Brevet FR2871073A1 — publié le 20051209

La présente invention concerne une bande en matière en feuille pour module de garnissage ondulé-croisé de traitement d'un liquide, 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 formant des crêtes de bord du canal, et dont chacun comporte deux jambes de canal reliées par une crête principale de fond, les canaux ayant une orientation générale inclinée par rapport à une direction générale de circulation dudit liquide, la bande comprenant en outre au moins une partie inversée qui s'étend entièrement dans la section transversale d'un des canaux et qui relie les deux jambes de canal, la partie inversée comprenant une première crête intermédiaire orientée dans le sens opposé à la crête principale de fond du canal. 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. On connaît du document EP-A-1 029 588 une bande de garnissage de ce type, dont les ondulations forment 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 dont chacune forme une crête intermédiaire unique. La partie inversée délimite un angle de 90 avec chaque jambe d'onde à laquelle elle est reliée. Dans le cas d'une fabrication de cette bande par pliage à partir d'une tôle mince plate, la matière est soumise à des déchirures ou des plissages. La bande de garnissage finie dévie donc de sa forme géométrique voulue, ce qui réduit les performances d'échange de matière ou de chaleur de la bande finie. Le document US-A-4,670,196 décrit également une bande de garnissage ondulée munie de parties inversées, qui présente les mêmes inconvénients. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients cités, et de proposer une bande de garnissage qui soit facile à fabriquer à partir d'une tôle mince plate et qui conduise à un échange de chaleur et/ou de matière important. A cet effet, l'invention a pour objet une bande du type précité, caractérise en ce que la partie inversée comprend en outre une deuxième crête intermédiaire orientée dans le sens de la crête principale de fond. Selon des modes particuliers de réalisation, la bande selon l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la partie inversée comprend une troisième crête intermédiaire orientée dans le sens de la crête principale de fond, les deuxième et troisième crêtes intermédiaires s'étendant de part et d'autre de la première crête intermédiaire; vu en section transversale prise perpendiculairement à l'orientation du canal, la partie inversée est reliée en un point à chacune des jambes de canal, et la longueur développée du canal et la longueur développée de la partie inversée, mesurées entre les deux points, sont sensiblement identiques; - la section transversale de la partie inversée comprend un premier arc de cercle formant la première crête intermédiaire ainsi qu'un deuxième et un troisième arcs de cercle formant les deuxième et troisième crêtes intermédiaires, entre le premier arc de cercle et chacun des deuxième et troisième arcs de cercle s'étend un tronçon rectiligne intermédiaire de la partie inversée, tronçon qui est raccordé de manière tangente aux arcs de cercle associés; - la section transversale du canal comprend un arc de cercle principal qui forme la crête principale de fond et deux tronçons rectilignes principaux qui se raccordent tangentiellement à l'arc de cercle principal; - le rayon de courbure de l'arc de cercle principal est égal à la somme des rayons de courbure des premier, deuxième et troisième arcs de cercle, et l'angle entre chacun des tronçons rectilignes intermédiaires et le tronçon rectiligne principal associé est égal à l'angle entre les tronçons rectilignes principaux; - le canal a une hauteur qui est mesurée entre la crête principale de fond du canal et un plan s'étendant entre les deux crêtes principales adjacentes du canal, et la distance entre la crête principale de fond et la première crête intermédiaire est sensiblement égale à 2/3 fois la hauteur; et - la bande est en tôle pliée. L'invention a en outre pour objet un procédé de fabrication d'une bande tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) une feuille plate en tôle est pliée formant ainsi une tôle ondulée comprenant les canaux; (b) à l'emplacement d'au moins une partie inversée de la bande, deux fentes sont découpées dans la feuille, à travers une ligne de crête principale de fond, et (c) la partie située entre