EP3928051A1 - Procédé de transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide - Google Patents

Procédé de transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide

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Publication number
EP3928051A1
EP3928051A1 EP20712006.4A EP20712006A EP3928051A1 EP 3928051 A1 EP3928051 A1 EP 3928051A1 EP 20712006 A EP20712006 A EP 20712006A EP 3928051 A1 EP3928051 A1 EP 3928051A1
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EP
European Patent Office
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fluid
wall
dimensional
piece assembly
thermally conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20712006.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Meyer
David ROUZINEAU
Cyrille GRIMAUD
Jacques Louis BOUSQUET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3928051A1 publication Critical patent/EP3928051A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/32—Other features of fractionating columns ; Constructional details of fractionating columns not provided for in groups B01D3/16 - B01D3/30
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D3/26—Fractionating columns in which vapour and liquid flow past each other, or in which the fluid is sprayed into the vapour, or in which a two-phase mixture is passed in one direction
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    • F25J3/0295—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used, e.g. sieve plates, packings
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    • F25J3/0463—Simultaneously between rectifying and stripping sections, i.e. double dephlegmator
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    • F25J2200/90—Details relating to column internals, e.g. structured packing, gas or liquid distribution
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    • F28F2001/428—Particular methods for manufacturing outside or inside fins
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded

Definitions

  • the present invention relates to the field of devices capable of carrying out thermal transfer.
  • the characteristic of an HIDiC column is that heat is transferred from a hot enrichment zone to a cooler depletion zone.
  • the enrichment zone is set at a pressure greater than the depletion zone.
  • the pressure jump to be achieved is small, which minimizes the recompression costs.
  • the pressure jump necessary for the economical implementation of an HIDiC column requires that the energy cost of this recompression be lower than that of the energy consumption of a conventional distillation column, said consumption of which is measured at reboiler level thereof.
  • the invention achieves this goal thanks to a thermal transfer process between a first and a second fluid in which the first and the second fluid circulate respectively on either side of a thermally conductive wall of a one-piece assembly formed in a single piece arranged inside a device, the one-piece assembly comprising:
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure being located on either side of said wall and integral with said wall,
  • each of the first and second fluids is in particular both in a liquid phase and in a gas phase, the liquid phase of the first fluid flowing in one direction opposite to the gas phase of the first fluid and the liquid phase of the second fluid flowing in a direction opposite to the gas phase of the second fluid.
  • each of the first and second fluids is in particular both in the liquid phase and in the gas phase, the liquid phase of the first fluid flowing against the current of the gas phase of the first fluid and the liquid phase of the second fluid flowing against the current of the gas phase of the second fluid.
  • the speed of the gas phase of each of the first and second fluids is between 0.5 m / s and 5 m / s, preferably between 1 m / s and 3 m / s.
  • the first fluid corresponds in particular to a first counter-current flow and the second fluid to a second counter-current flow. More particularly, the first fluid corresponds in particular to a first flow in two-phase gas-liquid countercurrent form and the second fluid to a second flow in two-phase gas-liquid form against the current.
  • a material transfer is carried out simultaneously with the thermal transfer.
  • a transfer of material in each of the three-dimensional structures is carried out simultaneously with the thermal transfer.
  • the method according to the invention is remarkable in that the heat transfer and the transfer of material take place simultaneously within the device.
  • each of the two fluids is both in the liquid phase and in the gas phase. Liquid trickles over the solid surface while gas occupies the rest of the structure.
  • the structure In order to ensure optimal contact between the two phases, the structure must be fully wetted and at the same time the gas must circulate throughout the structure, without taking a preferential path. This is made possible by the three-dimensional honeycomb architecture of each of the structures, which has a large interface area and which therefore makes it possible to create a large contact surface between the two phases.
  • the one-piece unit in one piece makes heat transfer more efficient.
  • energy is diffused inside each of the structures thus greatly limiting heat transfer through the wall.
  • the monobloc assembly is in one piece according to the invention, there is a continuity of material between the three-dimensional honeycomb structures and the thermally conductive wall, thus allowing heat transfer through said wall.
  • a further subject of the invention is a device capable of carrying out a heat transfer between a first and a second fluid circulating respectively on either side of a thermally conductive wall, said device being configured to implement the method described above, the device comprising a monobloc assembly formed in a single piece comprising:
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure being located on either side of said wall and integral with said wall,
  • the one-piece assembly guarantees good thermal performance. In the case of use in a distillation column, it also guarantees good separation performance.
  • one-piece assembly is meant an assembly formed in one piece, the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure both being inseparable from the wall.
  • the device can be a heat exchanger or a separation column, in particular a distillation column, an absorption column, or a stripper.
  • the device can be a heat exchanger.
  • the device is suitable for carrying out a transfer of material simultaneously with the thermal transfer.
  • the device then improves heat exchange while maintaining material transfer performance.
  • Material transfer performance is particularly necessary for the implementation of separation processes in many industries for the transformation of various chemical, energy, food and biotechnological materials.
  • material transfer performance is therefore meant the separation of material, which is the very purpose of a distillation column, an absorption column, or a stripper.
  • the device can be a separation column, in particular a distillation column, an absorption column, or a stripper, or two reactive separation columns, one producing heat and the other consuming.
  • a separation column in particular a distillation column, an absorption column, or a stripper, or two reactive separation columns, one producing heat and the other consuming.
  • Such a device makes it possible to very significantly improve the performance of the distillation, absorption or stripping processes, which are separation processes within which it is important to simultaneously manage the material and heat transfer processes. These processes play an important role in the oil, gas, petrochemical and chemical industries, and in particular in installations intended for the treatment of natural gas, for deacidification for example, or combustion gas, for decarbonation for example, for which the control of energy consumption must be minimized.
  • the device is a distillation column or a heat exchanger, in particular a distillation column.
  • the device is a distillation column comprising a heat exchanger configured to exchange heat between two two-phase fluids, in particular each containing a liquid phase and a gas phase.
  • the distillation column comprises one or more monobloc assemblies according to the invention configured so that the length of the distillation column is equal to a target length.
  • One-piece assemblies can be screwed and / or glued to each other.
