Brevet FR2833190A1 — publié le 20030613

La présente invention concerne une bande ondulée en matière en feuille, notamment en tôle plastiquement déformée, pour module de garnissage de traitement d'un fluide, du type délimitant des canaux d'écoulement du fluide et comportant une région courante dont les canaux définissent, en vue de côté, des lignes de crête/de vallée ayant une direction générale inclinée par rapport à une direction générale de circulation dudit fluide, la bande comportant en outre au moins une région de transition adjacente à la région courante, région de transition dont la direction des lignes de crête/de vallée se rapproche progressivement de la direction générale de circulation dudit fluide. On entend par garnissage un dispositif destiné au mélange d'une phase et/ou à la mise en contact de plusieurs phases circulant à co-courant ou à contre-courant. Dans le garnissage peut en particulier se produire un échange de chaleur et/ou de matière et/ou une réaction chimique. Une application particulière de l'invention réside dans les colonnes séparant de mélanges gazeux, notamment les colonnes de distillation d'air. On connaît dans l'état de la technique des installations de distillation d'air comprenant des modules de garnissage ondulé-croisé, également appelés packs . Les modules comprennent des tôles ou bandes ondulées disposées parallèlement et verticalement, tôles dont les ondulations sont obliques par rapport à une direction générale de circulation de fluide dans l'installation, et inclinées alternativement, généralement croisées de 90 , d'une tôle à l'autre. Les modules de garnissage sont enfilés dans la colonne de distillation de façon à ce que les tôles d'un module soient décalées angulairement par rapport aux tôles d'un module adjacent autour de l'axe de la colonne, généralement de 900 d'un module à l'autre. Pendant l'utilisation, le gaz est contraint de changer de direction selon un tel angle pour passer d'un module à l'autre, avec une perte de charge correspondante à cet emplacement. Cette perte de charge provoque une accumulation de liquide dans la zone inférieure du module supérieur et un engorgement de la colonne à cet emplacement, tandis que la partie centrale des modules n'a pas encore atteint son point d'engorgement. Ce phénomène diminue la capacité de traitement de la colonne. Afin de réduire cet effet, on a proposé dans l'état de la technique des modules de garnissage ayant une zone d'interface structurée. Un tel module de garnissage est décrit par exemple dans le WO-A-97/16 247. Dans ce module, les bandes de garnissage comprennent dans leurs régions marginales des ondulations à sommets courbes qui s'étendent, sur le bord faisant face à un module adjacent, parallèlement à la direction générale de circulation des fluides. Ces ondulations courbes raccordent ce bord de la bande aux ondulations se trouvant dans la région courante du module, lesquelles s'étendent obliquement par rapport à la direction générale de circulation des fluides. Les bandes de garnissage décrites dans le WO-A-97/16 247 précité engendrent néanmoins encore une perte de charge substantielle dans les zones d'interface des modules. L'invention a pour but de proposer un module de garnissage dont la perte de charge est encore diminuée. A cet effet, l'invention a pour objet une bande ondulée du type précité, caractérisé en ce que chaque ligne de crête/de vallée de la région de transition, en vue de côté, s'étend à l'intérieur d'une zone déterminée, centrée sur une courbe qui prolonge tangentiellement la ligne de crête/de vallée de la région courante, et qui se rapproche progressivement de la direction générale de circulation dudit fluide, la largeur radiale de la zone déterminée étant 15% du diamètre hydraulique d'un canal, et en ce que le rayon de courbure de la courbe est en tout point supérieur à 1,5 fois, de préférence supérieur à 1,6 fois, le diamètre hydraulique d'un canal. Selon des modes particuliers de réalisation, la bande selon l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le rayon de courbure de la courbe est supérieur à 2,5 fois le diamètre hydraulique d'un canal, et de préférence 3 fois ce diamètre hydraulique. - Le rayon de courbure de la courbe est inférieur à cinq fois le diamètre hydraulique d'un canal. - La courbe est un arc de cercle. - Le centre de l'arc de cercle est situé sur le bord de la bande ou sur un prolongement de ce bord. - La courbe comprend au moins deux arcs de cercle de rayons de courbure différents, les arcs de cercle se raccordant les uns aux autres dans l'ordre