Brevet FR2556978A1 — publié le 19850628

La présente invention se rapporte à des plateaux échan- geurs utilisés dans des colonnes de distillation et d'absorp- tion, qui sont superposés à distance les uns des autres à l'intérieur d'une enveloppe de colonne ininterrompue, ces plateaux étant percés de trous cylindriques pour le passage traversant d'un flux de vapeur ou de gaz, étant munis d'un rebord de retenue pour former une couche de liquideau-dessus desdits plateaux, et formant des orifices de trop-plein qui sont agencés en décalage d'un étage à un autre. Des plateaux échangeurs de ce type sont utilisés dans des colonnes dans lesquelles une grande surface de contact est nécessaire entre du liquide et de la vapeur ou du gaz, et notamment dans les cas dans lesquels le débit volumique du gaz est très grand par rapport au débit volumique du liquide, et dans lesquels il est en même temps important que la perte de pression accusée par le flux gazeux dans la colonne demeure modeste. On connaît de nombreux types de plateaux échangeurs (DE-C-1 253 672). D'après le document de R.J.P. Brierley, P.J.M. Whyman, J.B. Erskine intitulé "Flow-Induced Vibra- tion of Distillation and Adsorption Column Trays", troisième symposium international de la distillation, 1979, publié par la "Institution of Chemical Engineers", Rugby, Royaume-Uni, volume I, pages 2.4/45 à 2.4/63, et d'après le document de G.H. Priestman, D.J. Brown, H.K. Kohler intitulé "Pressure Pulsations in Sieve-Tray Columns", troisième symposium inter- national de la distillation, 1979, publié par la "Institution of Chemical Engineers", Rugby, Royaume-Uni, volume I, pages 2.4/1 à 2.4./16, on sait que des plateaux de colonnes de distillation et d'absorption peuvent être soumis, de la part du flux de vapeur ou de gaz qui les traverse, à de violentes vibrations qui, avec une amplitude correspondante, peuvent provoquer des ruptures de fragilité dues à une fatigue de la mati6re, et donc une destruction de la colonne. Il peut en résulter, outre des défaillances de production lourdes de conséquences, la nécessité de nouveaux investissements onéreux. Pour le fabricant de la colonne, les actions en recours qui en résultent peuvent impliquer de dures pertes financières. Cela est d'autant plus cruel que les spécialistes ont été confrontés au fait que la cause des vibrations n'était pas encore connue et que, par conséquent, aucune possibilité n'était offerte au stade de la construction pour prévenir ce phénomène. Sauf à avoir déjà acquis des expériences préalables fondées sur une conception identique antérieure, on n'était jamais s r, jusqu'à la mise en service d'une colonne, de savoir si les plateaux accuseraient ou non des vibrations et, dans le cas o il se produisait de telles vibrations, le seul recours possible était limité à une démarche purement empirique. Des expériences, consistant à faire traverser le liquide par du gaz sur un plateau échangeur percé de trous cylindriques de section circulaire, ont révélé que, dans' les limites de conditions de fonctionnement habituelles, tout le flux gazeux traversant le plateau se compose d'un grand nombre d'impulsions d'écoulement diffusé dont la durée est exprimée par l'équation 3 2 L dans laquelle fL représente la densité du liquide, R est le rayon du trou et a indique la tension superficielle du liquide. Ces impulsions d'écoulement diffusé provoquent de fortes vibrations dans le plateau échangeur. L'invention a pour objet de proposer un plateau échan- geur dont on puisse affirmer avec certitude, dès le stade de construction, qu'il ne vibrera- jamais en service. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que les plateaux reçoivent une fréquence propre satisfai- sant à la condition: 3 n 2 fB 2 P R3 dans laquelle n est un nombre entier égal ou supérieur à 1, et valant de préférence 1 ou 2; c indique la tension superficielle du liquide sur le plateau à la température de fonctionnement; PL représente la densité du liquide sur ledit plateau à la température de fonctionnement et R est le rayon des trous. Si le fabricant respecte la condition proposée par l'invention, il peut être sûr qu'aucune amplitude notable ne se manifestera en service et que, par conséquent, les plateaux seront protégés d'une détérioration. Etant donné que de grandes valeurs de n impliquent une forte épaisseur de la tôle constituant le plateau, et donc des frais plus élevés, on travaillera en général avec n égal à 1 ou à 2. Les techniciens du génie chimique communiquent préalablement au constructeur du plateau échangeur le diamètre interne de la