  • the device can be an HIDiC distillation column.
  • the HIDiC distillation column comprises in particular an enrichment zone and a depletion zone, in which the first fluid and the second fluid circulate respectively.
  • the wall of the one-piece assembly notably separates the enrichment zone from the impoverishment zone.
  • the device improves the heat exchange between the enrichment zone and the depletion zone while maintaining the performance of material transfer in each of said zones.
  • the device may be a concentric HIDiC distillation column.
  • the concentric HIDiC column according to the invention exhibits a high energy gain, in particular for the separation of compounds with close volatility.
  • concentrate HIDiC distillation column is meant an HIDiC distillation column comprising an enrichment column and a concentric depletion column.
  • the enrichment zone is an enrichment column and the depletion zone is a depletion column, the enrichment column and the depletion column being concentric.
  • the enrichment column comprises in particular the first three-dimensional thermally conductive honeycomb structure.
  • the depletion column comprises in particular the second thermally conductive three-dimensional honeycomb structure.
  • the temperature difference between the top and the bottom of the distillation column may be less than or equal to 20 ° C. The lower the temperature difference between the top and the bottom of the distillation column, the greater the energy gain.
  • the device is configured so that each of the first and second fluids are both in liquid phase and in gas phase, the liquid phase of the first fluid flowing in a direction opposite to the gas phase of the first fluid and the liquid phase of the second fluid flowing in a direction opposite to the gas phase of the second fluid.
  • a countercurrent gas / liquid flow can be observed on each side of the wall.
  • the device is configured so that the speed of the gas phase of each of the first and second fluids is between 0.5 m / s and 5 m / s, preferably between 1 m / s and 3 m / s.
  • the invention can in particular be used for fractional distillation in fields such as refining, petrochemicals, specialty chemicals, the pharmaceutical industry, biotechnology or the food industry.
  • the invention relates to a one-piece assembly designed for the implementation of a method according to previously described, said one-piece assembly being intended to be arranged inside a device as described. above capable of carrying out a heat transfer between a first and a second fluid circulating respectively on either side of a thermally conductive wall, said one-piece assembly is formed in one piece and comprises: - a first thermally conductive three-dimensional cellular structure capable of being traversed by the first fluid,
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure being located on either side of said wall and integral with said wall,
  • the monobloc assembly guarantees good thermal performance. In the case of use in a distillation column, it also guarantees good separation performance.
  • one-piece assembly means an assembly formed in one piece, the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure being inseparable from the wall.
  • the wall is preferably of cylindrical shape.
  • the wall has a thickness between 0.5 mm and 10 mm.
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure can be molded integrally with the wall, in particular by foundry.
  • the monobloc assembly can alternatively be manufactured by additive manufacturing, by brazing or by welding elementary metal plates.
  • the device is suitable for carrying out a transfer of material simultaneously with the thermal transfer.
  • the device is suitable for carrying out a transfer of material within the first and second fluids simultaneously with the thermal transfer.
  • the first thermally conductive three-dimensional cellular structure fills the interior of the cylinder formed by the wall, and in particular has a radius of between 15 mm and 50 mm.
  • the second thermally conductive three-dimensional honeycomb structure conforms to the contour of the wall and extends radially.
  • the second thermally conductive three-dimensional honeycomb structure has an external radius of between 25 mm and 100 mm.
  • the second thermally conductive three-dimensional honeycomb structure has a surface opposite the wall of cylindrical shape.
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure are in particular fixed to said wall.
  • the first three-dimensional honeycomb structure and the second three-dimensional honeycomb structure are in particular structurally conductive of heat.
  • the first and second three-dimensional alveolar structures define in particular a plurality of cells.
  • the first and second three-dimensional alveolar structures are in particular open-celled.
  • the cells are in particular in communication with each other.
  • At least one, in particular each, of the three-dimensional honeycomb structures comprises a plurality of strands of thickness between 1 mm and 3 mm.
  • At least one, in particular each, of the honeycomb structures has a void rate of between 85% to 99%.
  • the void rate of a honeycomb structure is calculated as follows.
  • the ITH mass of the alveolar structure is measured in kg.
  • the honeycomb structure is placed in a container and completely immersed in water which is poured up to a given graduation.
  • the mass m 2 of the assembly formed by the honeycomb structure and the water is measured in kg.
  • the container is emptied and then filled only with water up to said graduation.
  • the mass m 3 of water is measured in kg.
  • the volume of the alveolar structure V SOi is determined in L.
  • the void rate e is calculated according to the following equation, where p is the density of the water in kg / L:
  • each of the honeycomb structures has a volume surface of between 100 and 1000 m 2 / m 3 .
  • At least one, especially each, of the honeycomb structures is a stochastic structure or a regular structure.
  • the arrangement of the alveoli is regular or stochastic.
  • At least one, in particular each, of the honeycomb structures is an ordered structure, homogeneous or not.
  • At least one, including each, of the alveolar structures has Kelvin cells.
  • At least one, including each, of the alveolar structures has alveoli which are not Kelvin cells.
  • At least one, in particular each of the alveolar structures has alveoli having geometric variants with respect to each other, the alveolar structure or structures being in particular anisotropic.
  • At least one, in particular each of the alveolar structures has cylindrical, prismatic or parallelepipedal cells. At least one, in particular each of the alveolar structures has alveoli with a polyhedral base, in particular with an octagonal, hexagonal or square base.
  • At least one, in particular each of the alveolar structures has alveoli described by the registered concept designation NEOLATTICE indicated in the documentation developed by the GRIMS Group.
  • Each cell has a characteristic dimension of between 5 mm and 25 mm.
  • At least one, in particular each of the honeycomb structures is a conductive foam, in particular a foam made of heat conductive material.
  • At least one, especially each of the honeycomb structures is a metallic foam or a silicon carbide foam.
  • At least one, in particular each of the honeycomb structures is a foam of copper, titanium, stainless steel or aluminum, or their alloys.
  • At least one, in particular each of the honeycomb structures is manufactured by foundry or by additive technology.
  • the foam or foams are in particular rigid.
  • the invention relates to a method of manufacturing a one-piece assembly as described above, comprising:
  • the one-piece assembly is thus in particular manufactured by casting.
