Brevet FR2929134A1 — publié le 20091002

La présente invention est relative à un procédé de fabrication de garnissages ondulé-croisé. Les garnissages ordinairement utilisés 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 % 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 tel qu'illustré à la Figure 1 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 sur deux. Les tronçons de garnissage ainsi obtenus sont appelés modules. Dans le cas d'ondulations simples, comme l'on voit à la Figure 2, les différents paramètres permettant de décrire un garnissage ondulé-croisé sont : la hauteur des ondes (H), l'angle de pliage (p), le rayon de courbure (r) et l'inclinaison des ondes (b). L'invention a pour but d'améliorer la technologie des garnissages structurés. 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 modules a été mise en évidence lors des développements des garnissages à interface modifiée 30 (garnissages MELLAPACK + de SULZER CHEMTECH). Une modification légère de l'interface entre modules 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� En haut de tronçon, on peut ainsi fonctionnaliser la surface pour un mouillage rapide de la surface de garnissage par le liquide tombant du distributeur En bas de tronçon on peut fonctionnaliser la surface pour diminuer le mouillage afin de diminuer l'interaction avec le gaz entrant et limiter les remontées de liquide. Pour adapter à la demande la mouillabilité de la surface d'aluminium initialement recouverte de la couche native d'alumine, les modifications physicochimiques de cette surface peuvent consister notamment : 1. en gravure et décapage, 2. changement de la rugosité 3. création d'une microtexturation, 4. greffages de fonctions chimiques, 5. dépôt de couches minces de matériaux d'apport, ... Pour les modifications de type 1, 2 et 3, des traitements mécaniques pour les garnissages sont déjà bien décrits dans l'état de l'art notamment dans les brevets US-A- 4604 247, US-A- 4 296 050, EP-A-0190 435. Cet état de l'art décrit bien l'application de ces traitements à l'ensemble de la surface du garnissage et non à des zones précises à fonctionnaliser telles que décrites dans ce pli cacheté. D'autres moyens sont par ailleurs possibles pour aboutir aux modifications recherchées. Préférablement, le traitement de surface est appliqué à partir d'une phase gazeuse et tout particulièrement au moyen d'un plasma froid, notamment parce que la température de traitement admissible par une feuille mince d'aluminium est très limitée. Enfin, un procédé plasma à pression atmosphérique apparaît le mieux adapté pour un traitement en continu à grand rendement, avec l'obligation d'un faible coût. Le dispositif correspondant s'intégrera facilement à l'installation de fabrication en continu des garnissages. Le dépôt de couches minces de matériau est la voie la plus avantageuse pour modifier la mouillabilité de la surface d'aluminium. En effet, un procédé de microtexturation fera généralement appel à des gaz halogénés posant des problèmes de sécurité et d'environnement, donc impliquant des contraintes et coûts supplémentaires. De plus une surface microtexturée pourra présenter une réactivité moins bien connue et en tout cas moins reproductible vis-à-vis de l'oxygène en conditions d'initiation accidentelle de la combustion. Un simple greffage de fonction chimique peut se révéler insuffisant. En effet, le garnissage devra conserver le niveau de mouillabilité bien spécifique qui lui aura été imparti à la fabrication pendant de nombreuses années de service, alors que le contact permanent de l'oxygène liquide ou diphasique finira certainement par avoir un effet sur les fonctionnalités greffées (qui, rappelons-le, n'impliquent qu'une quantité infime de matière au niveau de la surface), modifiant au cours du temps les propriétés de mouillage. En revanche on connaît une large gamme de matériaux déposables en couche mince à partir d'un plasma chimiquement réactif, dont la mouillabilité va du très hydrophobe au très hydrophile. Ceci vaut du moins jusqu'ici vis-à-vis de l'eau et il faudra donc � réétalonner � les mouillabilités de ces gammes de matériaux par les liquides cryogéniques considérés, dans les conditions régnant en une zone donnée d'un module ou d'une colonne. Le principe du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) consiste à exciter dans un plasma de décharge électrique, au voisinage ou au contact du substrat, une vapeur chimique de précurseurs des différents éléments à incorporer dans le matériau en couche mince. Par exemple pour déposer de la silice on utilisera un mélange de monosilane SiH4 et d'oxygène. Dans le plasma les molécules chimiques initiales sont dissociés en fragments plus petits, notamment des radicaux présentant une très