croissant de la valeur de leur rayon de courbure à partir du bord de la bande. - La direction de bord des lignes de crête/de vallée à l'emplacement de leur intersection avec le bord de la bande est sensiblement la direction générale de circulation dudit fluide. - Les lignes de crête/de vallée de la région de transition sont constituées d'au moins deux segments rectilignes, notamment de longueurs identiques. - Les lignes de crête/de vallée de la région de transition sont confondues avec la courbe. L'invention a en outre pour objet un module de garnissage pour colonne d'échange de matière et/ou de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de bandes ondulées telles que définies ci-dessus, avec leurs directions générales des lignes de crêtes/de vallée de leur région courante inversées d'une bande à l'autre. Suivant un mode particulier de réalisation du module, la densité de garnissage est supérieure à 300 m2/m3, et de préférence supérieure à 400 m2/m3. Par ailleurs, l'invention a pour objet une colonne de distillation cryogénique, notamment de distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module de garnissage tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique de côté d'une bande de garnissage selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la Figure 1, à plus grande échelle ; - les Figures 3 et 4 sont des graphiques montrant le comportement d'un exemple d'un module de garnissage selon l'invention par rapport à des modules de garnissage de l'état de la technique ; - la Figure 5 est une vue de côté d'une partie d'une variante d'une bande de garnissage selon l'invention, à plus grande échelle. Sur la Figure 1 est représentée, en vue de côté, une bande de garnissage 2 selon l'invention. La bande de garnissage 2 est destinée à être montée dans une colonne de traitement d'un fluide à axe central vertical (non représentée). Pendant le fonctionnement de la colonne, du fluide s'écoule sur la surface de la bande 2 suivant une direction générale Df d'écoulement de fluide, qui est en l'occurrence verticale. La bande de garnissage 2 est fabriquée à partir d'une bande en tôle lisse, et est déformée plastiquement par pliage. La bande de garnissage 2 comporte une région courante 4 ondulée à laquelle se raccordent suivant la direction Df des régions ondulées de transition supérieure 6 et inférieure 8. Chaque région de transition 6,8 est terminée par un bord horizontal 10,12. Les régions de transition 6,8 se trouvent, à l'état monté de la bande 2, adjacentes à des modules de garnissage voisins, constitués de bandes analogues mais décalés angulairement autour de l'axe central de la colonne. Sur la Figure 2 est représentée une vue en coupe de la partie courante 4 suivant la ligne II-II de la Figure 1. La bande 2 est constituée d'une succession de surfaces 14, 16 planes inclinées, par rapport au plan de la Figure 1, alternativement vers l'avant et vers l'arrière. Deux surfaces voisines 14,16 forment un canal 18 d'écoulement de fluide entre elles. Chaque canal 18 a une section sensiblement triangulaire et est fermé sur deux côtés et ouvert sur le troisième côté. Les surfaces d'un canal 14,16 forment un angle de pliage y, qui est en l'occurrence 600. Les canaux 18, et donc la bande, présentent une épaisseur E. Les surfaces planes 14,16 comportent des zones courbes de liaison 22,24 qui relient deux surfaces 14,16 adjacentes. Ces zones de liaison ont un rayon de courbure r. Les zones de liaison 22,24 forment, en vue de côté, (Figure 1) des lignes de crête 26 et de vallée 28. En vue de coté, deux lignes de crête 26 ou deux lignes de vallée 28 voisines s'étendent parallèlement l'une à l'autre à une distance B, qui est le pas de l'ondulation. Les lignes de crête 26/de vallée 28 de la région courante 4 sont rectilignes et s'étendent suivant une direction Di. Cette direction s'étend suivant un angle 8 = 450 par rapport aux bords 10,12 de la bande et par rapport à la direction Df. L'angle 8 est généralement compris entre 300 et 600. Comme différence par rapport à la région courante, les canaux 18 des régions de transition 6,8 sont courbes. Plus précisément, les lignes de crête 26/de vallée 28 des canaux 18 s'étendent sensiblement dans la direction Di dans une zone raccordée à la région courante 4 et changent leur inclinaison progressivement vers une direction d'inclinaison de bord Db à l'emplacement du bord 10, 12 de la bande. Dans le présent mode de réalisation, chaque ligne de crête 26/de vallée 28 a dans la région de transition, en vue de coté, la forme d'un arc de cercle A de rayon Rc. Le centre C de chaque arc de cercle A est situé sur le bord 10,12 de la bande ou sur un prolongement de celui-ci, de telle sorte que la direction Db soit identique à la direction Df. Chaque arc de cercle A se raccorde tangentiellement à une ligne de crête 26/de vallée 28 de la région courante 4. Chacune des régions de transition supérieure 6 et inférieure 8 a une hauteur Hc, mesurée suivant la direction Df. La hauteur Hc en fonction de 5 est Hc = Rc cos (5). Le diamètre hydraulique de chaque canal 18 de la .