FR2763519A1 - Dispositif d'echange de matiere et de chaleur - Google Patents

Dispositif d'echange de matiere et de chaleur Download PDF

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Abstract

Un dispositif d'échange de matière et de chaleur pour une colonne de distillation, en particulier de distillation cryogénique, comprend plusieurs couches horizontales de ventilateurs fixes (1A, 1B). Les ventilateurs sont empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés.Les couches sont formées par la juxtaposition de bandes obtenues à partir de feuillards par découpage et pliage et/ou cintrage et/ ou vrillage, de fabrication particulièrement simple.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'échange de matière et de chaleur et, en particulier, un dispositif d'échange de matière et de chaleur destiné à servir de garnissage dans les colonnes de distillation à nombre de plateaux théoriques élevé, typiquement dans les colonnes de distillation d'air ou de mélanges de monoxyde de carbone, d'azote, d'hydrogène ou d'hydrocarbures, ou dans les colonnes de séparation isotopique. II peut également servir pour la distillation isotopique. Typiquement, il sera installé dans les colonnes de distillation à nombre de plateaux théoriques élevés.
Les garnissages ordinairement utilisés comprennent des bandes ondulées comprenant des ondulations alternées parallèles disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres les ondulations étant obliques et descendant dans des sens opposés d'une bande à la suivante. Le taux de perforation est d'environ 10 % pour ces garnissages dits onduléscroisés.
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.
WO-A-94/12258 propose une amélioration de ce type de garnissage basée sur un positionnement exact des bandes les unes par rapport aux autres dans un plan vertical, par un système d'emboîtement. Ce dispositif a pour but de loger plus de surface de garnissage dans un même volume, car l'emboîtement permet une interpénétration des bandes.
WO-A-86/06296 et WO-A-90110497 divulguent un garnissage composé de couches horizontales et superposées, chaque couche comprenant une rangée de pyramides.
Dans WO-A-86/06296, la structure comprend des pyramides à bases ouvertes, et à faces latérales alternativement ouvertes et fermées, raccordées par leurs pointes de manière à constituer une multitude de pales de ventilateur mettant le gaz en rotation pour intensifier le contact entre le gaz et le liquide.
Une caractéristique fondamentale de cette structure est de pouvoir être obtenue par assemblage de feuilles métalliques perforées et pliées. Cette fois-ci, la perforation n'est plus seulement destinée à optimiser la circulation du liquide mais aussi à permettre au gaz de passer à travers les bandes pliées croisées, le taux de perforation étant de l'ordre de 50 %.
Paradoxalement, c'est juste à ce moment de début de contestation radicale du garnissage de l'ondulé croisé que celui-ci a commencé à être utilisé dans la séparation des gaz de l'air. Cette utilisation relativement tardive s'explique en partie par les hautes performances des plateaux cryogéniques vis à vis des autres plateaux du marché (HETP, hauteur équivalente à un plateau théorique, de l'ordre de 10 cm, et perte de charge faible).
Dans WO-A-90/10497, on améliore la structure ci-dessus obtenue en faisant coïncider les faces des pyramides de deux couches successives, ce qui crée des canaux transversaux par rapport aux bandes, et favorise le mélange transversal. II mentionne clairement l'intérêt d'une double perforation : une à damier (donc à 50 % de surface perforée) pour le gaz, et une perforation secondaire dans les faces fermées pour organiser le ruissellement du liquide.
Cette dernière demande de brevet a donné naissance au produit
Sulzer Optiflow qui représente la première réalisation d'une nouvelle génération, donnant accès à des performances notablement accrues par rapport aux ondulés-croisés maintenant classiques (HETP réduite de l'ordre de 25 à 30 % à débit vapeur constant, ou débit d'engorgement augmenté de l'ordre de 25 à 30 % à HETP constante).
Ce brevet et ces demandes de brevet permettent d'isoler deux axes de recherche importants. Le premier a pour but d'optimiser l'écoulement du liquide pour que la surface mouillée soit la plus grande possible et pour que le liquide se distribue dans toutes les directions en se remélangeant au cours du ruissellement dans le garnissage. Le second a pour but d'optimiser l'écoulement du gaz, c'est à dire d'obtenir un écoulement vertical le plus turbulent possible, sans canaux d'écoulement privilégiés, ni zones de faible circulation.
