Brevet FR2938776A1 — publié le 20100528

La présente invention est relative à un garnissage ondulé-croisé et à une colonne incorporant un tel garnissage. 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. La Figure 1 est une vue en perspective isométrique de six bandes de io garnissages empilées. 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. 15 Ce garnissage est généralement fabriqué à partir de produit plat, à savoir des feuilles métalliques sous forme de bandes 1,2 comme illustré à la Figure 1. 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 20 retournant alternativement une bande sur deux. Les tronçons de garnissage ainsi obtenus sont appelés en anglais � modules �. Dans le cas d'ondulations simples, comme illustré aux Figures 2 et 3, les différents paramètres permettant de décrire un garnissage ondulé-croisé sont : la 25 hauteur des ondes (H), l'angle de pliage (y), le rayon de courbure (r) et l'inclinaison des ondes (b). De lignes de crête 3 et des lignes de vallée 5 sont ainsi formées. L'ajout de perforations dans les bandes de garnissage. Ref N° de Demandeur Date Commentaire brevet de ou pli priorité cacheté 1 CA Sulzer 1976 Perforation en quinconce 1095827 2 US Norton 1987 Gaufrages crevés de chaque côté de la bande 4740334 3 EP Raschig 1984 Volets étroits (capillarité conservée) ouverts dans les 0158917 flancs 4 US Glitsch 1985 Décrit le métal déployé, des fentes transverses à 4604247 l'écoulement et toutes sortes d'ouvertures, à volet ou non. EP Jaeger 1985 Volets en forme de W 0218417 6 US Glitsch 1990 Persiennes ouvertes latéralement dans les flancs 5057250 d'onde 7 EP BOC 1995 Volets pliés pour sectionner l'écoulement vapeur et 0750940 créer de la turbulence à intervalles réguliers 8 US Norton 1985 Vallées et crêtes alternées avec zone de collectage 4670196 des gouttes à la base de chacune 9 US Mix 1993 Ondulations adjacentes ayant des arêtes décalées 5407607 par rapport à la direction des ondulations dans un rang donné. US 1995 Paires de surfaces formant des vallées et des crêtes, 5578254 partiellement décalées et partageant une portion d'arête 11 US Raschig 1995 Bandes ondulées arrangées côte à côte avec des 5885694 points de contact pour le passage du liquide 12 EP1417 Air Liquide 2000 Bande ondulée comprenant des fentes ou découpes 028 dans une direction proche de la ligne de plus grande pente (entre 10 et 20°) 13 EP1756 Air Liquide 2003 Propose l'arrangement d'un garnissage à inversion et 14 497 et de pli en respectant EP1417028 avec caractéristiques EP1754 géométriques permettant d'intensifier la turbulence et 009 en respectant des contraintes de fabrication ou d'empilage 20 Ces différents brevets décrivent l'ajout de perforations dans la bande de garnissage pour diverses raisons, principalement, pour favoriser l'étalement du liquide, l'échange de liquide entre les deux faces de la bande et la turbulence de la phase vapeur. On peut classer ces perforations dans deux grandes catégories : - Les perforations de "petite" dimension (telles que les forces de capillarité du liquide sont suffisantes pour conserver un bon mouillage). De telles perforations peuvent être remplies par un film de liquide continu ou suffisamment petites pour que le liquide les contourne sans créer une zone sèche en aval, par exemple les références : 1, 2, 3, 4, 5, 6. - Les perforations de "grande" dimension, ou les fentes largement ouvertes. De telles perforations ont généralement pour but de favoriser la turbulence de la phase vapeur (cf. figure 1), mais peuvent avoir l'inconvénient de gêner l'écoulement du liquide et de créer des zones sèches en aval, par exemple les références : 7, 8, 9, 10, 11. Par contre les références 13 et 14 ont l'avantage de ne pas trop perturber le liquide tout en augmentant les turbulences côté gaz mais aux dépend de contraintes géométriques sévères. 1.1. L'ajout de bande plane entre 2 bandes ondulées croisées. Ref. N° de Demandeur Date de Commentaire brevet ou priorité pli cacheté 1 EP 1 063 BOC 1999 Bande plane intercalée entre deux feuilles de 009 garnissage ondulé croisé (GOC) soit sur toute la hauteur soit uniquement au voisinage des bords 2 EP 1 166 BOC 2000 Bandes planes intercalées entre deux bandes de 868 GOC à bords modifiés, soit au voisinage du bord, soit sur toute la hauteur 3 US 4 597 Glitsch 1983 Bande plane intercalée et perforée entre des 916 bandes de GOC 4 EP 1 216 BOC 2000 2 bandes planes intercalées entre deux lamelles 752 ondulées et alignées avec les bords inférieurs et supérieurs des lamelles. Au milieu de cette bande sont réalisées des ouvertures de formes différentes. 