-. 4 x Section du Canal région courante 4 est Oh = 4 X Section du Canal Périmètre du Canal Dans le cas où chaque canal 18 est défini par deux surfaces 14, 16 en V, c'est-à-dire en négligeant le rayon r, le diamètre hydraulique d'un canal (18) est : Dh=B-COS- 2j Le rayon Rc de chaque arc A est supérieur à 1,5 fois le diamètre hydraulique Dh. Dans la pratique il est compris entre 1,6 Dh et 5 Dh, et est de préférence supérieur à 2,5 Dh ou égal à environ 3 Dh. Sur la Figure 3 sont représentées des courbes comparant les capacités de deux garnissages de l'état de la technique et d'un garnissage selon l'invention. Chaque garnissage a une densité de 500m2/m3. L'inclinaison des canaux dans la région courante 8 est 450. On a porté en abscisses le débit surfacique maximal du gaz, tandis que les ordonnées indiquent la perte de charge par unité de hauteur. La courbe Cl montre la capacité d'un premier garnissage, classique, sans régions de transition, à savoir d'un garnissage constitué de bandes ondulées qui sont constituées uniquement par une région courante. La courbe C2 indique la capacité d'un deuxième garnissage, ayant deux régions de transition inférieure et supérieure dont le rapport Rc/Dh est égal à 1. Pour une perte de charge de lOmbar/m on constate une augmentation de la capacité de 25% par rapport au garnissage classique. La courbe C3 indique la capacité d'un garnissage selon l'invention dont le rapport Rc/Dh est de 3. La capacité est, pour une perte de charge de 10mbar/m, encore augmentée de 12% par rapport au deuxième garnissage. Sur la Figure 4 sont représentées des courbes comparant les comportements des garnissages précités. Les abscisses indiquent le degré d'engorgement du garnissage, tandis que les ordonnées indiquent la perte de charge par unité de hauteur. La courbe C4 montre le comportement du premier garnissage classique. La courbe C5 indique le comportement du deuxième garnissage, et la courbe C6 indique le comportement du troisième garnissage. Pour une perte de charge de 6mbar/m, la capacité est augmentée de 8% d'un garnissage de Rc/Dh = 3, par rapport à un garnissage de Rc/Dh = 1. Sur la Figure 5 est représentée une partie d'une région de transition d'une variante d'une bande de garnissage selon l'invention. Comme différence par rapport au premier mode de réalisation, l'inclinaison 8 des lignes de crête 26/de vallée 28 de la région courante 4 est de 300. En conséquence, elles sont inclinées de 600 par rapport à Df. De plus, les lignes de crête 26/de vallée 28 sont constituées dans la région de transition 8 de trois segments de droite 36,38, 40 de longueur 1 identique. Les segments successifs 36,38, 40 sont inclinés, de la région courante vers le bord, de 81= 390, 82= 580 et 83= 770 par rapport au bord 12. Chaque ligne de crête 26/de vallée 28 de la bande 2 s'étend, dans la région de transition 8, à l'intérieur d'une zone 42 qui est définie comme suit : Une courbe en forme d'arc de cercle A se raccorde tangentiellement au point terminal Tl de la ligne de crête 26/de vallée 28 concernée de la région courante. Cet arc de cercle A présente un rayon Rc d'au moins 1,5 fois, de préférence d'au moins 1,6 fois, le diamètre hydraulique Dh des canaux 18 de la bande 4. Au point d'intersection T2 de l'arc de cercle A avec le bord 12, cet arc de cercle présente une direction tangentielle Dt qui est plus inclinée vers la direction générale d'écoulement du fluide Df que les lignes de crête 26/de vallée 28 de la région courante 4. La zone 42 présente une largeur radiale Lr qui est 15% du diamètre hydraulique Dh. La zone 42 est centrée sur l'arc de cercle A, de telle sorte qu'elle s'étend de 7,5% x Dh de part et d'autre de l'arc de cercle A. Il est à noter que cet arc de cercle A est la ligne idéale de courbure pour une ligne de crête 26/de la vallée 28 s'étendant dans la zone 42. On constate qu'un module de garnissage fabriqué à partir d'une bande de garnissage selon l'invention présente une capacité augmentée. Les modules de garnissage fabriqués à partir des bandes selon l'invention ont de préférence une densité