Brevet FR2878454A1 — publié le 20060602

La présente invention porte sur des éléments de garnissage réguliers destinés à des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur. Les colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur sont classiquement constituées d'une superposition d'éléments de garnissage, encore appelés packs ou modules, de configurations différentes. Des éléments de garnissage ordinairement utilisés sont constitués par des plaques ondulées.comprenant des ondulations alternées parallèles disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres, les ondulations étant obliques et descendant dans des sens opposés d'une plaque à la suivante. De tels éléments de garnissage sont dits de type ondulé-croisé et ont été décrits dans GB-A-1004046. CA-A-1095827 propose une amélioration de ce type de garnissage en ajoutant une perforation dense de petit diamètre pour permettre au liquide de transiter de part et d'autre des plaques ondulées croisées. De tels éléments de garnissage ne donnent pas entièrement satisfaction. En effet, des essais expérimentaux ont prouvé que l'engorgement d'une colonne intervient d'abord à l'interface entre. les éléments de garnissage, à un endroit où le fluide est contraint à changer de direction selon un angle d'environ 90 pour passer d'un élément de garnissage à l'autre. La perte de charge subie par le fluide au changement de direction provoque une accumulation de liquide dans la zone avoisinante, provoquant un engorgement prématuré de la colonne, la capacité de la colonne est de ce fait limitée. Afin d'augmenter la capacité des colonnes, plusieurs moyens de limiter la perte de charge à l'interface entre les éléments de garnissage ont été proposés. Ainsi, dans US-A-5013492 il est préconisé de décaler verticalement une feuille ondulée sur deux dans les éléments 35 de garnissage afin de réduire la densité au voisinage des 2878454 2 interfaces, dans FR-A2686271, une entretoise est disposée entre les éléments de garnissage, dans JP-A-6312101 des éléments de garnissage de densité inférieure sont disposés entre les modules de distillation, US-A-5632934 décrit la réduction de la hauteur des ondulations, le changement de l'inclinaison des ondulations ainsi que la réalisation d'ouvertures au voisinage de la base des packs et WO-A-97/16247 décrit le changement progressif de l'inclinaison des ondulations jusqu'à la verticale aux bords des plaques ainsi que l'installation de caillebotis entre les packs. Le changement progressif de l'inclinaison des ondulations jusqu'à la verticale aux bords des plaques permet de repousser les limites de capacité d'un garnissage. Par contre cette modification peut faire apparaître des difficultés quant à l'obtention de performances constantes d'efficacité. Toutes ces solutions préconisées ne donnent pas entièrement satisfaction et sont quelque peu difficiles à mettre en uvre. En outre, elles ne permettent pas la résolution d'un problème supplémentaire engendré par un défaut d'horizontalité des éléments de garnissage lui-même dû à un défaut d'empilement des éléments du garnissage ou à un défaut de verticalité de la colonne. En effet, tout écart par rapport à l'horizontale engendre un phénomène appelé lampage , qui se traduit par un écoulement des fluides le long du bord inférieur des lamelles dans le sens de l'inclinaison et ainsi à une accumulation du liquide au point le plus bas. Le fluide qui devrait s'écouler, par gravitation, de façon homogène vers l'élément de garnissage suivant, c'est-à-dire sur tout le bord inférieur d'un élément de garnissage, se concentre en fait au point le plus bas de l'élément de garnissage où il s'écoule vers l'élément de garnissage inférieur. Le transfert est non homogène, ce qui bien entendu diminue la capacité de la colonne et doit donc être empêché. Les présents inventeurs ont trouvé une solution à ces problèmes causés par des défauts d'horizontalité des éléments de garnissage. Selon un objet de l'invention, il est prévu un élément de garnissage régulier destiné à des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant en alternance au moins une lamelle À et au moins une lamelle À', les lamelles étant ondulées, de forme générale rectangulaire, disposées les unes contre les autres, chacune ayant une hauteur h et étant dans un plan général vertical, l'élément étant divisé au moins en une région inférieure allant jusqu'au bord inférieur de l'élément et une région centrale, dans la région centrale les ondes de chaque lamelle étant obliques, l'angle formé entre la crête des ondes et le bord inférieur des lamelles À étant égal à ô et l'angle formé entre la crête des ondes et le bord inférieur des