forte énergie chimique vis-à-vis d'une surface et qui vont aller se condenser sur ladite surface puis s'incorporer dans la couche de matière en train de croître en formant irréversiblement des liaisons fortes. L'avantage du procédé PECVD est que, du fait de la très forte réactivité des radicaux conférée par l'excitation électrique, la couche mince de matériau peut se former sur la surface d'un substrat sans qu'il soit nécessaire de le chauffer notablement, et même à température quasi ambiante. Comme exemple de matériaux à propriétés contrôlées, les films minces de nitrure de silicium sont généralement hydrophobes, de même que les films de polymères fluorocarbonés. On peut aussi obtenir des films hydrophobes de matériaux préparés à partir de précurseurs organosiliciés gazeux. Au contraire les films de silice SiOX et d'oxyde de titane TiO2, par exemple, sont hydrophiles. Tous ces matériaux sont amorphes et il est possible d'atteindre toute composition d'alliage � intermédiaire � en combinant dans un procédé PECVD plusieurs précurseurs gazeux des différents éléments à incorporer. En faisant ainsi varier de façon continue la composition entre le matériau hydrophile et le matériau hydrophobe, on peut en principe atteindre n'importe quelle valeur de mouillabilité. L'ajustement de la composition est particulièrement simple dans un procédé PECVD puisqu'il suffit de changer les rapports des débits des différents précurseurs chimiques gazeux. Il est aussi possible de faire varier spatialement la composition du matériau, donc la mouillabilité, suivant la direction perpendiculaire au défilement pendant un traitement en continu de la bande de garnissage (i.e. la hauteur du module). Il suffit pour cela d'injecter un mélange de gaz dont la composition varie de manière adaptée le long de cette direction, ce qui ne pose pas de gros problème lorsqu'on opère à pression atmosphérique. La mise en oeuvre d'un procédé PECVD atmosphérique nécessite un dispositif adapté pour l'excitation du plasma. Il existe deux grandes familles de � sources de plasma � atmosphériques non thermiques (i.e. par opposition par exemple aux arcs de soudage). La première est celle des décharges à barrière diélectrique, qui peuvent exister dans un mode filamentaire ou homogène (luminescent). Seul ce dernier est adapté pour mettre en oeuvre un procédé PECVD mais ses conditions de fonctionnement sont contraignantes et en particulier le traitement en direct de substrats conducteurs n'est pas possible. Cela veut dire que l'on ne peut pas faire défiler la bande de garnissage entre deux électrodes. La deuxième famille est celle des décharges micro-ondes atmosphériques, qui présentent l'avantage d'une densité électronique élevée, donc d'un fort rendement de conversion des précurseurs gazeux et partant d'une grande vitesse de dépôt qui est un élément très important dans des applications où il existe une forte contrainte de coût. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une source de plasma linéaire en flux, c'est-à-dire générant un � rideau � de plasma incident sur la surface de la bande de garnissage, et s'étendant perpendiculairement à la direction du défilement. Une telle source de plasma est décrite dans la demande de brevet française FR-07 57719 du 20 Septembre 2007, et son application pour réaliser un dispositif et un procédé PECVD dans la demande de brevet française FR-07 57720 du 20 Septembre 2007, toutes deux au nom de la Demanderesse. Le gaz de dilution peut être de l'azote, de l'argon ou un mélange des deux. Une enceinte étanche assure le confinement des gaz actifs dans la zone de dépôt pour éviter les émissions polluantes dans l'atmosphère de l'atelier de fabrication. Le système est également muni d'un système de dépollution des gaz usés avant remise à l'atmosphère. Les automatismes de contrôle permettent d'assurer la traçabilité des caractéristiques de mouillage de chaque lot fabriqué, en fonction de sa destination dans le module ou dans la colonne. Le dépôt de couche mince peut être effectué sur la tôle d'alu lisse avant emboutissage, ce qui pose le problème du maintien de son intégrité au cours de cette dernière opération, mais il peut aussi être effectué en aval de l'emboutissage. Dans ce cas, il peut être nécessaire de procéder avant le dépôt proprement dit à un nettoyage de la surface pour assurer une bonne adhésion de la couche qui va subir de fortes sollicitations thermiques différentielles en service. Ce traitement peut consister avantageusement en l'application d'un plasma réducteur avec un gaz de départ contenant de l'hydrogène ou de la vapeur d'eau. Les Figures 4A et 4B montrent des lamelles de garnissage différentes traités par le procédé de l'invention. Dans la Figure 4A les ondulations traversent la