FR2915111A1

FR2915111A1 - Material and/or heat exchange column, e.g. distillation column for separating air gases, contains stacked modules of structured packing and liquid film retaining element at module interfaces

Info

Publication number: FR2915111A1
Application number: FR0754543A
Authority: FR
Inventors: Jean Marc Constant; Corso Fabrice Del; Francois Leclercq; Jacques Ronzaud
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-10-24

Abstract

A material and/or heat exchange column, containing stacked modules (M) of cross-corrugated type structured packing, each angularly displaced around the column axis by 90[deg] from the following module, has at least one element (T) located between the modules for ensuring that a liquid film is retained in the interfacial zone between the modules.

Description

La présente invention est relative à une colonne d'échange de matière etThe present invention relates to a material exchange column and

de chaleur à garnissages structurés, de préférence de type ondulé-croisé, en particulier une colonne de distillation. Les garnissages ondulés-croisés sont constitués par des bandes ondulées comprenant des ondulations alternées parallèles disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres. Les ondulations sont obliques et descendent dans des sens opposés d'une bande à la suivante. Le taux de perforation est d'environ 10 0/0 pour ces garnissages dits ondulés-croisés. GB-A-1004046 divulgue des garnissages du type ondulé-croisé. compositionally structured heat exchanger, preferably of cross-corrugated type, in particular a distillation column. The cross-corrugated packings are constituted by corrugated strips comprising parallel alternating undulations each arranged in a vertical general plane and against each other. The undulations are oblique and descend in opposite directions from one band to the next. The perforation rate is about 10% for these so-called cross-corrugated packings. GB-A-1004046 discloses packings of the cross-corrugated type.

CA-A-1095827 propose une amélioration de ce type de garnissage en ajoutant une perforation dense de petit diamètre pour permettre au liquide de transiter de part et d'autre des bandes ondulées croisées. Ce garnissage est généralement fabriqué à partir de produit plat : des feuilles métalliques sous forme de bandes. Les bandes sont d'abord pliées (ou cintrées) de façon à former une sorte de tôle ondulée en bande dont les ondulations sont obliques par rapport à l'axe de la bande. Les bandes pliées sont ensuite découpées en tronçons puis empilées en retournant alternativement une bande. La Figure 1 représente une vue de perspective isométrique de six bandes de garnissages empilées. CA-A-1095827 proposes an improvement of this type of lining by adding a small diameter dense perforation to allow the liquid to pass cross corrugated strips on either side. This packing is generally made from flat product: metal sheets in the form of strips. The strips are first folded (or bent) so as to form a kind of strip corrugated sheet whose corrugations are oblique with respect to the axis of the strip. The folded strips are then cut into sections and then stacked by alternately turning a band. Figure 1 is an isometric perspective view of six stacked packing strips.

Les tronçons de garnissage ainsi obtenus sont appelés modules ou packs en langue anglaise. Dans le cas d'ondulations simples, comme illustré dans les Figures 2 et 3, les différents paramètres permettant de décrire un garnissage ondulé-croisé sont : la hauteur des ondes (H), l'angle de pliage (y), le rayon de courbure (r) et l'inclinaison des ondes (b). La Figure 2 est une vue des ondulations dans l'axe des plis et la Figure 3 est une vue schématique de la bande pliée. Une analyse fonctionnelle du garnissage structuré aboutit à la vision suivante : Mettre en contact le gaz et le liquide 2 Maintenir la surface de contact gaz / liquide Distribuer uniformément et de façon radiale le liquide Distribuer uniformément et de façon radiale le gaz Assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz (i.e. éviter l'engorgement) Le module de garnissages, comme illustré à la Figure 4, présente donc trois zones distinctes pour le contact gaz / liquide : - une zone C dite courante à l'intérieur du module de garnissage, - une zone I dite d' interface entre deux modules successifs de garnissage, - une zone B dite de bord entre le module de garnissage et la virole de la colonne ou du réacteur. Dans chacune de ces zones, la géométrie offerte aux écoulements gazeux et liquides est différente. L'invention a pour but d'améliorer la technologie des garnissages structurés par l'ajout d'éléments jointifs dans la zone dite d'interface entre deux modules successifs de garnissage. La caractéristique structurée du garnissage assure intrinsèquement une bonne réponse aux fonctions dans la zone dite courante . L'importance de la zone d'interface entre packs a été mise en évidence lors des développements des garnissages à interface modifiée (garnissages 20 d'AIR LIQUIDE ou MELLAPACK + de SULZER CHEMTECH). The sections of packing thus obtained are called modules or packs in English language. In the case of simple corrugations, as illustrated in Figures 2 and 3, the various parameters for describing a corrugated-cross-packing are: the wave height (H), the angle of folding (y), the radius of curvature (r) and wave tilt (b). Figure 2 is a view of the corrugations in the fold axis and Figure 3 is a schematic view of the folded strip. A functional analysis of the structured packing results in the following vision: Put the gas in contact with the liquid 2 Maintain the gas / liquid contact surface Distribute the liquid uniformly and radially Distribute the gas uniformly and radially. countercurrent liquid (ie avoiding clogging) The packing module, as shown in Figure 4, therefore has three distinct zones for the gas / liquid contact: a so-called common zone C inside the module of packing, - a so-called interface zone I between two successive packing modules, - a so-called edge zone B between the packing module and the ferrule of the column or reactor. In each of these zones, the geometry offered to the gaseous and liquid flows is different. The object of the invention is to improve the technology of structured packings by adding contiguous elements in the so-called interface zone between two successive packing modules. The structured characteristic of the packing intrinsically ensures a good response to the functions in the so-called current zone. The importance of the interface zone between packs was highlighted during the development of the modified interface packings (AIR LIQUIDE or MELLAPACK + packagings of SULZER CHEMTECH).

