Brevet FR2637059A1 — publié le 19900330

La presente invention concerne des éléments de garnissage destinés notamment aux colonnes de transfert de matiere, d'echange thermique et de melange entre au moins deux fluides. La présente invention concerne également la réalisation de garnissages géométriquement réguliers permettant d'obtenir, par exemple, des colonnes de distillation et/ou d'absorption ayant une grande efficacité et d'un cout relativement modéré. Les premiers garnissages géométriquement réguliers ont été développes, il y a déjà 25 ans, par la Société SULZER. Ces garnissages ont fait l'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 facile 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, plissees 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'élements de garnissage de colonnes pose un certain nombre de 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-2T2202), soit l'emploi de matériaux ayant des caracteristiques mécaniques particulières, telles que, par exemple, de l'acier eii tole mince pouvant supporter la mise en forme nécessaire à la réalisation de ces éléments de garnissage ; dans les deux cas, le coût de ces elements de garnissages est relativement élevé. La présente invention se propose de pallier ces inconvenients. Un des objets de la presente invention est ainsi de proposer une structure d'éléments de garnissage qui puisse étre fabriquee d'une manière simple, et à peu de frais, pour chaque diamètre de colonne et qui possede du point de vue mécanique une grande solidité et une bonne stabilité. Un autre objet de la présente invention est, dans le cas d'un contact entre un fluide gazeux et un fluide liquide, d'obtenir un mélange plus facile des deux fluides, tout en réduisant la turbulence au niveau des zones de contact par rapport aux réalisations selon l'art antérieur telles que, par exemple, celle décrite dans le document de brevet US-A-3679537. Un autre objet de la présente invention est d'obtenir une efficacité maximale de la colonne sur une zone de débit importante, ce qui permettra d'avoir une flexibilité de fonctionnement appreciable. Les divers objets que l'invention s'est fixés sont atteints par les mesures proposées, 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 réalisation preféree de 1 'elément de garnissage solide, forme par un materiau massif comportant danS sa masse plusieurs canaux ayant chacun, independamment les uns des autres, une section définie par une courbe fermée, le motif élémentaire, solide, dudit élément de garnissage a la forme d'un polyèdre convexe, par exemple un hexaèdre tel que un cube ou un parallélépipède. Au sein du motif élémentaire, -solide, les canaux sont de préférence sensiblement rectilignes, et de préférence leurs axes, pris deux à deux, sont sécants. La section des canaux, définie par une courbe fermée, est, habituellement, circulaire, polygonale, elliptique ou définie par deux ou plusieurs segments de courbe, identiques ou différents, tels que, par exemple, des segments de parabole et/ou d'hyperbole. La section des canaux a, habituellement, une surface d'environ 10 10 à environ 10 1 (m2) mètre carré, souvent d'environ 2 x 10 à environ 2 x 10 2 m2 et le plus souvent d'environ 5 x 10 8 environ 10 2 m2. L'élément de garnissage comporte de préférence une pluralité de motifs élémentaires solides, arrangés de manière à former une couche traversée de part en part par une pluralite de canaux ininterrompus ayant une pluralité d'intersections. Cette couche comporte ainsi, de préférence, une première pluralité de canaux, dont les axes Xi sont sensiblement paralleles entre eux, et une deuxième pluralité de canaux, dont les axes Yj sont sensiblement parallèles entre eux, lesdits axes Xi et Yj définissant de préférence un plan XY, dans lequel ils se coupent suivant un angle de 10 à 170 degrés, souvent de 20 à 160 degrés et le plus souvent de 60 à 120 degrés ; Xi désigne l'axe X du canal de rang i de ladite premiere pluralité de canaux et Yj designe l'axe Y du canal de rang j de ladite deuxième pluralite de canaux. Le motif élémentaire, solide, de l'élément de garnissage de la présente invention peut comporter deux canaux ou plus de deux canaux par exemple, trois canaux. Dans le cas où ce motif élémentaire comporte trois canaux, l'un d'entre eux a un volume commun avec chacun des deux autres pris séparément, et de préférence les axes X, Y et Z de ces canaux définissent deux plans XY et YZ qui se coupent suivant l'axe Y ; les axes X et Z ont éventuellement un point commun. Les angles formés par les axes X et Y et