparation gaz-liquide, notamment pour des réacteurs de type H-Oil™ qui permettent la réintroduction de la majorité du liquide sans gaz vers la zone réactionnelle, et l’évacuation du gaz (et aussi une partie du liquide) hors du réacteur et qui limite les turbulences au niveau de l’interface gaz-liquide et les effets de moussage.

Toutefois, le dispositif de séparation gaz-liquide peut être utilisé dans d’autres applications.

Technique antérieure

On connaît la demande de brevet US 4,886,644 qui décrit le concept des « spirales risers » (ou « cyclone separator ») relatif à la séparation gaz-liquide dans le procédé H-Oil™ par un nombre de tours de la spirale et un angle par rapport à l’horizontale.

La coupelle de recycle, aussi appelée « recycle cup » en anglais, décrite dans cette demande de brevet correspond à la partie supérieure du réacteur qui permet, après séparation du gaz et du liquide, le retour du liquide dans la zone réactionnelle du réacteur, et l’évacuation du gaz par une conduite dédiée. Nous utiliserons dans la suite du texte la terminologie zone supérieure de recyclage du liquide ou plus simplement, zone de recyclage ou zone de recycle.

Le document US 4,886,644, décrit par ailleurs un arrangement de la zone supérieure de recyclage avec la conduite d’évacuation gaz-liquide en haut du réacteur.

La figure 1 est un schéma représentatif montrant les principaux éléments d’un réacteur H-Oil™ selon l’art antérieur, comme celui de la demande de brevet US 4,886,644. Cette figure permet de visualiser la zone réactionnelle 22 correspondant au lit fluidisé triphasique contenant le catalyseur, la zone située au-dessus de la zone catalytique appelée zone de séparation gaz- liquide 39 qui permet le recyclage du liquide vers la partie inférieure du réacteur au moyen de la pompe de recyclage 20.

Les dispositifs de séparation gaz-liquide sont représentés par les éléments de séparation 27 et 28, certains éléments ayant leur extrémité inférieure située dans la zone de séparation gaz- liquide 39, et d’autres éléments ayant leur extrémité inférieure située sur la surface de la « recycle cup » 30.

Le réacteur fluidisé triphasique 10 est conçu d’une manière spécifique avec des matériaux appropriés lui permettant de traiter des liquides réactifs, des « slurry » liquide-solide, (c’est-à- dire des suspensions, i.e. liquides contenant de fines particules solides dispersées en leur sein), des solides et des gaz à température et pression élevées avec une application préférée pour le traitement de coupes hydrocarbures liquides avec de l’hydrogène à haute température et haute pression, c’est-à-dire à une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350°C et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 460°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 440°C.

Le réacteur fluidisé triphasique type H-Oil™ 10 est conçu avec un conduit d’entrée approprié 12 pour l’injection d’une charge hydrocarbonée lourde 1 1 et d’un gaz 13 contenant de l’hydrogène. Les conduits de sortie sont positionnés dans la partie supérieure du réacteur 10. Le conduit de sortie 40 est conçu pour soutirer des vapeurs pouvant contenir une certaine quantité de liquide, et en option le conduit 24 permet de soutirer principalement du liquide. Le réacteur contient aussi un système permettant l’introduction et le soutirage de particules de catalyseur correspondant schématiquement au conduit 15 pour l’introduction du catalyseur frais 16, et le conduit 17 pour le soutirage du catalyseur usé 14.

La charge d’hydrocarbures lourds est introduite à travers le conduit 1 1 , pendant que le gaz contenant l’hydrogène est introduit à travers le conduit 13. Le mélange charge et hydrogène gazeux est ensuite introduit dans le réacteur 10 à travers le conduit 12 dans la partie inférieure du réacteur.

Les fluides entrant passent à travers un plateau 18 contenant des distributeurs appropriés.

Dans ce schéma, des distributeurs de type « bubble cap » 19 sont montrés, mais il est entendu que tout distributeur connu de l’homme du métier permettant de distribuer les fluides provenant du conduit 12 sur toute la surface du réacteur 10, et ceci de la manière la plus homogène possible, peut être utilisé.

Le mélange gaz-liquide s’écoule vers le haut et les particules de catalyseur sont entraînées dans un mouvement de lit bouillonnant par l’écoulement gaz et l’écoulement liquide induit par la pompe de recirculation 20 qui peut être interne ou externe au réacteur 10.

L’écoulement ascendant de liquide délivré par la pompe 20 est suffisant pour que le volume du lit de catalyseur dans la zone de réaction ou lit catalytique 22 se dilate d’au moins 10%, de préférence de 20 à 100 % par rapport au volume statique (c’est-à-dire au repos) du lit de catalyseur, permettant ainsi l’écoulement de gaz et liquide à travers le réacteur 10, comme montré par les flèches de direction 21 .

A cause de l’équilibre entre les forces de friction engendrées par l’écoulement ascendant du liquide et du gaz, et les forces gravitaires dirigées vers le bas, le lit de particules de catalyseur atteint un niveau haut d’expansion pendant que le liquide et le gaz plus légers continuent de se diriger vers le haut du réacteur 10 au-delà de ce niveau solide. Dans le schéma, le niveau d’expansion maximale du catalyseur correspond à l’interface 23. Au-dessous de cet interface 23, se trouve la zone de réaction catalytique 22 qui s’étend donc du plateau 18 au niveau 23 et qui comprend le catalyseur.

Au-dessus de l’interface 23 se trouve une zone 39 ne contenant que du gaz et du liquide. Les particules de catalyseur dans la zone de réaction catalytique 22 sont en mouvement aléatoire à l’état fluidisé, raison pour laquelle la zone de réaction catalytique 22 est qualifiée de zone fluidisée triphasique.

La zone 29, à faible concentration de catalyseur au-dessus du niveau de l’interface 23, est remplie de liquide et de gaz entrainé. Le gaz est séparé du liquide dans la partie supérieure du réacteur appelée « zone de recycle » 39 afin de collecter et recycler la majeure partie du liquide à travers le canal de sortie central 25 en fond de recycle cup 30. La forme de la recycle cup 30 (en entonnoir) permet de collecter le liquide après la séparation entre le gaz et le liquide et de l’acheminer vers le canal de sortie central 25. Il est important que le liquide recyclé à travers le canal de sortie central 25 contienne le moins de gaz possible, voire pas de gaz du tout, pour éviter le phénomène de cavitation de la pompe 20.

