Brevet FR2871074A1 — publié le 20051209

La présente invention concerne une bande en matière en feuille pour module de garnissage ondulé-croisé d'échange de matière et/ou d'échange de chaleur, du type comportant des ondulations qui forment alternativement des premières crêtes principales dirigées dans un premier sens et des secondes crêtes principales dirigées dans le sens opposé, les ondulations délimitant des canaux dont chacun s'étend entre deux premières ou secondes crêtes principales adjacentes, les canaux ayant une orientation générale inclinée par rapport à une direction générale de circulation d'un liquide dans le module, la bande comprenant en outre deux bords de bande s'étendant sensiblement perpendiculairement à la direction générale de circulation et au moins une première et une deuxième rangées adjacentes de parties inversées, ces rangées s'étendant sensiblement parallèlement aux bords de bande et comprenant respectivement des premières et des deuxièmes parties inversées qui s'étendent dans la section transversale d'un canal, la bande définissant deux longueurs mesurées suivant la direction générale de circulation, à savoir: - une longueur de crête entre lesdites première et deuxième rangées, mesurée entre les points de crête adjacents aux parties inversées des première et deuxième rangées, et - une longueur de partie inversée mesurée entre les deux points d'une première ou d'une deuxième partie inversée adjacents à la crête principale associée. 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 des 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, également appelés packs , de garnissage ondulé-croisé. Les modules comprennent des tôles ondulées disposées 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 90 d'un module à l'autre. Afin d'améliorer l'échange entre un liquide et un gaz qui s'écoulent dans le module de garnissage, on a proposé dans l'état de la technique des ouvertures qui sont ménagées dans les tôles ondulées. Ces ouvertures conduisent à un changement de l'écoulement du gaz d'un côté à l'autre de la tôle du garnissage et améliorent l'échange avec le liquide. Une telle bande est par exemple connue du document EP-A-1 029 588 et comprend des ondulations formant des crêtes et des vallées reliées par des jambes d'onde délimitant des canaux. Cette bande comporte des parties inversées, également appelées serrations , qui s'étendent dans chaque canal et qui forment les ouvertures. Les parties inversées interrompent les crêtes sur une longueur égale à la longueur de la partie inversée. Lorsque deux bandes sont appliquées l'une contre l'autre, les lignes de crête des deux bandes se croisent en des points de contact. Aux emplacements où deux parties inversées se croisent, il existe des espaces libres entre les bandes qui permettent une déformation locale des deux bandes. Cette déformation nuit aux performances d'échange de chaleur et/ou de matière de l'installation, et conduit à une 5 perte de charge importante. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients cités, et de proposer une bande de garnissage qui ait des performances d'échange de chaleur et/ou de matière améliorées. A cet effet, l'invention a pour objet une bande de garnissage du type précité, caractérisée en ce que la longueur de partie inversée est différente de la longueur de crête. Selon des modes particuliers de réalisation, la 15 bande selon l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le rapport des deux longueurs entre elles est supérieure à 1,2; - la longueur de partie inversée est inférieure à la 20 longueur de crête; - la bande définit une période de crête, mesurée entre deux premières ou deux deuxièmes crêtes principales adjacentes et suivant la direction générale de circulation, et la somme de la longueur de partie inversée et de la longueur de crête est différente de la période de crête; - la somme de la longueur de partie inversée et de la longueur de crête est inférieure à 0,66 fois la période de crête; - chaque canal comprend une crête principale de fond formée par une seconde ou une première crête principale, chaque partie inversée comprend une première crête intermédiaire, orientée dans le sens opposé à la crête principale de fond du canal, et au moins une seconde crête intermédiaire orientée dans le sens de la crête principale de fond; - la bande comprend une ligne médiane s'étendant parallèlement aux bords de bande et à distance égale de ceux-ci, et, pour au moins une rangée de parties inversées située d'un côté de la ligne médiane, la distance entre cette rangée de partie inversée et la ligne médiane est différente de la distance entre la ligne médiane et chaque rangée de parties inversées située de l'autre côté de la ligne médiane; - les parties inversées et les ondulations délimitent des ouvertures munies de bords d'ouverture, et les bords