  • Demoulding includes a thermal cleaning step.
  • the monobloc assembly is manufactured by a foundry.
  • the one-piece assembly is alternatively manufactured by additive manufacturing.
  • the first three-dimensional honeycomb structure and / or the second three-dimensional honeycomb structure can alternatively be made integral with the wall by brazing or by welding.
  • FIG. 1 represents a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 2 shows in perspective the monobloc assembly of Figure 1.
  • FIG. 3 is a cross section of the one-piece assembly of Figure 1.
  • FIG. 4 shows a magnification of the first three-dimensional honeycomb structure of the one-piece assembly in Figure 1.
  • FIG. 5 shows a device capable of performing heat transfer according to the invention.
  • FIG. 6 schematically shows the operation of an HIDiC column according to the invention.
  • FIG. 7a is a first graph comparing the thermal performance of a one-piece assembly according to the invention with a lining of the prior art.
  • Fig. 7b is a second graph comparing the thermal performance of a one-piece assembly according to the invention with a lining of the prior art.
  • FIG. 7c is a third graph comparing the thermal performance of a one-piece assembly according to the invention with a lining of the prior art.
  • FIG. 7d is a fourth graph comparing the thermal performance of a one-piece assembly according to the invention with prior art packing.
  • FIG. 8a represents a first step in a process for manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 8b represents a second step of a method of manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 8c represents a third step of a method of manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 8d represents a fourth step in a process for manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • Fig. 8th represents a fourth step in a process for manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 8e represents a fifth step of a method of manufacturing a thermally conductive three-dimensional honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • Fig. 8f represents a fifth step of a method of manufacturing a thermally conductive three-dimensional honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • FIG. 8f represents a sixth step of a method of manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • Figures 1, 2 and 3 show a one-piece assembly 1 for a device
  • the monobloc assembly 1 comprises:
  • a second thermally conductive three-dimensional cellular structure 4 capable of being traversed by the second fluid.
  • the first three-dimensional honeycomb structure 2 and the second three-dimensional honeycomb structure 4 are located on either side of said wall 3 and integral with said wall 3.
  • the first three-dimensional honeycomb structure 2 and the second three-dimensional honeycomb structure 4 comprise a plurality of strands 6 of thickness e b of between 1 mm and 3 mm.
  • the wall 3 is cylindrical in shape around a Y axis.
  • the wall 3 has a thickness e p of 5 mm.
  • the first three-dimensional thermally conductive honeycomb structure 2 fills the interior of the cylinder formed by the wall 3.
  • the second thermally conductive three-dimensional honeycomb structure 4 follows the contour of the wall 3 and extends radially. [0110]
  • the surface of the second thermally conductive three-dimensional cellular structure 4 opposite the wall 3 is cylindrical in shape around the Y axis.
  • the first three-dimensional honeycomb structure 2 has a diameter h of 80 mm.
  • the second three-dimensional honeycomb structure 4 has a radial dimension l 2 of 25 mm.
  • each cell 5 has a characteristic dimension l a of 10 mm.
  • the first and second cellular structures 2, 4 are metallic foams with Kelvin cells.
  • FIG. 5 shows a device 10 according to the invention.
  • the device 10 is a concentric HIDiC column comprising a one-piece assembly 1 according to the invention.
  • the device 10 comprises an enrichment column, called an internal column, comprising a first three-dimensional thermally conductive honeycomb structure 2 and a depletion column, called an external column, comprising a second three-dimensional thermally conductive honeycomb structure 4, the column d 'enrichment and the depletion column being concentric.
  • the monobloc assembly 1 tested comprises, on either side of the wall, a metal aluminum foam having a vacuum rate of 85% and having Kelvin cells.
  • the packing of the prior art is a “super ring” packing sold by the company Raschig Gmbh.
  • the concentric HIDiC column on which the tests were carried out is a one meter high column comprising an internal column 80 mm in diameter and an external column 150 mm in diameter.
  • the internal column is fed with cyclohexane at a flow rate, called the "sprinkling flow rate", of 12 kg / h to 40 kg / h.
  • the external column is fed with water vapor at a flow rate of 0.8 kg / h to 5 kg / h, at a pressure of between 1.8 atm and 2.2 atm.
  • FIGS. 7a, 7b, 7c and 7d represent the heat exchanged as a function of the sprinkling flow rate for the monobloc assembly 1 on the one hand and for the lining of the prior art, denoted "packing", of on the other hand, respectively for a temperature difference on either side of the wall DT of 1 ° K, 1.81 ° K, 2.61 ° K, and 5.65 ° K.
  • the average value of the gain is of the order of 100%: the monobloc assembly 1 according to the invention doubles the heat exchange compared to the lining of the prior art.
  • the monobloc assembly 1 used for these three tests comprises, on either side of the wall 3, an aluminum foam having a vacuum rate of 85% and exhibiting Kelvin cells.
  • Figures 8a, 8b, 8c, 8d, 8e and 8f show different steps of a method of manufacturing a three-dimensional thermally conductive honeycomb structure of a one-piece assembly according to the invention.
  • the three-dimensional honeycomb structure is manufactured by boiler making.
  • Plate cores 20 are fabricated ( Figure 8a).
  • the pattern constituting the cores 20 is, for example, a Kelvin cell to which the edges have been chamfered to allow the infiltration of the metal.
  • the cores 20 are sand based.
  • the cores 20 are agglomerated into a preform 21 ( Figure 8b).
  • the cores 20 are arranged by interlocking plates.
  • a mold is produced and the preform 21 remolded (FIG. 8c).
  • the filling system and the temperature of the metal are adapted to the configuration of the three-dimensional honeycomb structure to be manufactured.
  • Software to calculate metal infiltration distances can be used.
  • the metal 22 is solidified ( Figure 8e).
  • the metal is finished and the three-dimensional honeycomb structure is manufactured.