Jusqu'à maintenant, l'écoulement de phase liquide a été étudié sur des structures type ondulé-croisé. On a découvert que des perforations de faible diamètre (environ 10%) favorisent le passage du liquide de chaque côté des bandes. Plusieurs améliorations ont été proposées: CA-A-1 095827 revendique un positionnement précis des trous par rapport aux plis et WO-A-94/12258 revendique le positionnement relatif des bandes, par interpénétration des bandes. En fait il apparaît que le positionnement des trous n'augmente pas sensiblement l'efficacité du garnissage car la fonction principale des trous est de faire passer le liquide d'un côté à l'autre de la bande. Seuls le taux de perforation et le diamètre des trous influent donc sur l'efficacité.
L'idée des pyramides introduite par WO-A-86/06296 et WO-A90110497 introduit un nouveau type de perforations: les perforations pour le passage du gaz (représentant environ 50% de la surface). Ces perforations permettent de réduire la perte de charge et de créer des ventilateurs favorisant le brassage du gaz. Ces documents sont muets sur la circulation du liquide.
Le fait de raccorder les pyramides par les pointes ( sommets et coins , on désigne par coins les pointes situées sur la base) présente un inconvénient important: du fait du peu de matière subsistant en ces points, la tenue mécanique de l'ensemble impose de lier physiquement ces pointes par un procédé mécanique de type agrafage, ligature, soudage ou couture qui nécessite des outils complexes et coûteux, et se traduit donc par un coût assez élevé. On peut en outre remarquer que, le nombre de ces fixations varie comme le nombre des pyramides, c'est-à-dire comme le cube de l'inverse de leur dimension, ce qui limite la surface spécifique économiquement accessible de ce type de garnissage. D'autre part, le principe de la perforation en damier entraîne un taux de chutes de l'ordre de 50 %; c'est particulièrement dommage quand la matière du garnissage est d'un coût élevé, un tissu par exemple.
II apparaît aussi que cette structure est très aérée et que la HETP pourrait encore être réduite si on arrivait à loger une partie des chutes dans la structure sans dégrader la turbulence du gaz ni le taux de mouillage de la surface.
Le but de la présente invention est de créer un dispositif d'échange de chaleur et de matière ayant de bonnes propriétés quant à l'écoulement du gaz, incluant une série d'améliorations concernant l'étalement, la distribution et le mélange du liquide et à fabrication simplifiée par rapport à ceux de l'art antérieur et donc de permettre de réaliser pratiquement des garnissages très fins, donc à HETP encore plus petite.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un dispositif d'échange de chaleur etlou de matière constitué par un empilement de ventilateurs fixes, de façon à favoriser le mélange gazeux, chaque ventilateur étant constitué par quatre déflecteurs dont les normales moyennes sont inclinées et sensiblement déduites les unes des autres par rotation autour d'axes verticaux, la somme des quatre angles de rotation étant 360C et les ventilateurs étant empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés et de telle façon qu'il y ait suffisamment d'espace entre deux déflecteurs adjacents pour le passage du gaz.
Les déflecteurs des ventilateurs peuvent être plans ou non, symétriques ou non, déduits par rotation autour d'un axe vertical ou non.
La structure ainsi décrite permet de créer l'écoulement tourbillonnaire du gaz qui améliore l'échange avec le film liquide ruisselant sur les déflecteurs et le gaz. Elle présente l'avantage de donner une grande liberté de conception pour définir la forme et les liens des déflecteurs. Cette liberté doit être utilisée pour mieux assurer les autres fonctions du produit et réduire son coût.
On peut remarquer que la structure à pyramides ouvertes des demandes de brevet WO-A-86/06296 et WO-A-90/10497 est un cas très particulier de la structure générale qui vient d'être décrite lorsque les conditions suivantes sont simultanément remplies:
1. les déflecteurs des ventilateurs sont des losanges dont une
diagonale est horizontale ou des triangles dont la base est
horizontale.
2. les angles de rotation des déflecteurs sont 90".
3. les axes de rotation passent par les extrémités des diagonales
horizontales des déflecteurs en forme de losanges ou par les
extrémités des bases horizontales des déflecteurs en forme de
triangles.
4. les sommets supérieurs des losanges ou des triangles d'une couche
coïncident avec un sommet d'un losange ou d'un triangle de la
couche immédiatement supérieure.