5 EP 1 Stichlmair 2002 Insertion d'une bande plane entre deux ondulations 332 794 présentant des perforations sur les bords latéraux et des onglets pour renvoyer le fluide vers le centre L'ajout de ces bandes planes est surtout motivé pour réduire voire supprimer les perturbations gaz / gaz se produisant dans le garnissage. En effet les canaux de deux bandes de garnissage étant orientés à 90°, les deux veines gazeuses se perturbent à l'interface : la conséquence est un mouvement d'hélice des deux veines gazeuses. Ces frottements sont à l'origine d'une grande partie des pertes de charge et ne sont pas totalement intéressantes pour l'échange de matière. En ajoutant les bandes planes cela élimine ce phénomène de rouleaux et donc diminue les dissipations d'énergie. Les inconvénients de l'ajout de bandes planes sont multiples : - La densité globale du nouveau garnissage est augmentée. Il faut donc augmenter la hauteur de l'ondulé croisé pour arriver à une densité globale équivalente. Ceci accentue le profil de concentration au sein de la veine gazeuse et donc diminue les performances de séparation. - Ce phénomène de tourbillon de la veine gazeuse permet un renouvellement de la sous-couche visqueuse à l'interface avec le liquide. Dans un second ordre il contribue à l'échange de matière. Par conséquent en le supprimant totalement par ajout de tôle plane, nous supprimons ce léger avantage. - Le mouillage complet de la tôle plane n'est pas évident à assurer. Grâce à l'inclinaison des canaux, une goutte de liquide tombant d'un garnissage finit toujours par rencontrer de l'aluminium. Par contre, à moins de mouiller sur la tranche du feuillard d'aluminium (d'épaisseur 0,2 mm), il n'est pas garanti d'avoir une surface installée correctement mouillée. Comme décrit auparavant, il est difficile de concilier l'intensification de la turbulence de la phase vapeur et un écoulement du liquide soit par déformation locale ou par ajout de tôle plane entre deux éléments de garnissage ondulé croisé. Un but de l'invention est de présenter un garnissage ayant une base d'ondulée croisé dans laquelle seraient intégrés des éléments plans en vue de diminuer les dissipations d'énergie. Ces éléments seraient éventuellement réalisés par des découpes dont les bords sont dans une direction proche de la ligne de plus grande pente. Ces plans auraient au moins un lien et au moins un point de contact avec la structure d'ondulé croisé favorisant ainsi leur mouillage 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 une pluralité de lamelles, chaque lamelle étant ondulée, de forme générale rectangulaire, les lamelles étant disposées les unes contre les autres, de sorte que les ondulations traversant une lamelles sont orientées à entre 50° et io 100° des ondulations de la lamelle adjacente, ainsi formant une structure ondulée-croisée, caractérisé en ce qu'au moins une bandelette contacte à la fois au moins une première crête d'une lamelle et au moins une deuxième crête de la lamelle, la deuxième crête étant adjacente à la première crête. Selon d'autres aspects facultatifs : 15 - au moins une bandelette contacte à la fois au moins une première vallée d'une lamelle et au moins une deuxième vallée de la lamelle, la deuxième vallée étant adjacente à la première vallée. - les bandelettes sont découpées dans la lamelle, laissant une fente dans l'ondulation. 20 - les bandelettes sont de forme triangulaire ou parallélépipédique. - une bandelette est formé par deux éléments triangulaires ou parallélépipédiques, un rejoignant une crête d'une lamelle et un autre rejoignant la crête adjacente, les deux éléments se rejoignant entre deux crêtes. 25 - les bandelettes s'étendent à un angle d'entre 10° et 60° aux crêtes (aux vallées) de la lamelle. - la bandelette est de forme allongée, de préférence plat, un côté de la bandelette étant attaché à une crête (une vallée). - la bandelette s'étend juste au-delà de la crête adjacente. 30 - un côté opposé de la bandelette étant contiguë avec la crête (la vallée) adjacente. - la longueur de la bandelette est supérieure à la longueur d'onde de la lamelle, de préférence au moins deux fois supérieure à la longueur d'onde de la lamelle. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une colonne d'échange de matière et/ou de chaleur équipée d'un élément tel que décrit ci-dessus, les lamelles étant orientées verticalement, par exemple une colonne de distillation cryogénique, en particulier de l'air. Les parties planes insérées relient des crêtes ou des vallées d'ondes entre elles. Ceci évite localement les turbulences de l'onde de garnissage empilé à 900. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. Les Figures 4A et 4B montrent schématiquement une lamelle d'une garnissage selon io l'invention vu de dessus et de dessous, la Figure 5 montre une lamelle de garnissage selon l'invention vu de côté, les Figures 6A et 6B montrent schématiquement une lamelle d'une garnissage selon l'invention vu de dessus et de dessous, la Figure 7 montre deux lamelles superposées d'un garnissage selon l'invention vu de dessus, avec aperçu de la lamelle inférieure, les Figures 15 8,9 et 10 montrent des perspectives isométrique d'une lamelle d'un garnissage selon l'invention. La Figure 4A montre une vue de dessus d'une lamelle 1 avec une série de bandelettes 7, chacune reliant seulement deux crêtes successives 3, à la même hauteur de la lamelle. 20 La Figure 4B montre une vue de dessous d'une lamelle 1 avec une série de bandelettes 9, chacune reliant seulement deux vallées successives 9, à la même hauteur de la lamelle. Il sera compris que les Figures 4A et 4B pourraient être combinées de sorte que la lamelle comprenne une série de bandelettes reliant les crêtes et une 25 autre série de bandelettes reliant les vallées, les deux séries étant espacées les unes des autres. Sur le dessin de la Figure 5 est représentée une vue dans l'axe des plis. Le profil � classique � de l'ondulé croisé se remarque pour la lamelle 1. La ou les bandelettes 7, en fait constituée(s) par une série de plans, relient les crêtes 3 de 30 la lamelle. La ou les bandelettes 9, en fait constituée(s) par une série de plans, relient les vallées 5 de la lamelle 1. Les Figures 6A et 6B montrent une version des Figures 4A et 4B comprenant une deuxième série de bandelettes, ces Figures 6A et 6B pouvant évidemment être combinées. La Figure 7 montre deux lamelles ayant chacune uniquement deux séries de bandelettes 7 reliant les crêtes. La distance entre deux séries de crêtes est choisie de sorte que les fentes d'une lamelle 1 ne superposent pas celles de la lamelle successive 2. La figure 8 est une vue en perspective d'une lamelle de garnissage suivant l'invention. La lamelle 1 comprend en général au moins une découpe formant une io bandelette 7 en forme de parallélépipède ABCD ayant au moins une des caractéristiques suivantes : - au moins un des bords AD ou BC a une direction inférieur à 20°, voire inférieure à 10° de la ligne de plus grande pente, cette ligne étant définie comme (définition à rajouter....) 15 - un coté AB (ou CD) est un pli situé sur une crête 3 (ou une vallée 5) de la lamelle 1 faisant partie du garnissage ondulé croisé. Ce coté a la même inclinaison par rapport à l'horizontale que l'angle d'inclinaison b des canaux (en général compris entre 45 et 60°) - le dernier coté CD est un bord obtenu par découpe et est positionné de 20 manière à ce que le plan ABCD vienne en contact avec un autre élément de la lamelle 1 (par exemple uniquement la crête successive 3). Pour éviter tout phénomène d'accumulation et d'apparition de gouttelettes sur l'extrémité CD pouvant engendrer un décrochage du liquide, il est envisageable que le bord CD soit confondu (aligné et en contact) avec une crête 25 successive 3, comme illustré à la Figure 8 pour une lamelle 2. Pour cela il faut que la distance des droites passant par AB et CD soit égale au pas de l'onde L. Cette disposition s'applique évidemment aussi pour les bandelettes 9 contactant les vallées 5. Alternativement, comme illustré dans la Figure 10, un plan 7 reliée avec 30 une crête 3 d'une lamelle 1 peut contacter le plan 7A reliée avec une crête successive 3A de la même lamelle. Ainsi le plan intégré dans le garnissage ondulé croisé est réalisé à partir de deux parallélépipèdes : - ABCD (plan 7) qui serait lié à la lamelle 1 par le côté AB confondu avec la crête 3 - A'B'C'D' (plan 7A) qui serait lié à la lamelle 1 par le côté C'D' confondu avec la crête 3A. La contrainte pour favoriser le passage du liquide d'une facette à l'autre est d'avoir une superposition et contact d'une partie de leur surface entre elles 5 (ici représenté par le parallélogramme A'B"CD") Pour cette configuration de la Figure 16 il est possible de réaliser ces deux plans non plus reliés aux