lamelles À' étant égal à (n- b) et dans la région inférieure les ondes formant un angle 3l différent de b et de (n- b) caractérisé en ce que: chaque lamelle comprend le long de son bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations juxtaposant le bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations juxtaposant le bord supérieur. Selon d'autres aspects facultatifs: - lesdites perforations sont disposées de telle sorte que l'équation (E) suivante soit satisfaite + avec H - (2r +e l - sin Y - e L= 2m 2), 2r+e) (E) COS-- Y ^ L longueur développée successives, ^ H hauteur entre une crête et un creux d'onde, entre deux perforations 2878454 4 ^ r rayon de courbure, ^ y angle de pliage, ^ m nombre entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5, plus préférentiellement encore entre 1 et 5 3. - la région inférieure a une hauteur comprise entre h/1000 et h/3, de préférence entre h/500 et h/3 et plus préférentiellement encore entre h/300 et h/4. l'angle 5l est égal à 90 . - les perforations de la série sont choisies parmi des trous circulaires, ovales, oblongues ou de toute autre forme, découpes, fentes, encoches et dents triangulaires. - la distance séparant le bord inférieur de la lamelle et le bord de chaque perforation de la série le plus éloigné de ce bord inférieur est comprise entre h/10000 et h/50, de préférence h/1000 et h/50, et plus préférentiellement encore entre h/500 et h/75. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une lamelle de forme générale rectangulaire ayant une hauteur h divisée au moins en une région inférieure allant jusqu'au bord inférieur de l'élément et une région centrale, dans la région centrale les ondes de la lamelle étant obliques, l'angle formé entre la crête des ondes et le bord inférieur de la lamelle À étant égal à 5 et dans la région inférieure les ondes formant un angle 51 différent de 5 caractérisée en ce qu'elle comprend le long de son bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations juxtaposant le bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations juxtaposant le bord supérieur. Selon d'autres aspects facultatifs: - les perforations de la série sont disposées de telle sorte que l'équation suivante soit satisfaite: ( \\ H(2r+e) 1-siny 2)i COS- (7r y\ \. 2 2) (2r+e) (E) L= 2m + avec L longueur développée entre deux perforations successives, H hauteur entre une crête et un creux d'onde, r rayon de courbure, - y angle de pliage, m nombre entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5, plus préférentiellement encore entre 1 et 3 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication de lamelle telle que décrit ci-dessus, comprenant successivement les étapes suivantes: - découpe d'une lamelle de forme générale rectangulaire, - réalisation d'une série de perforations juxtaposant un bord et éventuellement juxtaposant le bord parallèle, pliage de la lamelle perforée selon un angle ô, - pliage selon un angle 51 sur une bande comprise entre h/1000 et h/3, de préférence entre h/500 et h/3 et plus préférentiellement encore entre h/300 et h/4, le long de l'un ou des deux bords présentant des perforations, - éventuellement coupe perpendiculairement au bord perforé à la longueur souhaitée. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'ensemble de garnissage tel que décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend l'empilement de lamelles tel que décrit ci-dessus et/ou préparées tel que décrit ci-dessus, les unes sur les autres de façon à ce que les ondulations de deux lamelles successives se croisent et de façon à ce que le bord perforé de chaque lamelle soit orienté dans une même direction, le maintien des différentes lamelles ensemble et la disposition de cet ensemble dans un plan 2878454 6 général vertical, les bords comportant tous des perforations constituant le bord inférieur de l'élément de garnissage ainsi formé. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu d'utiliser un élément de garnissage tel que décrit ci-dessus et/ou préparé selon le procédé tel que décrit ci-dessus, pour des colonnes destinées à des échanges de matières entre un gaz et un liquide ou entre deux gaz ou deux liquides, à des fins d'échange thermique, de dépoussiérage, de distillation, de séparation, d'extraction, en particulier pour la distillation cryogénique, plus spécialement de l'air. Les dessins annexés permettent de comprendre plus facilement l'invention. Sur ces dessins: - la figure 1 représente schématiquement une vue des 15 ondulations dans l'axe des ondes; - la figure 2 représente une vue schématique de dessus de la lamelle ondulée; - la figure 3 représente une vue de dessus partielle schématique du bord