Selon un autre aspect de l'invention
- les déflecteurs des ventilateurs ne sont ni des losanges dont une diagonale est horizontale, ni des triangles dont la base est horizontale ou
- les angles de rotation des déflecteurs ne sont pas 90C ou
- les axes de rotation ne passent pas par les extrémités des diagonales horizontales des déflecteurs en forme de losanges ou
- les axes de rotation ne passent pas par les extrémités des bases horizontales des déflecteurs en forme de triangles ou
- les sommets supérieurs des losanges ou des triangles d'une couche ne coïncident pas avec un sommet d'un losange ou d'un triangle de la couche immédiatement supérieure.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un dispositif dans lequel:
- la partie inférieure de certains ou de tous les déflecteurs est dissymétrique.
- la partie supérieure de certains ou de tous les déflecteurs est
symétrique par rapport à la ligne de plus grande pente, et sensiblement en forme de V renversé, de façon à favoriser l'étalement du liquide.
- certains ou tous les déflecteurs sont percés par un ou plusieurs trous,
avec ou sans symétrie d'axe vertical, de façon à favoriser le passage du liquide
en dessous des déflecteurs.
- certains ou tous les déflecteurs sont reliés à plusieurs de leurs voisins
dans un même plan horizontal par un segment d'arête commun, arrondi, aplati ou embouti, de façon à permettre un partage latéral du liquide entre déflecteurs.
- certains ou tous les déflecteurs pénètrent dans l'espace situé à la verticale d'un déflecteur adjacent.
- certains ou tous les déflecteurs sont conçus de façon à alimenter en liquide un autre déflecteur, généralement à l'aide d'une pointe, ou à collecter le liquide d'un autre déflecteur.
- la partie inférieure de certains ou de tous les déflecteurs est au moins en partie élargie, de façon à conserver au liquide une surface de ruissellement la plus grande possible.
- un bout d'au moins deux déflecteurs forme une saillie.
- une ou chaque saillie s'emboîte avec une autre saillie ou une encoche afin de solidariser les couches de ventilateurs.
On peut aussi remarquer que la demande de brevet WO-A-94/12258 décrit une structure dans laquelle chaque point d'interpénétration est le centre de quatre déflecteurs qui ne sont pas déduits par rotation. Cependant, les déflecteurs sont solidaires de telle façon qu'il n'y a plus de passage pour le gaz entre les deux déflecteurs de ventilateurs superposés verticalement. La notion de ventilateur telle qu'on la conçoit disparaît à cause de l'absence de perforations pour le gaz.
Dans le dispositif proposé ici, le positionnement des bandes les unes par rapport aux autres est motivé par les perforations gaz qui doivent être positionnées précisément les unes par rapport aux autres.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'un dispositif d'échange de chaleur eVou de matière constitué par un empilement de ventilateurs fixes, de façon à favoriser le mélange gazeux, chaque ventilateur étant constitué par quatre déflecteurs dont les normales moyennes sont inclinées et sensiblement déduites les unes des autres par rotation autour d'axes verticaux, la somme des quatre angles de rotation étant 360" et les ventilateurs étant empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés et de telle façon qu'il y ait suffisamment d'espace entre deux déflecteurs adjacents pour le passage du gaz dans lequel des feuilles planes de métal ou d'un autre matériau, sont découpées et pliées etlou cintrées, vrillées ou embouties pour former des feuilles en accordéon, avec ou sans saillies, les surfaces pleines formant des déflecteurs plans, pliés, courbes ou vrillés.
Le produit plat utilisé peut être laminé, tissé ou tricoté.
Selon d'autres aspects de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication dans lequel:
- les feuilles en accordéon sont placées côte à côte, parallèlement à un plan vertical.
- les feuilles en accordéon sont percées à moins de 45% avant pliage.
- la structure est constituée de feuilles en accordéon sensiblement identiques et dans lequel les feuilles en accordéon de rang impair sont retournées par rapport aux feuilles de rang pair autour d'un axe vertical ou horizontal inclus dans le plan moyen de la feuille en accordéon.
- le positionnement des feuilles en accordéon est assuré par une zone d'appui permettant un emboîtement des feuilles et permettant aussi d'assurer la stabilité des feuilles en accordéon, une fois serrées les unes contre les autres. L'emboîtement peut être conçu de manière à bloquer les deux degrés de liberté de translation en certains points de contact ou en tous. Ou bien il peut être conçu de manière à bloquer un degré de liberté de translations en certains points de contact et l'autre degré de liberté en d'autres points de contact.
