Brevet FR2915111A1 — publié le 20081024

La présente invention est relative à une colonne d'échange de matière et de chaleur à garnissages structurés, de préférence de type ondulé-croisé, en particulier une colonne de distillation. Les garnissages ondulés-croisés sont constitués par des bandes ondulées comprenant des ondulations alternées parallèles disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres. Les ondulations sont obliques et descendent dans des sens opposés d'une bande à la suivante. Le taux de perforation est d'environ 10 0/0 pour ces garnissages dits ondulés-croisés. GB-A-1004046 divulgue des garnissages du type ondulé-croisé. 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 bandes ondulées croisées. Ce garnissage est généralement fabriqué à partir de produit plat : des feuilles métalliques sous forme de bandes. Les bandes sont d'abord pliées (ou cintrées) de façon à former une sorte de tôle ondulée en bande dont les ondulations sont obliques par rapport à l'axe de la bande. Les bandes pliées sont ensuite découpées en tronçons puis empilées en retournant alternativement une bande. La Figure 1 représente une vue de perspective isométrique de six bandes de garnissages empilées. Les tronçons de garnissage ainsi obtenus sont appelés modules ou packs en langue anglaise. Dans le cas d'ondulations simples, comme illustré dans les Figures 2 et 3, les différents paramètres permettant de décrire un garnissage ondulé-croisé sont : la hauteur des ondes (H), l'angle de pliage (y), le rayon de courbure (r) et l'inclinaison des ondes (b). La Figure 2 est une vue des ondulations dans l'axe des plis et la Figure 3 est une vue schématique de la bande pliée. Une analyse fonctionnelle du garnissage structuré aboutit à la vision suivante : Mettre en contact le gaz et le liquide 2 Maintenir la surface de contact gaz / liquide Distribuer uniformément et de façon radiale le liquide Distribuer uniformément et de façon radiale le gaz Assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz (i.e. éviter l'engorgement) Le module de garnissages, comme illustré à la Figure 4, présente donc trois zones distinctes pour le contact gaz / liquide : - une zone C dite courante à l'intérieur du module de garnissage, - une zone I dite d' interface entre deux modules successifs de garnissage, - une zone B dite de bord entre le module de garnissage et la virole de la colonne ou du réacteur. Dans chacune de ces zones, la géométrie offerte aux écoulements gazeux et liquides est différente. L'invention a pour but d'améliorer la technologie des garnissages structurés par l'ajout d'éléments jointifs dans la zone dite d'interface entre deux modules successifs de garnissage. La caractéristique structurée du garnissage assure intrinsèquement une bonne réponse aux fonctions dans la zone dite courante . L'importance de la zone d'interface entre packs a été mise en évidence lors des développements des garnissages à interface modifiée (garnissages 20 d'AIR LIQUIDE ou MELLAPACK + de SULZER CHEMTECH). Une modification légère de l'interface entre packs a permis de repousser l'engorgement donc d'obtenir des gains significatifs de capacité des colonnes à distiller (à relier à la fonction assurer l'écoulement du liquide à contre û courant du gaz ) en ne dégradant quasiment pas les performances en échange de matière (à relier à la fonction maintenir la surface de contact gaz / liquide ). Dans la littérature, cette légère modification d'interface a pour but annoncé, la réduction de la perte de charge gaz à l'interface. Dans le garnissage ondulé croisé classique, le gaz est contraint de changer de direction selon un angle d'environ 90 pour passer d'un module à l'autre d'où une perte de charge particulièrement importante dans cette zone d' interface , comme illustré dans la Figure 5a). Dans un garnissage à interface modifiée type MELLAPACK +, cette perte de charge particulière est assurée dans la zone courante : le gaz ne change pas de direction à l' interface mais avant et après, comme illustré dans la Figure 5b). Dans la littérature, ce phénomène est souvent analysé en termes d'inventaire liquide dans la partie basse des modules au voisinage de l' interface : la perte de charge subie par le gaz au changement de direction provoque une accumulation de liquide dans la zone avoisinante. L'accumulation de liquide provoque un engorgement prématuré de la colonne. Afin d'augmenter la capacité des colonnes, d'autres moyens de limiter la perte de charge gaz à l'interface entre les modules ont été imaginés : -US-A-5013492 : divulgue le décalage vertical dans les modules d'une bande de garnissage sur deux afin de réduire la densité au voisinage des interfaces. - FR-A-9200526 : divulgue l'insertion d'entretoises entre les modules. - JP-A- 63012101 : divulgue l'insertion de modules de densité inférieure entre les modules de distillation. - US-A-5632934 : divulgue la réduction de la hauteur de corrugation, le changement de l'inclinaison des canaux ainsi que la réalisation d'ouvertures au voisinage de la base des modules. - WO-A-97/16247: divulgue le changement progressif de l'inclinaison des canaux jusqu'à la verticale aux bords des bandes, ainsi que l'installation de caillebotis entre les modules. Une autre interprétation possible de ces phénomènes est que, à l' interface entre modules, entre le moment où le film liquide quitte le module supérieur et où il atteint le module inférieur, ce dernier ne bénéficie plus du maintien par capillarité de la surface du garnissage pour résister à la poussée du gaz montant. Le film liquide peut donc être plus facilement perturbé et, comme il n'est plus maintenu, il se casse pour se rassembler en grosses gouttes, à l'origine d'un engorgement local. La fonction assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz est donc plus difficilement remplie dans la zone d' interface entre modules. D'autres