crêtes ou aux vallées d'onde mais à une élévation quelconque des flancs pour réaliser un sectionnement de la veine gazeuse Les modules de garnissage selon l'invention peuvent bien sûr inclure io d'autres dispositifs. Des traitements de surface variés, par exemple : US 4296050 Sulzer 1977 Micro-ondulations transverses à l'écoulement du liquide pour l'étaler. EP 0190435 Sulzer 1985 Gaufrage non crevés en quinconce Des dispositifs pour éviter l'engorgement à l'interface entre corps de 5 garnissages, tels que ceux décrits dans les brevets suivants : US Munters 1990 Décalage vertical dans les modules d'une 5013492 bande de garnissage sur deux afin de réduire la densité au voisinage des interfaces. FR AL 1992 Insertion d'entretoises entre les modules. 2686271 JP Hitachi 1993 Insertion de modules de densité inférieure 6312101 entre les modules de distillation. US Praxair 1996 Réduction de la hauteur de corrugation, 5632934 changement de l'inclinaison des canaux, réalisation d'ouvertures au voisinage de la base des modules. WO Sulzer 1995 Changement progressif de l'inclinaison des 97/16247 canaux jusqu'à la verticale aux bords des bandes, installation de caillebotis entre les modules. Des essais expérimentaux ont prouvé que l'engorgement d'un garnissage intervient d'abord à l'interface entre les modules, à un endroit où le gaz est io contraint à changer de direction selon un angle d'environ 90° pour passer d'un module à l'autre. Ainsi, on limite la capacité de la colonne, alors que la partie centrale des modules n'a pas encore atteint son point d'engorgement. Ce phénomène est analysé en termes d'engorgement de 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. L'invention permet la fabrication économique de garnissage ondulé-croisé possédant de meilleures performances. On peut donc réduire le volume de garnissage utilisé pour traiter un débit donné sans perte d'efficacité. Utilisée dans le cadre de la distillation cryogénique de l'air, elle permet donc de réduire la taille des colonnes et des boîtes froides. L'invention permet une réduction des investissements sur la colonne de io distillation. Revendications1. Elément de garnissage régulier destiné à des colonnes d'échange de matière et/ou de chaleur comprenant en alternance une pluralité de lamelles (1,2), chaque lamelle étant ondulée, de forme générale rectangulaire, les lamelles étant disposées les unes contre les autres, de sorte que les ondulations traversant une lamelle sont orientées à entre 50° et 100° des ondulations de la lamelle adjacente, ainsi formant une structure ondulée-croisée, caractérisé en ce lo qu'au moins une bandelette (7,9) contacte à la fois au moins une première crête (3, 5) d'une lamelle et au moins une deuxième crête de la lamelle, la deuxième crête étant adjacente à la première crête. 2. Elément selon la revendication 1 dans lequel qu'au moins une bandelette (7,9) contacte à la fois au moins une première vallée (3,5) d'une lamelle (1,2) et 15 au moins une deuxième vallée de la lamelle, la deuxième vallée étant adjacente à la première vallée. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les bandelettes sont découpées dans la lamelle, laissant une fente dans l'ondulation. 4. Elément selon l'une des revendications précédentes dans lequel les 20 bandelettes sont de forme triangulaire ou parallélépipédique. 5. Elément selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel une bandelette est formé par deux éléments triangulaires ou parallélépipédiques, un rejoignant une crête d'une lamelle et un autre rejoignant la crête adjacente, les deux éléments se rejoignant entre deux crêtes. 25 6. Elément selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les bandelettes s'étendent à un angle d'entre 10° et 60° aux crêtes (aux vallées) de la lamelle. 7. Elément selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la bandelette est de forme allongée, de préférence plat, un côté de la bandelette étant attaché à une crête (une vallée). 30 8. Elément selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel la bandelette s'étend juste au-delà de la crête adjacente. 9. Elément selon l'une des revendications 1 à 7 dans un côté opposé de la bandelette étant contiguë avec la crête (la vallée) adjacente. 10. Elément selon l'une des revendications précédentes dans lequel la longueur de la bandelette est supérieure à la longueur d'onde de la lamelle, de préférence au moins deux fois supérieure à la longueur d'onde de la lamelle.