- les feuilles en accordéon sont percées et pliées de façon à relier les surfaces pleines par des lignes de pli, courbes ou non, permettant l'échange de liquide entre déflecteurs adjacents.
- les lignes de plis ne sont pas continues de façon à créer des saillies en dehors de la zone comprise entre les deux plans contenant les plis.
- la zone d'appui est formée par un embouti local.
- la zone d'appui est formée par découpage et pliage et/ou cintrage ou vrillage.
- des saillies permettent un positionnement des feuilles en accordéon par un emboîtement saillie etlou encoche.
- des saillies permettent de créer des distributeurs ou des collecteurs pour les déflecteurs d'une couche adjacente.
- le taux de perçage des feuilles en accordéon permet de créer des larges surfaces de ruissellement.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation de gaz de l'air ou d'hydrocarbures, ou d'oxyde de carbone, ou d'isotopes dans une colonne de distillation comprenant au moins un dispositif d'échange de chaleur eVou de matière constitué par un empilement de ventilateurs fixes, de façon à favoriser le mélange gazeux, chaque ventilateur étant constitué par quatre déflecteurs dont les normales moyennes sont inclinées et sensiblement déduites les unes des autres par rotation autour d'axes verticaux, la somme des quatre angles de rotation étant 360" et les ventilateurs étant empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés et de telle façon qu'il y ait suffisamment d'espace entre deux déflecteurs adjacents pour le passage du gaz.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation de gaz de l'air ou d'hydrocarbures, ou d'oxyde de carbone, ou d'isotopes dans une colonne de distillation comprenant au moins un dispositif d'échange de chaleur etlou de matière constitué par un empilement de ventilateurs fixes, de façon à favoriser le mélange gazeux, chaque ventilateur étant constitué par quatre déflecteurs dont les normales moyennes sont inclinées et sensiblement déduites les unes des autres par rotation autour d'axes verticaux, la somme des quatre angles de rotation étant 360" et les ventilateurs étant empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés et de telle façon qu'il y ait suffisamment d'espace entre deux déflecteurs adjacents pour le passage du gaz.
D'autres aspects de l'invention sont maintenant décrits, en se référant aux dessins suivants dont:
- la figure 1 montre la vue en perspective de deux ventilateurs de sens alternés d'un dispositif selon l'invention.
- la figure 2 montre l'écoulement du liquide sur les déflecteurs d'un dispositif selon l'invention.
- la figure 3 montre la représentation schématique du découpage d'une feuille métallique selon l'invention.
- la figure 4 montre deux représentations schématiques de la feuille métallique de la figure 3 pliée en accordéon: 4.1 montre une vue en perspective et 4.2 une vue dans l'axe des plis.
- la figure 5 montre deux représentations schématiques de deux feuilles métalliques de la figure 4 assemblées: 5.1 montre une vue en perspective et 5.2 une vue dans l'axe des plis d'une des feuilles.
- la figure 6 montre le découpage industriel d'une feuille métallique selon l'invention.
- la figure 7 montre la structure obtenue en assemblant deux feuilles découpées et pliées selon la figure 6.
- la figure 8 montre plusieurs détails de la structure de la figure 7: 8.1 montre les quatre pales qui participent à une zone d'appui, 8.2 montre une vue de dessus de 8.1 et 8.3 montre deux ventilateurs superposés créés par la structure.
- la figure 9 montre un agrandissement de la zone 7B de la figure 7 sur lequel on a représenté l'écoulement du liquide.
- la figure 10 montre la fabrication d'un point d'appui par découpage pliage et l'emboîtement de deux couches.
- la figure 11 montre plusieurs solutions de pliage permettant l'emboîtement des couches les unes sur les autres.
- la figure 12 montre une virole de colonne avec des garnissages structurés constitués par le dispositif de la présente invention.
La figure 1 représente deux ventilateurs fixes adjacents (1A et 1B) dans une couche horizontale. Les déflecteurs ne sont pas nécessairement déduits par rotation. Ces deux ventilateurs brassent l'écoulement gazeux en sens inverse (vortex 1D et 1 E), créant ainsi un maximum de turbulence. On peut remarquer que le déflecteur 1 C est commun aux deux ventilateurs. La structure complète est obtenue en répétant ce motif dans les trois directions, avec ou sans variantes de la géométrie des déflecteurs. Les documents cités ci-dessus sont muets sur la circulation du liquide dans la structure.
