Brevet FR2274337A1 — publié le 19760109

L'invention se rapporte aux éléments de garnissage à utiliser par exemple dans des colonnes de distillation et des colonnes de rectification, des tours d'absorption et des appareils analogues dans lesquels doivent avoir lieu le contact de fluides ou la retenue de fluides entrataésO Typiquement dans un moyen pour mettre des fluides en contact, un liquide descend dans la colonne et une vapeur s'y élève de façon que la vapeur puisse s'enrichir en élément le plus volatil du liquide. Dans un appareil de retenue, une vapeur contenant des gouttelettes de liquide est amenée à traverser par exemple vers le haut une colonne et les gouttelettes sont enlevées dans l'appareil. Dans tous ces cas, il est classique de prévoir un garnissage à l'intérieur de la colonne ou de la tour pour assurer la distribution des fluides à travers les branches de la colonne et pour amé- liorer le mélange et la mise en contact. Une efficacité maximale de la colonne se présente quand le liquide et la vapeur sont tous deux uniformément répartis sur la section de la colonne et sur sa hauteur, ce qui dépend dans le cas du liquide de l'effet du garnissage sur le parcours d'écoulement du liquide t ainsi le garnissage peut avoir tendance à favoriser ou à réduire lsnniforsit du liquide. L'absence de l'obtention d'une répartition uniforme peut s'appeler une mauvaise répartition. Les effets d'une mauvaise répartition deviennent souvent plus prononcés pour de faibles taux de reflux et avec des colonnes de hauteur augmentée et ils sont d'une grande importance dans l'utilisation industrielle de ces colonnes. On a proposé bien des formes d'éléments de garnissage et une forme utilise des étoffes tissées ou tricotées en matières filamen- teuses. En particulier, il est connu de tricoter un tube ou une gaine en matière filamenteuse, d'aplatir le tube ou la gaine en un ruban ayant des bords latéraux parallèles, de plisser le ruban pour former en alternance des nervures et cannelures s' étendant entre les dits bords latéraux et inclinées sur la normale aux bords et d1 enrouler le ruban plissé autour d'un axe normal aux bords latéraux pour former une cartouche qui est placée en service de façon à présenter son axe verticalement. On a aussi proposé de former une cartouche analogue de façon générale à partir d'un ruban plissé analogue et de plier le ruban alternativement de façon à former une configuration en zig-zag ou sinueuse au lieu de l'enrouler autour de l'axe, puis d'aplatir l'une sur l'autre les parties situées entre des plis adjacents. In est connu aussi d'utiliser une gaze tissée, plissée de façon analogue et disposée dans une configuration parallèle. Le but de la présente invention est de fournir un élément de garnissage ayant un effet amélioré de répartition. Conformément à l'invention, on propose un élément de garnissage pour un appareil de mise en contact ou de retenue de fluides, comprenant un corps allongé sous forme de bande en matière filamen- teuse tricotée ou tissée, enroulée ou repliée autour d'un axe ou d'axes transversaux par rapport à la longueur du corps de façon que des zones du corps soient en superposition les unessur les autres, le corps étant formé de façon que la densité de la matière filamenteuse dans le corps soit plus grande à un bord marginal qu'au bord marginal opposé. On décrira maintenant plus partculièrement, à titre d'exemples, diverses formes d'exécution de l'invention en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une coupe schématique d'une partie de colonne montrant des éléments de retenue et des éléments de garnissage dans cette colonne les figures 2 à 6 sont des vues schématiques montrant les stades de la fabrication des éléments de redistribution de la figure 1 la figure 7 est une vue semblable à la figure 6, mais montrant une première variante ; et les figures 8 à 11 montrent quatre autres variante et elles correspondent au stade de la figure 4 dans la fabrication des éléments. En référence maintenant au dessin, la colonne représentée sur la figure 1 est munie d'un garnissage 20 comprenant des anneaux de verre, qui peuvent être par exemple d'un diamètre de 25 mm et d'une longueur de 25 mm ou de même diamètre mais de longueur moindre, "versés" au hasard dans la colonne de façon à reposer au hasard. Ces anneaux assurent la mise en contact d'un liquide et d'une vapeur circulant en contre-courant mais, quand on les utilise sur une longueur quelconque, ils établissent une mauvaise répartition. Ils sont donc séparés en portions finies par les éléments redistributeurs 22 de l'invention. Dans