Brevet FR2637060A1 — publié le 19900330

La presente invention concerne des éléments de garnissage destines notamment aux colonnes de transfert de matière, d'échange thermique-et de mélange entre au moins deux fluides. La presente invention concerne également la realisation de garnissages geometriquement réguliers permettant d'obtenir, par exemple, des colonnes de distillation et/ou d'absorption ayant une grande efficacité et d'un coût relativement modéré. Les premiers garnissages géométriquement réguliers ont été développés il y a déjà 25 ans, par la Société SULZER. Ces garnissages ont fait objet de divers- perfectionnements au cours du temps, et plus particulièrement durant les dix dernières années, comme en atteste le nombre de documents de brevets publiés sur ce sujet. L'objet principal de ces divers perfectionnements, dans le cas des colonnes de distillation, est d'obtenir un meilleur pouvoir séparateur et une faible perte de charge. D'autres perfectionnements ont eu pour but de trouver de nouvelles méthodes de fabrication de ces garnissages plus performantes et/ou plus faciles à mettre en oeuvre. La grande majorité des garnissages géométriquement réguliers et, par exemple, ceux qui sont décrits dans les documents de brevets US-A-3679537, EP-B-70917 et EP-A-212202 ont tous en commun l'utilisation d'un matériau en feuille mince pour arriver à la création d'une structure comportant des séries de lamelles, plissées suivant un certain angle, et qui sont empilées de maniere-à former des canaux ouverts se croisant et d'axes obliques par rapport à l'axe de la colonne. L'utilisation de feuille mince pour la réalisation d'éléments de garnissage de colonnes pose un certain nombre dé problèmes pour la fabrication de ces éléments et impose, habituellement, soit l'utilisation de techniques particulières telles que, par exemple, l'emploi de moules en cire perdue (EP-A-212202), soit l'emploi de matériaux ayant des caractéristiques mécaniques particulières, telles que, par exemple, de l'acier en tôle mince pouvant supporter la mise en forme nécessaire à la réalisation de ces éléments de garnissage ; dans les deux cas, le coût de ces éléments de garnissages est relativement élevé. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients. Un des objets de la presente invention est ainsi de proposer une structure d'éléments de garnissage, qui puisse être fabriquee d'une maniere simple,et à peu de frais, pour chaque diamètre de colonne, et qui possède du point de vue mécanique une grande solidité et une bonne stabilité. Un autre objet de la présente invention est de proposer une structure d'éléments de garnissage permettant l'utilisation de certains matériaux, par exemple le bois, difficilement utilisables pour fabriquer les structures de l'art antérieur, par exemple celles décrites dans le document US-A-3679537. La structure des éléments de garnissage de la présente invention permet également d'obtenir, par exemple, des garnissages en céramique d'une solidite nettement accrue par rapport à celle dés garnissages en céramique décrits, par exemple, dans le document de brevet EP-A-212202 et, de plus, il est possible d'obtenir des garnissages ayant des canaux dans les trois directions de l'espace tout en conservant une bonne solidité à ces garnissages. Les garnissages, qui ont des canaux dans les trois directions de l'espace, permettent habituellement d'obtenir un meilleur contact entre les fluides, par exemple, entre un fluide gazeux et un fluide liquide et donc un melange plus facile des deux fluides. Les divers objets que l'invention s'est fixés sont atteints par les mesures proposes, dans la partie caractérisante de la revendication 1, pour l'élément de garnissage, destiné notamment aux colonnes de transfert de matière, d'échange thermique et de mélange entre au moins deux fluides. Selon une forme de realisation préférée de l'élément de garnissage solide forme par une couche de matière, d'épaisseur "E" sensiblement constante entre une face A et une face B sensiblement parallèles, chacune des faces A et B comporte une pluralite de canaux de directions AA' et BB' respectivement, lesdites