La figure 2 montre l'étalement du liquide sur les déflecteurs. On verra plus tard la manière de relier les déflecteurs entre eux entre deux couches horizontales. Supposons seulement que chaque déflecteur est alimenté par son sommet (2C) par le liquide ruisselant. II faut bien sûr que le maximum de surface des déflecteurs soit mouillée. Cette remarque suffit à esquisser la meilleure forme à donner aux déflecteurs.
La partie supérieure (2A) doit être pointue de manière à suivre l'étalement du liquide à partir de son point d'alimentation. En revanche une fois cet étaiement obtenu, le déflecteur peut garder sa largeur maximum sur une certaine distance pour augmenter la surface de ruissellement (2 B). En effet, le collectage est plus facile et peut se faire sur des arêtes de faible pente avec un contour faiblement incliné. Ceci conduit à une forme ventrue .
La distribution optimale du liquide des deux côtés des déflecteurs conduit à percer un trou (2D) proche du sommet (2C) permettant à une partie du liquide de passer de l'autre côté.
Afin qu'il n'y ait pas de chemin privilégié pour le liquide, il convient de faire en sorte qu'un même filet de liquide soit distribué dans plusieurs directions et constamment remélangé. Ainsi, un segment d'arête (2E) commun à deux déflecteurs sépare le liquide s'écoulant sur le déflecteur en deux et crée une zone de mélange (2F).
Pour une raison de coût, il faut que les déflecteurs puissent être fabriqués à partir d'un matériau en feuille. Malheureusement la technique de perforation-pliage etlou perforation-cintrage utilisée jusqu'à maintenant pour fabriquer les garnissages structurés ne permet pas d'obtenir une richesse de formes à la hauteur des besoins de l'architecture décrite ci-dessus.
II existe cependant une méthode qui permet d'obtenir des formes très riches à partir de produit plat : le découpage-pliage. II suffit pour s'en convaincre de regarder certains livres en relief ou certains emballages en carton. Le pliage est bien connu pour fabriquer des polyèdres. Ce procédé n'a jamais, à notre connaissance, été utilisé pour fabriquer des garnissages structurés. On peut aussi lui associer un emboutissage, afin d'obtenir des surfaces non développables. Bien que très riche de possibilités, ce procédé peut être particulièrement économique puisque les opérations successives de découpage, de pliage et même d'emboutissage peuvent être intégrées dans un même outil de presse.
La figure 3 montre le découpage schématique d'une feuille avant le pliage, dans laquelle les déflecteurs sont les quadrilatères pleins (3E). La feuille ainsi découpée est ensuite pliée en accordéon selon les lignes pointillées. Les lignes en pointillés épais (3A) sont des plis vallée , tandis que les pointillés fins (3B) marquent des plis crête . II faut bien noter que ces lignes de pli sont discontinues car les parties grisées (3C) ne sont pas pliées avec le reste et forment donc, après pliage, des saillies au delà des deux plans contenant les plis crête et vallée. En fait, le pliage n'intervient que sur les zones symbolisées par des points noirs (3D), qui forment à la fois une liaison entre les déflecteurs et un point d'appui etlou d'emboîtement servant à l'empilement et au positionnement lors de l'empilage des feuilles en accordéon.
On verra plus loin par quels dispositifs peuvent être constituées ces zones.
La figure 4 montre deux représentations schématiques d'une feuille de la figure 3 pliée en accordéon. 4.1 est une vue en perspective de la feuille pliée. 4.2. est une vue de dessus de la feuille dans l'axe des plis, sur laquelle on voit bien l'accordéon formé par la feuille (4G). Le pliage crée deux orientations de plan, caractérisées par les grisés différents des déflecteurs (4A et 4B). On peut remarquer les saillies (4C et 4D) qui sortent en dehors de la zone comprise entre les deux plans contenant les lignes de pli. On constate donc que les déflecteurs une fois pliés offrent au liquide une surface d'étalement (4E) pointue et symétrique par rapport à la ligne de plus grande pente, puis une surface de ruissellement élargie (4F).
