Brevet FR2630819A1 — publié le 19891103

DESCRIPTION La présente invention est relative aux dispositifs d'échange de chaleur et de matière entre un liquide et un gaz, du type comprenant un paquet de lamelles ondulées disposées chacune dans un plan gr.éral vertical et les unes contre les autres, les ondulations étant obliques et descendant dans des sens opposés d'une lamelle à la suivante, les ondulations de chaque lamelle définissant des premiers et des seconds creux d'onde qui débouchent respectivement vers le bas et vers le haut sur un bord latéral de la lamelle. Ces dispositifs, souvent appelés "garnissages ondulés-croisés", posentdans leur application à la distillation un problème difficile de conservation d'une bonne distribution du liquide descendant sur toute la hauteur des tronçons de la colonne de distillation équipés de tels garnissages. En effet, le liquide a tendance à migrer vers la paroi qui entoure le garnissage par accumulation résultant d'un ruissellement soit sur cette paroi, soit le long du bord des lamelles, ce qui dégrade les performances de la colonne de distillation. L'invention a pour but de fournir un dispositif qui évite de façon particulièrement économique cet "effet de paroi". A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'échange de chaleur et de matière du type précité, caractérisé en ce que chacun desdits premiers creux d'onde comporte au voisinage de son extrémité inférieure un obstacle à l'écoulement du liquide. Pour constituer un tel obstacle, de préférence, la ligne de plus grande pente de chacun desdits premiers creux d'onde est nettement modifiée au voisinage de son extrémité inférieure par déformationde la lamelle. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les parties d'extrémité inférieure des ondes formant lesdits premiers creux d'onde sont écrasées jusque dans le plan médian de la lamelle, de façon à constituer des zones étirées ayant à peu près la forme de triangles isocèles situés alternativement des deux catés de ce plan et dont les bases se trouvent, en vue en bout, dans le prolongement les unes des autres. Pour les colonnes de diamètre relativement petit notamment (jusqu'à un diamètre de l'ordre de 1 à 2 m), il est avantageux que le paquet de lamelles soit disposé directement dans la virole de la colonne, sans contact direct avec celle-ci, une relative étanchéité étant assurée 26308 1 par interposition de plusieurs éléments séparés de faible hauteur, constitués notamment par des joints circulaires ou par des cerceaux. Pour les diamètres plus grands en particulier, le paquet de lamelles peut être maintenu dans une ceinture avec interposition de plusieurs éléments séparés de faible hauteur, constitués notamment par des nervures circulaires, pénétrant éventuellement dans le paquet. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif d'échange de chaleur et de matière conforme au mode de réalisation préféré indiqué ci-dessus. Suivant ce procédé, on part d'une bande ondulée, et l'on découpe les lamelles dans cette bande au moyen d'une cisaille. L'invention a encore pour objet une cisaille pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette cisaille est caractérisée en ce qu'elle comprend un premier couteau présentant une arête rectiligne, un presse-bande présentant un bord rectiligne situé en regard de l'arête du couteau, et un second couteau guidé le long du presse-bande. Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en perspective l'agencement général d'une colonne de distillation équipée d'un garnissage ondulé-croisé; - la figure 2 représente en perspective éclatée la constitution d'un élément du garnissage de la figure 1, avec des lamelles de structures connues; - la figure 3 est ux.e vue schématique en bout d'une lamelle d'un garnissage conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue prise en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue en plan de la lamelle de la figure 3 - la figure 6 représente en perspective la méme lamelle; - les figures 7 et 8 représentent en perspective deux autres modes de réalisation de l'invention; - - les figures 9 11l représentent schématiquement des garnissages suivant l'invention pourvus d'encoches périphériques; - la figure 12 illustre schématiquement la manière dornt un garnissage suivant