  • the method of manufacturing the three-dimensional honeycomb structure comprises checking the shape of the cores, checking the porosity of the metal before casting, measuring the temperature of the metal before casting, checking the metallurgy of the metal before casting. , in particular using a spectrometer and a visual check after sand removal.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide dans lequel le premier et le deuxième fluide circulent respectivement de part et d'autre d'une paroi thermiquement conductrice (3) d'un ensemble monobloc (1) formé d'un seul tenant agencé à l'intérieur d'un dispositif (10), l'ensemble monobloc (1) comportant: - une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (2) apte à être traversée par le premier fluide, - au moins ladite paroi (3), et - une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) apte à être traversée par le deuxième fluide, la première structure tridimensionnelle alvéolaire (2) et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire (4) étant situées de part et d'autre de ladite paroi (3) et solidaires de ladite paroi (3), de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi (3) et que chacun des premier et deuxième fluides est à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse, la phase liquide du premier fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du premier fluide et la phase liquide du deuxième fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du deuxième fluide.

Description

Description
Titre : PROCÉDÉ DE TRANSFERT THERMIQUE ENTRE UN PREMIER
ET UN DEUXIÈME FLUIDE
[0001] La présente invention concerne le domaine des dispositifs aptes à réaliser 5 un transfert thermique.
[0002] La réduction de la consommation énergétique des procédés industriels destinés à réaliser des séparations de divers composés, finis ou intermédiaires, recherchés par divers types d’industries utilisant des ressources fossiles ou renouvelables est un enjeu majeur, par exemple dans le cas des colonnes de 10 distillation, d’absorption ou de stripping. En particulier, lorsque les volatilités des corps à séparer sont proches, le besoin en énergie d’une colonne de distillation, d’absorption ou de stripping augmente, et l’efficacité énergétique du procédé de séparation diminue.
[0003] De nombreux designs de colonnes à distiller ont été proposés depuis les 15 débuts de l’ère industrielle, et plus récemment le concept des colonnes « Heat Integrated Distillation Column », dites colonnes HIDiC, a été développé.
[0004] La caractéristique d’une colonne HIDiC est que la chaleur est transférée d’une zone d’enrichissement chaude à une zone d'appauvrissement plus froide. Pour pouvoir observer cette situation, la zone d'enrichissement est réglée à une 0 pression supérieure à la zone d'appauvrissement. Le saut de pression à réaliser est faible, ce qui minimise les coûts de recompression. Autrement dit, le saut de pression nécessaire à la mise en œuvre économique d’une colonne HIDiC nécessite que le coût énergétique de cette recompression soit inférieur à celui de la consommation énergétique d’une colonne à distiller conventionnelle, dont ladite 5 consommation est mesurée au niveau du rebouilleur de celle-ci. Il reste néanmoins difficile de conjuguer haute intégration énergétique et efficacité de séparation.
[0005] Il existe ainsi un besoin de dispositifs pour réduire la consommation énergétique aptes à réaliser un transfert thermique avec grande efficacité. [0006] L’invention atteint ce but grâce à un procédé de transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide dans lequel le premier et le deuxième fluide circulent respectivement de part et d’autre d’une paroi thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc formé d’un seul tenant agencé à l’intérieur d’un dispositif, l’ensemble monobloc comportant:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi, et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire étant situées de part et d’autre de ladite paroi et solidaires de ladite paroi,
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi et que chacun des premier et deuxième fluides est notamment à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse, la phase liquide du premier fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du premier fluide et la phase liquide du deuxième fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du deuxième fluide.
[0007] Autrement dit, chacun des premier et deuxième fluides est notamment à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse, la phase liquide du premier fluide circulant à contre-courant de la phase gazeuse du premier fluide et la phase liquide du deuxième fluide circulant à contre-courant de la phase gazeuse du deuxième fluide.
[0008] La vitesse de la phase gazeuse de chacun des premier et deuxième fluides est comprise entre 0,5 m/s et 5 m/s, de préférence entre 1 m/s et 3 m/s.
[0009] Le premier fluide correspond notamment à un premier écoulement contre- courant et le deuxième fluide à un second écoulement contre-courant. Plus particulièrement, le premier fluide correspond notamment à un premier écoulement sous forme biphasique gaz-liquide à contre-courant et le deuxième fluide à un second écoulement sous forme biphasique gaz-liquide à contre-courant.
[0010] Un transfert de matière est réalisé simultanément au transfert thermique. [0011] Un transfert de matière dans chacune des structures tridimensionnelles est réalisé simultanément au transfert thermique.
[0012] Ainsi, le procédé selon l’invention est remarquable en ce que le transfert thermique et le transfert de matière ont lieu simultanément au sein du dispositif. A l’intérieur des deux structures, chacun des deux fluides est à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse. Le liquide ruisselle sur la surface solide alors que le gaz occupe le reste de la structure. Afin d’assurer un contact optimal entre les deux phases, la structure doit être entièrement mouillée et en même temps le gaz doit circuler dans l’ensemble de la structure, sans emprunter un chemin préférentiel. Cela est rendu possible par l’architecture tridimensionnelle alvéolaire des chacune de structures qui possède une grande aire d’interface et qui permet donc de créer une grande surface de contact entre les deux phases.
[0013] Par ailleurs, l’ensemble monobloc d’un seul tenant rend le transfert thermique plus efficace. En l’absence d’une continuité entre les structures tridimensionnelles alvéolaires et la paroi thermiquement conductrice, l’énergie est diffusée à l’intérieur de chacune des structures ainsi limitant fortement le transfert thermique au travers de la paroi. Dans le cas inverse, lorsque l’ensemble monobloc est d’un seul tenant selon l’invention, il existe une continuité de matière entre les structures tridimensionnelles alvéolaires et la paroi thermiquement conductrice, permettant ainsi le transfert thermique au travers de ladite paroi.
[0014] L'invention a encore pour objet un dispositif apte à réaliser un transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide circulant respectivement de part et d’autre d’une paroi thermiquement conductrice, ledit dispositif étant configuré pour mettre en œuvre le procédé décrit précédemment, le dispositif comportant un ensemble monobloc formé d’un seul tenant comportant:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi, et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire étant situées de part et d’autre de ladite paroi et solidaires de ladite paroi,
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi.
[0015] L’ensemble monobloc garantit de bonnes performances thermiques. Dans le cas d’une utilisation dans une colonne à distiller, il garantit également de bonnes performances de séparation.