La figure 5 montre deux représentations schématiques de la structure obtenue par assemblage de deux bandes pliées selon la figure 4. 5.1 est une vue en perspective de la structure. 5.2 est une vue de dessus, dans l'axe des plis de la feuille de l'avant plan, sur laquelle on voit les deux bandes empilées 5.F et 5.G. On reconnaît à l'avant plan de 5.1 et en 5F la feuille en accordéon de la figure 4. A l'arrière plan de 5.1 et en 5G on a une feuille identique retournée de 1800 par rapport à un axe vertical. Deux ventilateurs superposés sont créés par cette structure (5A et 5B). On remarque que ces ventilateurs sont de deux types différents: 5A est un ventilateur fermé par rapport au centre de rotation; c'est à dire que l'élargissement de la surface de ruissellement est logée du côté du centre de rotation, offrant ainsi un passage plus étroit au gaz. A l'inverse, 5B est un ventilateur ouvert . Sur une même verticale, on a alternance des deux types de ventilateur. Pour obtenir les ventilateurs tournant en sens inverse, il faudrait rajouter une feuille en accordéon supplémentaire. La structure obtenue en 5C indique pourquoi le bas des déflecteurs ne possède pas une surface de ruissellement symétrique. En effet, si la base des déflecteurs était rectangulaire symétrique, elle aurait, certes, une surface de ruissellement plus grande mais on obtiendrait en 5C, une jonction des arêtes des deux déflecteurs formant une sorte de gouttière horizontale. Une telle structure serait très préjudiciable, à la fois pour l'écoulement gazeux et pour l'écoulement liquide. Enfin, on peut remarquer que les saillies de la feuille en accordéon du premier plan (5D), s'insèrent exactement entre deux plis consécutifs de la feuille du second plan. De même, les saillies de la feuille en arrière plan (5E) s'insèrent entre les plis de la feuille du premier plan. Le positionnement relatif des feuilles entre elles est ainsi assuré dans toutes les directions et un simple serrage assure la stabilité de la structure.
Toutes les figures précédentes, volontairement schématiques ont pour but de montrer les principales caractéristiques de la structure. II est bien évident que la structure de la figure 5 ne possède aucune tenue mécanique puisqu'il ne subsiste pas de matière aux points de liaison entre déflecteurs. Le principe de découpage-pliage, associé éventuellement à un emboutissage, permet d'obtenir une très grande variété de formes dans laquelle il faut puiser pour améliorer la structure, à la fois vis à vis de ses performances et de la simplicité de fabrication. Les figures qui suivent décrivent une structure industriellement valide, ayant une bonne tenue mécanique et incluant plusieurs améliorations, vis à vis de l'écoulement liquide et de la fabrication.
La figure 6 montre le découpage d'une feuille non pliée. Les lignes de pli (6A) sont représentée en pointillée; on voit bien qu'elles sont discontinues.
Afin d'obtenir une bonne tenue mécanique, il subsiste aux points de liaison 1/3 de la matière qui serait pliée s'il n'y avait pas de découpage. Afin de conserver une structure la plus proche possible de l'idéal, cette matière a été répartie inégalement sur les différents points de liaison. En 6B, rajouter une arête verticale est une bonne solution pour obtenir une grande longueur de pli en perdant un minimum de surface ouverte. En revanche, il faut éviter d'introduire une arête horizontale sur laquelle le liquide s'accumule, on a donc dessiné une ligne de pli qui constitue un segment d'arête (6C) permettant le partage latéral du liquide. La saillie en pointe 6D sert à la fois à la distribution du liquide et à solidariser les bandes entre elles. Enfin, on peut percer dans chaque déflecteur un trou (6E) qui permet le passage du liquide d'un côté à l'autre de la feuille.
La figure 7 montre deux feuilles de la figure 6 pliées et assemblées. On remarque les séries de ventilateurs empilés (7A). On avait vu avec la figure 5 que les bandes étaient positionnées parfaitement par les saillies. Les lignes de pli introduisent par rapport à ce positionnement une imprécision égale à la longueur de la ligne de pli. Pour compenser cela, on peut au moment du pliage effectuer un embouti local sur la ligne de pli de façon à ce que le point le plus enfoncé soit centré sur le point d'appui. Ainsi, au moment de l'assemblage, la structure se maintient en position par simple serrage des bandes les unes contre les autres. En 7B, on voit un point d'appui où la saillie de la bande de l'arrière plan est équipée d'une pointe constituant à la fois une sorte d'attache solidarisant les bandes et un distributeur de liquide pour le remélange.