les deux fentes est pliée 20 de manière inverse à l'ondulation formant ainsi la partie inversée. Par ailleurs, l'invention a pour objet un module de garnissage ondulécroisé pour une installation de traitement de liquide comprenant une pluralité de bandes avec leurs orientations de canal inversées d'une bande à la suivante, caractérisé en ce qu'au moins une bande est 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 ondulé-croisé selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en plan d'une partie d'une bande de garnissage selon l'invention; - la Figure 3 est une vue en perspective d'une partie de la bande de la Figure 2; et - la Figure 4 est une vue en coupe de la bande selon la ligne IV-IV de la Figure 2, à plus grande échelle. 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 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. La colonne CE définit une direction générale de circulation de fluide Df qui s'étend verticalement. Un module de garnissage MG1 qui favorise l'étalement du liquide transversalement à l'axe X-X est disposé dans la virole V directement audessous du distributeur DL. Un tel module MG1 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 4) 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 . Sur la Figure 2 est représentée une partie d'une bande de garnissage 2. La bande 2 comporte deux bords parallèles supérieur 4 et inférieur 6, s'étendant perpendiculairement à la direction Df. La bande 2 comporte en outre des ondulations 8 qui forment alternativement des premières crêtes principales 10, dirigées dans un sens (voir Figure 4) par rapport au plan général moyen P de la bande 2, et des deuxièmes crêtes principales 12 dirigées dans le sens opposé par rapport au plan P. En l'occurrence 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. Les canaux 14 sont ouverts alternativement dans l'un ou l'autre des deux sens précités. La crête principale intermédiaire 12 ou 10 forme la crête principale de fond du canal 14 considéré, tandis que les deux crêtes adjacentes 10 ou 12 forment les crêtes de bord de canal. 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 Dc qui est inclinée d'un angle 6 par rapport aux bords 4, 6 (voir Figure 2). Les directions Dc de deux bandes adjacentes 2 d'un module MG2 sont inversées l'une à l'autre. En section transversale, prise perpendiculairement à la direction DC, comme représenté à la Figure 4, chaque canal 14 comporte un premier arc de cercle 18 de rayon de courbure r1 qui forme la crête principale de fond 10. Un tronçon principal rectiligne 20 de la jambe de canal 16 est raccordé de manière tangentielle à cet arc de cercle 18 de part et d'autre de celui-ci. Ce tronçon 20 a une longueur dl, mesurée entre l'emplacement de jonction 24 (voir ci-après) et l'arc de cercle 18. Les deux tronçons 20 forment un angle a entre eux. La bande 2 comprend en outre dans chaque canal 14 une multitude de parties inversées 22 identiques. La Figure 4 montre une de ces parties inversées 22. La partie inversée 22 s'étend entièrement dans la section transversale du canal 14, c'est-àdire que la partie de la bande 2 qui s'étend à l'intérieur de l'épaisseur e des jambes d'onde 16 ne fait pas partie de la partie inversée 22. 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 de 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 section transversale de la partie inversée 22 comprend trois arcs de cercle 32, 34, 36. Les arcs de cercle 34, 36 ont un même rayon de courbure r2 et forment les deuxième 28 et troisième 30 crêtes intermédiaires, tandis que l'arc de cercle 32 a un rayon de courbure r3> r2 et forme la première crête intermédiaire 26. Entre l'arc de cercle 32 et chacun des arcs de cercle 34, 36 s'étend un tronçon rectiligne 38 de la partie inversée 22 qui est raccordée de manière tangente à chacun des arcs de cercle 32, 34, 36. Les tronçons rectilignes 38 ont une même longueur d2. Avantageusement, les arcs de cercle 34, 36 sont reliés de manière tangente aux jambes de canal 16. En conséquence, la sollicitation de la tôle est faible lors de la déformation. Chacun des deux tronçons 38 forme un angle a avec la jambe d'onde 16 adjacente. La longueur développée de la partie inversée 22 est identique à la longueur développée des deux tronçons principaux 20 et de l'arc de cercle 18. Ainsi, la matière n'est pas ou n'est que peu étirée