par les axes Y et Z ont une valeur incluse dans les gammes definies ci-avant. L'angle défini par les plans XY et YZ a, habituellement, une valeur incluse dans les gammes définies ci-avant, pour l'angle formé par les axes et Y ou Y et Z. Le motif élémentaire, solide, peut également comporter deux canaux dont les axes forment le plan XY et au moins un demi-canal d'axe Z, par exemple, sensiblement perpendiculaire au plan XY et situé sur une face du solide formant ledit motif ; dans ce cas l'assemblage, ou arrangement de ces motifs élémentaires, effectué de manière à former une couche, conduit à l'obtention d'une couche traversée de part en part par une série de canaux suivant chacun des axes X, Y et Z. Dans la présente invention, les canaux peuvent avoir des parois lisses, striées, bosselées ou rugueuses, et de préférence les parois des canaux seront striees, bosselees ou rugueuses ; dans la réalisation la plus préférée, les parois seront rugueuses. Ils peuvent également avoir des parois alternativement lisses et striées et/ou bosselees et/ou rugueuses. Le matériau de fabrication des motifs élémentaires, solides, de l'élément de garnissage peut etre l'un quelconque des materiaux 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 dense, les fibres pouvant être comprimées ou non, additionnées éventuellement de liants organiques ou mineraux. Les céramiques peuvent être également des composites fibres ceramiques-ceramiques ou fibres céramiques-métal.Le beton peut être un beton refractaire, un béton additionne d'additifs modifiant certaines de ses propriétés, par exemple, des polymeres organiques, des colles époxy, etc... ; ce peut également 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 par la Société ETERNIT). Dans une forme avantageuse de réalisation de la présente invention, les surfaces des parois des canaux peuvent être modifiees, par exemple, par des traitements à l'aide de produits lipophiles ou hydrophiles, ou par 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 motifs élémentaires solides, sur les elements de garnissage formant une couche ou même sur l'ensemble du garnissage par tout moyen connu de l'homme du metier pour effectuer de tels dépôts ou modifications de surface d'un matériau. Dans le cas du coke, le matériau sera, par exemple, imprégné par une coupe hydrocarbonee, puis sera chauffé de manière à transformer en coke les hydrocarbures adsorbés sur le matériau. La présente invention a également pour objet un garnissage de colonne forme par une juxtaposition d'éléments de garnissage tels que ceux qui sont décrits ci-avant. Dans une forme préferée de réalisation des garnissages de colonne, les éléments de garnissage sont disposés de maniere que les axes des canaux fassent chacun, indépendamment les uns des autres, un angle avec l'axe de la colonne supérieur à zéro degré et inférieur à 90 degrés, de préférence inferieur à 60 degrés et le plus souvent inférieur à 45 degrés. Le garnissage de la colonne peut être formé d'une seule galette d'éléments de garnissage ayant une hauteur (ou épaisseur) H egale à la hauteur H du garnissage ou de plusieurs galettes successives superposées ayant chacune, indépendamment les -unes des autres, une hauteur h inférieure à H, et dont la somme des hauteurs h est egale à H. A titre d'exemple, le garnissage de la colonne peut être formé 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 immédiatement 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 à 90 degres et de préférence un angle supérieur à zéro et par exemple égal à 90 degrés ; p est un nombre entier ayant une valeur de 1 à n - 1, n étant le nombre de galettes formant le garnissage. Dans une forme préferée 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 annexés illustrent l'invention mais ne doivent pas être 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 motif élémentaire parallèlepipédique comprenant 2 canaux, de section circulaire, de diamètres sensiblement identiques, et dont les axes X et Y se coupent en un point A. Dans cette représentation, le motif élémentaire a la forme d'une croix, l'angle des axes des canaux est de 90 degrés, la distance entre l'intersection des deux tubes ou cahaux et chaque bord du motif élémentaire est, dans le cas représenté, égale à une valeur L (respectivement L') qui peut etre très variable mais est, habituellement, de quelques dixièmes de millimètres à plusieurs dizaines de centimètres, et le plus souvent de 10 3 à 0,5 mètre. La figure 1A est une coupe suivant le plan XY du motif élémentaire représenté sur la figure 1 et montre