d'ouverture s'étendent en tout point sensiblement suivant la ligne d'écoulement naturel de liquide; et - la somme de la longueur de partie inversée et de la longueur de crête est différente de la période de crête divisée par n, avec n = 1, 2, 3, 4.. L'invention a en outre pour objet un module de garnissage ondulé-croisé pour colonne d'échange de matière et/ou d'échange de chaleur, comprenant un empilement de bandes, avec leurs orientations d'ondulation inversées d'une bande à la suivante, caractérisé en ce qu'au moins deux des bandes sont des bandes telles que définies ci-dessus, en ce que ces deux bandes sont appliquées l'une contre l'autre, et en ce que l'une des bandes est tournée de 180 par rapport à l'autre autour d'une ligne médiane s'étendant à mi-distance entre les bords de bande. Par ailleurs, l'invention a pour objet une installation de distillation, notamment d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module de garnissage ondulé-croisé muni d'au moins une bande telle que définie 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 en coupe longitudinale d'une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant des modules de garnissage selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en plan d'une bande de garnissage selon l'invention; - les Figures 3A à 3C sont des vues en coupe de la bande de garnissage selon la ligne III-III de la Figure 2, à plus grande échelle et indiquant des positions différentes d'une bande adjacente; - la Figure 4 est une vue schématique en plan d'un ensemble de deux bandes de garnissage selon l'invention; et la Figure 5 est une vue en perspective d'une partie d'une bande de garnissage selon l'invention. Sur la Figure 1, on a représenté une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur CE selon l'invention à axe général vertical X-X. La colonne CE est par exemple une colonne de distillation cryogénique, notamment une colonne de distillation d'air. La colonne CE définit une direction générale de circulation de fluide Df, qui s'étend verticalement pendant l'utilisation. La colonne CE comprend, à son extrémité supérieure ES, une entrée de liquide EL, débouchant dans un distributeur DL qui distribue le liquide sur la section transversale de la colonne CE, ainsi qu'une sortie de vapeur SV. A son extrémité inférieure EI, elle comprend une entrée de vapeur EV et une sortie de liquide SL. La colonne CE comprend en outre une virole cylindrique V. Un module de garnissage MG1 qui favorise l'étalement du liquide transversalement à l'axe X-X est disposé dans la virole V directement au-dessous du distributeur DL. Un tel module MGl est connu en soi, et est par exemple un module de garnissage comprenant un garnissage ondulé-croisé à perforations ou à stries. Une pluralité de modules de garnissage MG2 selon l'invention est disposée dans la virole V au-dessous du module MG1. Un support inférieur SI maintient les modules de garnissage MG1, MG2. Chaque module de garnissage MG2 comprend une multitude de bandes ondulées de garnissage 2. Les bandes 2 comprennent un plan moyen P (voir Figure 3A) s'étendant parallèlement à la direction générale Df. Les bandes 2 d'un module MG2 sont disposées les unes contre les autres, et de telle sorte que les plans P s'étendent parallèlement les uns des autres. Les plans P des bandes de garnissage de deux modules adjacents MG2 sont décalés angulairement autour de l'axe X-X, de préférence de sensiblement 90 . Tout d'abord la structure et les proportions géométriques de la bande de garnissage 2 seront décrites, puis un ensemble de deux bandes de garnissage 2 et 40 selon l'invention ainsi que les avantages qui découlent de la structure de la bande. Sur la Figure 2 est représentée une vue en plan de la bande de garnissage 2 selon l'invention. La bande 2 comporte deux bords parallèles supérieur 4 et inférieur 6 s'étendant perpendiculairement à la direction Df. La bande 2 définit une ligne médiane M-M, s'étendant parallèlement aux bords 4, 6 et à distance égale m de ceux-ci. Cette ligne M-M sépare la bande 2 en deux semi-bandes S1, S2. La bande 2 comporte des ondulations 8 qui forment alternativement des premières crêtes principales 10, dirigées dans un sens par rapport au plan P (voir Figure 3A), et des deuxièmes crêtes principales 12 dirigées dans le sens opposé par rapport au plan P. Dans l'orientation à plat de la Figure 3A, les deuxièmes crêtes 12 forment des vallées. Les ondulations 8 forment des canaux 14 identiques et alternativement inversés dont chacun s'étend entre deux premières 10 ou deux deuxièmes 12 crêtes principales de bord reliées par une deuxième 12 ou une première 10 crête principale qui forme une crête principale de fond du canal 14 considéré. Les canaux 14 ont des sections transversales identiques et deux canaux 14 adjacents sont ouverts dans des sens opposés. Deux crêtes