une première version préférée de linvention, un tube ou une gaine 24 (figure 2) est tricoté en fils utilisant plusieurs filaments pour la constitution du fil et le tricotage utilise des mailles glissées de façon àcréer une densité différente par unité de surface, par exemple une densité double dans la zone 26 des figures 2 et 3 par comparaison avec la densité dans la zone 28. Les zones de forte densité sent placées sur un diamètre du tube. On aplatit ales le tube pour faire un ruban en superposant les sones de haute densité et on plisse diagonalement conne indiqué ei 30 pour l'obtention d'une forme en profondes dents de scie dans une coupe paralle aux bords latéraux du ruban, puis on plie longitudimalement comme indiqué sur la figure 4 en disposant les zones à haute densité le long du plis Le ruban plié est alors doublé comme indiqué sur la figure 5, puis enroulé an spirale comme on la représenté en plan sur la figure 6. L'enroulement peut être maintenu en forme par des fils, des agrafes ou des moyens analogues ou bien dans un étui ou une cage en fil fin. L'élément complété est placé de façon à présenter vers le bas sa zone à forte densité. Dans la variante représentée sur la figure 7, l'élément de la figure 5 est pliée en zig-sag avec une boucle d'encerclement final du ruban plié pour constituer une variante d'é 'éléments de redistribution. De façon générale, l'élément de la figure 6 et de la figure 7, en plus de redistribuer les fluides et de favoriser leur mélange, tendra à écarter le liquide des parois de la colonne. Si on l'utilise exclusivement comme garnissage, il parant préféra- ble d'alterner les versions des figures 6 et 7. Bien que beaucoup d'applications de l'invention puissent utiliser des rubans avec des parties de deux densités différente, comme on lia décrit ci-dessus, il est possible aussi d'utiliser par exemple trois densités différentes. Dans de tels cas, les volumes de l'ensemble situés en haut peuvent titre de la densité la plus faible. Bien que la disposition de densités plus fortes à la base du ruban exclusivement puisse donner des résultats satisfaisants, on peut trouver qu'il J a une difficulté pour l'enroulement en cartouches cylindriques dans de tels cas et la densité la plus fort. peut titre utilise par exemple sur les deux tiers inférieurs de la hauteur de la cartouche pour éviter des difficultés de ce g.mre. En En variante, une gaine constituée de façon générale comme indiqué sur la figure 2 mais munie d'une seule zone de forte densité au lieu de deux peut être aplatie de façon que la dite zone se trouve symétriquement par rapport à la ligne de pliage et le ruban ainsi formé peut Titre superposé à un second ruban analogue mais avec superposition des zones de forte densité de l'un des rubans sur la zone de densité normale de l'autre ruban, les deux rubans pouvant alors être formés en cartouche après plissage et une telle cartouche aura des zones de forte densité aux deux extrémités axiales. il sera plus facile de l'enrouler ou de la plier tout en maintenant la forme cylindrique et sans introduire une forme évasée et la cartouche peut titre utilisée en présentant vers le haut l'une quelconque de ses extrémités. Dans ce cas, l'un des rubans peut être considéré comme le ruban fonctionnel pour le but de l'invention, ce ruban étant celui présentant la densité la plus forte à son extrémité inférieure. il y aura un écoulement préférentiel vers les zones à forte densité et par suite mélange et redistribution dans ces zones de plus forte densité. Les deux rubans peuvent titre légèrement décalés l'un par rapport à l'autre en direction verticale en service. Pour l'obtention de la caractéristique préférée en question d'une plus faible densité dans la zone de la cartouche qui forme la partie haute en service, les bords latéraux du ruban avant pliage peuvent être coupés comme indiqué en 32 sur la figure 8 et après formation de la cartouche la partie du bord supérieur du ruban plié et aplati comprendra les deux épaisseurs de ruban mais sans filaments s'étendant d'une face d'une partie ae ruban à la face opposée de cette partie et de façon analogue pour l'antre partie de ruban. ainsi, quand cette opération de coupe est effectuée, la densité peut entre pratiquement uniforme à travers le ruban sauf pour les bords supérieur et inférieur, les bords supé- rieurs ayant une densité réduite au-dessous de la normale et les bords inférieurs ayant la densité augmentée au-dessus de la normale. Au lieu de former simplement le ruban avec un seul pliage symétrique sur la longueur du ruban, le pliage peut être asymétri- que