directions AA' etant sensiblement parallèles entre elles et, de mène, lesdites directions BB' étant sensiblement parallèles entre elles et faisant un angle alpha, avec lesdites directions AA', égal à une valeur de 10 à 170 degrés de préférence de 20 à 160 degrés et le plus souvent de 60 à 120 degrés. L'élément de garnissage de la présente invention a, habituellement, la forme d'-un polyèdre convexe, ayant deux faces sensiblement parallèles déterminant une couche d'épaisseur "E", par exemple un hexaèdre tel que un cube ou un parallélépipède. L'épaisseur "E" de la couche de matière peut être très variable, mais est habituellement d'environ quelques millièmes de millimètre à environ quelques dizaines de centimètres, habituellement d'environ 10 5 (m) mètre à 0,8 m et le plus souvent d'environ 2.10 5 m à 0,5 m.Les canaux sur chacune des faces A et B sont de préférence sensiblement rectilignes et ont de préférence chacun indépendamment les uns des autres une section formée par un polygone ou un polygone curviligne dont un côte appartient au plan determine par la face comportant ledit canal, ledit côte correspondant à l'ouverture dudit canal. La section d'un canal sera, par exemple, triangulaire, trapézoîdale, carrée, en forme d'un segment de cercle tel que, par exemple, en demi-cercle, d'un segment d'ellipse ou de parabole. La section des canaux a habituellement une surface d'environ 10 10 a environ 10 1 (m2) mètre carré, squvent d'environ 2x1"'8 à 2 x.10'2 m2 et le plus souvent d'environ 5 x 10 à environ 10-2 m2. Le canal ou les canaux de direction(s) AA' ont une profondeur Pa qui peut être variable tout au long d'un canal et également d'un canal à l'autre, et qui est de préférence sensiblement constante tout au long d'un canal pour chacun d'entre eux. Les canaux de direction BB' ont une profondeur Po qui peut être variable tout au long d'un canal et également d'un canal à l'autre, et qui est de préférence sensiblement constante tout au long d'un canal pour chacun d'entre eux. La somme des profondeurs Pa + Pb du canal ou des canaux de directions (AA') et des canaux de directions (BB') mesurée, de préférence en chaque point de croisement d'un canal de direction AA' avec un canal de direction BB', est égale à une valeur de 0,7 à 1,3 fois la valeur "E" de l'épaisseur de la couche de matière formant l'élément de garnissage.On peut ainsi distinguer deux formes de réalisation, la premiere dans laquelle la somme des profondeurs Pa + Pb est pour chacun des canaux au plus égele à l'épaisseur "E" de la couche de matière c'est à dire de 0,7 à 1 fois, souvent de 0,7 à 0,95 fois et le plus souvent de 0,8 à 0,9 fois la valeur "E" de l'épaisseur de la couche matière, et la deuxième dans laquelle la somme des profondeurs Pa + Pb est, pour au moins un canal de la face A et au moins un canal de la face B dont les directions se croisent dans le volume défini par l'élément de garnissage, au moins égale à l'épaisseur "E" de la couche de matière, c'est à dire de 1 fois à 1,3 fois, souvent de 1,01 fois à 1,25 fois et le plus souvent de 1,1 à 1,2 fois la valeur "E" de l'épaisseur de la couche de matière. Dans une forme avantageuse de réalisation, le canal ou les canaux de la face A et tous les canaux de la face B ont sensiblement la même profondeur P. Dans une autre forme de réalisation, tous les canaux de la face A ont sensiblement la même profondeur Pa et, par exemple, un canal sur deux ou un canal sur trois ou un canal sur quatre de la face B, a une profondeur Pbl telle que la somme Pa + Pbl soit supérieure à 1 fois l'épaisseur "E" de la couche de matière, les autres ayant une profondeur Pb2, telle que la somme Pa + Pb2 soit inférieure à I fois l'épaisseur "E" de la couche de matière.Dans une autre forme de réalisation, certains canaux de la face A et certains canaux de la face B, par exemple, un canal sur deux ou un sur trois ou un sur quatre, ont respectivement une profondeur Pal et Pbl , les autres canaux ayant une profondeur Pa2 et b2 , lesdites profondeurs étant telles que les sommes Pal + Pbl, Pal + Pb2 et Pbl + Pa2 soient supérieures à une fois l'épaisseur "E" de la couche de