l'invention peut être monté dans la virole d'une cclonne de distillation; - la figure 13 est une vue partielle prise en coupe suivant la ligne XlII-XIII de la figure 12; - la figure 14 représente un organe faisant partie d'une variante du montage de la figure 12; - la figure 15 illustre schématiquement une autre variante du montage de la figure 12; - la figure 16 illustre schématiquement une autre manière dont un garnissage suivant l'invention peut être monté dans la virole d'une colonne de distillation; - la figure 17 illustre schématiquement une variante du montage de la figure 16; - les figures 18 et 19 représentent schématiquement, en coupe longitudinale, une cisaille destinée à la réalisation des lamelles suivant l'invention; et - la figure 20 est une vue suivant la ligne XX-XX de la figure 18. La figure 1 illustre l'agencement général de la partie courante d'une colonne de distillation, par exemple de distillation d'air. Cette partie courante comprend essentiellement une virole cylindrique 1 dans laquelle sont empilés des éléments de garnissage 2 de forme générale cylindrique. Chaque élément 2, du type dit "ondulé-croisé", comprend un paquet de lamelles 3 ayant une forme générale rectangulaire et ondulées en oblique, les ondes ayant de préférence un profil triangulaire. Le sens d'inclinaison des ondes est inversé d'une lamelle e la suivante, comme on le voit bien à la figure 2. Toutes les lamelles d'un même élément sont disposées dans des plans verticaux parallèles et ont la même hauteur. Par contre, leur longueur, ou dimension horizontale, croit d'une vale-r minimale, pour une lamelle extrême, à une valeur maximale pour la lamelle médiane, puis décroît de nouveau jusqu'à la même valeur minimale, pour l'autre lamelle extrême. Ainsi, lorsque toutes les lamelles sont pressées les unes contre les autres, on obtient un élément 2 de forme générale cylindrique dont le contour a été indiqué sur la figure 1. Sur chaque face, chaque lamelle comporte des sommets d'ondes 4 et des creux d'ondes 5 définissant une multitude de canaux inclinés. Les sommets 4 ont chacun une extrémité inférieure 4A et une extrémité supérieure 4B, et les creux 5 ont chacun une extrémité inférieure 5A et une extrémité supérieure 5B. Comme on le verra plus loin, l'invention ne concerne que les canaux qui débouchent latéralement, c'est-a-dire soit vers le bas sur un bord latéral vertical 6A de la lamelle, soit vers le haut sur un bord latéral vertical 6B de la lamelle. Les sommets d'onde d'une face d'une lamelle touchent ceux de la face en regard de la lamelle adjacente, en formant une multitude de points de croisement; ces derniers favorisent la distribution et la mise en contact des fluides. De plus, dans le même but, chaque élément 2 est décalé angulairement de 90 par rapport au suivant, comme on le voit sur la figure 1, et chaque lamelle comporte une multitude de perforations, non représentées au dessin. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un garnissage cndulé-croisé classique, dans lequel les lamelles ont des bords verticaux à découpe nette formant, en vue en bout, un zigzag. L'expérience montre qu'avec ces garnissages connus, l'effet de paroi, c'est-i-dire l'accumulation du liquide sur la paroi de la virole ou le long du bord des lamelles, est important, et les figures suivantes, qui représentent des garnissages suivant l'invention, permettent de résoudre efficacement ce problème grâce à la création d'un "effet de miroir", comme il apparaîtra dans la suite. Sur les figures 3 à 6, on a représenté une lamelle 3 qui, en service, est disposée de la même mnière que celles des figures 1 et 2, mais qui présente un bord vertical de configuration modifiée, -plus précisément le bord latéral 6A sur lequel débouchent vers le bas des canaux inclinés. En effet, pour fabriquer les lamelles 3, on part d'un feuillard métallique de grande longueur, que l'on ondule en oblique, puis on découpe à la longueur désirée chaque lamelle au moyen d'une cisaille perpendiculaire aux bords longitudinaux du feuillard, comme on le décrira plus en détail dans la suite, en regard des figures 18 à 20. Ceci a pour résultat un écrasement du bord avant de chaque lamelle (en considérant le sens de défilement du feuillard): les sommets d'onde 4 et des creux d'ocdes 5 sont