conne sur la figure 9 ou bien la densité augmentée peut s'obtenir par d'autres moyens, par exemple par pliage le long de trois lignes parallèles de façon à fermer, conne représenté sur la figure 10, une configuration générale en U qui est placée de façon que les quatre épaisseurs du ruban original et deux des plis soient placés à la base de la cartouche. Encore en variante, la densité des filaments peut encore entre augmentée par d'autres moyens, par exemple par mise en place de matière filamenteuse additionnelle 34, qui peut être la même matiere que celle utilise pour tricoter la gaine initiale ou éventuellement une matière différente, à l'intérieur de la gaine avant son aplatissage comme indiqué sur la figure 11.Par exemple, on peut introduire dans la gaine une bande étroite de gaze, une autre partie tricotée ou un faisceau de fibres Dans cette éventualité, il est désirable qu'une opération d'aplatissage préliminaire soit effectuée sur la gaine de façon à créer un repli défini ou une poche dans laquelle on introduit la gaze ou les fibres avant l'aplatissement final et le plissage qui peuvent fixer les filaments additionnels solidement en place. Le procédé préféré pour l'obtention des densités différentes est de modifier le nombre de mailles dans l'opération de tricotage ou le nombre de filaments utilisés pour la chaîne et/ou la trame par unité de surface. ainsi, on peut tricoter un tube en doublant par exemple le nombre de mailles sur une longueur du tube0 Le tube peut alors être aplati symétriquement par rapport à la zone de forte densité et plissé, puis simplement enroulé en cartouche et aucune autre opération ntest nécessaire. Des considérations analogues s'appliquent si la matière de départ est tissée au lieu d'8tre tricotée. On a trouvé expérimentalement que le liquide s'écoulant à travers une cartouche fabriquée selon l'invention tend à se rassem- bler dans le ruban dans la zone la plus basse de la plus forte densité avec mélange et redistribution dans cette zone avant de descendre dans la colonne sous forme redistribuée et par suite la répartition de l'écoulement est améliorée par la cartouche selon l'invention. Si le haut de la cartouche présente une faible densité de filaments, il y a un mélange amélioré de la vapeur s' écoulant en sens inverse et avant qu'elle quitte l'élément et cela améliore encore la performance avec une plus faible chute de pression. La cartouche selon leinvention peut Fre employée comme mentionné non seulement pour des garnissages eux-mSmes mais aussi comme élément distributeur (c'est-à-dire en haut de la colonne) et élément de redistribution et utilisée en variante avec des dimensions semblables à celles d'éléments normaux de garnissage ou pièces de garnisiqe ou bien elle peut store de longueur axiale moindre. L'efficacité d'un élément de garnissage utilisé pour certains buts, en particulier pour la distillation et l'absorption, peut être appréciée par la H.E.P.T., c'est-à-dire par la hauteur équivalente à un plateau théorique, de ce garnissage particulier, la performance étant d'autant meilleure et l'élément de garnissage d'autant plus efficace que la H0E0P.T. est plus faible. Des expériences ont été effectuées en prenant des gaines de matière filamenteuses tricotées, en aplatissant le tube, en le plissant et en l'enroulant en une série de cartouches. Une telle première cartouche avec distribution uniforme des mailles avait son ruban coupé le long d'un bord latéral avant son enroulement et le bord coupé a été placé en bas de façon que la densité filamenteuse était diminuée à l'extrémité inférieure de la cartouche. Les cartouches ont été utilisées comme pièces de garnissage proprement dites. Dans un essai avec le systerne comprenant de l'alcool étilyli- que et de llalcool n-propylique, la H0E.P.T. a varié de 229 à 381 mm selon le taux d'ébullition. Une autre cartouche analogue a ensuite été soumise à 15essai avec le même système dans la m8ne colonne mais sans avoir de bord coupé (et par suite en ayant la même densité filamenteuse aux deux extrémités de la cartouche) et on a obtenu une H.E.P.T. augmentant de 102 à 178 ma selon le taux d'ébullition. Un essai a ensuite été conduit avec utilisation d'un ruban analogue qui était plié par moitié suivant sa longueur et ce ruban a été utilisé à la fois comme distributeur et comme redistributeur dans la même colonne avec le même systeme que ci-dessus, la cartouche étant disposée de façon que la ligne de pliage soit à la base (de façon à donner une densité filamenteuse plus forte dans cette région) et la H.E.P.e. a varié selon le taux d'ébullition