colonne, la somme de toutes les sections des trous, la hauteur des couches de liquide situées sur les plateaux, ainsi que la densité et la tension super- ficielle du liquide. Le constructeur choisit lui-même l'épaisseur de la tôle constituant le plateau ainsi que la matière utilisée pour fabriquer celui-ci. Il peut ensuite réaliser ledit plateau, puis calculer la fréquence propre de celui-ci d'après des règles d'exploitation connues ("W. Flugge: "Handbook of Engineering Mechanics", McGraw-Hill Book Company, New York, 1962, Chapitre 61.8, pages 61-21; programme de calcul SAP IV du College of Engineering, University of California, Berkeley, juin 1973, intitulé "Structural analysis program for static and dynamic response of linear systems"; la prise en considération de l'affaiblissement du plateau à cause des trous ayant lieu sur la base des "ASME Calculation Standards", section 8, division 2, figure 4-920.1, page 388, publiées par le United Engineering Center, 345 East 47 th Street, New York, 1972). Pour remplir la condition conformément à l'invention, le fabricant peut ensuite, d'après la formule selon l'invention, 3'5 déterminer le rayon R des trous et éviter ainsi à coup sûr, que les plateaux accusent des vibrations en service. Dans le cas de plateaux échangeurs déjà construits et préexistants, la condition selon l'invention peut être satisfaite après coup lorsqu'on réalise le rebord de retenue du plateau avec faculté d'ajustement, ce qui permet de faire varier adéquatement la hauteur du rebord. Si l'on diminue la hauteur de ce rebord, et donc la hauteur de la couche de liquide située sur le plateau, il en résulte un accroissement de la fréquence propre du plateau soumis à l'action du liquide. Ainsi, la condition selon l'invention peut être satisfaite après coup à l'aide des moyens les plus simples. Dans le cas d'un plateau déjà réalisé, la condition conformément à l'invention peut aussi être atteinte quand les trous sont munis de pièces insérées inter- changeables, ce qui permet de faire varier à volonté les rayons de ces trous. D'après la formule selon l'invention, un agrandissement des trous se traduit par une diminution de la fréquence propre du plateau qui est au moins néces- saire à un fonctionnement exempt de vibrations avec n = 1, si bien que l'utilisation de pièces insérées avec des trous agrandis permet de modifier un plateau présentant initiale- ment une fréquence propre trop faible, de telle sorte que la condition selon l'invention soit satisfaite. S'il n'est pas possible de faire varier la hauteur des rebords ou. les sections des trous, la condition selon l'invention peut aussi être atteinte, après coup, en dotant les plateaux d'organes supplémentaires de rigidification. Ces organes de rigidification doivent alors être réalisés de façon que les plateaux ainsi équipés satisfassent à la-condition selon l'invention. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs, et sur lequel: la figure 1 est une coupe transversale fragmentaire de la colonne; la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une représentation à échelle agrandie du rebord ajustable; la figure 4 illustre une forme de réalisation des trous; la figure 5 est une représentation à échelle agrandie des pièces insérées dans ces trous; et la photographie I montre un plateau détruit,qui ne satisfaisait pas à la condition selon l'invention. Des plateaux échangeurs 2, superposés à distance les uns des autres dans l'enveloppe ininterrompue 1 d'une colonne de diamètre intérieur D, sont percés de tÉous cylindriques 3. Ces plateaux sont ralisés de façon à donner naissance à des ofifices de trop-plein 16 agencés avec décalage d'un plateau à un autre. Chaque plateau 2 est doté d'un rebord de retenue 4, si bien qu'une couche de liquide 5 peut se former au-dessus de chaque plateau. Pour pouvoir faire varier la hauteur H des rebords, le rebord 4 est pourvu d'une collerette 6 réglable en hau- teur, dans laquelle sont pratiqués des trous oblongs 9. Des trous 8 percés dans le rebord 4 du plateau 2 et les trous oblongs 9 de la collerette 6 reçoivent des boulons 10 autorisant un coulissement de ladite collerette 6. Au lieu d'utiliser le rebord réglable en hauteur, les conditions conformément à l'invention peuvent être satis- faites après coup par le fait qu'on fait varier le rayon des trous. A cet effet, on a prévu une pièce insérée 11 selon la figure 5, qui peut consister en une matière plastique ou en du caoutchouc et présente des bourrelets 12 sur ses bords externes. En fonction du diamètre d = 2R nécessaire pour remplir la condition