Brevet FR2474327A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne les appareils de mise en contact de substances présentant des phases diffé- rentes et, en particulier, des garnissages pour de tels appa- reils. Les traitements opérés selon des techniques modernes impliquent une grande variété d'opérations de mise en contact entre phases, effectuées à l'aide d'appareils qui comportent une chambre de mise en contact munie dtun garnissa- ge. On connatt deux types fondamentaux de garnissages, dits 1o garnissages en vrac et garnissages réguliers. La présente in- vention concerne les garnissages réguliers et notamment ceux formés d'un ensemble de feuilles de garnissage. A titre d'exemples d'appareils de contact entre substances ayant des phases différentes auxquels la pré- sente invention est applicable, on peut citer ceux qui assu- rent un contact gaz-liquide tels qu'appareils d'adsorption de gaz, de distillation, de chauffage et de refroidissement, humidificateurs et appareils d'oxydation biologique et de fil- tration biologique. Les réacteurs gaz/liquide et les mélangeurs, ainsi que les tours de refroidissement peuvent aussi être mu- nis de garnissages selon la présente invention. L'état de la technique dans ce domaine est représenté par les brevets britanniques Nos 1 055 797, 1 055 798, 1 073 316, 1 106 566, 1 286 244, 1 444 197, 1 559 329 et américains NOS 3 599 943, 3 450 393 et 3 415 502. Les appareils d'extraction liquide/liquide, ainsi que les réacteurs et mélangeurs liquide/liquide peuvent aussi comporter une chambre munie d'un garnissage selon l'in- vention. Le garnissage peut encore jouer le rôle de support vis-à-vis d'un catalyseur solide dans des réacteurs catalyti- ques. Le garnissage selon l'invention est également indiqué pour assurer une meilleure distribution au sein d'une couche de solides du genre prévu, par exemple, dans des réacteurs d'adsorption, d'échange d'ions et du type catalytique, o un bon contact entre un fluide et un solide est souhaitable. Dans tous ces traitements par contact entre phases différentes, il est souhaitable d'accroître au maximum le contact entre les phases mises en présence. S'il s'agit de liquides, on peut obtenir ce résultat en répartissant le liquide sur la surface d'aire importante d'un garnissage mais, isolément, cette manière de procéder laisse parfois à désirer, car des garnissages à très grande aire superficielle tendent à opposer, à leur traversée, une résistance à l'écou- lement, ce qui est désavantageux. Suivant un premier aspect de l'invention, il est prévu une feuille de garnissage pour traitement de mise en contact, cette feuille comprenant une base sensiblement plate, une pluralité de secteurs tubulaires rectilignes formés dans la feuille et dépassant alternativement d'un côté et de l'autre de la base plate, chaque secteur tubulaire étant sépa- ré de son voisin par une bande de la base sensiblement plate, et la surface du secteur tubulaire étant cannelée. Pour former un garnissage à partir de telles feuilles, on juxtapose une série de ces feuilles de façon que les secteurs tubulaires définissent un ensemble de passages, les cannelures constituant des reliefs sur les parois de ces passages. Les crêtes et les fonds des cannelures s'éten- dent de préférence dans des plans sensiblement transversaux à la direction longitudinale des secteurs tubulaires. Lorsqu'un tel garnissage est en service dans un appareil de contact entre phases, les secteurs tubulaires définissent des passages de fluide entre les feuilles juxta- posées du garnissage, tandis que les cannelures accusent la turbulence du fluide traversant ces passages. Par choix ju- dicieux des formes des secteurs tubulaires et des cannelures, on peut obtenir des garnissages assurant, selon un compromis acceptable, une très faible perte de charge à leur traversée (de sorte que la dépense d'énergie nécessaire pour faire tra- verser le garnissage à la matière soumise au contact est re- lativement faible) et un contact très efficace, accompagné d'une forte turbulence à la surface du garnissage. Il semble que la turbulence provoquée par les cannelures se combine avec elle provoquée par les bords de la bande plate en leurs points de rencontre avec les sec- teurs tubulaires cannelés pour assurer l'amélioration du pou- voir de transfert de masse observée avec les garnissages se- lon l'invention. Les bandes plates contribuent