principales 10, 12 adjacentes sont reliées par une jambe de canal 16 de section rectiligne. Les canaux 14, et en conséquence les crêtes 10, 12, s'étendent suivant une direction de canal D, qui est inclinée d'un angle S par rapport aux bords 4, 6 (voir Figure 2). L'angle 6 est compris entre 45 et 60 . La bande 2 comprend en outre une multitude de parties inversées 22 (serrations), qui sont agencées en rangées R s'étendant parallèlement aux bords 4, 6. La bande 2 comprend six rangées R de parties inversées 22, dont trois sont disposées sur chaque semi-bande S1 et S2. La Figure 3A montre une de ces parties inversées 22. La partie inversée 22 s'étend entièrement dans la section transversale du canal 14. La partie inversée 22 relie les deux jambes 16 du canal 14 et est reliée à celles-ci à deux emplacements de jonction 24. Elle forme une première crête intermédiaire 26 dirigée dans le sens opposé à la crête 10 du fond du canal, ainsi que deux deuxième 28 et troisième 30 crêtes intermédiaires orientées dans le sens de la crête principale de fond 10 et s'étendant de part et d'autre de la crête intermédiaire 26. La longueur développée de la partie inversée 22 est identique à la longueur développée de l'ondulation 8 entre les deux emplacements de jonction 24. Ainsi, la matière de la bande 2 n'est pas ou n'est que peu étirée lors du pliage. Les rayons de courbure de la bande 2 aux emplacements des crêtes principales 10, 12 et des crêtes intermédiaires 26, 28, 30 sont de préférence d'au moins 1 mm et en particulier d'au moins 2 mm, ce qui facilite la formation de la partie inversée 22 sans rupture de matière. Comme représenté sur la Figure 5, chaque partie inversée 22 et l'ondulation 8 associée délimitent des bords 32 formant deux ouvertures 34 Ces ouvertures 34 coïncident sur les Figures 3A à 3C. Les bords 32 s'étendent en tout point sensiblement suivant la ligne d'écoulement naturel de liquide à l'état monté dans la colonne CL. Ainsi, la bande de garnissage 2 forme peu de zones sèches lors de son utilisation. En se référant de nouveau à la Figure 3A, on voit que le canal 14 a une hauteur h qui est mesurée entre la crête principale de fond 10 du canal et un plan Q défini par les deux crêtes principaux adjacentes de bord 12. La distance dl entre la crête principale de fond 10 et la première crête intermédiaire 26 est inférieure à 0,8 fois la hauteur h et est en l'occurrence sensiblement 2/3 de la hauteur h. Ainsi, la première crête intermédiaire 26 se trouve sensiblement à l'emplacement de la concentration de matière ou de la température maximale ou minimale d'un gaz circulant dans le canal 14. En conséquence, le gradient de concentration et/ou de température entre le gaz et le liquide est important, ce qui conduit à un échange de chaleur et /ou de matière important. Le partie inversée 22 définit une profondeur p qui est mesurée entre la crête 10 et un plan défini par les 30 crêtes intermédiaires 28, 30. En se référant à la Figure 2, la bande 2 définit des longueurs de crête LC s'étendant entre deux rangées R adjacentes disposées sur la même semibande S1 ou S2 et sur la même ondulation 8, ainsi que des longueurs de partie inversée LPI. Chacune de ces deux longueurs LC et LPI est mesurée selon la direction générale de circulation Df. Toutes les longueurs de crête LC, et toutes les longueurs de partie inversée LPI sont identiques. La longueur de crête LC est mesurée entre les deux points de crête CRI, CR2 adjacents aux parties inversées 22 des rangées R adjacentes et respectivement considérées. La longueur de partie inversée LPI est mesurée entre les deux points PI1, PI2 de la partie inversée 22 considérée adjacents à la crête principale 10, 12 associée. Sur la Figure 2, les points PI1 et CR2 ainsi que les points PI2 et CR1 se chevauchent (voir également Figure 5). Selon l'invention, les longueurs LC et LPI sont différentes l'une de l'autre. De préférence, le rapport des deux longueurs LC et LPI est supérieur à 1,2, notamment supérieur à 1,5, et en particulier supérieur à 2,0. En outre, la longueur de crête LC est supérieure à 1,2 fois la longueur de partie inversée LPI, de telle sorte que la longueur de partie inversée LPI est inférieure à la longueur de crête LC. La bande 2 définit une période de crête PC, mesurée entre deux premières 10 ou deux deuxièmes 12 crêtes principales adjacentes, suivant la direction générale de circulation Df. La somme de la longueur de partie inversée LPI et de la longueur de crête LC est différente de la période de crête PC. De préférence, la somme de la longueur de partie inversée LPI et de la longueur de crête LC est inférieure à 0,66 fois la période de crête PC. En outre, la somme de la longueur de partie inversée 30 LPI et de la longueur de crête LC est différente de PC/n, avec n = 1, 2, 3, 4.... La rangée R de la semi-bande S1 qui est la plus