perforé d'une lamelle selon l'invention; - la figure 4 représente une vue du dessus d'une autre mode de réalisation d'une lamelle conforme à l'invention. Les éléments de l'équation (E) (voir ci-après) définissant les ondes sont décrits sur la figure 1. Bien entendu, lorsque les ondulations le long du bord inférieur et éventuellement le long du bord supérieur, forment un angle ôl, elles pourront avantageusement être disposées de telle sorte que l'équation (E) ci-dessus soit également satisfaite. La présence des perforations sur le bord inférieur permet de limiter considérablement le phénomène de lampage de telle sorte que la capacité de la colonne est maintenue même en cas de défaut d'horizontalité des éléments de garnissage. En effet, les perforations joueront le rôle de barrage au liquide. Lors d'un léger défaut d'horizontalité, le liquide s'écoulera le long du bord 2878454 7 inférieur uniquement entre deux perforations, la perforation stoppant l'écoulement du liquide. Les perforations sont d'autant plus efficaces qu'elles sont rapprochées car le parcours du lampage sera d'autant plus court. Par exemple, il est possible de disposer une perforation par onde. De façon avantageuse, les lamelles À et À' sont en un matériau identique, de même épaisseur et les ondulations ont une hauteur H et une longueur d'ondes identiques. Selon un mode de réalisation particulier, l'angle 51 est 10 égal à 90 . Les perforations peuvent avoir une forme quelconque (trous de toutes formes, fentes, encoches, dents triangulaires...) du moment que cette perforation crée une différence d'élévation suffisante. Cette différence d'élévation est la distance qui sépare le bord inférieur de la lamelle de la partie de la perforation la plus éloignée de ce bord inférieur. Elle doit être la plus petite possible. Cette différence d'élévation sera également déterminée en fonction du nombre et de la fréquence des perforations. Pour des questions de fabrication (dimension minimale des poinçons), la différence d'élévation pratique est typiquement de l'ordre d'un ou plusieurs millimètres. Par ailleurs, pour éviter une déformation de ces perforations lors de l'empilage des packs, ces perforations ne doivent pas être trop rapprochées. Il faut éviter que la distance entre deux perforations successives soit inférieure à la moitié de l'avance. Par exemple, la période spatiale de ces perforations peut être égale à une longueur d'onde ou un multiple de la longueur d'onde. Comme déjà indiqué, les perforations peuvent avoir une forme quelconque. De façon avantageuse, la distance séparant le bord de la lamelle le long duquel sont formées les perforations et le point de la perforation le plus éloigné est comprise entre h/10000 et h/50, de préférence entre h/10000 et 2878454 8 h/1000, et plus préférentiellement encore, entre h/8000 et h/4000. Les figures 2 à 4 illustrent différents modes de réalisation des lamelles conformes à l'invention. Sur la figure 2, est représentée une lamelle 1, présentant des ondulations obliques, parallèles, dont les crêtes 2 sont représentés en traits gras et les creux 3 en traits fins. Le long de l'un des bords 4 sont disposées., de façon régulières des perforations 5 qui sont des fentes de longueur entre h/10000 et h/50, de préférence entre h/1000 et h/50, et plus préférentiellement encore entre h/500 et h/75. L'inclinaison des ondes est définie par l'angle 5 formé entre la crête d'onde 2 et le bord inférieur 4 dans la région centrale C.Dans une région supérieure S allant du bord supérieur 4a de l'élément jusqu'à la limite supérieure de la région centrale C et dans une région inférieure I allant du bord inférieur de l'élément jusqu'à la limite inférieure de la région centrale C, chaque région S, I ayant une hauteur h' l'angle formé entre les crêtes d'ondes et le bord 24 est 31 =-90 . Le bord supérieur 4a dans ce cas ne comprend pas de perforations. Sur la figure 3 est représenté un autre mode de réalisation d'une lamelle selon l'invention. Les crêtes d'ondes 12 sont représentées en traits gras tandis que les creux 13 sont représentés en traits fins. L'angle d'inclinaison entre le bord perforé 14 et les crêtes d'onde est b dans la région centrale qui s'étend du bord supérieur à la limite supérieure de la, région inférieure. Cet angle est modifié sur une hauteur h' qui forme la région inférieure I, de telle sorte que sur cette hauteur h' l'angle formé entre les crêtes d'ondes et le bord 24 est 51 = 90 . Les perforations 15 sont des encoches rectangulaires d'une longueur entre h/10000 et h/50, de préférence entre h/1000 et h/50, et plus préférentiellement encore entre h/500 et h/75. 