matière et la somme Pa2 + Pb2 soit inférieure à l'épaisseur "E" de la couche de matiere,ou ou telles que les sommes Pal + Pb2, Pa2 + Pbl et Pa2 + Pb2 soient inférieures à une fois l'épaisseur "E" de la couche de matière et la somme Pal + Pbl soit supérieure à l'épaisseur "E" de la couche de matière. Dans les deux dernières formes de réalisation, il y a formation de passages de communication entre la face A et la face B de l'élément de garnissage, lesdits passages ou troues ont une section, dont la forme dépend de la forme de la section de chacun des canaux en leur point de croisement. A titre d'exemple, ces trous ont une section en forme de losange dans le cas ou les canaux en leur point de croisement ont une section triangulaire. La surface de la section des passages ou trous dépend des profondeurs respectives des canaux au point de croisement ou se crée ledit passage. Dans une forme préférée de réalisation, les canaux de chaque face sont, de préférence, répartis de façon sensiblement régulière sur ladite face ; une répartition irrégulière n'est cependant pas exclue et rentrerait dans le cadre de l'invention. Les canaux peuvent être, au niveau de l'ouverture, adjacents, ce qui correspond à des crêtes de largeur très faible, voire pratiquement nulle.Les canaux peuvent être separés les uns des autres d'une distance "d", dans ce cas les crêtes auront une largeur "d" habituellement d'environ 0,01 millimètre (1C mètre) à environ 10 centimètres (lO-l mètre) et, le plus souvent, d'environ 0,1 millimètre (10 4 m) à environ 5 centimetres (0,5 x 10 metre). Dans la présente invention, les canaux peuvent avoir des parois lisses, striées, bosselées ou rugueuses et, de préférence, les parois des canaux seront striées, bosselées ou rugueuses ; dans la réalisation la plus préférée, les parois seront rugueuses. Ils peuvent également avoir des parois alternativement lisses et striees et/ou bosselees et/ou rugueuses. Le matériau de fabrication de l'élément de garnissage peut être l'un quelconque des matériaux bien connus de l'homme du métier et employés dans la technique antérieure de fabrication des éléments de garnissage de colonnes. A titre d'exemples, non limitatifs, de matériaux utilisables, on peut citer les matières plastiques, le bois, le béton, les métaux, et les céramiques poreuses ou non, en fibres ou denses, les fibres pouvant être comprimées ou non, additionnées éventuellement de liants organiques ou minéraux. Les céramiques peuvent être également des composites fibres céramiques-céramiques ou fibres céramiques-métal.Le béton peut être un béton réfractaire, un béton additionne d'additifs modifiant certaines de ses propriétés, par exemple, des polymères organiques, des colles epoxy, etc... ; ce peut egalement être un béton comportant des renforts métalliques ou des fibres de verre ou des fibres synthétiques, par exemple, du Kevlar (marque déposée de la Société DUPONT DE NEMOURS). On peut également employer un matériau composite à base de béton, par exemple, l'Eternit (marque déposée de la Société ETERNIT). Dans une forme avantageuse de réalisation de la présente invention, les surfaces des parois des canaux peuvent être modifiées, par exemple par des traitements à l'aide de produits lipophiles ou hydrophiles, par des traitements à l'aide d'agents mouillants, par dépôts de coke ou de principes actifs tels que, par exemple, un catalyseur ou au moins un élément à action catalytique. Cette modification de surface peut être effectuée, sur les éléments de garnissage formant une couche ou même sur l'ensemble du garnissage, par tout moyen connu de l'homme du métier pour effectuer de tels dépits ou modifications de surface d'un matériau. Dans le cas du coke, le matériau sera, par exemple, imprégné par une coupe hydrocarbonee, puis sera chauffe de manière à transformer en coke les hydrocarbures adsorbés sur le materiau. La présente invention a également pour objet un garnissage de colonne formé par une juxtaposition d'éléments de garnissage tels que ceux qui sont décrits ci-avant. Dans une forme préférée de réalisation des garnissages de colonne, les éléments de garnissage sont disposés