Les produits liquides restant après la séparation gaz-liquide peuvent être soutirés à travers le conduit 24. Le conduit 40 est utilisé pour le soutirage du gaz.

La partie élargie à l’extrémité supérieure du conduit 25 forme la zone de recyclage du liquide. Une pluralité d’éléments de séparation 27 et 28 orientés verticalement créent le lien entre la zone gaz-liquide 29 et la zone de recyclage 39.

Le mélange gaz-liquide s’écoule vers le haut à travers les conduits des éléments de séparation 27 et 28. Une partie du liquide séparé est ensuite dirigée vers la pompe de recyclage 20 dans la direction de la flèche 31 à travers le canal de sortie central 25, et est donc recyclée vers la partie inférieure du réacteur 10 en-dessous du plateau 18.

Le gaz séparé du liquide, s’écoule vers la partie supérieure du réacteur 10 et est soutiré par le conduit supérieur 40. Le gaz soutiré 40a est ensuite traité d’une manière conventionnelle pour récupérer autant d’hydrogène que possible afin que ce dernier soit recyclé vers le réacteur à travers le conduit 13.

On connaît également la demande de brevet US 2019/270 941 qui concerne un dispositif de séparation gaz-liquide amélioré pour un réacteur fluidisé triphasique de type H-Oil™. Ce dispositif de séparation gaz-liquide se termine par une succession de deux coudes de manière à améliorer la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse, comme sur les figures 2 et 3.

La figure 2 est un schéma plus précis de la zone de recyclage 39 de la demande US2019/270 941 dans un réacteur tel que celui de la figure 1 .

La figure 2 représente la zone de recyclage de liquide qui se termine par un canal de sortie central 25 qui, après séparation gaz-liquide, ramène le liquide vers la partie inférieure du réacteur via la pompe de recyclage. Les éléments de séparation gaz liquide 27 et 28 sont implantés le long de la surface conique 30 de la zone de recyclage. L’entrée du mélange gaz- liquide se fait par les conduits d’admission 70. La séparation gaz-liquide a lieu dans les dispositifs de séparation 55. Chaque dispositif de séparation 55 consiste donc en l’élément tubulaire d’admission du mélange gaz liquide 70 se terminant par la succession de deux coudes situés dans deux plans distincts, comme illustré à la figure 3 :

- le premier plan noté (yz) est perpendiculaire à l’axe x, le second plan noté (xy) est perpendiculaire à l’axe z.

Il n’y a pas d’élévation selon la verticale au passage des deux coudes successifs. La cote verticale (selon l’axe z) du premier coude, et la cote verticale (selon l’axe z) du second coude sont sensiblement les mêmes. On entend par sensiblement un écart vertical qui ne dépasse pas le valeur D du diamètre de la conduite d’admission du mélange gaz-liquide 70.

Le liquide s’écoulant après sa sortie des éléments de séparation le long de la paroi conique 30 est récupéré par le canal de sortie central 25, et le gaz est évacué par la sortie du second coude de chaque élément de séparation 27 et 28. Le gaz occupe donc la zone supérieure 39v de la zone de séparation 39 située au-dessus de l’interface gaz-liquide 24 et quitte le réacteur par le conduit de sortie 67.

Le gaz et le liquide ont un écoulement ascendant montré par la flèche de direction 41 sur la figure 2 et sont introduits à travers les conduits d’admission 70 où ils subissent un changement de direction à environ 90° à la fois dans le premier coude et le second coude terminant les éléments de séparation 27 et 28.

Le niveau d’interface gaz-liquide 24 sépare la partie supérieure 39v contenant majoritairement le gaz séparé, de la partie inférieure 39L contenant majoritairement le liquide recyclé. Les différents liquides séparés 45 issus du second coude des éléments de séparation 27 et 28 s’écoulent vers le bas par l’intermédiaire de la paroi conique 30, et sont collectés par le canal de sortie central 25 pour être repris par la pompe de recyclage (non représentée).

La majeure partie du liquide 31 est donc recyclée vers la pompe de recyclage à travers le canal de sortie central 25. Le gaz et une mineure partie de liquide 67 sont soutirés à travers le conduit 40. Le conduit 40 possède en général des fentes 65 en son extrémité inférieure qui permettent de fixer la hauteur de l’interface gaz-liquide 24.

La figure 3 présente la géométrie d’un dispositif de séparation gaz liquide conforme à la demande US 2019/270 941 , et fait apparaitre les dimensions géométriques importantes pour le dimensionnement de ce dispositif.

Le diamètre du conduit d’admission 70 de chaque élément de séparation est généralement compris entre 0,02 m et 0,5 m, de préférence entre 0,05 m et 0,4 m, et de manière préférée entre 0,1 m et 0,3 m.

La vitesse superficielle de liquide de l’écoulement ascendant représenté par la flèche de direction 41 sur la figure 1 est généralement comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, de préférence entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière préférée entre 0,3 m/s et 10 m/s. Le premier coude situé dans le plan (yz) a son orientation définie par son angle a. La valeur de l’angle a est compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°et de manière préférée entre 80° et 200°.

Le deuxième coude situé dans le plan (xy) a son orientation défini par son angle p. La valeur de l’angle p est compris entre 0° et 135°, de préférence entre 10° et 110°et de manière préférée entre 30° et 100°.

La hauteur H1 comprise entre l’interface gaz liquide 24 et le second coude dans le plan (xy) se situe entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D, D étant le diamètre de la conduite 70.

La distance D1 séparant les deux coudes successifs est comprise entre D/2 et 4D et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre de la conduite 70.

Bien que le dispositif de séparation des figures 2 et 3 présente de nombreux avantages, il génère des turbulences et peut également produire des mousses que l’on souhaite éviter.

La présente invention consiste ainsi à limiter les turbulences générées par le dispositif de séparation gaz-liquide et à minimiser la génération de mousse. Cela permet ainsi de minimiser le risque d’entrainement de bulles de gaz par le liquide qui est recirculé vers la pompe afin d’être réintroduit dans le réacteur, ces bulles étant susceptibles de générer de la cavitation au niveau de la pompe, qui pourrait aussi endommager la pompe et limiter sa durée de vie.