La figure 8 montre plusieurs agrandissements de la figure 7. La figure 8.1 montre un agrandissement de la zone d'appui 7B. La figure 8.2 montre une vue de dessus de 8.1 sans faces cachées sur laquelle on voit que les déflecteurs pénètrent dans l'espace situé à la verticale des déflecteurs adjacents de façon à créer une large surface de ruissellement (8.2A) et une alimentation en liquide d'une autre déflecteur (8.2B). La figure 8.3 montre deux types de ventilateurs superposés, créés par la structure: un ventilateur ouvert (8.3A) et un ventilateur fermé (8.3B).
La figure 9 montre un détail de la figure 7, situé autour de 7B. Les déflecteurs 9D et 9F appartiennent à la feuille en accordéon du second plan tandis que 9C et 9E appartiennent à la feuille du premier plan. Les flèches noires figurent l'écoulement du liquide sur les déflecteurs. La structure est symétrique par rapport au point d'appui (9A). On voit la façon dont la pointe (9B) et son symétrique forment des attaches qui stabil
L'emboîtement peut être conçu de manière à bloquer les deux degrés de liberté de translation en certains points de contact ou en tous. Ou bien il peut être conçu de manière à bloquer un degré de liberté de translations en certains points de contact et l'autre degré de liberté en d'autres points de contact.
La figure 11 montre des feuilles 11 selon l'invention dans lesquelles une face d'appui est plane et délimitée par deux plis (11.2) ou est courbe (11.3) ou met en oeuvre plus de deux plis (11.4). Dans ces trois cas, la découpe permet aux bords des déflecteurs de faire des saillies (lIA). La figure 11.1 montre un pliage en accordéon simple. La figure 11.2 montre le cas où la facette (11B) comprise à l'intérieur d'une paire de plis est plane, comme c'est le cas pour la figure 10. Dans la figure 11.3, à la place des plis, on a une surface courbe (lit). Enfin, dans la figure 11.4, on a un pli en plus (11 D).
La figure 12 montre une virole 100 d'une colonne de distillation contenant deux blocs 200 de garnissage structurés constitués par un dispositif d'échange de chaleur eticu de matière selon la présente invention.
Les feuilles pliées 300 sont assemblées obliquement à l'axe de la virole 100.
Le dispositif d'échange de chaleur et de matière de la présente invention peut être installé dans n'importe quelle colonne d'un appareil de séparation d'air, par exemple la colonne moyenne pression, la colonne basse pression, la colonne argon, la colonne de déazotation.
Chaque colonne peut contenir des dispositifs d'échange de chaleur et de matière selon la présente invention ainsi que les garnissages structurés classiques (du type ondulé croisé par exemple) etlou les garnissages en vrac etlou les plateaux.
La surface spécifique du dispositif d'échange de chaleur et de matière de la présente invention peut varier d'une section d'une colonne à une autre.

Claims (27)

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échange de chaleur etlou de matière constitué par un empilement de ventilateurs fixes (lA, 1B, 5A, 5B, 7A, 8.3A, 8.3B), de façon à favoriser le mélange gazeux, chaque ventilateur étant constitué par quatre déflecteurs (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) dont les normales moyennes sont inclinées et sensiblement déduites les unes des autres par rotation autour d'axes verticaux, la somme des quatre angles de rotation étant 360" et les ventilateurs étant empilés en couches horizontales successives au sein desquelles chaque déflecteur fait partie de deux ventilateurs adjacents tournant en sens opposés et de telle façon qu'il y ait suffisamment d'espace entre deux déflecteurs adjacents pour le passage du gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel:
- les déflecteurs (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) des ventilateurs (1A, 1B, 5A, 5B, 7A, 8.3A, 8.3B) ne sont ni des losanges dont une diagonale est horizontale, ni des triangles dont la base est horizontale ou
- les angles de rotation des déflecteurs ne sont pas 90" ou
- les axes de rotation ne passent pas par les extrémités des diagonales horizontales des déflecteurs en forme de losanges ou
- les axes de rotation ne passent pas par les extrémités des bases horizontales des déflecteurs en forme de triangles ou
- les sommets supérieurs des losanges ou des triangles d'une couche ne coïncident pas avec un sommet d'un losange ou d'un triangle de la couche immédiatement supérieure.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la partie inférieure de certains ou de tous les déflecteurs (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) est dissymétrique.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel la partie supérieure (2A, 4E) de certains ou de tous les déflecteurs (1 C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) est symétrique par rapport à la ligne de plus grande pente, et sensiblement en forme de V renversé, de façon à favoriser l'étalement du liquide.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les déflecteurs sont percés par un ou plusieurs trous (2D, 6E), avec ou sans symétrie d'axe vertical, de façon à favoriser le passage du liquide en dessous des déflecteurs.