essais comparant un garnissage classique à une interface modifiée par le rajout d'entretoises entre modules mettent en évidence l'importance du guidage du liquide. En effet, ce rajout d'entretoise rallonge le trajet du liquide en chute libre entre deux modules (donc le temps pendant lequel il peut être plus facilement perturbé). Cela peut expliquer la dégradation de capacité observée lors des essais. Un autre moyen d'améliorer l'interface pour repousser l'engorgement semble donc être d'assurer au film liquide un maintien par capillarité même dans la zone d' interface (et donc un support pour être mieux drainé). Dans cet ordre d'idée, des essais en interne ont permis d'évaluer les performances de garnissages structurés monoblocs, c'est à dire un seul module très haut. Ces essais peuvent être analysés comme un essai de garnissages sans zone d' interface . Les capacités mesurées ont été supérieures à celles du garnissage classique mais nous avons également obtenu une forte dégradation du transfert de matière. L'interprétation faite alors était que l' interface entre modules a une fonction de re-distribution radiale du liquide importante qui n'était donc plus assurée. A la lumière de ces derniers essais, nous pouvons conclure que l' interface entre modules doit être améliorée en trouvant le bon compromis entre les fonctions : - re-distribuer radialement liquide et gaz et - assurer l'écoulement du liquide à contre courant en maintenant un film liquide par capillarité pour assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz . L'invention consiste à trouver un meilleur compromis entre les fonctions : - re-distribuer radialement liquide et gaz et - assurer l'écoulement du liquide à contre courant en maintenant un film liquide par capillarité dans la zone d' interface entre deux modules successifs de garnissage. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant des modules empilés de garnissages structurés de type ondulé-croisé, chaque module étant décalé angulairement de 90 du module suivant autour de l'axe de la colonne caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément disposé entre les modules permettant d'assurer un maintien du film liquide dans la zone d'interface entre modules. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - au moins un élément disposé entre modules est constitué d'un tampon en laine métallique ; la laine métallique est en cuivre ou en acier inoxydable ; - la densité moyenne de la laine métallique, une fois placée entre les modules, est du même ordre de grandeur que celle des garnissages du module ; - les modules de garnissages structurés comprennent des garnissages à interface modifiée. La colonne est de préférence une colonne de distillation, par exemple d'un gaz de l'air, tel qu'une colonne de séparation d'air par distillation cryogénique. Pour cela elle consiste en l'ajout d'éléments jointifs entre les deux modules permettant : - d'éviter la rupture du film liquide, - d'éviter la formation de gouttelettes à l'origine d'engorgement, - de drainer le liquide accumulé dans la zone avoisinante de l' interface , tout en assurant sa bonne redistribution radiale car les modules restent à 90 . L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la Figure 6 b), la Figure 6a) montrant l'art antérieur. La colonne comprend au moins deux modules empilés (M) de garnissages structurés de type ondulé-croisé, chaque module étant décalé angulairement de 90 du module suivant autour de l'axe de la colonne. Dans cette figure, deux modules M, placés l'un par-dessus de l'autre, sont reliés par un ou plusieurs tampons de laine métallique T qui assurent le maintien du film liquide. Le tampon de laine métallique peut être un module de garnissage tricoté, tel que ceux fabriqués par la Société KNITMESH. Les matériaux et densités de ces laines métalliques doivent être sélectionnés : - la densité de la laine métallique doit être du même ordre de grandeur que la densité moyenne du garnissage du module pour ne pas trop augmenter la perte de charge du gaz ; - les matériaux doivent être compatibles avec les produits avec lesquels ils sont en contact. En particulier, pour la distillation de l'air, des laines métalliques en matériaux peu inflammables (type cuivre) sont recommandées. A noter que la laine métallique se trouvera comprimée en étant placée entre les deux modules. La densité de laine devant être du même ordre de grandeur que celle des garnissages est celle de la laine, une fois mise en position entre les modules et non pas celle, moins élevée, de la laine avant sa mise en place. Comme pour les modules de garnissages, la laine métallique peut être enfilée dans la colonne sous forme de matelas peu épais, disposés entre 30 deux modules. REVENDICATIONS 1) Colonne d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant des modules empilés (M) de garnissages structurés de type ondulé-croisé, chaque module étant décalé angulairement de 90 du module suivant autour de l'axe de la colonne caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément (T) disposé entre les modules permettant d'assurer un maintien du film liquide dans la zone d'interface entre modules. 2) Colonne selon la revendication 1 dans laquelle au moins un élément disposé entre modules (M) est constitué de tampons (T) en laine métallique. 3) Colonne selon la revendication 2 dans laquelle les laines métalliques sont en cuivre ou en acier inoxydable. 4) Colonne selon la revendication 2 ou 3 dans laquelle la densité moyenne de la laine métallique, une fois placée entre les modules, est du même ordre de grandeur que la densité moyenne des garnissages du module. 5) Colonne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les modules de garnissages structurés comprennent des garnissages à interface modifiée. 25 6) Colonne de distillation, en particulier d'un gaz de l'air selon une des revendications précédentes.20