en outre à augmenter la rigidité de l'ensemble formé par la réunion de telles feuilles de garnissage. En apportant du soin à la conception, on parvient à réaliser des garnissages qui peuvent comporter un certain nombre de feuilles de forme identique assemblées en un garnissage élémentaire. Ce résultat est souhaitable en ce qu'il réduit à la fois le prix de revient des feuilles (il suffit d'un seul moule ou analogue) et la complexité de l'assemblage (lequel porte alors sur un seul type de feuilles). Les feuilles de garnissage selon l'invention se divisent en deux catégories correspondant chacune à un mode de réalisation spécifique préféré. Selon l'un de ces modes de réalisation, cha- cune des feuilles du garnissage est sensiblement rectangulaire et les cannelures primaires s'étendent parallèlement à l'un des bords de la feuille. Dans ce cas, on assemble les feuilles en des garnissages élémentaires en forme de parallélépipède droit dans chacun desquels les passages définis par les sec- teurs tubulaires s'étendent perpendiculairement à deux faces opposées du parallélépipède droit. Un tel garnissage élémentaire est particulièrement intéressant pour l'applica- tion à des traitementsde contact gaz/liquide, par exemple dans des tours de refroidissement o l'on dispose les gar- nissages de façon que leurs tubes ou passages soient sensi- blement verticaux. Les cannelures peuvent être telles que les passages aient une section droite soit constante, soit variable. On peut obtenir ce résultat en prévoyant un dé- phasage de 1800 ou moins entre les cannelures de secteurs tubulaires consécutifs. En faisant varier la relation de phase entre les cannelures de secteurs voisins, on peut par- venir à concilier de manière appropriée une perte de charge faible avec un transfert de masse optimum. Une seconde catégorie particulièrement préfé- rée de feuilles de garnissage est celle dans laquelle les feuilles de garnissage individuelles sont toutes sensible- ment rectangulaires, tandis que la direction des secteurs tubulaires fait un angle aigu, par exemple d'environ 45 , avec les bords de la feuille. On peut réaliser des garnissa- ges à partir d'une pluralité de telles feuilles en donnant aux secteurs tubulaires de feuilles consécutives des direc- tions orthogonales. On obtient ainsi une structure extrême- ment ajourée, mais enchevêtrée qui, pour des opérations de mélange de fluides, s'avère assurer un excellent brassage des fluides, avec une perte de charge faible à la traversée du garnissage et de très hauts coefficients de transfert de masse ou de chaleur. Dans les deux catégories sus-citées, on fait aisément en sorte que les points de rencontre auxquels deux sections consécutives sont maintenues l'une contre l'autre soient régulièrement espacés, et situés sur les crêtes des cannelures. Même si les directions des secteurs tubulaires de feuilles consécutives font ensemble un angle autre que de O ou 900, on peut, en établissant une relation appro- priée entre la "longueur d'onde" des cannelures et le pas des secteurs tubulaires, adopter tout angle intermédiaire sans cesser dobtenir, entre feuilles voisines, un motif régulier de points de contact situés sur les crêtes des cannelures en vue de fixer les feuilles les unes aux autres. Les feuilles de garnissage peuvent être fabriquées à partir de matières très diverses par des métho- des appropriées pour ces matières. Des feuilles particuliè- rement intéressantes sont celles réalisées en matière ther- moplastique en feuille par formage sous vide ou sous pres- sion ou par une technique de moulage adéquate. On peut obte- nir des feuilles de garnissage métalliques,par exemple par tra- vail à la presse, mais il faut alors avoir soin de concevoir leurs cannelures de façon que le métal puisse bien prendre, sous l'action de la presse, la forme souhaitée. Il peut s'avérer nécessaire d'avoir recours à des alliages fortement plastiques ou déformables pour obtenir les cannelures sou- haitées. La matière formant la feuille peut être soit homogè- ne et imperméable aux liquides, soit être perforée ou avoir une structure déployée. La feuille peut aussi être en matière tissée ou tricotée. Outre les secteurs tubulaires et les canne- lures, chaque feuille peut présenter une formation de canne- lures ou ondulations secondaires, petites par rapport aux cannelures des secteurs tubulaires. Ces cannelures secondaires