de manière que les axes des canaux fassent chacun, indépendamment les uns des autres, un angle avec l'axe de la colonne superieur à zéro degré et inférieur à 90 degrés, de préférence inferieur à 60 degrés et le plus souvent inferieur à 45 degrés. Les éléments de garnissage sont habituellement juxtaposés de manière que les canaux de la face B d'un élément donné soit en regard des canaux de la face A de l'élément qui le suit immédiatement, lesdits canaux faisant entre eux un angle d'environ 10 à 170 degrés, de préférence d'environ 20 à 160 degrés et le plus souvent d'environ 60 à 120 degrés. Le garnissage de la colonne peut être formé d'une seule galette d'eléments de garnissage ayant une hauteur H égale à la hauteur H du garnissage ou de plusieurs galettes successives superposées ayant chacune, independamment les unes des autres, une hauteur h inférieure à H, et dont la somme des hauteurs h est égale à H.A titre d'exemple, le garnissage de la colonne peut être forme par la superposition de n galettes ayant chacune sensiblement la même hauteur h égale à H/n, n étant un nombre entier au moins égal à-. 2. Dans le cas de la superposition de plusieurs galettes (au moins deux), les plans des éléments de garnissage formant la galette de rang p + 1 située immediatement en dessus de la galette de rang p, font un angle avec les plans des éléments de garnissage de la galette de rang p de zéro a 90 degres, par exemple un angle egal à zéro ou à 90 degrés ; p est un nombre entier ayant une valeur de 1 a n-l, n etant le nombre de galettes formant le garnissage. Les canaux de chacune des faces d'un élément de garnissage de la galette de rang p+l peuvent former avec l'axe de la colonne un angle ayant une valeur choisie dans la gamme définie ci-avant et égale à la valeur de l'angle que formentles canaux de chacune des faces d'un élement de garnissage de la galette de rang p avec ce même axe. I1 est également possible, par exemple dans le cas où les plans des éléments de garnissage de la galette de rang p et de celle de rang p+l font un angle égal à zéro degré, que les axes des canaux de chacune des faces d'un élement de garnissage de la galette de rang p fassent avec les axes des canaux de chacune des faces de l'élément en vis à vis de la galette de rang p+l, respectivement pour chaque face, par exemple, un angle de zéro à 90 degrés, chaque canal pris séparément faisant avec l'axe de la colonne un angle ayant une valeur choisie dans la gamme définie ci-avant. Dans une forme préférée de réalisation du garnissage, chaque galette sera entourée par au moins un organe ayant pour fonction d'assurer le centrage des galettes dans la colonne, ainsi que de ramener vers l'intérieur de la galette le liquide qui s'écoule sur la paroi de la colonne, cet organe pourra être par exemple une feuille métallique formant une corolle autour de la galette. Les dessins annexes illustrent l'invention mais ne doivent pas etre considérés comme limitatifs. Sur les différentes figures, les organes similaires sont désignés par les mêmes chiffres ou lettres de référence. La figure 1 représente, en perspective, un élement de garnissage forme d'une couche de matière d'epaisseur "E" comprenant sur la face A un canal d'axe AA' et de profondeur Pa, et sur la face B une pluralité de canaux d'axes BB' et de profondeurs Pb ; les axes BB' sont sensiblement parallèles et font avec l'axe AA' un angle alpha d'environ 90 degrés. La figure 2 représente, en perspective, un elément de garnissage formé par une couche de matière d'epaisseur "E" comprenant une pluralité de canaux, sur la face A et sur la face B, régulièrement espacés et dont les crêtes ont sur la face A une largeur "da" et sur la face B une largeur "db", "da" et "db", égales ou différentes entre elles, ayant des valeurs comprises dans la gamme définie ci-avant pour la largeur"d" Les figures 3, 4 et 5 représentent chacune, en coupe, la structure d'un élément de garnissage. Dans le cas des figures 3 et 4, les cretes des canaux de la face A ont une largeur pratiquement nulle ; les canaux ont sur la figure 3, une profondeur uniforme Pa, et, sur la figure 4, un canal sur