2878454 9 Sur la figure 4 est représentée un autre mode de réalisation d'une lamelle 21 selon l'invention. Cette lamelle 21 comporte des ondulations généralement obliques, l'angle formé entre les crêtes d'ondes 22 (représentées en gras) et le bord 24 est 5 dans la région centrale C, cet angle est modifié sur une hauteur h' qui forme la région inférieure I, de telle sorte que sur cette hauteur h' l'angle formé entre les crêtes d'ondes et le bord 24 est 51 = 90 . Sur ce bord 24, sont disposées des perforations 25 qui sont des trous ronds de diamètre entre h/10000 et h/50, de préférence entre h/1000 et h/50, et plus préférentiellement encore entre h/500 et h/75. Sur le bord parallèle opposé 24a sont disposées des perforations 25a qui sont des encoches rectangulaires. La présente invention porte également sur un procédé de fabrication des lamelles individuelles destinées à la réalisation des éléments de garnissage. Ce procédé comprend successivement les étapes suivantes: découpe d'une lamelle de forme générale rectangulaire, -réalisation de perforations le long d'un bord et éventuellement le long du bord parallèle, - pliage de la lamelle perforée selon un angle 5, éventuellement pliage selon un angle 51 sur une bande h/1000 à h/5, de préférence de h/1000 à h/500 et plus préférentiellement encore de h/800 à h/400, le long de l'un ou des deux bords présentant des perforations, h étant la distance séparant un bord perforé et le bord parallèle. La fabrication de ces lamelles peut être faite de manière particulièrement efficace et économique dans une presse. La bande plane est introduite progressivement dans la presse qui découpe les perforations de manière continue et forme les ondes. L'outil monté sous la presse qui permet un tel processus de fabrication est d'autant plus simple que la période spatiale de la perforation à former est courte. 2878454 10 La bande ondulée ainsi formée est alors coupée perpendiculairement au bord perforé à la longueur souhaitée. L'invention porte également sur le procédé de fabrication d'éléments de garnissage à partir des lamelles. Selon ce procédé, lorsque les lamelles sont découpées, elles sont empilées les unes sur les autres de façon à ce que les ondulations de deux lamelles successives se croisent et de façon à ce que le bord perforé de chaque lamelle soit orienté dans une même direction, les différentes lamelles sont alors maintenues ensemble et disposées dans un plan général vertical, les bords comportant tous des perforations constituant le bord inférieur de l'élément de garnissage qui est alors prêt à être introduit dans une colonne. L'invention dispositifs qui ondulés-croisés. Les élémentspermet la fabrication économique de améliorent la capacité des garnissages de garnissage de l'invention, sont particulièrement utiles dans des colonnes destinées à des échanges de matières entre un gaz et un liquide ou entre deux gaz ou deux liquides, à des fins d'échange thermique, de dépoussiérage, de distillation, de séparation, d'extraction. Ils sont particulièrement appropriés pour la distillation cryogénique de l'air. En effet, utilisés dans le cadre de la distillation cryogénique de l'air, les éléments de garnissage de l'invention permettent de réduire la taille des colonnes et des boîtes froides. De préférence les lamelles sont perforées de la même façon (même type de perforations, même disposition de perforations) sur le bord inférieur et sur le bord supérieur, pour faciliter la fabrication. Néanmoins il est possible d'utiliser des perforations de type différente et/ou de disposition différente sur les deux bords parallèles. 11 REVENDICATIONS 1. Elément de garnissage régulier destiné à des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant en alternance 5 au moins une lamelle À et au moins une lamelle À', les lamelles étant ondulées, de forme générale rectangulaire, disposées les unes contre les autres, chacune ayant une hauteur h et étant dans un plan général vertical, l'élément étant divisé au moins en une région inférieure (I) allant 10 jusqu'au bord inférieur (4, 14, 24) de l'élément et une région centrale (C), dans la région centrale les ondes (2, 3, 12, 13, 22, 23) de chaque lamelle étant obliques, l'angle formé entre la crête des ondes et le bord inférieur des lamelles À étant égal à 5 et l'angle formé entre la crête des ondes et le bord 15 inférieur des lamelles À' étant égal à (n- 5) et dans la région inférieure les ondes formant un angle 51 différent de ô et de (n- 5) caractérisé en ce que chaque lamelle comprend le long de son bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations (5, 15, 25) juxtaposant le bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur (4a, 24a) une série d'au moins trois perforations (25a) juxtaposant le bord supérieur (4a, 24a). 