favorisent l'étalement de liquide sur la surface de la feuille dans des opérations de contact entre gaz et liquide. Pour qu'il soit plus facile d'assembler les feuilles ensemble, on peut prévoir un certain nombre d'élé- ments de jonction, par exemple bosses ou méplats, qui vien- nent se juxtaposer lorsqu'on réunit deux feuilles au cours de l'assemblage et qui peuvent être complémentaires, par exemple éléments males et femelles emboîtables, ou être fixés deux à deux, par exemple par des attaches, agrafes ou liens ou par collage ou soudage. On peut faire varier l'espacement entre les feuilles selon l'emplacement de ces éléments de jonction et/ou en faisant varier la hauteur à laquelle ceux- ci font saillie par rapport à la base plate de la feuille. On ajuste aisément cette hauteur de saillie dans le cas de formage sous vide de feuilles thermoplastique en prévoyant dans l'outil de moulage, pour façonner les éléments de jonc- tion, des jeux interchangeables de bosses et creux ayant des hauteurs et profondeurs différentes. La configuration précise des secteurs tubu- laires et des cannelures peut varier beaucoup. Une configu- ration de secteur tubulaire particulièrement intéressante a une section sinusoïdale définie par une succession de segments semi-circulaires saillant alternativement d'un côté et de 2474327. l'autre du plan de la feuille, défini par la base sensible- ment plate. Une configuration préférée de cannelures est celle pour laquelle la paroi de tube est définie, en coupe longitudinale, par une série de segments arqués alternative- ment dirigés en sens opposés et reliés par des segments de liaison rectiliges relativement courts. On peut réaliser des garnissages selon l'in- vention à partir d'un certain nombre de garnissages élémen- taires tels que décrits, de préférence en forme de parallélé- pipède droit. Pour consolider de tels blocs rectangulaires, on peut les entourer d'une ceinture ou enveloppe. Une enve- loppe de résille en matière plastique est indiquée pour un certain nombre d'applications. Eventuellement, on peut interposer entre feuilles consécutives des garnissages élémentaires des feuil- les continues de matière ajourée, telle qu'étoffe fibreuse, qui s'étendent sensiblement à plat et augmentent l'aire su- perficielle globale du garnissage. Les dimensions matérielles des secteurs tubulaires, des cannelures et des feuilles de garnissage in- dividuelles, ainsi que des garnissages élémentaires réalisés à partir de ces feuilles, peuvent varier beaucoup et dépen- dent de l'application particulière envisagée. Pour applica- tion au refroidissement d'eau, on peut prévoir une feuille carrée de 30 à 240 cm de côté, et assembler de telles feuil- les en un cube ayant, par exemple, 30 à 240 cm de haut. Dans un tel cas, le pas des secteurs tubulaires situés du même côté de la base plate peut être de 2,5 à 20 cm, la "longueur d'onde" des cannelures de 0,5 à 20 cm, l'amplitude des canne- lures de 0,25 à 5 cm et le pas des feuilles de 3 à 30 cm. Ainsi, on peut prévoir typiquement un pas de secteurs tubu- laires de 7 cm, une "longueur d'onde" de cannelures de 7 cm, une amplitude de cannelures de 6 mm, une largeur de base plate de 3 mm et un pas de feuilles de 3 cm. Le pas des feuil- les peut être inférieur à 3 cm, et, par exemple, ne pas 2474327 i dépasser 1 cm ou même moins pour application à des échangeurs de chaleur à plaques. La largeur des bandes de base sensiblement plate peut être constante ou varier (selon que les cannelures de secteurs tubulaires voisins sont ou non en phase). Un inter- valle type de largeur va de 2 à 10 mm, mais la largeur peut même devenir nulle en certains points de la longueur de la bande o les secteurs tubulaires situés de part et d'autre de la bande ne sont pas en phase. Au lieu de feuilles carrées, on peut prévoir des feuilles rectangulaires réunies en des assemblages en forme de parallélépipède droit. Eventuellement, dans certaines applications, on peut fixer au garnissage des dispositifs d'arrivée de flui- de de façon qu'un ou plusieurs ensembles de passages tra- versant le garnissage soient isolés d'autres passages traver- sant ce dernier. De tels agencements peuvent être intéressants pour des opérations de transmission de chaleur o l'on ne souhaite pas mettre en contact les phases fluides entre les- quelles a lieu l'échange de chaleur. On peut encore rigidi- fier les bords des feuilles, par