Pour se faire, l’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide, notamment pour être implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique utilisé dans un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, la zone de recycle étant constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé. Le dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention comprend une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement, de préférence à partir de la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé ou traversant cette surface lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, chaque élément de séparation possédant un conduit (individuel) d’admission du mélange gaz-liquide. De préférence, lorsque le dispositif de séparation gaz-liquide est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, chaque élément de séparation peut être ouvert sur la surface configurée pour permettre le retour (c’est-à-dire le recyclage) dans la zone catalytique du liquide séparé (par exemple conique ou hémisphérique) et chaque élément de séparation s’élève jusqu’à une hauteur H à l’intérieur de la zone de séparation.

De plus, chaque élément de séparation comprend une succession d’au moins deux coudes positionnée (fixée) en sortie (dans le sens de l’écoulement du fluide) du conduit d’admission, un premier coude situé dans le plan ( zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z, l’axe du premier coude étant défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et un deuxième coude dont l’axe forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 1 10°, et de manière préférée entre 30° et 100°, les deux premiers coudes successifs (donc le premier coude et le deuxième coude) étant séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission . De plus, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide, le dispositif d’accompagnement du liquide étant positionné à l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes, le dispositif d’accompagnement du liquide étant ouvert sur le dessus, tout le long du dispositif d’accompagnement du liquide depuis une section d’entrée jusqu’à une section de sortie, sur le dessus lorsque le système est à l’axe vertical (c’est-à-dire lorsque le conduit d’admission est vertical) et la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide étant positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide.

Résumé de l’invention

L’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide comprenant une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement, chaque élément de séparation possédant un conduit d’admission du mélange gaz liquide, et une succession d’au moins deux coudes, un premier coude situé dans le plan (zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z, l’axe du premier coude étant défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et un deuxième coude dont l’axe forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et de manière préférée entre 30° et 100°, le premier coude et le deuxième coude étant séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission. De plus, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide, le dispositif d’accompagnement du liquide étant positionné à l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes, le dispositif d’accompagnement du liquide étant ouvert sur toute sa longueur, depuis sa section d’entrée jusqu’à sa section de sortie (tout le long du dispositif de répartition du fluide) dans le sens de circulation du fluide dans ce dispositif de répartition du fluide, et la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide étant positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide.

De préférence, le dispositif de séparation gaz-liquide est configuré pour être implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique utilisé dans un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, la zone de recycle étant constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, et la distance séparant l’extrémité de sortie du dernier coude d’une interface gaz-liquide dans la zone de recycle est comprise entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D.

Avantageusement, le deuxième coude forme un angle avec le plan (zy), compris entre 1 ° et 90°, de préférence entre 1 ° et 45°, et de manière encore préférée entre 1 ° et 20°.

Selon une configuration de l’invention, le dispositif d’accompagnement de liquide comprend au moins un déflecteur et/ou au moins une fente.

Préférentiellement, le dispositif d’accompagnement de liquide (la portion de conduite du dispositif d’accompagnement de liquide) est ouvert sur un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130° par rapport à la ligne neutre. En d’autres termes, chaque section du dispositif d’accompagnement de liquide, le long du dispositif d’accompagnement de liquide depuis sa section d’entrée, jusqu’à sa section de sortie, forme un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130°, entre les points d’extrémité de cette section (ouverte par définition, le dispositif d’accompagnement étant ouvert sur le dessus) et le centre de la fibre neutre de cette section.

De manière avantageuse, la hauteur verticale du dispositif d’accompagnement de liquide est comprise entre D/2 et 8D, de préférence entre 2D et 5D.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide forment un angle de rotation dans le plan (x,y), ledit angle de rotation étant compris entre 45° et 200°, de préférence entre 90° et 180°. De préférence, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide a un profil elliptique, un profil elliptique inversé ou un profil plat (la section de sortie forme un segment de droite).

L’invention concerne aussi un réacteur fluidisé triphasique pour l’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, le réacteur comprenant une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, la zone de recycle comprenant un dispositif de séparation gaz-liquide tel que décrit précédemment.

L’invention concerne également un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz-liquide l’invention, dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes :

- Une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à

- Une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C.

Avantageusement, la vitesse superficielle de l’écoulement ascendant à l’intérieur de chaque conduit d’admission est comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 m/s et 10 m/s.

De préférence, la fraction volumique du liquide dans le conduit d’admission est comprise entre 0,05 et 0,95, de préférence entre 0,1 et 0,8 et de manière encore préférée entre 0,3 et 0,6.

D'autres caractéristiques et avantages du dispositif de séparation, du réacteur et 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.

Liste des figures

La figure 1 représente un réacteur fluidisé triphasique avec un dispositif de séparation gaz- liquide selon l’art antérieur.

La figure 2 représente un dispositif de séparation gaz-liquide dans un réacteur fluidisé triphasique avec une succession de deux coudes selon l’art antérieur. La figure 3 représente un dispositif de séparation gaz-liquide avec deux coudes selon l’art antérieur.

La figure 4 représente un dispositif de séparation gaz-liquide avec un dispositif d’accompagnement de liquide selon l’invention.

La figure 5 représente un premier exemple de dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.

La figure 6 illustre différentes variantes du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.

La figure 7 représente la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.

La figure 8 représente un premier exemple de section de sortie, semi-elliptique, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.

La figure 9 représente un deuxième exemple de section de sortie, semi-elliptique inversée, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.

La figure 10 représente un troisième exemple de section de sortie, plate, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.

La figure 1 1 représente une comparaison des profils de la fraction volumique liquide au niveau de l’interface gaz liquide entre un dispositif de séparation gaz liquide se terminant par deux coudes selon l’art antérieur a) et un dispositif de séparation gaz liquide avec un dispositif d’accompagnement du liquide selon l’invention b).

Description des modes de réalisation

L’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide notamment pour être implanté dans la zone de recycle des réacteurs fluidisés triphasiques utilisés dans les procédés d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, procédé connu sous le nom de H-Oil™.

Le présent dispositif peut être utilisé dans tout type d’équipement ayant besoin d’une séparation gaz-liquide.

Le dispositif de séparation gaz-liquide peut également être utilisé dans d’autres systèmes où la séparation entre un gaz et un liquide est nécessaire, par exemple dans un séparateur de type ISS pour « Internai Stage Separator » (ou séparateur intermédiaire en français) ou de type HHPS pour « Hot and High Pressure Separator » (ou séparateur à haute pression et à haute température en français), ces séparateurs étant utilisés dans les procédés d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes.

Lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, l’organisation de la circulation des fluides présenté dans la figure 1 n’est pas modifiée dans la présente invention par rapport à l’art antérieur tel qu’il a décrit précédemment. Seule est modifiée la géométrie des éléments de séparation (27) et (28) de la figure 1 .

On entend par procédé en lit fluidisé triphasique un procédé dans lequel trois phases se trouvent en présence dans la zone réactionnelle : une phase liquide, constituant généralement la charge à traiter, une phase gaz sous forte pression généralement de l’hydrogène, et une phase solide correspondant au catalyseur divisé en particules solides, le plus souvent d’un diamètre compris entre 0,2 mm et 2 mm, et préférentiellement compris entre 0,7 mm et 1 ,5 mm.

Le réacteur fluidisé triphasique dans lequel on peut implanter le dispositif de séparation gaz- liquide comprend une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, par exemple via un canal de sortie central permettant de collecter le liquide séparé. La surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé peut être conique ou hémisphérique par exemple.

La zone de recycle du réacteur fluidisé triphasique se décompose ainsi en une partie supérieure comportant du gaz, et en une partie inférieure comportant du liquide. Ces deux zones sont, dans le réacteur en fonctionnement, séparées par une interface gaz-liquide.

Le dispositif de séparation gaz-liquide comprend une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement (de préférence à partir de la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé ou traversant cette surface lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique) et chaque élément de séparation possède un conduit d’admission du mélange gaz-liquide (de préférence ouvert sur la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé et s’élevant jusqu’à une hauteur H à l’intérieur de la zone de séparation lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique) configuré pour un flux du mélange gaz-liquide descendant, et une succession d’au moins deux coudes, les coudes successifs étant fixés les uns aux autres. Le conduit d’admission est sensiblement vertical. La succession de coudes est positionnée et fixée à la sortie du conduit d’admission dans le sens de circulation du mélange gaz-liquide dans l’élément de séparation. Les termes « premier », « deuxième », « troisième », « quatrième », « suivant », « précédent » ou « dernier », lorsqu’ils sont associés à « coude », s’entendent dans le sens de circulation du fluide dans la succession d’au moins deux coudes. Ainsi, le premier coude sera celui qui est traversé en premier par le fluide, dans le sens de circulation du fluide (mélange gaz-liquide). La succession d’au moins deux coudes est positionnée à la sortie du conduit d’admission de manière à obliger le fluide sortant du conduit d’admission à passer dans la succession des coudes. Le passage dans la succession des au moins deux coudes permet une séparation efficace du liquide et du gaz.

On entend par surface « concave » une surface formant un creux, c’est-à-dire une forme arrondie vers l’intérieur. On entend par surface « convexe » une surface bombée c’est-à-dire arrondie vers l’extérieur.

Les termes « vertical », « horizontal », « supérieur », « inférieur », « au-dessus », « au- dessous », « haut » et « bas » s’entendent du dispositif de séparation gaz-liquide en situation de fonctionnement (en situation de fonctionnement).

Dans la présente description, l’axe vertical est considéré comme orienté vers le haut ; les angles considérés dans la présente description sont donc donnés par rapport à cette orientation vers le haut de l’axe vertical.

Le premier coude est situé dans le plan (zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z. En d’autres termes, le plan (zy) est un plan sensiblement vertical et le plan (xy) est un plan sensiblement horizontal. L’axe du premier coude est défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z (qui correspond sensiblement à l’axe du conduit d’admission) compris entre 45 et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°. Le premier coude est fixé à la sortie du conduit d’admission.

Un deuxième coude est fixé sur le premier coude (à l’extrémité opposée de celle fixée au conduit d’admission). En d’autres termes, il se trouve dans le prolongement du premier coude. L’axe du deuxième coude forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude. Le deuxième angle d’orientation p est compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et de manière préférée entre 30° et 100°. De préférence, le deuxième coude est dans un plan formant un angle non nul avec le plan (zy), par exemple, le deuxième coude peut être dans le plan sensiblement horizontal (xy). Ainsi, les premier et deuxième coudes ne sont pas coplanaires. En utilisant ces deux coudes successifs (c’est-à-dire les premier et deuxième coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre, on favorise la séparation du liquide et du gaz. De plus, ces deux coudes successifs sont séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission.

Selon une mise en oeuvre de l’invention, le dispositif de séparation gaz-liquide de l’invention peut comprendre entre 10 et 50 éléments de séparation, de préférence entre 20 et 40 éléments de séparation, pour améliorer les capacités de séparation du liquide et du gaz. Le nombre d’éléments de séparation est notamment fonction du débit à traiter.

En outre, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide qui peut prendre la forme d’un toboggan. Ce dispositif d’accompagnement du liquide a pour but d’acheminer le liquide doucement vers la sortie (le canal de sortie central du réacteur fluidisé triphasique par exemple). Le dispositif d’accompagnement du liquide est positionné à l’extrémité de sortie (dans le sens de l’écoulement du mélange gaz-liquide) du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes. Les coudes sont fixés successivement les uns aux autres, et le dispositif d’accompagnement est fixé à l’extrémité de sortie du dernier coude. Par exemple, si la succession d’au moins deux coudes comprend quatre coudes fixés les uns aux autres, le dispositif d’accompagnement du liquide est fixé au quatrième coude ; si la succession d’au moins deux coudes comprend deux coudes fixés les uns aux autres, le dispositif d’accompagnement du liquide est fixé au deuxième coude. Le dispositif d’accompagnement du liquide est ouvert, sur le dessus de manière à laisser le gaz s’échapper vers le haut et à diriger le liquide vers le bas. Ainsi, la partie ouverte du dispositif d’accompagnement du liquide (de la portion de conduite notamment) est positionnée sur la partie supérieure permettant de laisser le gaz s’échapper alors que la partie inférieure du dispositif d’accompagnement du liquide (de la portion de conduite notamment) permet le guidage du liquide.

Le dispositif d’accompagnement du liquide peut être constitué d’une portion de conduite allant de la section d’entrée à la section de sortie.