les deux canaux, non rectilignes, qui se croisent sensiblement au centre du motif élémentaire. La figure 2 représente, en perspective, deux canaux de section circulaire, de diamètres sensiblement identiques et dont les axes X et Y se coupent en un point A. Ce motif a la forme d'un parallélépipède comportant quatre echancrures de section demi-circulaire centrées sur les axes X et Y et formant des canaux ouverts d'axes Z (Z1, Z2, Z3 et Z4) sur quatre des faces du parallélépipède. La figure 2A est une coupe suivant le plan XY du motif élémentaire représenté sur la figure 2 et montre les deux canaux sensiblement rectilignes qui se croisent sensiblement au centre du motif élémentaire. La figure 2B est une vue ou motif élémentaire de la figure 2 suivant l'axe X ; la figure 2C est une vue de ce même motif suivant l'axe Y et la figure 2D est une vue de dessus, selon l'axe Z de ce même motif. Par juxtaposition dans le plan XY de motifs élémentaires tels que celui représenté sur la figure 1 on obtient la formation d'un élément de garnissage, formant une couche traversée, de part en part, par une pluralité de canaux d'axes X1, X2, X3, X4 et X5, et d'axes Y1, Y2, Y3, Y4 et Y5, qui est représenté sur la figure 3. La figure 3A est une coupe de l'élément de garnissage -représenté sur la figure 3 suivant le plan formé par les axes Xl, X2, X3, X4 et X5, et Y1, Y2, Y3, Y4 et Y5 et montre les canaux sensiblement rectilignes dont les axes Xi et Yj (i = 1, 2, 3, 4 ou 5, et j = 1, 2, 3, 4 ou 5) se coupent en des points A. Sur la figure 4, on a représenté, en perspective, un garnissage forme par la juxtaposition de trois couches a, b et c, telles que celles représentées sur la figure 3 et dont les canaux d'axes Xa, Xb et Xc et d'axes Ya, Yb et Yc sont décalés, d'une valeur égale à L/2, dans les deux directions X et Y, d'une couche à l'autre. La figure 4A représente une vue analogue à celle de la figure 4 mais sur laquelle on a représenté différents axes de canaux de chacune des couches a, b et c. Les traits mixtes correspondent aux axes des canaux de la couche a (Xa et Ya), les traits pointillés à ceux des canaux de la couche b (Xb et Yb) et les traits tiretés à ceux des canaux de la couche c (Xc et Yc) ; le décalage est égal à L (ou L') suivant la airection X ou Y. Les axes Xa et Ya, ainsi que les axes Xb et Yb et, de même, les axes Xc et Yc se coupent en des points A. Le décalage des couches successives a, habituellement, une valeur de O à 2L (respectivement 2L') et de préférence une valeur sensiblement égale à L/2, L ou 2L (respectivement L'/2, L' ou 2L'). Sur la figure 5, on a représenté, en perspective, un garnissage formé par la juxtaposition de trois couches a, b et c, formées chacune à partir d'un motif élémentaire analogue à celui représenté sur la figure 2. Le décalage des axes des canaux X et Y des couches successives est le nême que celui représenté sur la figure A Sur la figure 6, on a représenté un mode de réalisation particulier de couches de matières permettant de fabriquer très facilement et, en série, les éléments de garnissage de la présente invention. L'élément de garnissage sera obtenu à partir d'une plaque "e" d'épaisseur "E" comprenant, sur une des faces de la plaque, des canaux ouverts d'axes X et Y sensiblement perpendiculaires dans le cas représenté sur cette figure. La superposition de deux plaques "e", dos à dos, fournit lorsque l'on prend soin de décaler, par exemple, les canaux d'une valeur de L/2 suivant les axes X et Y, une plaque "f" d'epaisseur "2E" representee sur la figure 6. La juxtaposition de plaques "e" et/ou de plaques "f", par exemple, comme schématisée sur la figure 6, permet de créer la structure de l'élément de garnissage selon la présente invention : les couches "a" successives que l'on peut former comportent les canaux aecrits ci-avant en liaison avec les figures précédentes. I1 est ainsi facile de réaliser, par exemple, par rainurage, ou par matriçage, ou par moulage, une multitude de plaques telle que, par exemple, la plaque "f" représentée sur la figure 6 et dont la juxtaposition conduit à l'obtention de garnissages de colonne suivant l'invention. On conçoit facilement, que lorsque les canaux ouverts, ou au moins certains d'entre eux, sur chaque face d'une plaque "f" ont une profondeur telle que au moins par endroit la somme des profondeurs dépasse la valeur "2E" correspondant à l'épaisseur de la plaque, il y a formation de passages de communication aux points de croisement des canaux dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan XY, et on fabrique