Une modification légère de l'interface entre packs a permis de repousser l'engorgement donc d'obtenir des gains significatifs de capacité des colonnes à distiller (à relier à la fonction assurer l'écoulement du liquide à contre û courant du gaz ) en ne dégradant quasiment pas les performances en échange de matière (à relier à la fonction maintenir la surface de contact gaz / liquide ). Dans la littérature, cette légère modification d'interface a pour but annoncé, la réduction de la perte de charge gaz à l'interface. Dans le garnissage ondulé croisé classique, le gaz est contraint de changer de direction selon un angle d'environ 90 pour passer d'un module à l'autre d'où une perte de charge particulièrement importante dans cette zone d' interface , comme illustré dans la Figure 5a). Dans un garnissage à interface modifiée type MELLAPACK +, cette perte de charge particulière est assurée dans la zone courante : le gaz ne change pas de direction à l' interface mais avant et après, comme illustré dans la Figure 5b). Dans la littérature, ce phénomène est souvent analysé en termes d'inventaire liquide dans la partie basse des modules au voisinage de l' interface : la perte de charge subie par le gaz au changement de direction provoque une accumulation de liquide dans la zone avoisinante. A slight modification of the interface between packs made it possible to postpone bottlenecks and thus to obtain significant gains in the capacity of the columns to be distilled (to be connected to the function of ensuring the flow of the liquid against the current of the gas) degrading almost no performance in exchange of material (to be connected to the function to maintain the gas / liquid contact surface). In the literature, this slight modification of the interface aims to reduce the gas pressure drop at the interface. In conventional cross corrugated packing, the gas is forced to change direction at an angle of about 90 to move from one module to another resulting in a particularly high pressure drop in this interface area, as illustrated. in Figure 5a). In a modified interface type MELLAPACK + packing, this particular pressure drop is ensured in the current zone: the gas does not change direction at the interface but before and after, as illustrated in Figure 5b). In the literature, this phenomenon is often analyzed in terms of liquid inventory in the lower part of the modules in the vicinity of the interface: the pressure drop experienced by the gas at the change of direction causes an accumulation of liquid in the neighboring zone.