En outre, le dispositif d’accompagnement du liquide est ouvert (la portion de conduite du dispositif d’accompagnement du liquide est ouverte), sur le dessus, de manière à permettre la répartition du fluide tout le long (sur toute la longueur) du dispositif d’accompagnement du liquide dans le sens de circulation du fluide dans ce dispositif d’accompagnement du liquide depuis une section d’entrée jusqu’à une section de sortie. La portion de conduite est alors ouverte, sur toute la longueur du dispositif d’accompagnement du liquide, la longueur étant prise de la section d’entrée, jusqu’à la section de sortie le long de la fibre neutre du dispositif d’accompagnement du liquide. On appelle « portion de conduite », une pièce sous la forme de conduite dont la section est ouverte sur toute sa longueur.

Grâce à ce dispositif d’accompagnement du liquide ouvert sur toute sa longueur, le liquide peut être conduit par la section du dispositif alors que le gaz peut s’échapper grâce à l’ouverture sur le dessus. La séparation entre ces deux fluides est alors facilitée.

En outre, la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide est positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide. Ainsi, par l’effet de gravité appliqué au liquide, le dispositif d’accompagnement guide le liquide vers le bas dans la direction souhaitée. Le dispositif d’accompagnement permet à la fois de diriger le liquide dans la direction souhaitée (vers le canal de sortie pour la recirculation vers la pompe du réacteur fluidisé triphasique par exemple), en l’amenant doucement dans cette direction et ainsi de limiter les turbulences et les phénomènes de moussage.

Le dispositif d’accompagnement du liquide (la portion de conduite notamment) peut notamment comprendre un changement de direction, de préférence, continu et sans discontinuité de pente) depuis la section d’entrée et jusqu’à la section de sortie, dans le sens de l’écoulement du fluide dans le dispositif.

De préférence, la section du dispositif d’accompagnement du liquide peut être constante le long du dispositif d’accompagnement du liquide (sur toute la longueur du dispositif de d’accompagnement du liquide) depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie. Alternativement, la section du dispositif d’accompagnement du liquide peut varier de manière continue et sans discontinuité depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie, le long du dispositif d’accompagnement du liquide (sur toute la longueur du dispositif d’accompagnement du liquide).

Ainsi, le dispositif d’accompagnement du liquide forme un toboggan depuis la section d’entrée à la section de sortie. La portion de conduite est ouverte sur le dessus, la partie inférieure de la portion de conduite conduisant le liquide par gravité et le gaz pouvant s’échapper par le haut, grâce à l’ouverture, sur le dessus de la portion de conduite. De préférence, la distance H1 séparant l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes d’une interface gaz-liquide, par exemple dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, peut être comprise entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D. Cela permet de séparer efficacement le gaz et le liquide.

Avantageusement, le deuxième coude peut former un angle avec le plan (zy), compris entre 1 ° et 90°, de préférence entre 1 ° et 45° et de manière encore préférée entre 1 ° et 20°. Ainsi, le deuxième coude n’est pas dans un plan coplanaire avec celui du premier coude. En utilisant ces deux coudes successifs (c’est-à-dire les premier et deuxième coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre formant en particulier les angles mentionnés ci-dessus, on favorise la séparation du liquide et du gaz.

De manière avantageuse, le dispositif d’accompagnement de liquide peut comprendre au moins un déflecteur (de préférence plusieurs déflecteurs) et/ou au moins une fente (de préférence plusieurs fentes).

L’utilisation de déflecteurs permet d’améliorer la distribution du liquide sur la section du dispositif d’accompagnement en évitant une concentration du liquide dans la partie la plus basse. De ce fait, on peut limiter l’accélération du liquide.

L’utilisation de fentes permet également de casser la vitesse du liquide de manière à l’acheminer doucement vers la sortie et d’améliorer la distribution du liquide.

En limitant la vitesse du liquide, on peut réduire la quantité de mouvement du liquide et donc limiter son impact sur l’interface gaz-liquide (turbulences, moussage).

Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le dispositif d’accompagnement de liquide (la portion de conduite notamment) peut être ouvert selon un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130° par rapport à la ligne neutre l’axe de portion de conduite par exemple). Cet angle d’ouverture permet de faciliter l’évacuation du gaz et d’avoir une section suffisamment importante pour guider efficacement le liquide.

Préférentiellement, la hauteur verticale du dispositif d’accompagnement de liquide peut être comprise entre D/2 et 8D, de préférence entre 2D et 5D. Ainsi, d’une part, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est au-dessus de l’interface gaz-liquide et la hauteur du dispositif d’accompagnement de liquide est suffisante pour que le dispositif d’accompagnement de liquide agisse de manière similaire à un toboggan pour le liquide pour le guider vers la sortie.

De manière avantageuse, l’angle de rotation formé entre la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide, dans le plan (xy) sensiblement horizontal, peut être compris entre 45° et 200°, de préférence entre 160° et 190°. Ainsi, on peut diriger efficacement le liquide en direction du canal de sortie central du réacteur fluidisé triphasique. De plus, le dispositif d’accompagnement de liquide comprend une surface continue et sans discontinuité de la section d’entrée à la section de sortie de manière à diriger progressivement le liquide arrivant de la section d’entrée vers la section de sortie. Le dispositif d’accompagnement forme ainsi un profil arrondi (ou incurvé).

Selon une variante de l’invention, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être plus grande que la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide. Cet élargissement de section permet donc d’augmenter la surface de contact entre le liquide et le dispositif d’accompagnement de liquide. Ainsi, on peut limiter la vitesse du liquide en sortie du dispositif d’accompagnement. Par exemple, lorsque la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide est semi-circulaire (ou semi-torique) d’un diamètre DD, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être semi circulaire d’un diamètre compris entre 1 ,2 DD et 2 DD.

Selon des modes de réalisation avantageux de l’invention, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être concave ou convexe ou plate. Lorsqu’elle est concave, elle peut avoir un profil circulaire (ou torique) ou elliptique. Lorsqu’elle est convexe, elle peut avoir un profil elliptique inversé ou plat (c’est-à-dire formant un segment de droite).

Les sections concaves facilitent le guidage du liquide en imposant au liquide d’être guidé au centre de cette section. Le profil circulaire est simple à réaliser. Le profil elliptique permet de limiter la concentration locale du liquide au centre du profil comparativement au profil circulaire. Ainsi, on élargit la partie sur laquelle le liquide est porté et de ce fait, on peut limiter la vitesse du liquide et son inertie, notamment en vue de son impact sur l’interface gaz-liquide. Les sections concaves peuvent également distribuer efficacement le liquide tout autour du dispositif d’accompagnement.