ramenés dans le plan médian P de la lamelle en formant alternativement de chaque côté de ce plan des zones 7 en forme de triangles isocèles indiquées par des hachures fines pour les sommets d'ondes et par des pointillés pour les creux d'ondes sur les figures 3, 5 et 6. En vue en bout (figure 3), les bases des triangles isocèles se trouvent dans le prolongement les unes des autres, dans le plan P. En pratique, du fait de la rigidité du métal ondulé et de la présence des trous dont sont pourvues les lamelles, l'étirage de la matière n'est pas parfaitement régulier, et les zones 7 ne sont pas parfaitement triangulaires mais peuvent présenter des écarts plus ou moins importants par rapport & cette forme ainsi que des déchirures localisées. Il faut donc considérer les figures 3 à 6 comme des schemas théoriques. De plus, l'écrasement provoqué par la cisaille donne naissance à ure petite bande aplatie 8 (figures 4 & 6) le long du bord 6A de la lamelle. En fonctionnement, on constate que la présence des zones 7 crée dans chaque canal, près du bord 6A, un obstacle à l'écoulement jusqu'a ce bord du liquide et, en combinaison avec la présence des points de croisement des sommets d'ondes des différentes lamelles, assure un renvoi efficace du liquide vers l'intérieur du garnissage. Ainsi, l'effet de paroi est presque totalement supprimé et remplacé par un "effet de miroir", et l'efficacité de la colonne est considérablement augmentée. La figure 7 montre un autre type d'obstacle que l'on peut créer près du bord 6A: en rapprochant l'une de l'autre deux tiges (non représentées) parallèles aux bords 6A, on forme simultanément des évidements 9 dans les sommets et éans les-creux d'ondes, à une petite distance de ce bord. De préférence, on assure la présence d'au moins un point de croisement 9a entre l'évidement 9 et l'extrémité inférieure du sommet d'onde 5 correspondant. Dans la variante de la figure 8, les creux d'ondes sont complètement bouchés sur les deux faces de la lamelle, sur une petite distance, par une matière de remplissage appropriée 10 qui peut être injectée, pressée, encastrée, soudée, etc... La profondeur'du remplissage est choisie suffisante pour que, dans chaque onde, le liquide soit renvoyé de façon sure vers l'intérieur du garnissage. Une manière commode de réaliser ce bouchage consiste à boucher globalement, sur le paquet terminé, toutes les ondes débouchant sur la périphérie de ce paquet, 2630 8 1 9 auquel cas on bouche également les extrémités supérieures des ondes sur les bords 6B, ce qui ne présente pas d'incor.vénient notable. les figures 9 à 11 illustrent une autre manière d'empêcher le liquide d'atteindre le bord 6A des lamelles, consistant 8 réaliser à partir de ce bord des encoches 11 qui coupent les ondes. Ces encoches peuvent par exemple être linéaires et inclinées vers le bas dans le sens opposé aux ondes descendantes (figure 9), linéaires et horizontales (figure 10) ou triangulaires avec un bord inférieur horizontal et un bord supérieur oblique descendant dans le sens opposé aux ondes descendantes (figure 11). Conme précédemment, ces encoches peuvent être réalisées a la scie sur l'empilage de lamelles. Les figures 12 à 17 représentent des manières avantageuses de monter les garnissages suivant l'invention, qui interdisent au liquide ayant néanmoins atteint le bord 6A des lamelles de ruisseler sur la paroi de la virole. Les figures 12 à 15 correspondent notamment à des colonnes de diamètre relativement petit, jusqu'à 1 et 2 m environ, et les figures 16 et 17, en particulier, aux diamètres supérieurs. Sur les figures 12 et 13, l'élément de garnissage 2 est monté directemert dans la virole 1 avec interposition de plusieurs joints d'étanchéité circulaires 12 de faible hauteur espacés les uns des autres. Ces joints sont souples, de sorte que le bord des lamelles pénètre légèrement dedans, comme on le voit a la figure 13, et se trouve maintenu à une distance déterminée de la virole. Les joints 12 peuvent être remplacés par un. joint unique 13 présentant sur sa face intérieure Ses ondulations, comme représenté a la figure 14. Dans la variante de la figure 15, l'élément 2 'est monté dans la virole avec interposition d'une série d'organes séparés 14 constitués par plusieurs cerceaux, fixés côté intérieur au garnissage