[0016] Par ensemble monobloc selon l’invention on entend un ensemble formé d’un seul tenant, la première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire étant toutes les deux inséparables de la paroi.
[0017] Le dispositif peut être un échangeur thermique ou une colonne de séparation, notamment une colonne à distiller, une colonne d'absorption, ou un strippeur.
[0018] Le dispositif peut être un échangeur thermique.
[0019] Le dispositif est apte à réaliser un transfert de matière simultanément au transfert thermique. Le dispositif améliore alors les échanges de chaleur tout en conservant les performances de transfert de matière. Les performances de transfert de matière sont notamment nécessaires à la mise en œuvre de procédés de séparation dans de nombreuses industries de transformation de matières diverses chimiques, énergétiques, alimentaires, et biotechnologiques. Par performances de transfert de matière on entend donc la séparation de matière, ce qui est l’objet même d’une colonne à distiller, une colonne d'absorption, ou un strippeur.
[0020] Le dispositif peut être une colonne de séparation, notamment une colonne à distiller, une colonne d'absorption, ou un strippeur, ou deux colonnes de séparations réactives, l’une produisant de la chaleur et l’autre en consommant. Un tel dispositif permet d'améliorer très significativement les performances des procédés de distillation, d’absorption ou de stripping, qui sont des procédés de séparation au sein desquels il importe de gérer simultanément les processus de transfert de matière et de chaleur. Ces procédés jouent un rôle important dans les industries pétrolières, gazières, pétrochimiques et chimiques, et notamment dans les installations destinées au traitement de gaz naturel, pour la désacidification par exemple, ou gaz de combustion, pour la décarbonatation par exemple, pour lesquels la maîtrise de la consommation énergétique doit être minimisée.
[0021] De manière préférée, le dispositif est une colonne à distiller ou un échangeur thermique, notamment une colonne à distiller. De manière plus préférée encore, le dispositif est une colonne à distiller comportant un échangeur thermique configuré pour échanger de la chaleur entre deux fluides biphasiques, notamment contenant chacun une phase liquide et une phase gazeuse.
[0022] La colonne à distiller comporte un ou plusieurs ensembles monoblocs selon l’invention configurés pour que la longueur de la colonne à distiller soit égale à une longueur cible. Les ensembles monoblocs peuvent être vissés et/ou collés les uns aux autres.
[0023] Le dispositif peut être une colonne à distiller HIDiC.
[0024] La colonne à distiller HIDiC comporte notamment une zone d’enrichissement et une zone d’appauvrissement, dans lesquelles circulent respectivement le premier fluide et le second fluide. La paroi de l’ensemble monobloc sépare notamment la zone d’enrichissement de la zone d’appauvrissement.
[0025] Le dispositif améliore les échanges de chaleur entre la zone d’enrichissement et la zone d’appauvrissement tout en conservant les performances de transfert de matière dans chacune desdites zones.
[0026] Le dispositif peut être une colonne à distiller HIDiC concentrique. La colonne HIDiC concentrique selon l’invention présente un gain énergétique élevé, notamment pour la séparation des composés à volatilité proche.
[0027] Par « colonne à distiller HIDiC concentrique », on entend une colonne à distiller HIDiC comportant une colonne d’enrichissement et une colonne d’appauvrissement concentriques. Autrement dit la zone d’enrichissement est une colonne d’enrichissement et la zone d’appauvrissement est une colonne d’appauvrissement, la colonne d’enrichissement et la colonne d’appauvrissement étant concentriques. [0028] La colonne d’enrichissement comporte notamment la première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice.
[0029] La colonne d’appauvrissement comporte notamment la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice.
[0030] La différence de température entre la tête et le pied de la colonne à distiller peut être inférieure ou égal à 20°C. Plus la différence de température entre la tête et le pied de la colonne à distiller est faible plus le gain en énergie est grand.
[0031] Le fonctionnement d’une colonne à distiller selon l’invention est donc remarquable par le fait que d’une part il y a transfert de matière entre les phases dans chaque fluide et d’autre part le transfert de chaleur entre les deux fluides est assuré de la façon la plus efficace, qui soit. Un transfert de matière est ainsi réalisé simultanément au transfert thermique.
[0032] Le dispositif est configuré pour que chacun des premier et deuxième fluides soient à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse, la phase liquide du premier fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du premier fluide et la phase liquide du deuxième fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du deuxième fluide. Ainsi on peut observer un écoulement contre- courant gaz/liquide de chaque côté de la paroi.
[0033] Le dispositif est configuré pour que la vitesse de la phase gazeuse de chacun des premier et deuxième fluides soit comprise entre 0,5 m/s et 5 m/s, de préférence entre 1 m/s et 3 m/s.
[0034] L’invention peut notamment être utilisée pour de la distillation fractionnée dans les domaines tels que le raffinage, la pétrochimie, la chimie de spécialité, l’industrie pharmaceutique, la biotechnologie ou l’agroalimentaire.
[0035] Selon un autre de ses objets, l’invention concerne un ensemble monobloc conçu pour la mise en œuvre d’un procédé selon décrit précédemment, ledit ensemble monobloc étant destiné à être agencé à l’intérieur d’un dispositif tel que décrit ci-dessus apte à réaliser un transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide circulant respectivement de part et d’autre d’une paroi thermiquement conductrice, ledit ensemble monobloc est formé d’un seul tenant et comporte: - une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi, et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire étant situées de part et d’autre de ladite paroi et solidaires de ladite paroi,
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi.
[0036] L’ensemble monobloc garantit de bonnes performances thermiques. Dans le cas d’une utilisation dans une colonne à distiller, il garantit également de bonnes performances de séparation.
[0037] Par ensemble monobloc selon l’invention on entend un ensemble formé d’un seul tenant, la première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire étant inséparable de la paroi.
[0038] La paroi est préférentiellement de forme cylindrique.
[0039] La paroi présente une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 10 mm.
[0040] La première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire peuvent être moulées d’une seule pièce avec la paroi, notamment par fonderie.
[0041] L’ensemble monobloc peut de manière alternative être fabriqué par fabrication additive, par brasage ou par soudage de plaques métalliques élémentaires.