Les sections convexes permettent de distribuer efficacement le liquide tout autour du dispositif d’accompagnement de liquide. En augmentant la zone de distribution, on évite de concentrer le liquide dans une certaine zone (la zone centrale des zones concaves par comparaison) et on peut ainsi diminuer la vitesse du liquide et sa quantité de mouvement. Le profil elliptique inversé ou le profil triangulaire permet notamment de distribuer efficacement le liquide sur tout le dispositif d’accompagnement de liquide.

Le profil plat (segment de droite) permet une réalisation simple tout en distribuant efficacement le liquide.

L’invention concerne également un réacteur fluidisé triphasique pour l’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, le réacteur comprenant une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé (par exemples, une surface conique ou hémisphérique), par exemple par un canal de sortie central pour acheminer le liquide vers une pompe en vue d’un recyclage du liquide. De plus, la zone de recycle comprend un dispositif de séparation gaz- liquide tel que décrit précédemment. Le réacteur correspond au réacteur de la figure 1 telle que décrite précédemment et dans lequel seul le dispositif de séparation gaz-liquide est modifié.

En sus, l’invention concerne aussi un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz-liquide tel que décrit précédemment (de préférence en utilisant un réacteur fluidisé triphasique tel que décrit et comprenant un dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention), dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes :

- Une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à

- Une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C.

Ces pressions et températures permettent un procédé d’hydroconversion efficace des coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène.

Avantageusement, la vitesse superficielle de l’écoulement ascendant à l’intérieur de chaque conduit d’admission peut être comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 m/s et 10 m/s.

De préférence, la fraction volumique du liquide dans le conduit d’admission peut être comprise entre 0,05 et 0,95, de préférence entre 0,1 et 0,8 et de manière encore préférée entre 0,3 et 0,6. Ainsi, le système est adapté à une large gamme de fractions volumiques de liquide, la fraction volumique de liquide représentant le volume de liquide rapporté au volume total de mélange gaz-liquide arrivant dans le conduit d’admission.

La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, un dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.

Sur la figure de gauche, on observe un élément de séparation gaz-liquide comprenant un conduit d’admission 70 et une succession de deux coudes 71 et 72 (mais la succession de coudes pourrait comprendre plus de deux coudes). Le dispositif d’accompagnement de liquide n’est pas représenté pour faciliter la compréhension du lecteur.

Sur la figure de droite, on observe l’élément de séparation gaz-liquide complet avec le dispositif d’accompagnement de liquide 73.

Les éléments de séparation gaz-liquide de la figure 4 peuvent remplacer les éléments de séparation 27 et 28 des figures 1 et 2, de telle sorte que le dispositif de séparation gaz-liquide comprend plusieurs éléments de séparation gaz-liquide.

Chaque élément de séparation comprend un conduit d’admission 70 suivi d’une succession de deux coudes 71 et 72 :

- le premier coude 71 est positionné dans un plan noté (yz), perpendiculaire à l’axe x horizontal, l’axe z correspondant sensiblement à l’axe vertical,

- le deuxième coude 72 est positionné dans un plan formant un angle non nul avec le plan (yz) du premier coude 71 . L’axe du deuxième coude forme un angle 0 avec le plan horizontal (xy). Par exemple, le deuxième coude 72 peut être situé dans le plan noté (xy) sensiblement horizontal et perpendiculaire à l’axe z : dans ce cas, l’angle 0 est nul.

Ainsi, les deux coudes 71 et 72 sont dans deux plans non coplanaires, ces deux plans étant sécants l’un avec l’autre.

Ici, la succession de coudes est composée de deux coudes, mais la succession de coudes peut comprendre un nombre de coudes supérieur à 2.

A la sortie 74 du deuxième coude 72 (dans le sens de circulation du liquide dans l’élément de séparation gaz-liquide), l’élément de séparation gaz-liquide comprend un dispositif d’accompagnement de liquide 73 dans lequel, le gaz séparé du liquide peut s’évacuer par le haut, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 comprenant une section ouverte permettant au gaz de s’échapper vers le haut (par exemple en direction de la partie supérieure du réacteur).

L’ouverture de la portion de conduite du dispositif d’accompagnement de liquide 73 permet d’acheminer le liquide dans la direction souhaitée, la surface du dispositif d’accompagnement de liquide 73 servant de guidage au liquide. Par exemple, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 peut être configuré pour que le liquide soit dirigé vers le canal de sortie central de la recycle cup du réacteur, tel que représenté par la référence 25 de la figure 1 .

La section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide 73 (celle fixée à la sortie 74 du deuxième et dernier coude) est verticalement positionnée au-dessus de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73. La différence de hauteur entre l’axe de la section d’entrée et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73 correspond à la hauteur H. Cela permet d’accompagner le liquide sous l’effet de la gravité de celui-ci.

De plus, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 peut être de préférence un élément 3D (tridimensionnel) c’est-à-dire s’étendant dans les trois axes x, y, et z d’un repère orthonormé, il n’est pas situé dans un plan (c’est-à-dire qu’il n’est pas bidimensionnel 2D) et comprend un changement de direction, ceci pour favoriser l’accompagnement du liquide vers la sortie. Ce changement de direction est de préférence continu et sans discontinuité de pente pour accompagner progressivement le liquide. En d’autres termes, la surface du dispositif d’accompagnement de liquide forme un changement de direction continu et sans discontinuité de pente.

Le dispositif d’accompagnement de liquide 73 est ouvert selon un angle d’ouverture œ mesuré par rapport à l’axe de la section d’entrée (correspondant à la ligne neutre ou à la fibre neutre de la section d’entrée). La section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est semi-circulaire car elle est reliée à la section circulaire de sortie 74 du deuxième et dernier coude 72. Elle est dite « semi-circulaire » car elle est ouverte.

La section de sortie 75 du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est semi-circulaire également mais d’autres formes sont possibles. La section de sortie 75 du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est plus grande que sa section d’entrée : ici le diamètre de la section de sortie 75 est plus grand que celui de la section d’entrée. En élargissant la section du dispositif d’accompagnement de liquide, dans le sens de l’écoulement du fluide, on peut le ralentir d’une part et augmenter la surface sur laquelle il glisse d’autre part, ce qui permet de réduire l’inertie du liquide et ainsi de réduire son impact au niveau de l’interface gaz-liquide.