par des vis 15 et appuyés c6té extérieur à la virole en assurant une relative étanchéité. La partie des cerceaux au contact du garnissage a une faible hauteur et est espacée de la virole. Comme représente, le cerceau inférieur peut présenter un talon 16 servant à la fois de support de l'élément 2 et d'organe de renvoi du liquide vers l'axe de la colonne. Pour les grands diamètres (figures 16 et 17), il peut être préférable de prévoir un dispositif intermédiaire de maintien des paquets de lamelles pour faciliter la manutention de ces dernierst ce dispositif étant à son tour monté dans la virole de la colonne par des moyens appropriés (non représentés). On utilise une ceinture périphérique 17 munie de plusieurs nervures circulaires 18 et éventuellement d'un talon inférieur 19. Les nervures 18 peuvent pénétrer dans l'empilage de lamelles (figure 16) ou simplement s'appliquer sur les bords des lamelles (figure 17). Dans ce cas également, bien entendu, on assure une relative étanchéité entre la virole et les lamelles pour éviter que le gaz montant ne by-passe le garnissage; par exemple, la ceinture 17 peut porter extérieurement un organe d'étanchéité circulaire tel que le joint 12 de la figure 12 ou le cerceau 14 de la figure 15, cet organe s'appliquant de façon étanche contre la virole de la colonne, tandis que l'étanchéité entre la ceinture 17 et les lamelles est obtenue grâce aux nervures 18.- Les figures 18 à 20 illustrent la manière dont est effectué le cisaillage dont il a été question plus haut. L'outillage, ou cisaille, 20 est symétrique par rapport a un plan vertical Q perpendiculaire à la direction horizontale f de défilement du feuillard ondulé 21 de départ. Il comprend: - deux couteaux inférieurs fixes 22 dont l'arête supérieure 23 est rectiligne, horizontale et parallèle au plan Q. Les faces 24 en regard des deux couteaux 22 s'écartent légèrement l'une de l'autre vers le bas, et les arêtes 23 sont bordées extérieurement par des faces externes 23A inclinées à 30 environ sur la verticale; - deux presse-bande supérieurs 25, mobiles verticalement, qui présentent une arête inférieure 26 également rectiligne, horizontale et parallèle au plan Q. Chaque arête 26 est située juste au-dessus de l'arête 23 correspondante et est également bordée extérieurement par une face 26A inclinée à 30 environ sur la verticale. Chaque presse-bande présente en regard de l'autre une face 27 parallèle au plan Q; - - un double couteau supérieur 28 guidé à coulissement vertical entre les faces 27. Son extrémité inférieure a, vue perpendiculairement à la direction f (figures 18 et 19), un profil en V inversé, ce qui définit deux arêtes de coupe 29 adjacentes aux faces 27. Commrne on le voit a la figure 20, chaque arête a, vue suivante la direction f, un profil en V inversé très évasé. En fonctionnement, les presse-bande 25 et le couteau 28 étant relevés (figure 18), on fait avancer la bande 21, en appui sur les deux arêtes 23, jusqu'à ce qu'une longueur prédéterminée de bande dépasse vers l'aval (en conr.sidérant la flèche f) de l'arête 23 aval. On fait alors descendre les presse-bande 25, ce qui produit ur. double pincement de la barde 21, entre chaque arête 26 et l'arête 23 en regard, et réalise l'étirement du métal formant les zones 7 décrites plus haut, ainsi que l'étroite bande 8, dont la largeur correspond à celle des arêtes 23 et 26. Pendant cette opération, les zones 7 épousent les faces inclinées 23A et 26A. Puis on fait descendre le couteau 28, ce qui découpe une chute (figure 19) entre les deus couteaux inférieurs et détache une lamelle 3 de longueur prédétern.inée. Grâce à la symétrie de la cisaille, le bord avant de la bande 21 non encore coupée à longueur a une configuration analogue, voire identique, au bord arrière de la lamelle 3 qui vient d'être détachée. Par suite, chaque lamelle a des bords avant et arrière similaires, ce qui, en service, ne joue pas un rôle essentiel vis-a-vis de la distribution du liquide, mais facilite la mise en place des lamelles, par un glissement plus aisé des lamelles les unes contre les autres, pour constituer l'élément 2. A ceci s'ajoute une sécurité accrue du personnel manipulant les lamelles et/ou les empilages, car les bords ainsi cisaillés sont moins coupants. 