proche de la ligne médiane M-M, est disposée à une distance Dl de la ligne médiane M-M, tandis que la rangée R de la semi-bande S2 qui est la plus proche de la ligne médiane M-M, est disposée à une distance D2 de la ligne médiane M-M. Les distances Dl et D2 sont mesurées de manière analogue aux longueurs LC, c'est-à-dire, entre le point de la crête principale 10, 12 adjacent à la partie inversée 22 de la rangée R considérée et la ligne médiane M-M, ainsi que suivant la direction Df. Ainsi, la distance entre chaque rangée R située d'un côté de la ligne médiane M-M et la ligne médiane M-M est différente de la distance entre la ligne médiane M-M et chaque rangée R située de l'autre côté de la ligne médiane. Sur la Figure 4 est représenté schématiquement un ensemble de deux bandes 2 et 40 selon l'invention, telles qu'elles sont disposées dans le module de garnissage MG2. Le module de garnissage MG2 a une section transversale qui n'est pas en forme de rectangle ou de carré, par exemple circulaire. En conséquence, les deux bandes 2, 40 ont des longueurs L1, L2 différentes, mesurées suivant les bords 4,6. La bande 2, montrée en traits continus, est la bande 2 de la Figure 2. La bande 40, dans la représentation de la Figure 4, est disposée devant la bande 2 et est montrée en traits interrompus. Les deux bandes 2, 40 sont appliquées l'une contre l'autre, de telle sorte que les canaux 14 des deux bandes 2, 40 s'étendent suivant des directions Dc inversées d'une bande à l'autre. La bande de garnissage 40 est inversée de 180 autour de la ligne médiane M-M par rapport à la bande de garnissage 2, de telle sorte que la semi-bande S1 de la bande 2 s'applique contre la semi-bande S2 de la bande 40 et vice-versa. Aux emplacements de croisement d'une crête principale 10 de la bande 2 et d'une crête principale 12 de la bande 40, les deux bandes 2, 40 définissent des points de contact Cl entre elles. Comme représenté à la Figure 3A, à ces emplacements, les deux bandes 2, 40 ne peuvent pas s'enchevêtrer. Aux emplacements de croisement d'une crête principale 10 et d'une partie inversée 22, les deux bandes 2, 40 définissent deux points de semi-contact C2. A ces emplacements C2, les deux bandes 2, 40 peuvent s'enchevêtrer l'une dans l'autre d'une distance qui est égale à la profondeur p de la partie inversee (voir Figure 3B). Aux emplacements de croisement de deux parties inversées 22, les bandes 2, 40 définissent des points d'enchevêtrement C3. A ces emplacements, les deux bandes 2, 40 peuvent s'enchevêtrer l'une dans l'autre d'une distance égale à la somme des profondeurs p des deux parties inversées 22 (voir Figure 3C). Le fait que les longueurs de crête LC sont différentes des longueurs de parties inversées LPI, et notamment le fait que les longueurs LPI sont inférieures aux longueurs LC, conduit à un grand nombre de points de contact Cl. Le fait que les rangées R correspondantes des semibandes S1, S2 sont décalées de la ligne médiane M-M de distances différentes conduit à un décalage des parties inversées 22 des deux bandes 2, 40 suivant la direction Df. Ainsi, l'ensemble de bandes 2, 40 présente un nombre faible de points C3. La bande de garnissage 2 selon l'invention conduit à un nombre important de points de contact Cl ou au moins de points de semi-contact C2 pour une surface donnée, ce qui confère une bonne stabilité au module de garnissage MG2. En conséquence, le module MG2 a une perte de charge faible et des bonnes performances d'échange de chaleur et/ou de matière. Un module de garnissage MG2 selon l'invention est fabriqué de la manière suivante. Tout d'abord, une bande continue est fabriquée. Cette bande continue comporte les ondulations 8 et les parties inversées 22. La bande continue est par exemple fabriquée à partir d'une tôle plate par découpe et par pliage. Ensuite, des tronçons de bande successifs et adjacents sont coupés à la longueur L1 et L2 souhaitée, ainsi formant les bandes de garnissage 2, 40 adjacentes du module MG2. Puis chaque seconde bande est tournée de 180 , en particulier autour de l'axe M-M, et les bandes 2, 40 sont appliquées les unes contre les autres. Lors de la fabrication du module de garnissage à partir d'une bande de garnissage selon l'invention, il n'est pas nécessaire de couper entre deux tronçons de bande continue un ruban d'une longueur prédéterminée, mesurée suivant les bords 4, 6, afin de régler la position relative des parties inversées 22 de deux bandes 2 adjacentes en vue d'éviter un enchevêtrement. Cet avantage est obtenu grâce aux caractéristiques géométriques précitées de la bande selon l'invention, telle que la différence de la longueur de partie inversée LPI de la longueur de crête LC. En d'autres termes, le nombre de points de contact Cl ou des points de semi-contact C2 entre deux bandes adjacentes est dans une large mesure indépendant de