Ainsi, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 forme un toboggan pour le liquide.

Le liquide s’écoulant après sa sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73 arrive par exemple ici, le long de la paroi conique du réacteur fluidisé triphasique et est récupéré par le canal de sortie central. Le gaz est évacué par la sortie du deuxième et dernier coude via la partie ouverte du dispositif d’accompagnement de liquide 73. Le gaz occupe donc l’extrémité supérieure de la zone de séparation située au-dessus de l’interface gaz-liquide et peut par exemple quitter le réacteur par le conduit de sortie (le conduit 40 des figures 1 et 2 par exemples).

La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide.

La section d’entrée du dispositif d’accompagnement est semi-circulaire de diamètre D, égal au diamètre du dernier coude, et représentée par le trait continu noir sur la figure. Elle est ouverte selon un angle d’ouverture œ mesuré par rapport à l’axe de la section d’entrée (axe représentée par le point O correspondant au centre du cercle de diamètre D et correspondant à la ligne neutre ou à la fibre neutre de la section d’entrée) entre les extrémités 80 et 81 de la section d’entrée.

Sur cette figure, l’axe z correspond à l’axe vertical. On peut observer que les extrémités 80 et 81 ne sont pas symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette asymétrie permet de mieux guider le liquide malgré les efforts centrifuges que subit le liquide dans le changement de direction du dispositif d’accompagnement de liquide via l’angle de rotation.

La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, une vue 3D d’un élément de séparation gaz-liquide selon l’invention (schéma de gauche) et d’une vue de dessus du même élément de séparation gaz-liquide (schéma de droite).

L’élément de séparation gaz-liquide comprend une conduite d’admission 70 suivi d’une succession de deux coudes 71 et 72 (mais la succession de coudes peut comprendre plus de deux coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre, les deux plans étant de préférence perpendiculaires l’un par rapport à l’autre. Un dispositif d’accompagnement de liquide 73 est fixé à la sortie du deuxième et dernier coude 72 et a une partie ouverte (portion de conduite ouverte).

La conduite d’admission 70 et les deux coudes 71 et 72 sont de section circulaire de diamètre D. La section semi-circulaire d’entrée Se du dispositif d’accompagnement de liquide 73 a également un diamètre égal à D. La section de sortie So du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est aussi semi circulaire et a un diamètre L supérieur ou égal au diamètre D de la section d’entrée.

Par ailleurs, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 suit une rotation de sa section d’entrée Se à sa section de sortie So. L’angle formé entre la section d’entrée Se et la section de sortie So est représenté par l’angle de rotation Y compris entre 45° et 200°, de préférence entre 90 et 180°.

La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, différents profils de section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide d’éléments de séparation gaz-liquide.

Sur cette figure, les éléments de séparation gaz-liquide peuvent notamment être mis en place à la place des éléments de séparation gaz-liquide 27 et 28 des figures 1 et 2.

Les schémas a) à d) diffèrent uniquement par le dispositif d’accompagnement de liquide.

Sur le schéma a), le profil de la section de sortie est sensiblement semi-triangulaire 76 avec le sommet du triangle dirigé vers le haut. Par sensiblement semi-triangulaire, on entend que le sommet du triangle peut présenter une courbure et que le troisième côté du triangle ne fait pas partie du profil : en d’autres termes, ce profil semi-triangulaire est en forme de V inversé. De ce fait, le liquide est scindé en deux flux dirigés des deux côtés par rapport au sommet du triangle. De préférence, le triangle est isocèle par rapport au sommet ou équilatéral de manière à générer deux flux de débit similaires.

Sur le schéma b), le profil de la section de sortie est plat 77 (ou linéaire). En d’autres termes, il est formé par un segment de droite. Ainsi, le liquide peut s’écouler sur toute la surface sans générer de zone de concentration et il est distribué tout autour de la section de sortie. L’inertie du liquide est donc répartie.

Sur les schémas c) et d), le profil de la section de sortie est semi-circulaire.

Sur le schéma c), le dispositif d’accompagnement de liquide comprend des déflecteurs 78 qui découpent le dispositif d’accompagnement de liquide en plusieurs compartiments permettant ainsi d’éviter la concentration du liquide dans une seule zone (la zone centrale par exemple). Pour se faire, les déflecteurs 78 s’étendent de préférence depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide et suivent la variation du profil de section. Les déflecteurs peuvent être utilisés quel que soit le profil de la section de sortie.

Sur le schéma d), le dispositif d’accompagnement de liquide comprend des fentes (ou des ouvertures) permettant au liquide de s’échapper vers le bas. Ainsi, on peut distribuer progressivement le liquide vers le bas. Les fentes peuvent être utilisées quel que soit le profil de la section de sortie. La variation de la section du dispositif d’accompagnement, depuis la section d’entrée semi- circulaire à la section de sortie, quel que soit son profil, est progressive, continue et sans discontinuité de pente.

La combinaison des déflecteurs et des fentes est également possible, et ce quel que soit le profil de la section de sortie.

La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier exemple de profil de sortie concave du dispositif d’accompagnement de liquide.

La section de sortie du dispositif d’accompagnement est semi-elliptique et représentée par le trait continu noir sur la figure. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe x” un axe horizontal.

Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée.

De plus, le profil elliptique de la section de sortie est défini par une ellipse de centre c, de demi- grand-axe selon l’axe X” de longueur E et de demi petit-axe selon l’axe z de longueur F. Les axes X” et z sont définis par le profil circulaire de la sortie du coude de diamètre D. Le profil elliptique est ouvert avec une ouverture définie par l’angle ip. Le centre c de l’ellipse est distant d’une longueur G par rapport à l’axe X” et d’une longueur H par rapport à l’axe z, H étant nulle sur la figure. o La longueur E est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o La longueur F est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o L’angle ip est compris entre 10° et 350° et préférentiellement entre 90° et 180°. o La longueur G est comprise entre 0,1 F et F et préférentiellement entre 0 et F/2. o La longueur H est comprise entre -E et E et préférentiellement entre -E/2 et E/2. Sur cette figure, on peut observer que les extrémités 82 et 83 de la section de sortie sont symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette symétrie sur la section de sortie permet de distribuer le liquide efficacement, mais cette symétrie n’est pas obligatoire.