[0042] Le dispositif est apte à réaliser un transfert de matière simultanément au transfert thermique.
[0043] Le dispositif est apte à réaliser un transfert de matière au sein des premier et deuxième fluides de façon simultanée au transfert thermique. [0044] La première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice remplit l’intérieur du cylindre formé par la paroi, et présenter notamment un rayon compris entre 15 mm et 50 mm.
[0045] La deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice épouse le contour de la paroi et s’étendre radialement.
[0046] La deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice présente un rayon externe compris entre 25 mm et 100 mm.
[0047] La deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice présente une surface opposée à la paroi de forme cylindrique.
[0048] La première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire sont notamment fixées à ladite paroi.
[0049] La première structure tridimensionnelle alvéolaire et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire sont notamment structurellement conductrices de la chaleur. [0050] Les première et deuxième structures tridimensionnelles alvéolaires définissent notamment une pluralité d'alvéoles.
[0051] Les première et deuxième structures tridimensionnelles alvéolaires sont notamment à alvéoles ouvertes.
[0052] Les alvéoles sont notamment en communication les unes avec les autres.
[0053] Au moins l’une, notamment chacune, des structures tridimensionnelles alvéolaires comporte une pluralité de brins d’épaisseur comprise entre 1 mm et 3 mm.
[0054] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente un taux de vide compris entre 85% à 99%.
[0055] Le taux de vide d’une structure alvéolaire est calculé de la manière suivante.
[0056] La masse ITH de la structure alvéolaire est mesurée en kg . [0057] La structure alvéolaire est placée dans un récipient et entièrement immergée dans de l’eau qui est versée jusqu’à une graduation donnée. La masse m2 de l’ensemble constitué par la structure alvéolaire et l’eau est mesurée en kg.
[0058] Le récipient est vidé puis rempli uniquement d’eau jusqu’à ladite graduation. La masse m3 d’eau est mesurée en kg.
[0059] Le volume de la structure alvéolaire VSOi est déterminé en L.
[0060] Le taux de vide e est calculé selon l’équation suivante, où p est la masse volumique de l’eau en kg/L:
[0061] [Math. 1]
m3 - (m2 - 7%)
e = 1 - w -
P ^sol
[0062] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente une surface volumique comprise entre 100 et 1000 m2/m3.
[0063] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est une structure stochastique ou une structure régulière.
[0064] Ainsi l’arrangement des alvéoles est régulier ou stochastique.
[0065] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est une structure ordonnée, homogène ou non.
[0066] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des cellules de Kelvin.
[0067] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des alvéoles qui ne sont pas des cellules de Kelvin.
[0068] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des alvéoles présentant des variantes géométriques les unes par rapport aux autres, la ou les structures alvéolaires étant notamment anisotropes.
[0069] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des alvéoles cylindriques, prismatiques ou parallélépipédiques. [0070] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des alvéoles à base polyédrique, notamment à base octogonale, hexagonale ou carrée.
[0071] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires présente des alvéoles décrites par l'appellation concept déposée NEOLATTICE indiquée dans la documentation développé par le Groupe GRIMS.
[0072] Chaque alvéole a une dimension caractéristique comprise entre 5 mm et 25 mm.
[0073] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est une mousse conductrice, notamment une mousse constituée de matériau conducteur de chaleur.
[0074] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est une mousse métallique ou une mousse de carbure de silicium.
[0075] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est une mousse de cuivre, de titane, d’acier inoxydable ou d’aluminium, ou de leurs alliages.
[0076] Au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires est fabriquée par fonderie ou par technologie additive.
[0077] La ou les mousses sont notamment rigides.
[0078] Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un procédé de fabrication d’un ensemble monobloc tel que décrit précédemment, comportant:
- l’introduction d’un liquide dans une préforme,
- la solidification du liquide dans la préforme,
- le démoulage du solide ainsi obtenu de sorte à obtenir l’ensemble monobloc.
[0079] L’ensemble monobloc est ainsi notamment fabriqué par coulage.
[0080] Le démoulage comporte une étape de débourrage thermique.
[0081] L’ensemble monobloc est fabriqué par fonderie.
[0082] L’ensemble monobloc est de manière alternative fabriqué par fabrication additive. [0083] La première structure tridimensionnelle alvéolaire et/ou la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire peut de manière alternative être rendue solidaires de la paroi par brasage ou par soudage.
[0084] L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
Fig. 1
[0085] [Fig. 1] représente un ensemble monobloc selon l’invention.
Fig. 2
[0086] [Fig. 2] représente en perspective l’ensemble monobloc de la figure 1.
Fig. 3
[0087] [Fig. 3] est une coupe transversale de l’ensemble monobloc de la figure 1.
Fig. 4
[0088] [Fig. 4] représente un grossissement de la première structure tridimensionnelle alvéolaire de l’ensemble monobloc de la figure 1.
Fig. 5
[0089] [Fig. 5] représente un dispositif apte à réaliser un transfert thermique selon l’invention.
Fig. 6
[0090] [Fig. 6] représente de manière schématique le fonctionnement d’une colonne HIDiC selon l’invention.
Fig. 7a
[0091] [Fig. 7a] est un premier graphique comparant la performance thermique d’un ensemble monobloc selon l’invention avec un garnissage de l’art antérieur. Fig. 7b [0092] [Fig. 7b] est un deuxième graphique comparant la performance thermique d’un ensemble monobloc selon l’invention avec un garnissage de l’art antérieur.
Fig. 7c
[0093] [Fig. 7c] est un troisième graphique comparant la performance thermique d’un ensemble monobloc selon l’invention avec un garnissage de l’art antérieur.
Fig. 7d
[0094] [Fig. 7d] est un quatrième graphique comparant la performance thermique d’un ensemble monobloc selon l’invention avec un garnissage de l’art antérieur.
Fig. 8a [0095] [Fig. 8a] représente une première étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention.
Fig. 8b
[0096] [Fig. 8b] représente une deuxième étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention.
Fig. 8c
[0097] [Fig. 8c] représente une troisième étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention.