L'accumulation de liquide provoque un engorgement prématuré de la colonne. Afin d'augmenter la capacité des colonnes, d'autres moyens de limiter la perte de charge gaz à l'interface entre les modules ont été imaginés : -US-A-5013492 : divulgue le décalage vertical dans les modules d'une bande de garnissage sur deux afin de réduire la densité au voisinage des interfaces. - FR-A-9200526 : divulgue l'insertion d'entretoises entre les modules. - JP-A- 63012101 : divulgue l'insertion de modules de densité inférieure entre les modules de distillation. - US-A-5632934 : divulgue la réduction de la hauteur de corrugation, le changement de l'inclinaison des canaux ainsi que la réalisation d'ouvertures au voisinage de la base des modules. - WO-A-97/16247: divulgue le changement progressif de l'inclinaison des canaux jusqu'à la verticale aux bords des bandes, ainsi que l'installation de caillebotis entre les modules. Une autre interprétation possible de ces phénomènes est que, à l' interface entre modules, entre le moment où le film liquide quitte le module supérieur et où il atteint le module inférieur, ce dernier ne bénéficie plus du maintien par capillarité de la surface du garnissage pour résister à la poussée du gaz montant. Le film liquide peut donc être plus facilement perturbé et, comme il n'est plus maintenu, il se casse pour se rassembler en grosses gouttes, à l'origine d'un engorgement local. La fonction assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz est donc plus difficilement remplie dans la zone d' interface entre modules. D'autres essais comparant un garnissage classique à une interface modifiée par le rajout d'entretoises entre modules mettent en évidence l'importance du guidage du liquide. En effet, ce rajout d'entretoise rallonge le trajet du liquide en chute libre entre deux modules (donc le temps pendant lequel il peut être plus facilement perturbé). Cela peut expliquer la dégradation de capacité observée lors des essais. The accumulation of liquid causes premature engorgement of the column. In order to increase the capacity of the columns, other means of limiting the gas pressure drop at the interface between the modules have been devised: US-A-5013492 discloses the vertical offset in the modules of a strip of packing on two to reduce the density in the vicinity of the interfaces. - FR-A-9200526: discloses the insertion of spacers between the modules. JP-A-63012101 discloses the insertion of lower density modules between the distillation modules. US-A-5632934 discloses the reduction of the corrugation height, the change of the inclination of the channels as well as the making of openings in the vicinity of the base of the modules. WO-A-97/16247 discloses the progressive change in the inclination of the channels up to the vertical at the edges of the strips, as well as the installation of gratings between the modules. Another possible interpretation of these phenomena is that, at the interface between modules, between the moment when the liquid film leaves the upper module and where it reaches the lower module, the latter no longer benefits from the capillary maintenance of the surface of the lining. to resist the thrust of the rising gas. The liquid film can therefore be more easily disturbed and, as it is no longer maintained, it breaks to collect in large drops, causing a local engorgement. The function of ensuring the flow of the liquid against the current of the gas is therefore more difficult to fill in the interface zone between the modules. Other tests comparing a conventional packing with an interface modified by the addition of spacers between modules highlight the importance of guiding the liquid. Indeed, this addition of spacer lengthens the path of the liquid in free fall between two modules (so the time during which it can be more easily disturbed). This may explain the degradation of capacity observed during testing.

Un autre moyen d'améliorer l'interface pour repousser l'engorgement semble donc être d'assurer au film liquide un maintien par capillarité même dans la zone d' interface (et donc un support pour être mieux drainé). Dans cet ordre d'idée, des essais en interne ont permis d'évaluer les performances de garnissages structurés monoblocs, c'est à dire un seul module très haut. Ces essais peuvent être analysés comme un essai de garnissages sans zone d' interface . Les capacités mesurées ont été supérieures à celles du garnissage classique mais nous avons également obtenu une forte dégradation du transfert de matière. L'interprétation faite alors était que l' interface entre modules a une fonction de re-distribution radiale du liquide importante qui n'était donc plus assurée. A la lumière de ces derniers essais, nous pouvons conclure que l' interface entre modules doit être améliorée en trouvant le bon compromis entre les fonctions : - re-distribuer radialement liquide et gaz et - assurer l'écoulement du liquide à contre courant en maintenant un film liquide par capillarité pour assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz . L'invention consiste à trouver un meilleur compromis entre les fonctions : - re-distribuer radialement liquide et gaz et - assurer l'écoulement du liquide à contre courant en maintenant un film liquide par capillarité dans la zone d' interface entre deux modules successifs de garnissage. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant des modules empilés de garnissages structurés de type ondulé-croisé, chaque module étant décalé angulairement de 90 du module suivant autour de l'axe de la colonne caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément disposé entre les modules permettant d'assurer un maintien du film liquide dans la zone d'interface entre modules. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - au moins un élément disposé entre modules est constitué d'un tampon en laine métallique ; la laine métallique est en cuivre ou en acier inoxydable ; - la densité moyenne de la laine métallique, une fois placée entre les modules, est du même ordre de grandeur que celle des garnissages du module ; - les modules de garnissages structurés comprennent des garnissages à interface modifiée. La colonne est de préférence une colonne de distillation, par exemple d'un gaz de l'air, tel qu'une colonne de séparation d'air par distillation cryogénique. Pour cela elle consiste en l'ajout d'éléments jointifs entre les deux modules permettant : - d'éviter la rupture du film liquide, - d'éviter la formation de gouttelettes à l'origine d'engorgement, - de drainer le liquide accumulé dans la zone avoisinante de l' interface , tout en assurant sa bonne redistribution radiale car les modules restent à 90 . Another way to improve the interface to repel waterlogging seems to be to ensure that the liquid film maintains a capillarity even in the interface zone (and therefore a support to be better drained). In this vein, internal tests have made it possible to evaluate the performance of monoblock structured packings, ie a single very high module. These tests can be analyzed as a packing test without an interface area. The measured capacities were higher than those of the conventional packing but we also obtained a strong degradation of the material transfer. The interpretation made then was that the interface between modules has a function of radial re-distribution of the important liquid which was no longer ensured. In the light of these last tests, we can conclude that the interface between modules must be improved by finding the right compromise between the functions: - re-distributing radially liquid and gas and - ensuring the flow of the liquid against the current while maintaining a liquid film by capillarity to ensure the flow of the liquid against the current of the gas. The invention consists in finding a better compromise between the functions: - re-distributing radially liquid and gas and - ensuring the flow of the liquid against the current by maintaining a liquid film by capillarity in the interface zone between two successive modules of packing. According to one object of the invention, there is provided a material and / or heat exchange column comprising stacked modules of structured packings of corrugated-cross type, each module being angularly offset by 90 from the next module around the axis of the column characterized in that it comprises at least one element disposed between the modules for ensuring a maintenance of the liquid film in the interface area between modules. According to other optional aspects of the invention: at least one element arranged between modules consists of a metal wool pad; the metal wool is copper or stainless steel; the average density of the metal wool, once placed between the modules, is of the same order of magnitude as that of the packings of the module; the structured packing modules comprise modified interface packings. The column is preferably a distillation column, for example an air gas, such as an air separation column by cryogenic distillation. For this it consists in the addition of contiguous elements between the two modules allowing: - to avoid the rupture of the liquid film, - to avoid the formation of droplets causing waterlogging, - to drain the accumulated liquid in the neighboring area of the interface, while ensuring good radial redistribution because the modules remain at 90.