lors du pliage. Par ailleurs, 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 12. La distance d4 entre la crête principale de fond 10 et la première crête intermédiaire 26 est sensiblement 2/3 de la hauteur h. En d'autres termes: d4 = ? h. 3 Ainsi, la première crête intermédiaire 26 se trouve sensiblement à l'emplacement de l'équibarycentre B de la section du canal. En ce point se rencontre la plus grande concentration de matière ou la plus haute température d'un gaz circulant dans le canal 14. En conséquence, la bande 2 conduit à un échange de chaleur et/ou de matière important. De plus, le canal 14 et la partie inversée 22 sont symétriques par rapport à un plan de symétrie A, perpendiculaire aux plans P et Q, défini par la crête principale de fond 10 et la première crête intermédiaire 26. Afin que le critère de l'identité des longueurs développées soit respecté, la condition géométrique suivante est à respecter. Dans le cas non représenté où a = : rl = 2r2+r3. Dans le cas de la Figure 3, les angles a et a ne sont pas identiques. Dans ce sont à respecter: cas, les conditions suivantes K' K sin(a r) dl= sin(r) sin(a 2) et d2=dl-K, avec K=r2(7s a)+r3(- -a+Y) rl( Y) et 2 2 2 2 K'= r2[cos(Y) + cos(a Y)] + r3 cos(a Y) r1 cos(Y) . 2 2 2 2 Les rayons de courbure r1, r2, r3 de l'ondulation 8 et de la partie inversée 22 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. La bande 2 selon l'invention est fabriquée selon un procédé comprenant les étapes suivantes. (a) Tout d'abord, une feuille plate en tôle est pliée, formant ainsi une feuille ondulée comprenant les 15 canaux 14. (b) Puis deux fentes sont découpées dans la feuille à l'emplacement de chaque partie inversée 22. (c) Enfin, les parties s'étendant entre deux fentes sont pliées de manière inverse à l'ondulation, formant ainsi 20 les parties inversées 22. Grâce à la présence d'au moins une deuxième crête intermédiaire, la bande 2 n'est que faiblement déformée aux emplacements de jonction 24. La bande 2 est donc peu susceptible de déchirures à ces emplacements. Grâce à l'identité des longueurs développées de l'ondulation 8 et de la partie inversée 22 entre les emplacements de jonction 24, la bande 2 finie est lisse et présente une épaisseur e qui est sensiblement identique sur toute sa surface. De plus, il existe un risque faible de 30 rupture de la bande 2 lors du pliage. En variante, les fentes sont découpées avant le pliage de la feuille plate, de sorte que l'étape (b) est effectuée avant l'étape (a). En variante encore, les étapes (b) et (c) sont effectuées simultanément. Ainsi, il n'est pas nécessaire de synchroniser les outils de découpage et de pliage de la partie inversée. Selon une variante non représentée, la crête intermédiaire 26 est disposée proche de l'équibarycentre B de la section transversale du canal 14, par exemple à une distance de ce point B inférieure à 0,20 fois la hauteur h du canal 14. Ainsi, la crête intermédiaire 26 reste située dans une zone de haute concentration ou de haute température. Selon des modes de réalisation, la bande de garnissage 2 selon l'invention comporte ainsi les caractéristiques suivantes: - en section transversale prise perpendiculairement à l'orientation du canal 14, la partie inversée 22 est 20 continue sur toute sa longueur développée; - la partie inversée 22 se raccorde sans arête vive aux jambes de canal 16; - les deuxième 34 et troisième 36 arcs de cercle sont reliés de manière tangente aux jambes de canal 16; - le canal 14 a une hauteur h - qui est mesurée entre la crête principale de fond 10, 12 du canal et un plan Q s'étendant entre les deux crêtes principales 12, 10 de bord du canal, la surface de la section transversale du canal 14 a un équibarycentre B, et la première crête intermédiaire 26 de la partie inversée 22 est située à une distance de l'équibarycentre qui est inférieure à 0,20 fois la hauteur h; - le canal 14 et la partie inversée 22 sont symétriques par rapport à un plan de symétrie A défini par la crête principale de fond 10 et par la première crête intermédiaire 26; - l'épaisseur e de la bande 2 est sensiblement identique sur toute sa surface. L'invention concerne en outre une installation de distillation cryogénique et en particulier une installation de distillation d'air comprenant au moins un module de garnissage tel que défini plus haut. REVENDICATIONS 