Fig. 8d
[0098] [Fig. 8d] représente une quatrième étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention. Fig. 8e
[0099] [Fig. 8e] représente une cinquième étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention. Fig. 8f
[0100] [Fig. 8f] représente une sixième étape d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention. [0101] Les figures 1 , 2 et 3 représentent un ensemble monobloc 1 pour dispositif
10 apte à réaliser un transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide circulant respectivement de part et d’autre d’une paroi thermiquement conductrice 3.
[0102] L’ensemble monobloc 1 comporte:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 2 apte à être traversée par le premier fluide,
- ladite paroi 3, et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 4 apte à être traversée par le deuxième fluide.
[0103] La première structure tridimensionnelle alvéolaire 2 et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire 4 sont situées de part et d’autre de ladite paroi 3 et solidaires de ladite paroi 3.
[0104] Le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi 3.
[0105] La première structure tridimensionnelle alvéolaire 2 et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire 4 comportent une pluralité de brins 6 d’épaisseur eb comprise entre 1 mm et 3 mm.
[0106] La paroi 3 est de forme cylindrique autour d’un axe Y.
[0107] La paroi 3 présente une épaisseur ep de 5 mm.
[0108] La première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 2 remplit l’intérieur du cylindre formé par la paroi 3.
[0109] La deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 4 épouse le contour de la paroi 3 et s’étend radialement. [0110] La surface de la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 4 opposée à la paroi 3 est de forme cylindrique autour de l’axe Y.
[0111] La première structure tridimensionnelle alvéolaire 2 a un diamètre h de 80 mm.
[0112] La deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire 4 a une dimension radiale l2de 25 mm.
[0113] Comme illustré sur la figure 4, chaque alvéole 5 présente une dimension caractéristique la de 10 mm.
[0114] Les première et deuxième structures alvéolaires 2,4 sont des mousses métalliques à cellules de Kelvin.
[0115] La figure 5 représente un dispositif 10 selon l’invention. Le dispositif 10 est une colonne HIDiC concentrique comportant un ensemble monobloc 1 selon l’invention. [0116] Le dispositif 10 comporte une colonne d’enrichissement, dite colonne interne, comportant une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 2 et une colonne d’appauvrissement, dite colonne externe, comportant une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice 4, la colonne d’enrichissement et la colonne d’appauvrissement étant concentriques.
[0117] Les performances thermiques d’un ensemble monobloc 1 selon l’invention ont été testées sur une colonne HIDiC concentrique et comparées avec un garnissage de l’art antérieur aux figures 7a, 7b, 7c et 7d.
[0118] L’ensemble monobloc 1 testé comporte, de part et d’autre de la paroi, une mousse métallique d’aluminium présentant un taux de vide de 85% et présentant des cellules de Kelvin.
[0119] Le garnissage de l’art antérieur est un garnissage « super ring » commercialisé par la société Raschig Gmbh. [0120] La colonne HIDiC concentrique sur laquelle les essais ont été réalisés est une colonne d’un mètre de hauteur comportant une colonne interne de 80 mm de diamètre et une colonne externe de 150 mm de diamètre.
[0121] La colonne interne est alimentée par du cyclohexane à un débit, dit « débit d’arrosage », de 12 kg/h à 40 kg/h.
[0122] La colonne externe est alimentée par de la vapeur d’eau à un débit de 0,8 kg/h à 5 kg/h, à une pression comprise entre 1 ,8 atm et 2,2 atm.
[0123] Les figures 7a, 7b, 7c et 7d représentent la chaleur échangée en fonction du débit d’arrosage pour l’ensemble monobloc 1 d’une part et pour le garnissage de l’art antérieur, noté « garnissage », d’autre part, respectivement pour une différence de température de part et d’autre de la paroi DT de 1 °K, 1 ,81 °K, 2,61 °K, et 5,65°K.
[0124] Les résultats présentés aux figures 7a, 7b, 7c et 7d montrent que l’ensemble monobloc 1 selon l’invention offre une meilleure performance thermique que le garnissage de l’art antérieur.
[0125] La valeur moyenne du gain est de l’ordre de 100% : l’ensemble monobloc 1 selon l’invention double l’échange thermique par rapport au garnissage de l’art antérieur.
[0126] Par ailleurs, trois essais ont été réalisés sur une colonne HIDiC concentrique selon l’invention, représentée de manière très schématique sur la figure 6, comportant un ensemble monobloc 1 selon l’invention.
[0127] L’ensemble monobloc 1 utilisé pour ces trois essais comporte, de part et d’autre de la paroi 3, une mousse d’aluminium présentant un taux de vide de 85% et présentant des cellules de Kelvin.
[0128] Pour chaque essai, les résultats ont été analysés avec le système n- heptane (C7)/cyclohexane (C6). Les trois essais (essais 1 , 2 et 3) ont été réalisés respectivement avec une pression dans la colonne interne Pint de 1 ,3 bar, de 1 ,5 bar et de 1 ,5 bar. L’ensemble des résultats est résumé dans les tableaux 1 à 3, correspondant respectivement aux essais 1 à 3, les grandeurs mesurées étant représentées sur la figure 6. [0129] [Tableau 1]
[0130] [Tableau 2]
[0131] [Tableau 3]
[0132] Les résultats des essais on été comparés aux résultats d’une colonne de distillation classique.
[0133] La puissance à fournir au bouilleur de la colonne de distillation classique (Qb classique) a été comparée à la puissance fournie au bouilleur de la colonne HIDiC (Qb HIDiC) ajoutée à la puissance consommée par le compresseur de la colonne HIDiC (Pcomp).
[0134] L’hypothèse pessimiste selon laquelle le rendement isentropique du compresseur de la colonne HIDiC est de 25% a été prise.
[0135] Les résultats sont regroupés dans le tableau 4.
[0136] [Tableau 4]
[0137] Des gains énergétiques compris entre 36% et 57% ont été réalisés. [0138] L’utilisation d’une colonne HIDiC selon l’invention permet donc un net gain énergétique par rapport à une colonne à distiller classique.
[0139] Les figures 8a, 8b, 8c, 8d, 8e et 8f représentent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’une structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc selon l’invention.