L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la Figure 6 b), la Figure 6a) montrant l'art antérieur. La colonne comprend au moins deux modules empilés (M) de garnissages structurés de type ondulé-croisé, chaque module étant décalé angulairement de 90 du module suivant autour de l'axe de la colonne. The invention will be described in more detail with reference to Figure 6 b), Figure 6a) showing the prior art. The column comprises at least two stacked modules (M) of cross-corrugated structured packings, each module being angularly offset by 90 from the next module around the axis of the column.

Dans cette figure, deux modules M, placés l'un par-dessus de l'autre, sont reliés par un ou plusieurs tampons de laine métallique T qui assurent le maintien du film liquide. Le tampon de laine métallique peut être un module de garnissage tricoté, tel que ceux fabriqués par la Société KNITMESH. In this figure, two modules M, placed one on top of the other, are connected by one or more metal wool pads T which ensure the maintenance of the liquid film. The woolen pad may be a knitted padding module, such as those made by KNITMESH.

Les matériaux et densités de ces laines métalliques doivent être sélectionnés : - la densité de la laine métallique doit être du même ordre de grandeur que la densité moyenne du garnissage du module pour ne pas trop augmenter la perte de charge du gaz ; - les matériaux doivent être compatibles avec les produits avec lesquels ils sont en contact. En particulier, pour la distillation de l'air, des laines métalliques en matériaux peu inflammables (type cuivre) sont recommandées. A noter que la laine métallique se trouvera comprimée en étant placée entre les deux modules. La densité de laine devant être du même ordre de grandeur que celle des garnissages est celle de la laine, une fois mise en position entre les modules et non pas celle, moins élevée, de la laine avant sa mise en place. Comme pour les modules de garnissages, la laine métallique peut être enfilée dans la colonne sous forme de matelas peu épais, disposés entre 30 deux modules. The materials and densities of these metallic wools must be selected: the density of the metal wool must be of the same order of magnitude as the average density of the packing of the module so as not to excessively increase the pressure drop of the gas; - the materials must be compatible with the products with which they are in contact. In particular, for the distillation of air, metal wools made of low inflammability materials (copper type) are recommended. Note that the metal wool will be compressed by being placed between the two modules. The density of wool to be of the same order of magnitude as that of the packings is that of the wool, once placed in position between the modules and not the lower one of the wool before it is put in place. As with the packing modules, the metal wool can be threaded into the column as a thin mattress, arranged between two modules.

Claims

1) Material and / or heat exchange column comprising stacked modules (M) of cross-corrugated structured packings, each module being angularly offset by 90 from the next module around the axis of the column characterized in that it comprises at least one element (T) arranged between the modules making it possible to maintain the liquid film in the interface zone between the modules.

2) Column according to claim 1 wherein at least one element disposed between modules (M) consists of buffers (T) of metal wool.

3) Column according to claim 2 wherein the metal wool are copper or stainless steel.

4) Column according to claim 2 or 3 wherein the average density of the metal wool, once placed between the modules, is of the same order of magnitude as the average density of the packings of the module.

5) Column according to one of the preceding claims wherein the structured packings modules comprise modified interface packings. 25

6) Distillation column, in particular an air gas according to one of the preceding claims.