1. Bande en matière en feuille pour module de garnissage ondulé-croisé de traitement d'un liquide, 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 formant des crêtes de bord du canal, et dont chacun comporte deux jambes de canal (16) reliées par une crête principale de fond (10; 12), les canaux (14) ayant une orientation générale (De) inclinée par rapport à une direction générale de circulation (Df) dudit liquide, la bande (2) comprenant en outre au moins une partie inversée (22) qui s'étend entièrement dans la section transversale d'un des canaux (14) et qui relie les deux jambes de canal (16), la partie inversée (22) comprenant une première crête intermédiaire (26) orientée dans le sens opposé à la crête principale de fond (10; 12) du canal, caractérisée en ce que la partie inversée (22) comprend en outre une deuxième crête intermédiaire (28; 30) orientée dans le sens de la crête principale de fond (10; 12). 2. Bande suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la partie inversée (22) comprend une troisième (30, 28) crête intermédiaire orientée dans le sens de la crête principale de fond (10; 12), les deuxième (28, 30) et troisième (30, 28) crêtes intermédiaires s'étendant de part et d'autre de la première crête intermédiaire (26). 3. Bande suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que, vu en section transversale prise perpendiculairement à l'orientation du canal (14), la partie inversée (22) est reliée en un point (24) à chacune des jambes de canal (16), et en ce que la longueur développée du canal (14) et la longueur développée de la partie inversée (22), mesurées entre les deux points (24), sont sensiblement identiques. 4. Bande suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la section transversale de la partie inversée (22) comprend un premier arc de cercle (32) formant la première crête intermédiaire {26) ainsi qu'un deuxième (34, 36) et un troisième (36, 34) arcs de cercle formant les deuxième (28, 30) et troisième (30, 28) crêtes intermédiaires, en ce qu'entre le premier arc de cercle (32) et chacun des deuxième (34, 36) et troisième (36, 34) arcs de cercle s'étend un tronçon rectiligne (38) intermédiaire de la partie inversée (22), tronçon (38) qui est raccordé de manière tangente aux arcs de cercle associés (32, 34, 36). 5. Bande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la section transversale du canal (14) comprend un arc de cercle principal (18) qui forme la crête principale de fond (10; 12) et deux tronçons rectilignes principaux (20) qui se raccordent tangentiellement à l'arc de cercle principal (18). 6. Bande suivant les revendications 4 et 5 prises ensemble, caractérisée en ce que le rayon de courbure (ri) de l'arc de cercle principal (18) est égal à la somme des rayons de courbure (r2, r3) des premier (32), deuxième (34, 36) et troisième (36, 34) arcs de cercle, et en ce que l'angle (a) entre chacun des tronçons rectilignes intermédiaires (38) et le tronçon rectiligne principal (20) associé est égal à l'angle (y) entre les tronçons rectilignes principaux (20). 7. Bande suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal (14) a une hauteur (h) qui est mesurée entre la crête principale de fond {10; 12) du canal et un plan (P) s'étendant entre les deux crêtes principales adjacentes (12; 10) du canal, et en ce que la distance (d4) entre la crête principale de fond (10; 12) et la première crête intermédiaire (26) est sensiblement égale à 2/3 fois la hauteur (h). 8. Bande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est en tôle pliée. 9. Procédé de fabrication d'une bande selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) une feuille plate en tôle est pliée formant ainsi une tôle ondulée comprenant les canaux (14); (b) à l'emplacement d'au moins une partie inversée (22) de la bande, deux fentes sont découpées dans la feuille, à travers une ligne de crête principale de fond (10; 12), et (c) la partie située entre les deux fentes est pliée de manière inverse à l'ondulation (8) formant ainsi la partie inversée (22). 10. Module de garnissage ondulé-croisé pour une installation de traitement de liquide comprenant une pluralité de bandes (2) avec leurs orientations de canal (Dc) inversées d'une bande à la suivante, caractérisé en ce qu'au moins une bande est une bande selon l'une des revendications de 1 à 8.