de 76 à 101 mm. Ce degré d'amélioration dans ce dernier résultat est à considérer comme un résultat particulièrement surprenant et favorable avec le système en question. Les mêmes cartouches ont été utilisées dans un autre essai mais en position inversée, de fagon que les zones de plus forte densité soient placées en haut de la cartouche au lieu d'entre à la base et la H.E.P.T. a augmenté notablement. Dans d'autres essais utilisant une colonne d'un diamètre de 152 mm pour le fractionnement d'alcool éthylique et d'alcool n-propylique avec utilisation d'anneaux de verre mentionnés en référence à la figure 1 (seuls) la H.s.POLO a été de 330 mi pour un reflux total et de 508 us pour un rapport liquide/vapeur de 0,5. Dans le même système, l'interposition de deux redistributeura, d'une profondeur de 51 mm chacun et à un écartement de 254 mm dans ce garnissage, et constitués selon les figures 2 à 6 avec le même taux d'ébullition, la H.E.P.T. a été améliorée à 254 se n au reflux total et à 279 mm pour un rapport liquide-vapeur de 0,5. Dans un autre essai dans une colonne de 152 n pour le même fractionnement avec utilisation de pièces de garnissage tricotées enroulées mais sans application de l'invention, empilées sur une hauteur de 60 cm, la H.E.P.T. a été de 76 mm au reflux total et de 267 mm pour un rapport de reflux liquide/vapeur de 0,6. Quand les pièces de garnissage étaient en alternance avec celles des figures 2 à 6, avec utilisation d'un garnissage standard de 101 mm et d'un garnissage selon l'invention de 51 mi en alternance, la H.E.P.T. a été améliorée à 203 mm pour le rapport de 0,6. Comme mentionné précédemment, les éléments de l'invention peuvent aussi s'appliquer pour la retenue de liquide entraîné dans des systèmes de liquide-vapeur pour retenir le liquide dispersé ou coalescent. R E V E N D I C A T I O N S. 1. élément de garnissage pour un appareil de mise en contact ou de retenue de fluides, comprenant un corps allongé sous forme de bande en matière filamenteuse tricotée ou tissée, enroulée ou repliée autour d'un axe ou d'axes transversaux par rapport à la longueur du corps de façon que des zones du corps soient en superposition, le corps étant formé de façon que la densité de la matière filamenteuse dans le corps soit plus grande à un bord marginal qu'au bord marginal opposé. 2. Elément selon la revendication 1 dans lequel la densité la plus forte est obtenue par tissage de la matière avec un plus grand nombre de filaments ou fils de chaSne ou de trame. 30 Elément selon la revendication 1, dans lequel la densité la plus forte est obtenue par tricotage de la matière avec un plus grand nombre de filaments ou de mailles. 4. Elément selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel le dit corps comprend un ruban en matière filamenteuse tricoté ou tissé. 5. Elément selon lune quelcongue des revendications 1 à 3, dans lequel le dit corps comprend un ruban en matière filamenteuse tricoté ou tissé et dans lequel l'augmentation de densité s'obtient par pliage du ruban autour d'un axe s'étendant longitudinalement. 6. élément selon la revendication 4 on la revendication 5, dans lequel une densité réduite est assurée par coupe d'un bord du ruban. 7. Elément selon la revendication 1, dans le lequel l'augmentation de-densité s'obtient par insertion, dans le corps, de matière additionnelle ajoutée à la matière tissée ou tricotée. 8. élément selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dit corps est constitué par une gaine en matière filamenteuse tricotée ou tissée qui est aplatie pour former un ruban. 9. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dit corps est enroulé ou plié en superposition avec un second corps en matière filamenteuse tricotée ou tissée. 10. Procédé pour fabriquer un élément de garnissage, caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations consistant à tricoter un tube ou une gaine avec des zones de densités de mailles différentes, à aplatir le tube ou la gaine et à plier ou enrouler ce corps en une cartouche de façon qu'une zone ou des zones de plus forte densité se trouvent à une extrémité de la cartouche et qutune zone ou des zones de densité moindre se trouvent à l'autre extrémité de cette cartouche. 11. Colonne verticale d'un appareil de mise en contact ou de retenue de fluides, à travers laquelle passent un ou des fluides, caractérisée par un ou plusieurs éléments de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 placés dans la dite colonne en présentant leur partie de plus forte densité disposée vertica- lement au-dessous de la partie de densité moindre.