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les déflecteurs sont reliés à un ou plusieurs de leurs voisins dans un même plan horizontal par un segment d'arête commun (2E, 6C), arrondi, aplati ou embouti, de façon à permettre un partage latéral du liquide entre déflecteurs.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les déflecteurs sont reliés à un ou plusieurs de leurs voisins par un segment d'arête commun (2E, 6A, 6C), arrondi, aplati ou embouti, afin de solidariser les déflecteurs entre eux.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les déflecteurs pénètrent dans l'espace situé à la verticale d'un déflecteur adjacent.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les déflecteurs sont conçus de façon à alimenter en liquide un autre déflecteur, généralement à l'aide d'une pointe (6D, 8.2 B, 9B), ou à collecter le liquide d'un autre déflecteur.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel certains ou tous les couples de déflecteurs voisins possèdent des saillies (6D, 8.2B, 9B, 11A) etlou des encoches permettant un emboîtement réciproque afin de solidariser les déflecteurs entre eux.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la partie inférieure de certains ou de tous les déflecteurs est au moins en partie élargie, de façon à conserver au liquide une surface de ruissellement (2B, 4F, 8.2A) la plus grande possible.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel un bout d'au moins deux déflecteurs (1C, 3E, 4A, 4B, 9C, 9D, 9E, 9F) forme une saillie (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A).
13. Dispositif selon la revendication 12 dans lequel une ou chaque saillie (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A) s'emboîte avec une autre saillie ou une encoche afin de solidariser les couches de ventilateurs.
14. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des feuilles planes de métal ou d'un autre matériau, sont découpées et pliées etlou cintrées, vrillées ou embouties pour former des feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G, 300), avec ou sans saillies, les surfaces pleines (3E) formant des déflecteurs plans, pliés, courbes ou vrillés.
15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, dans lequel les feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G, 300) sont placées côte à côte, parallèlement à un plan vertical.
16. Procédé de fabrication selon la revendication 14 ou 15, dans lequel les feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G, 300) sont percées à moins de 45% avant pliage.
17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel la structure est constituée de feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G, 300) sensiblement identiques et dans lequel les feuilles en accordéon de rang impair (5F) sont retournées par rapport aux feuilles de rang pair (5G) autour d'un axe vertical ou horizontal inclus dans le plan moyen des feuilles en accordéon.
18. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 17, dans lequel le positionnement des feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G, 300) est assuré par une zone d'appui (3D, 7B) permettant un emboîtement des feuilles et permettant aussi d'assurer la stabilité des feuilles en accordéon, une fois serrées les unes contre les autres.
19. Procédé de fabrication selon la revendication 18, dans lequel la zone d'appui (3D, 7B) est formée par un embouti local.
20. Procédé de fabrication selon la revendication 18 ou 19, dans lequel la zone d'appui (3D, 7B) est formée par découpage et pliage etlou cintrage ou vrillage.
21. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 20, associée à la revendication 6, dans lequel les feuilles en accordéon sont percées et pliées de façon à relier les surfaces pleines par des lignes de pli (6C), courbes ou non, permettant l'échange de liquide entre déflecteurs adjacents.
22. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 21, dans lequel les lignes de plis (3A, 3B, 6A, 6C) ne sont pas continues de façon à créer des saillies (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 11A) en dehors de la zone comprise entre les deux plans contenant les plis.
23. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 22, dans lequel des saillies (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A) permettent un positionnement des feuilles en accordéon par un emboîtement saillie etlou encoche.
24. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 23, dans lequel des saillies (3C, 4C, 4D, 5D, 5E, 6D, 9B, 11A) permettent de créer des distributeurs (6D, 8.2B, 9B) ou des collecteurs pour les déflecteurs d'une couche adjacente.
25. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 24, associée à la revendication 11, dans lequel le taux de perçage à moins de 45% des feuilles en accordéon (4G, 5F, 5G) permet de créer des larges surfaces de ruissellement (2B, 4F, 8.2A).
26. Procédé de séparation de gaz de l'air ou d'hydrocarbures, ou d'oxyde de carbone, ou d'isotopes dans une colonne de distillation comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13.
27. Installation de séparation de gaz de l'air ou d'hydrocarbures, ou d'oxyde de carbone, ou d'isotopes dans une colonne de distillation comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13.
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