ainsi un garnissage ayant la structure géométrique décrite en liaison avec la figure 5. La figure 6A est une vue de dessus d'une plaque "e" ou "f" dont la surface comporte une multitude de mamelons "S" répartis de façon sensiblement régulière, suivant les deux directions X et Y, créant ainsi une série de canaux ouverts d'axes X et Y qui se coupent en des points A. La figure 6B représente en perspective un mamelon "S". La figure 7 schématise, en perspective, la juxtaposition de plusieurs éléments de garnissage en vue de former une galette de hauteur "h". Le 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 Xi et Yj desdits canaux. Chaque élément de garnissage (1) a une taille différente qui est fonction de la géométrie de la colonne. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une colonne cyclindrique, la juxtaposition des éléments de garnissage (1) de taille appropriée formera un garnissage cylindrique. La figure 8 schématise une galette de hauteur "h" cornprenant plusieurs éléments de garnissage (1) et comportant deux organes "cul" et formes 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 8A illustre, de façon plus détaillée, la structure d'une partie d'un organe "C1" comportant une séiie de fentes "F", sur approximativement la moitié de sa largeur "1", qui définissent les pétales "F1". La figure 9 illustre une colonne "K" comprenant deux galettes "G1" et "G2" superposées de manière que les plans des éléments de garnissage (1) de la galette "gel" fassent un angle de 9G 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'appu'ent 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 à 15 met de diametre de 0,01 m à 10 m, ou une série de pièces monolithiques, habituellement identiques, formant chacune une galette ayant, par exemple, une hauteur de 0,01 m 3 m et un diamètre de 0,01 m à 10 m, qui sont de préférence superposées de manière que la face supérieure de l'une soit en contact avec la face inférieure de l'autre et qui forment ainsi le garnissage de la colonne "K". REVENDICATIONS 1 - Elément de garnissage, caractérise en ce qu'il comprend au moins un motif élémentaire solide comportant au moins deux canaux se croisant à l'intérieur dudit'solide, ayant chacun indépendamment les uns des autres, une section définie par une courbe fermée, lesdits canaux traversant de part en part ledit solide et definissant, pris deux à deux, à leur intersection, un volume commun à chacun d'entre eux. 2 - Elément de garnissage, selon la revendication 1, dans lequel le motif élémentaire solide a la forme d'un polyèdre convexe. 3 - Elément de garnissage, selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les canaux du motif élementaire sont sensiblement rectilignes et leurs axes, pris deux à deux, sont sécants. 4 - Element de garnissage, selon l'une des revendications 1 à 3, comportant des canaux ayant une section circulaire, polygonale, ou elliptique de surface d'environ 10 10 m2 à environ 10 1 m2. 5 - Elément de garnissage, selon l'une des revendications 1 à 4, comportant une série de motifs élémentaires arrangés de manière à former une couche traversée de part en part par une pluralité de canaux. 6 - Elément de garnissage, selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel les axes des canaux font entre eux deux à deux un angle de 10 à 170 degrés. 7 - Elément de garnissage, selon l'une des revendications 3 à 6, comportant deux canaux. 8 - Elément de garnissage, selon l'une des revendications 3 à 6, comportant trois canaux l'un d'entre eux ayant un volume commun avec chacun des deux autres pris séparément. 9 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé 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. 10 - Elément de garnissage, suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les surfaces des parois des canaux sont modifiées par dépôts d'un catalyseur ou d'au moins un élément à action catalytique. 11- Garnissage de colonne caractérisé en ce qu'il est formé par une juxtaposition d'éléments de garnissage selon l'une des revendications 1 à 10. 12 - Garnissage de colonne selon la revendication 11 dans lequel les éléments de garnissage sont disposés de manière que les axes des canaux fassent chacun, independamment les uns des autres, un angle avec l'axe de la colonne superieur à zéro degré et inferieur à 90 degrés. 13 - Utilisation d'au moins un élément de garnissage, selon l'une des revendications 1 à 10 ou d'un garnissage selon la revendication 11 ou 12 dans les colonnes de transfert de matière, d'échange thermique et de melange entre au moins deux fluides.