la position relative des deux bandes 2, 40 et des parties inversées 22 dans la direction des bords 4, 6. L'invention a en outre pour objet une installation de distillation cryogénique en particulier une installation de distillation d'air, comprenant une bande telle que décrite. REVENDICATIONS 1. Bande en matière en feuille pour module de garnissage ondulé-croisé d'échange de matière et/ou d'échange de chaleur, du type comportant des ondulations (8) qui forment alternativement des premières crêtes principales (10, 12) dirigées dans un premier sens et des secondes crêtes principales (12, 10) dirigées dans le sens opposé, les ondulations (8) délimitant des canaux (14) dont chacun s'étend entre deux premières (10, 12) ou secondes (12, 10) crêtes principales adjacentes, les canaux (14) ayant une orientation générale (Dc) inclinée par rapport à une direction générale de circulation (Df) d'un liquide dans le module, la bande (2) comprenant en outre deux bords de bande (4, 6) s'étendant sensiblement perpendiculairement à la direction générale de circulation (Df) et au moins une première et une deuxième rangées (R) adjacentes de parties inversées (22), ces rangées (R) s'étendant sensiblement parallèlement aux bords de bande (4, 6) et comprenant respectivement des premières et des deuxièmes parties inversées (22) qui s'étendent dans la section transversale d'un canal (14), la bande définissant deux longueurs mesurées suivant la direction générale de circulation (Df), à savoir: - une longueur de crête (LC) entre lesdites première et deuxième rangées (R), mesurée entre les points de crête adjacents aux parties inversées des première et deuxième rangées, et - une longueur de partie inversée (LPI) mesurée entre les deux points d'une première ou d'une deuxième partie inversée (22) adjacents à la crête principale (10, 12) associée, caractérisée en ce que la longueur de partie inversée (LPI) est différente de la longueur de crête (LC). 2. Bande selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport des deux longueurs (LC, LPI) entre elles est supérieur à 1,2. 3. Bande selon la revendication 1 ou 2, caractérisée 5 en ce que la longueur de partie inversée (LPI) est inférieure à la longueur de crête (LC). 4. Bande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle définit une période de crête (PC), mesurée entre deux premières (10, 12) ou deux deuxièmes (12, 10) crêtes principales adjacentes et suivant la direction générale de circulation (Df), et en ce que la somme de la longueur de partie inversée (LPI) et de la longueur de crête (LC) est différente de la période de crête (PC). 5. Bande selon la revendication 4, caractérisée en ce que la somme de la longueur de partie inversée (LPI) et de la longueur de crête (LC) est inférieure à 0,66 fois la période de crête (PC). 6. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque canal (14) comprend une crête principale de fond formée par une seconde (12, 10) ou une première (10, 12) crête principale, en ce que chaque partie inversée (22) comprend une première crête intermédiaire (26), orientée dans le sens opposé à la crête principale de fond du canal, et au moins une seconde crête intermédiaire (28, 30) orientée dans le sens de la crête principale de fond. 7. Bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend une ligne médiane (M-M) s'étendant parallèlement aux bords de bande (4, 6) et à distance (m) égale de ceux-ci, et en ce que, pour au moins une rangée (R) de parties inversées (22) située d'un côté de la ligne médiane (M-M), la distance (Dl, D2) entre cette rangée (R) de partie inversée et la ligne médiane (M- M) est différente de la distance (D2, Dl) entre la ligne médiane (M-M) et chaque rangée (22) de parties inversées située de l'autre côté de la ligne médiane. 8. Bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties inversées (22) et les ondulations (8) délimitent des ouvertures (34) munies de bords d'ouverture (32), et en ce que les bords d'ouverture (32) s'étendent en tout point sensiblement suivant la ligne d'écoulement naturel de liquide. 9. Module de garnissage ondulé-croisé pour colonne d'échange de matière et/ou d'échange de chaleur, comprenant un empilement de bandes (2), avec leurs orientations d'ondulation inversées d'une bande à la suivante, caractérisé en ce qu'au moins deux des bandes (2) sont des bandes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, en ce que ces deux bandes (2) sont appliquées l'une contre l'autre, et en ce que l'une des bandes est tournée de 180 par rapport à l'autre autour d'une ligne médiane (M-M) s'étendant à mi-distance entre les bords 'de bande (4, 6). 10. Installation de distillation, notamment d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un module de garnissage ondulé-croisé muni d'au moins une bande (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.