selon l'invention, ces pièces insérées 11 sont introduites ultérieurement dans les trous 3 déjà pratiqués. Du fait qu'elles consistent en une matière plastique ou en du caoutchouc, elles peuvent être insérées durablement par déformation élastique. Si le fabricant souhaite réaliser d'emblée le plateau 2 aussi mince que possible, il peut, pour rigidifier celui-ci, équiper les trous d'empreintes repoussées 13 en forme de buses orientées vers le haut ou vers le bas (figure 4), encore qu'il convienne de faire observer que le calcul de la fréquence propre d'un plateau ainsi réalisé est très compliqué, mais qu'il peut être effectué avec des procédés de calcul connus. Il est en outre possible, dans une forme de réalisation optimale du plateau échangeur satisfaisant à la condition selon l'invention, de prévoir des tirants d'ancrage 15 connus par eux-mêmes et intercalés entre des plateaux individuels et sur lesquels ces plateaux sont en appui. La rigidification des plateaux 2 peut être assurée par une matière en cornière 14, qui est reliée auxdits plateaux par soudage, vissage ou rivetage. La photographie I montre un plateau échangeur 2 fissuré par suite d'une fatigue due aux vibrations, et au moyen duquel il convient d'expliquer la signification de l'inven- tion. Pour ce plateau détruit, le nombre n a été déterminé égal à 0,52 au moyen de la formule selon l'invention. Ainsi, il accusait un fort écart par rapport à la condition confor- mément à l'invention. Sur ce plateau connu, on a pu observer que de fortes vibrations se manifestaient en service et, déjà après une courte période, 65 % de tous les plateaux de cette colonne étaient fissurés de la manière illustrée. Il était ainsi démontré que, lorsque n possède une valeur inférieure à 1, il se produit une apparition de vibrations entraînant de fortes détériorations. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au plateau et à la pièce insérée décrits et représentés, sans.sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Plateau échangeur pour colonnes de distillation et d'absorption à l'intérieur de l'enveloppe ininterrompue (1) desquelles des plateaux sont superposés à distance les uns des autres, sont percés de trous cylindriques permettant le passage traversant d'un flux de vapeur ou de gaz, sont munis d'un rebord de retenue pour former une couche de liquide au-dessus desdits plateaux et délimitent des orifices de trop-plein qui sont agencés avec décalage d'un étage à un autre, plateau caractérisé par le fait qu'il (2) est doté d'une fr6q(uerice propre fB satisfaisant à la condition fB 3 n /2 a B 23 2 PLR3 dans laquelle n est un nombre entier égal ou supérieur à 1 et valant de préférence 1 ou 2; a est la tension superficielle du liquide sur le plateau à la température de fonctionnement; fL représente la densité du liquide sur le plateau à la tempé- rature de fonctionnement et R est le rayon des trous. 2. Plateau échangeur selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que la hauteur (H) du rebord de retenue (4,6) est ajustable. 3. Plateau échangeur selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que les trous (4) pratiqués dans les plateaux (2) présentent des pièces insérées interchangeables (11). 4. Plateau échangeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lI pièce ins6r6e (11) consis:e en une matière plastique ou en du caoutchouc et présente, sur ses deux bords, des saillies en forme de bourrelet (12). 5. Plateau échangeur selon la revendication 1, carac4- térisé par le fait que les plateaux (2) sont pourvus d'organes supplémentaires de rigidification (14). 6. Plateau échangeur selon la revendication 5, caracté- risé par le fait que la rigidification consiste en ce que les trous (3) comportent des empreintes repoussées (13) en forme de buses orientées vers le haut ou vers le bas. 7. Plateau échangeur selon la revendication 5, carac- térisé par le fait qu'il est prévu, pour la rigidification des plateaux (2), une matière en cornière (14) qui est reliée auxdits plateaux (2) par soudage, vissage ou rivetage. 8. Plateau échangeur selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que la rigidification consiste en ce que des tirants d'ancrage (15), sur lesquels les plateaux (2) sont en appui, sont prévus entre ces plateaux (2). 9. Pièce à insérer dans un plateau échangeur pour colonne de distillation et d'absorption selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle (11) - consiste en une matière plastique ou en du caoutchouc et en ce qu'elle présente, sur ses deux bords, des saillies en forme de bourrelet (12).