trois a une profondeur Pal ou Pbl, les autres ayant une profondeur Pa2 ou Pb2 plus faible.Sur la figure 5, les canaux ont une section sinusoldale. Sur la figure 6, on a represente, en perspective, un garnissage formé par la juxtaposition de deux elements de garnissage "a" et "b" (chaque élément de garnissage est identique à celui schématisé sur la figure 2) dont les faces A et B respectives sont en vis-à-vis ; les axes AA' des canaux de la face A de l'élément "a" faisant un angle delta d'environ 90 degrés avec les axes BB' des canaux de la face B de l'élément "b". La figure 7 est une vue en perspective d'un élément de garnissage comportant, sur la face A, une pluralité de canaux, d'axes AA' et de profondeur uniforme Pa, regulièrement répartis dont les crêtes ont une largeur "da", et comportant sur la face B une pluralité de canaux, d'axes BB' et de profondeur Pbl pour un canal sur trois, et de profondeur Pb2 pour les autres ; la somme des profondeurs Pa + Pbl est supérieure à l'épaisseur "E" de la couche de matière et la somme des profondeurs Pa + Pb2 est inférieure à l'épaisseur "E" de la couche de matiere. Les canaux d'axes BB' sont régulièrement espacés sur la face B et les cretes ont une largeur "db".Une coupe suivant le plan XY de cet élément de garnissage est schématisée sur la figure 8, qui montre la forme, en losange, des passages formes, entre la face A et la face B dudit elément de garnissage, au niveau des croisements- des canaux de profondeur Pbl de la face -B avec les canaux de la face A. La figure 9 schématise, en perspective, la juxtaposition de plusieurs éléments de garnissage en vue de former une galette de hauteur "h". Les divers éléments de garnissage ont été représentés de façon simplifiée à l'aide de prismes droits ayant une direction de génératrice sensiblement verticaleet parallèle à l'axe de la colonne, dans le plan XY formé par les axes des canaux et faisant un angle non nul avec chacun des axes AA' et BB' desdits canaux. Chaque élément de garnisage (1) a une taille différente qui est fonction de la géométrie de la colonne. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une colonne cylindrique, la juxtaposition des éléments de garnissage (1) de taille appropriée formera un garnissage cylindrique. La figure 10 schématise une galette de hauteur "h" comprenant plusieurs éléments de garnissage (1) et comportant deux organes "C1" et "C2" formés chacun par un matériau en feuille comportant une série de fentes "F", régulièrement espacées, sur une partie de la hauteur de la feuille et permettant de former, par pliage vers l'extérieur de la galette, une corolle comportant une série d'éléments ou pétales "F1" autour de la galette. La figure 10A illustre, de façon plus détaillée, la structure d'une partie d'un organe "C1" comportant une série de fentes "F", sur approximativement la moitie de sa largeur "1", qui définissent les pétales "F1". La figure 11 illustre une colonne "K" comprenant deux galettes G1 et G2 superposees, de manière que les plans des éléments de garnissage (1) de la galette G1 fassent un angle de 90 degrés avec les plans des éléments de garnissage (1) de la galette G2. Le matériau en forme de feuille mince, comportant des fentes "F" limitant les pétales "F1", et disposé aux deux extrémités de chaque galette, sur leur pourtour, est déployé et forme une corolle dont les pétales "F1" s'appuient sur les parois de la colonne "K". Selon le matériau, le moyen de réalisation et la taille de l'installation à laquelle sont destinés ces éléments de garnissage, on peut aussi envisager de disposer une pièce monolithique de hauteur 0,05 m a 15 met de diamètre de 0,01 m à 10 m, ou une série de pieces monolithiques, habituellement identiques, formant chacune une galette ayant, par exemple, une hauteur de 0,01 m à 3 m et un diamètre de 0,01 m à 10 m, qui sont de préférence superposées de manière que la face superieure de l'une soit en contact avec la face inférieure de l'autre et qui forment ainsi le garnissage de la colonne "K". Les éléments de garnissage, de la présente invention, ayant la structure géométrique particuliere décrite ci-avant, peuvent