exemple avec des profilés en équerre ou en té, pour renforcer l'ensemble et, en parti- culier les bords de l'assemblage là ou ils reposent sur le bâti de support du garnissage, par exemple dans une tour de refroidissement. Les dessins annexés représentent deux gar- nissages élémentaires selon l'invention. La figure 1 montre un garnissage élémentaire dans lequel la direction des secteurs tubulaires est incli- née à 45 sur les bords des feuilles sensiblement rectangu- laires formant le garnissage élémentaire. La figure 2 montre un garnissage élémentaire dans lequel les secteurs tubulaires s'étendent parallèlement à deux côtés opposés des feuilles carrées formant le gar- nissage élémentaire. 2474327 i Sur la figure 1, chaque feuille de gar- nissage présente des secteurs tubulaires A, des cannelures B, et des bosses et creux sur toute sa surface. La figure 2 représente un garnissage dont chaque feuille comporte des secteurs tubulaires C, des canne- lures D, et des bosses et creux sur toute sa surface. Les passages définis dans le garnissage selon la figure 2 sont tous parallèles. Ceux définis dans le garnissage selon la figure 1 constituent deux ensembles de passages parallèles ayant des directions orthogonales comme indiqué par des flèches. En service en tant que garnissage dans une tour de refroidissement (o de l'eau tiède est refroidie par de l'air s'écoulant à contre-courant), les éléments de gar- nissage réalisés selon la présente invention avec des canaux verticaux s'avèrent avoir une efficacité très nettement accrue par rapport à la structure préférée décrite dans le brevet britannique n0 1 286 244. Par exemple, avec une charge d'eau de 7 322 kg/h/m et une vitesse *d'air de 213 cm/s,le taux de transfert de masse,exprimé en hauteur d'unité de transfertest de 122 cm. Pour atteindre ce taux de transfert de masse avec la structure décrite dans ce brevet n0 1 286 244, la superficie de feuille de matière plastique nécessaire est de quelque % plus grande que selon la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Feuille de garnissage pour mise en con- tact de substances présentant des phases différentes caracté- risée en ce qu'elle comprend une base sensiblement plate, et une pluralité de secteurs tubulaires rectilignes parallèles (A,C) formés dans la feuille et saillant alternativement d'un côté et de l'autre du plan de la base plate, chaque secteur tubulaire étant séparé de son voisin par une bande de la base sensiblement plate, et la surface du secteur tubulaire étant cannelée. 2.- Feuille de garnissage selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que lescrêtes et les fonds des cannelures (B,D) s'étendent dans des plans sensiblement trans- versaux à la direction longitudinale du secteur tubulaire. 3.- Feuille de garnisssage selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisée en ce que les cannelures du secteur tubulaire sont telles qu'en coupe longitudinale, la paroi de ce dernier présente des segments arqués alternativement en sens opposés, reliés par des tronçons de liaison rectilignes relativement courts. 4.- Feuille de garnissage selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que cer- tains au moins des secteurs tubulaires portent des éléments de jonction façonnés et disposés de façon à épouser les élé- ments de jonction d'une feuille identique afin de permettre d'assembler les feuilles ensemble pour former un garnissage élémentaire en fixant une feuille à la suivante au moyen des éléments de jonction. 5.- Feuille de garnissage selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que les éléments de jonction sont réalisés sous forme d'éléments males et femelles emboitables. 6.- Feuille de garnissage selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est rectangulaire et en ce que les secteurs tubulaires s'éten- dent parallèlement à deux de ses bords opposés. 7.- Garnissage élémentaire formé d'une série de feuilles de garnissage selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes. 8.- Garnissage élémentaire selon la revendi- -cation 8, réalisé sous forme d'un parallélépipède droit entou- ré extérieurement par une enveloppe en résille. 9.- Appareil de contact entre substances présentant des phases différentes caractérisé en ce qu'il com- porte une feuille de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ou un garnissage élémentaire selon la revendication 8 ou 9.