Le profil elliptique a l’avantage, par rapport au profil circulaire, d’augmenter la surface sur laquelle porte le liquide. Ainsi, on peut réduire la vitesse du liquide et ainsi limiter sa quantité de mouvement.

La figure 9 illustre, de manière schématique et non limitative un deuxième exemple de profil de sortie convexe du dispositif d’accompagnement de liquide.

La section de sortie du dispositif d’accompagnement est semi-elliptique inversée (par rapport à la figure 8) et représentée par le trait continu noir sur la figure. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe X” un axe horizontal.

Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée.

De plus, le profil elliptique inversé de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est défini par une ellipse inversée de centre C’, de demi grand axe selon l’axe X” de longueur E1 et de demi petit axe selon l’axe z de longueur F1 . Les axes X” et z sont définis par le profil circulaire de la sortie du dernier coude de diamètre D. Le profil elliptique est ouvert avec une ouverture définie par l’angle i 1. Le centre C’ de l’ellipse est distant d’une longueur Gbis par rapport à l’axe X” et d’une longueur H1 par rapport à l’axe z, la longueur H1 étant nulle sur le schéma. o La longueur E1 est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o La longueur F1 est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o L’angle i 1 est compris entre 10° et 350° et préférentiellement entre 90° et 180°. o La longueur Gbis est comprise entre 1 ,1 F et 2F et préférentiellement entre F et 1.5F. o La longueur H1 est comprise entre -E et E et préférentiellement entre -E/2 et E/2. L’avantage de ce profil est un peu similaire à celui du profil triangulaire du schéma a) de la figure 6 : il permet de scinder le flux de liquide en deux, de part et d’autre du sommet de l’ellipse S1 , le sommet de l’ellipse S1 étant le point verticalement le plus haut de la section semi elliptique inversée.

Sur cette figure, on peut observer que les extrémités 84 et 85 de la section de sortie sont symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette symétrie sur la section de sortie permet de distribuer le liquide efficacement, mais cette symétrie n’est pas obligatoire.

La figure 10 illustre, de manière schématique et non limitative un troisième exemple de profil de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide.

La section de sortie du dispositif d’accompagnement est plate (ou linéaire) formant un segment de droite, et représentée par le trait continu noir sur la figure. La section de sortie est formée par un segment de droite de longueur L1. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe X” un axe horizontal.

Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée, la longueur L1 étant supérieure à D.

De plus, le profil plat formant un segment de droite, de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est défini par le segment de centre cter et de longueur L1. Le centre cter (correspondant au milieu du segment de longueur L1 ) se trouve à une longueur Gter de l’axe X” et Hter par rapport à l’axe z, la longueur Hter étant nulle sur le schéma. Le segment de longueur L1 forme un angle 5 avec l’axe vertical. o La longueur L1 est comprise entre D/4 et 5D et préférentiellement entre D/2 et 3D. o La longueur Gter est comprise entre 0,1 D et 4D et préférentiellement entre D et 2D. o La longueur Hter est comprise entre -2D et 2D et préférentiellement entre -D et D. o L’angle 5 est compris entre 60° et 120°, de préférence entre 80° et 100°. Ce profil distribue efficacement le liquide et évite les zones de concentration de liquide.

Sur cette figure, on peut observer que le segment de longueur L1 est orthogonal à l’axe vertical (angle 5 égal à 90°) et que le centre cter est situé sur l’axe vertical. Ainsi le segment de longueur L1 est symétrique par rapport à l’axe vertical z. Exemples

La figure 11 est un exemple de comparaison de l’impact du liquide sortant de l’élément de séparation gaz-liquide 27 d’un système conforme à la demande US 2019/270 941 de l’art antérieur et d’un élément de séparation gaz-liquide 27 avec un dispositif d’accompagnement de liquide de type toboggan conforme à l’invention.

Les schémas a) et b) illustrent le niveau de turbulence générée par l’impact du liquide sur la surface de l’interface gaz-liquide 24. Ces schémas sont issus par des simulations numériques CFD (Computational Fluid Dynamics). Le schéma a) correspond à l’art antérieur de la demande US 2019/270 941 et le schéma b) correspond à la configuration de la Figure 4 selon l’invention.

La variation de niveaux de gris représentant la fraction volumique de liquide qui est nulle pour le niveau de gris le plus clair (gaz pur) et représentée en noir lorsque le fluide est totalement liquide.

Le tableau [Table 1 ] donne les paramètres géométriques utilisés pour les simulations numériques.

[Table 1] Pour ces simulations, l’interface gaz-liquide est positionnée à 0,6 m de l’axe de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide.

Les données suivantes sont utilisées pour les modèles numériques :

- Le modèle est de type Euler-Euler avec un liquide continu et un gaz dispersé avec des diamètres de bulles pris égaux à 1 mm ;

L’interaction gaz-liquide suit une loi de traînée de type Schiller-Naumann ;

- La turbulence suit une loi k-e realizable.

- Le liquide a une masse volumique de 738,6 kg/m ³ et une viscosité de 0,48 cP (cP correspondant à l’unité centipoise ; 1cP=0,001 Pa.s) ;

- Le gaz a une masse volumique de 50,89 kg/m ³ et une viscosité de 0,024 cP (cP correspondant à l’unité centipoise ; 1cP=0,001 Pa.s) ;

- Le débit à l’entrée de l’élément de séparation est de 7,886 kg/s pour le liquide et de 0,394 kg/s pour le gaz.

Sur le schéma a) de l’art antérieur, on observe la création d’une vague importante (représentée par les variations de gris sur le schéma qui témoigne d’un mélange gaz-liquide dans cette zone) au niveau de l’interface gaz-liquide 24. Il se produit donc des turbulences importantes au niveau de l’interface gaz-liquide 24 dû à l’impact de liquide. Ces turbulences peuvent être à l’origine de moussage.

Sur le schéma b) de l’invention, on observe que l’interface gaz-liquide 24 (variation de gris) n’est pas perturbée. Le niveau de turbulence est donc considérablement réduit grâce au dispositif de l’invention. Par conséquent, on peut aussi réduire le risque de moussage.

Ainsi, l’invention permet donc bien de limiter les turbulences et les risques de moussage au niveau de l’interface gaz-liquide.