facilement être fabriques en grande série par exemple par moulage, notamment dans le cas ou le matériau employé est une matière plastique, du béton ou de la céramique. Un autre avantage de ces éléments de garnissage est la facilité avec laquelle ils peuvent être, apres fabrication,-coupés aux dimensions désirées. Les éléments de garnissage de la présente invention peuvent également être fabriques par toute autre méthode bien connue de l'homme du métier, par exemple, par rainurage ou matriçage. REVENDICATIONS 1 - Elément de garnissage, caractérisé en ce qu'il est formé d'une couche de matière d'épaisseur "E" sensiblement constante entre une face A et une face B sensiblement parallèles, ladite face A comportant au moins un canal ouvert, de profondeur Pa, s'étendant, de part en part, sur ladite face A, globalement suivant une direction AA' et ladite face B comportant une pluralité de canaux ouverts, ayant chacun indépendamment les uns des autres une profondeur Pb, s'étendant, de part en part, sur ladite face B globalement suivant une direction BB' faisant un angle alpha avec la direction AA' de 10 à 170 degrés et la somme des profondeurs Pa + Pb étant égale à une valeur de 0,7 à 1,3 fois la valeur de l'épaisseur "E" de la couche de matière. 2 - Elément de garnissage, selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des faces A et B comporte une pluralité de canaux, l'angle entre les directions AA' et BB' desdits canaux étant de 20 à 160 degrés. 3 - Elément de garnissage, suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux sont sensiblement rectilignes. 4 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les canaux ont, chacun indépendamment les uns des autres, une profondeur sensiblement constante sur toute leur longueur. 5 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les canaux ont chacun, indépendamment les uns des autres, une section formée par un polygone ou un polygone curviligne, dont un coté appartient au plan determiné par la face comportant ledit canal. 6 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section des canaux a une surface d'environ 10 10 m2 à environ 10'1 m2. 7 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la somme des profondeurs Pa + Pb de chacun des canaux en leurs points de croisement est au plus égale à l'épaisseur "E" de la couche de matiere. 8 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la somme des profondeurs Pa + Pb est, pour au moins un canal de la face A et au moins un canal de la face B en leurs points de croisement, au moins egale à l'épaisseur "E" de la couche de matiere. 9 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le ou les canaux de la face A et tous les canaux de la face B ont sensiblement la même profondeur P. 10 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérise en ce que les surfaces des parois des canaux sont modifiées par traitements à l'aide de produits lipophiles ou de produits hydrophiles ou d'agents mouillants. il - Element de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les surfaces des parois de canaux sont modifiées par dépôts d'un catalyseur ou d'au moins un élément à action catalytique. 12 - Garnissage de la colonne caractérisé en ce qu'il est formé par une juxtaposition d'éléments- de garnissage suivant l'une des revendications 1 à 11, lesdits elements étant juxtaposes de manière à ce que les canaux de directions BB' d'une face B d'un élément soit en regard du ou des canaux do direction AA' d'une face A de l'élément de garnissage voisin, lesdites directions BB' et AA' faisant entre elles un angle de 10 à 170 degres. 13 - Garnissage de colonne selon la revendication 12, dans lequel les éléments de garnissage sont disposes de manière que les directions des canaux fassent chacune, indépendamment les unes des autres, un angle avec l'axe de la colonne superieur à zéro degré et inférieur à 90 degrés. 14 - Utilisation d'au moins un élément de garnissage, selon l'une des revendications 1 à 11, ou du garnissage, selon la revendication 12 ou 13, dans les colonnes de transfert de matière, d'échange thermique ou de mélange entre au moins deux fluides.