lamelle de manière classique formant un angle constant avec les bords de la lamelle. Dans ce cas, soit la zone supérieure B soit la zone inférieure B' ou les deux sont traités selon un procédé selon l'invention pour réduire le mouillage de leurs surfaces. La zone centrale A peut également être traité selon un procédé décrit ci-dessus pour en augmenter le mouillage. La Figure 4B montre un garnissage à bords modifiés où l'angle des ondulations s'approche de la verticale vers les bords inférieur et supérieur du module. Ainsi dans les zones B,B' l'angle d'ondulation s'approche de 90° à l'horizontale alors que dans la zone A, l'angle formé est vers 45°. Dans ce cas soit la zone supérieure B soit la zone inférieure B' ou les deux sont traitées selon un procédé selon l'invention pour réduire le mouillage de leurs surfaces. La zone centrale A peut également être traitée selon un procédé décrit ci- dessus pour en augmenter le mouillage. Pour les zones où le mouillage est augmenté, il est également possible d'augmenter le temps de contact gaz-liquide dans ces zones, par d'autres moyens connus. Pour les zones où le mouillage est réduit, il est également possible de réduire le temps de contact gaz-liquide dans ces zones, par d'autres moyens connus. Les hauteurs relatives des zones A, B, B' peuvent varier mais en général, les zones B et B' comprennent entre 2 et 20 % de la hauteur de la lamelle et la zone centrale A comprend entre 60 et 96 % de la hauteur de la lamelle. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un module de transfert de matière et/ou de chaleur, le dispositif comprenant un empilage de lamelles ondulées croisées dans lequel on réduit le mouillage de la surface des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B'). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage en polissant la surface des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B'). 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage en assurant un traitement chimique des surfaces des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B'). 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la zone (A,B,B') est trempée dans un bain chimique ou arrosé par une solution. 5. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage 20 en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la décharge 25 électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro- ondes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage d'au moins une zone (A,B,B') de la lamelle avant ou 30 après pliage.15 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage dans au moins une des zones (B,B') d'interface basse et haute du module. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage uniquement dans une ou deux zones (A,B,B') du module. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on augmente le mouillage de la surface des lamelles du module dans au moins une zone (A,B,B') du module. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on augmente le mouillage dans la zone centrale du module (A). 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel on augmente le mouillage en trempant la lamelle dans un bain de liquide ou en l'arrosant avec une solution. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel on augmente le mouillage en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique. 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel la décharge électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro-ondes. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage d'au moins une zone (A,B,B') du module selon un gradient de propriétés de l'atmosphère plasma à travers le module. 16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel on varie le long du module la concentration des gaz injectés et/ou densité et température électronique du plasma. 17. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les changements de propriétés de mouillage sont progressifs entre deux zones contiguës (A,B,B'). 18. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la 10 modification de mouillage est combinée à au moins une modification de géométrie, de densité et de matériau de la zone (A,B,B'). 19. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les lamelles sont en aluminium. 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel les lamelles sont en cuivre. 21. Module de garnissage traité selon un des procédés des 20 revendications précédentes. 22. Module selon la revendication 21 ayant une zone centrale et deux zones extérieures, dont au moins une zone extérieure est traitée selon un des procédés des revendications 1 à 20. 23. Colonne équipée d'au moins un module de garnissage selon la revendication 21 ou 22. 24. Colonne de distillation de gaz de l'air selon la revendication 23. 15 25 30