[0140] La structure tridimensionnelle alvéolaire est fabriquée par chaudronnerie.
[0141] Des noyaux 20 en plaques sont fabriqués (Figure 8a). Le motif constitutif des noyaux 20 est par exemple une cellule de Kelvin à laquelle on a chanfreiné les arrêtes pour permettre l’infiltration du métal. Les noyaux 20 sont à base de sable.
[0142] Les noyaux 20 sont agglomérés en préforme 21 (Figure 8b). Les noyaux 20 sont disposés par imbriquement des plaques.
[0143] Un moule est réalisé et la préforme 21 remoulée (Figure 8c).
[0144] Un bain de métal 22, par exemple d’aluminium, est préparé puis le métal 22 liquide est infiltré dans la préforme (Figure 8d). Le système de remplissage et la température du métal sont adaptées à la configuration de la structure tridimensionnelle alvéolaire à fabriquer. Un logiciel permettant de calculer les distances d’infiltration de métal peut être utilisé.
[0145] Le métal 22 est solidifié (Figure 8e).
[0146] Les sables sont évacués par un procédé de débourrage thermique qui permet d’évacuer le sable sans endommager les brins (Figure 8f).
[0147] Le métal est parachevé et la structure tridimensionnelle alvéolaire est fabriquée.
[0148] Le procédé de fabrication de la structure tridimensionnelle alvéolaire comporte un contrôle de la forme des noyaux, un contrôle de la porosité du métal avant coulée, une mesure de la température du métal avant coulée, une vérification de la métallurgie du métal avant coulée, notamment à l’aide d’un spectromètre et un contrôle visuel après dessablage.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide dans lequel le premier et le deuxième fluide circulent respectivement de part et d’autre d’une paroi (3) thermiquement conductrice d’un ensemble monobloc (1 ) formé d’un seul tenant agencé à l’intérieur d’un dispositif (10), l’ensemble monobloc (1 ) comportant:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (2) apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi (3), et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire (2) et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire (4) étant situées de part et d’autre de ladite paroi (3) et solidaires de ladite paroi (3),
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi (3) et que chacun des premier et deuxième fluides est à la fois sous phase liquide et sous phase gazeuse, la phase liquide du premier fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du premier fluide et la phase liquide du deuxième fluide circulant dans un sens opposé à la phase gazeuse du deuxième fluide.
[Revendication 2] Procédé de transfert thermique selon la revendication 1 , la vitesse de la phase gazeuse de chacun des premier et deuxième fluides étant comprise entre 0,5 m/s et 5 m/s, de préférence entre 1 m/s et 3 m/s.
[Revendication 3] Procédé de transfert thermique selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel un transfert de matière est réalisé simultanément au transfert thermique.
[Revendication 4] Dispositif (10) apte à réaliser un transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide circulant respectivement de part et d’autre d’une paroi (3) thermiquement conductrice, ledit dispositif (10) étant configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, le dispositif comportant un ensemble monobloc (1 ) formé d’un seul tenant comportant:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (2) apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi (3), et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire (2) et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire (4) étant situées de part et d’autre de ladite paroi (3) et solidaires de ladite paroi (3),
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi (3).
[Revendication 5] Dispositif (10) selon la revendication 4, le dispositif (10) étant une colonne à distiller, une colonne d’absorption, une colonne de stripping ou un échangeur thermique.
[Revendication 6] Dispositif (10) selon la revendication précédente, le dispositif (10) étant une colonne à distiller HIDiC, notamment une colonne à distiller HIDiC concentrique.
[Revendication 7] Ensemble monobloc (1 ) conçu pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une des revendications 1 à 3, ledit ensemble monobloc étant destiné à être agencé à l’intérieur d’un dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 apte à réaliser un transfert thermique entre un premier et un deuxième fluide circulant respectivement de part et d’autre d’une paroi (3) thermiquement conductrice, ledit ensemble monobloc (1 ) est formé d’un seul tenant et comporte:
- une première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (2) apte à être traversée par le premier fluide,
- au moins ladite paroi (3), et
- une deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) apte à être traversée par le deuxième fluide,
la première structure tridimensionnelle alvéolaire (2) et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire (4) étant situées de part et d’autre de ladite paroi (3) et solidaires de ladite paroi (3),
de sorte que le transfert thermique est réalisé du premier fluide vers le deuxième fluide à travers ladite paroi (3).
[Revendication 8] Ensemble monobloc (1 ) selon la revendication 7, la paroi (3) étant de forme cylindrique.
[Revendication 9] Ensemble monobloc (1 ) selon la revendication 8, la première structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (2) remplissant l’intérieur du cylindre formé par la paroi (3), et la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) épousant le contour de la paroi (3) et s’étendant radialement.
[Revendication 10] Ensemble monobloc (1 ) selon la revendication 9, la deuxième structure tridimensionnelle alvéolaire thermiquement conductrice (4) présentant une surface opposée à la paroi (3) de forme cylindrique.
[Revendication 11] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) comportant une pluralité de brins (6) d’épaisseur comprise entre 1 mm et 3 mm.
[Revendication 12] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 11 , au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) présentant un taux de vide compris entre 85% à 99%.
[Revendication 13] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 12, au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) présentant une surface volumique comprise entre 100 et 1000 m2/m3.
[Revendication 14] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 13, au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) étant une structure régulière.
[Revendication 15] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 14, au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) présentant des cellules de Kelvin et/ou des alvéoles qui ne sont pas des cellules de Kelvin.
[Revendication 16] Ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 15, au moins l’une, notamment chacune, des structures alvéolaires (2,4) étant une mousse métallique ou une mousse de carbure de silicium, notamment une mousse de cuivre, de titane, d’acier inoxydable ou d’aluminium.
[Revendication 17] Procédé de fabrication d’un ensemble monobloc (1 ) selon l’une quelconque des revendications 7 à 16, comportant :
- l’introduction d’un liquide dans une préforme,
- la solidification du liquide dans la préforme,
- le démoulage du solide ainsi obtenu de sorte à obtenir l’ensemble monobloc (1 ).
[Revendication 18] Procédé selon la revendication précédente, le démoulage comportant une étape de débourrage thermique.
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