2630 819 9.w REVENDICATIONS 1. Dispositif (2) d'échange de chaleur et de matière entre un liquide et un gaz, du type comprenant un paquet de lamelles ondu]les (3) disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres, les ondulations étant obliques et descendant dans des sens opposes d'une lamelle à la suivante, les ondulations de chaque lamelle definissant des premiers et des seconds creux d'onde (5) qui deboucher.t respectivement vers le bas et vers le haut sur un bord latéral (6A,6E) de la lamelle, caractérisé en ce que chacun desdits premiers creux d'onde (5) comporte au voisinage de son extrémîtE inférieure (5h) un obstacle à - 'écoulement du liquide (7; 9; i0; 11). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de plus grande penite de chacun desdits premiers creux d'cnde (5) est nettement modifiée au vcisinage de son extrémité inférieure (5A) par deformation de la lamelle (3). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérise en ce que les parties d'extrémitg inférieure des ondes formant lesdits premiers creux d'onde (5) sont écrasées jusque dans le plan médian (P) de la lamelle (3), de façon Z constituer des zones étirées (7) ayant à peu près la forme de triangles isocèles situés alternativement des deux catés de ce plan et dont les bases se trouvent, en vue en bout, dans le prolongement les unes des autres. 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'obstacle est constitua par un écrasement partiel de toutes les ondes formant lesdits premiers creux d'onde (5), cet écrasement domnnant naissance un évidement (9) à une petite distance desdites extrémités inférieures (4A,5A). 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'obstacle est constitué par un bouchage desdites extrémités inférieures (SA) au moyen d'une matière de remplissage (10). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que le paquet (2) de lamelles (.) est pourvu dans sa périphérie d'encoches (11) qui coupent au moins les ondes descendantes. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chacun desdits seconds creux d'onde (5) comporte au voisinage de son extrémité supérieure (5B) une configuration analbgue 2630 8 1 9 à celle desdits premiers creux d'onde au voisinage de leur extrémité inférieure. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le paquet (2) est disposé directement dans une virole (1), sans contact direct avec celle-ci, une relative étanchéité étant assurée par interposition de plusieurs éléments séparés de faible hauteur, constitués notamment par des joints circulaires (12; 13) ou par des cerceaux (14). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le paquet (2) de lamelles (3) est maintenu dans une ceinture (17) avec interposition de plusieurs éléments séparés de faible hauteur, constitués notamment par des nervures circulaires (18), pénétrant éventuellement dans le paquet. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est prévu la base du paquet (2) un talon (16 19) en saillie sous ce paquet. 11. Procédé de fabrication d'un dispositif d'échange de chaleur et de matière suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on part d'une bande ondujée (21), et l'on découpe les lamelles (3) dans cette bande au moyen d'une cisaille. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'on pince la bande ondulée (21) entre deux organes rectilignes (23,26) avant de la couper à longueur. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on pince la bande ondulée (21) en deux emplacements espaces l'un de l'autre suivant le sens de défilement (f) de la bande, et on effectue deux découpes, une à chacun desdits emplacements. 14. Cisaille pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'elle comprend un premier couteau (22) présentant une arête rectiligne (23), un presse-bande (25) présentant une arête rectiligne (26) située en regard de l'arête (23) du couteau, et un second couteau (28) guidé le long du presse-bande. 15. Cisaille suivant la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte une face inclinée (23A,26A) adjacente à chaque arête (23,26). 16. Cisaille suivant l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que le premier couteau (22) et le presse-bande (25) 2 6 3 0 8 1 9 sont dédoublés, le second couteau (28) présentant deux arêtes (29) adjacentes aux deux presse-bande respectivement.