de garnissage a supérieure à 300 m2/m3 et de préférence supérieure à 400 m2/m3. Il est à noter que le diamètre hydraulique Dh peut être calculé également de façon approximative en fonction de la densité du garnissage a suivant la formule : Dh=4 a Les modules comprenant un empilement de bandes de garnissage selon l'invention sont par exemple utilisés dans des colonnes de distillation cryogénique, notamment de distillation d'air. En variante, la courbe définissant la zone 42 peut être à rayon de courbure variable, notamment décroissant à partir de la région courante de la bande. Elle peut en particulier être constituée d'une'pluralité d'arcs'de cercle de rayons de courbure différents. Par exemple, elle peut être constituée de deux arcs de cercle ayant des rayons de courbure Rc de 1,5 Dh et de 2 Dh. De préférence, les arcs de cercle s'étendent à partir du bord dans l'ordre croissant de leurs rayons de courbure. REVENDICATIONS 1. Bande ondulée en matière en feuille, notamment en tôle plastiquement déformée, pour module de garnissage de traitement d'un fluide, du type délimitant des canaux d'écoulement (18) du fluide et comportant une région courante (4) dont les canaux (18) définissent, en vue de côté, des lignes de crête (26) /de vallée (28) ayant une direction générale inclinée (Di) par rapport à une direction générale de circulation (Df) dudit fluide, la bande (4) comportant en outre au moins une région de transition (6,8) adjacente à la région courante (4), région de transition (6, 8) dont la direction des lignes de crête (26)/de vallée (28) se rapproche progressivement de la direction générale de circulation (Df) dudit fluide, caractérisée en ce que chaque ligne de crête (26)/de vallée (28) de la région de s transition (6,8), en vue de côté, s'étend à l'intérieur d'une zone déterminée (42), centrée sur une courbe (A) qui prolonge tangentiellement la ligne de crête (26) /de vallée (28) de la région courante (4) et qui se rapproche progressivement de la direction générale de circulation (Df) dudit fluide, la largeur radiale (Lr) de la zone déterminée étant 15% du diamètre hydraulique d'un canal (18), et en ce que le rayon de courbure (Rc) de la courbe (A) est en tout point supérieur à 1,5 fois, de préférence supérieur à 1,6 fois, le diamètre hydraulique (Dh) d'un canal (18). 2. Bande selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rayon de courbure (Rc) de la courbe (A) est supérieur à 2,5 fois le diamètre hydraulique (Dh) d'un canal (18), et est de préférence 3 fois ce diamètre hydraulique. 3. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le rayon de courbure (Rc) de la courbe (A) est inférieur à cinq fois le diamètre hydraulique (Dh) d'un canal (18). 4. Bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la courbe est un arc de cercle (A). 5. Bande selon la revendication 4, caractérisée en ce que le centre (C) de l'arc de cercle (A) est situé sur le bord (10,12) de la bande ou sur un prolongement de ce bord. 6. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la courbe comprend au moins deux arcs de cercle de rayons de courbure différents, les arcs de cercle se raccordant les uns aux autres dans l'ordre croissant de la valeur de leur rayon de courbure à partir du bord de la bande. 7. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la direction de bord (Db) des lignes de crête (26) /de vallée (28) à l'emplacement de leur intersection avec le bord (10,12) de la bande est sensiblement la direction générale de circulation (Df) dudit fluide. 8. Bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les lignes de crête (26) /de vallée (28) de la région de transition (6,8) sont constituées d'au moins deux segments rectilignes (36,38, 40), notamment de longueurs identiques (1). 9. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les lignes de crête (26)/de vallée (28) de la région de transition (6,8) sont confondues avec la courbe (A). 10. Module de garnissage pour colonne d'échange de matière et/ou de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de bandes (2) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, avec leurs directions générales des lignes de crêtes (26) /de vallée (28) (Di) de leur région courante inversées d'une bande à l'autre. 11. Module selon la revendication 10, caractérisé en ce que sa densité de garnissage (a) est supérieure à 300 m2 1m3, et de préférence supérieure à 400 m2/m3. 12. Colonne de distillation cryogénique, notamment de distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module de garnissage selon l'une des \ revendications 10 ou 11.