2. Elément de garnissage selon la revendication 1 dans lequel lesdites perforations (5, 15, 25, 25a) sont disposées de telle sorte que l'équation (E) suivante soit satisfaite: L= 2m {:H - (2r+e) 1-sinY) Y cos 2e l +He -Y- (2r +e) 2) (E) avec - L longueur développée entre deux perforations successives, 2878454 12 H hauteur entre une crête et un creux d'onde, r rayon de courbure, y angle de pliage, m nombre entier compris entre 1 et 10, de préférence 5 entre 1 et 5, plus préférentiellement encore entre 1 et 3; 3. Elément de garnissage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la région inférieure (I) a une hauteur comprise entre h/1000 et h/3, de préférence entre h/500 et h/3 et plus préférentiellement encore entre h/300 et h/4. 4. Elément de garnissage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'angle b1 est égal à 90 . 15 5. Elément de garnissage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les perforations (5, 15, 25, 25a) de la série sont choisies parmi des trous circulaires, ovales, oblongues ou de toute autre forme, découpes, fentes, encoches et dents triangulaires. 6. Elément de garnissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la distance séparant le bord adjacent (4, 14, 24, 24a)(inférieur et éventuellement supérieur) de la lamelle et le bord de chaque perforation (5, 15, 25, 25a) de la série le plus éloigné de ce bord adjacent est comprise entre h/10000 et h/50, de préférence h/1000 et h/50, et plus préférentiellement encore entre h/500 et h/75. 7. Lamelle de forme générale rectangulaire ayant une hauteur h divisée au moins en une région inférieure (I) allant jusqu'au bord inférieur (4, 14, 24) de l'élément et une région centrale (C), dans la région centrale les ondes (2, 3, 12, 13, 2878454 13 22, 23) de la lamelle étant obliques, l'angle formé entre la crête des ondes et le bord inférieur de la lamelle X étant égal à 3 et dans la région inférieure les ondes formant un angle 51 différent de 5 caractérisée en ce qu'elle comprend le long de son bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations (5, 15, 25) juxtaposant le bord inférieur et éventuellement le long de son bord supérieur une série d'au moins trois perforations (25a) juxtaposant le bord supérieur (24a). 2r+e) . (E) avec L longueur développée entre deux perforations successives de la série, H hauteur entre une crête et un creux d'onde, r rayon de courbure, y angle de pliage, m nombre entier compris entre 1 et 10, de préférence entre 1 et 5, plus préférentiellement encore entre 1 et 3 9. Procédé de fabrication de lamelle telle que définie à la revendication 7 ou 8, comprenant successivement les étapes suivantes: - découpe d'une lamelle de forme générale rectangulaire, 8. Lamelle selon la revendication 7 dans laquelle les perforations (5, 15, 25, 25a) de la série sont disposées de telle sorte que l'équation suivante soit satisfaite: (f r \\ H-(2r+e) 1-sine -e \\ 2j) Y 2 COS- 2f L= 2m 2878454 14 réalisation d'une série de perforations (5, 15, 25) juxtaposant un bord et éventuellement juxtaposant le bord parallèle, pliage de la lamelle perforée selon un angle 5, pliage selon un angle 51 sur une bande comprise entre h/1000 et h/3, de préférence entre h/500 et h/3 et plus préférentiellement encore entre h/300 et h/4, le long de l'un ou des deux bords présentant des perforations, - éventuellement coupe perpendiculairement au bord perforé à la longueur souhaitée. 10. Procédé de fabrication d'ensemble de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend l'empilement de lamelles selon la revendication 7 ou 8 et/ou préparées selon la revendication 9, les unes sur les autres de façon à ce que les ondulations de deux lamelles successives se croisent et de façon à ce que le bord perforé (4, 14, 24) de chaque lamelle soit orienté dans une même direction, le maintien des différentes lamelles ensemble et la disposition de cet ensemble dans un plan général vertical, les bords comportant tous des perforations (5, 15, 25) constituant le bord inférieur de l'élément de garnissage ainsi formé. 11. Utilisation d'élément de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et/ou préparé selon le procédé de la revendication 9, pour des colonnes destinées à des échanges de matières entre un gaz et un liquide ou entre deux gaz ou deux liquides, à des fins d'échange thermique, de dépoussiérage, de distillation, de séparation, d'extraction, en particulier pour la distillation cryogénique, plus spécialement de l'air. 2878454 15 12. Colonne de distillation, en particulier de l'air, comprenant au moins un élément de garnissage selon l'une des revendications 1 à 6.