WO2018104124A1 - Procede de fabrication d'un garnissage structure par une methode de fabrication additive - Google Patents

Procede de fabrication d'un garnissage structure par une methode de fabrication additive Download PDF

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additive manufacturing
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Alice POURTIER
John Roesler
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    • B01J2219/3313—Revamping

Definitions

  • the present invention relates to the field of packing of the gas / liquid contact columns, and more particularly for the gas treatment units, C0 2 capture, dehydration or distillation.
  • such columns In order to bring into contact a gas and a liquid and to promote exchanges (heat and / or material) between these fluids, such columns generally comprise at least one lining.
  • the packing has a specific geometry to optimize the exchanges between the liquid and the gas.
  • two types of packing are distinguished: loose packing and structured packing.
  • Structured packing is an assembly of tubes, plates, sheets folded or corrugated (corrugated, that is to say, substantially corrugated with right angles), and arranged in an organized manner in the form of large blocks as described in particular in patent applications FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050.
  • the structured packings have the advantage of offering a large geometric area for a given volume.
  • One of the disadvantages of the implementation of the structured packing is the obligatory step of assembly (stacking) of more or less complex parts, some parts of which can overlap and / or deform. If this assembly is not accurate, and therefore not in accordance with what is expected, it may result in the production of a lining that does not have the desired characteristics in terms of exchange between the liquid and the gas, the performance of the exchange column may be deteriorated. In addition, this assembly step can be long.
  • the geometry of the structured packing is limited to relatively simple shapes that can be obtained by machining and / or plastic deformation, and in order to achieve this assembly.
  • the present invention relates to a method of manufacturing structured packing by means of an additive manufacturing method.
  • Additive manufacturing makes it possible to directly form a structured packing unit, ie directly the stack, which eliminates the need for an additional assembly step.
  • additive manufacturing makes it possible to produce relatively complex shapes, which may not be achievable by conventional manufacturing methods, which offers possibilities for improving design and can promote exchanges.
  • the roughness of the walls of the structured packing obtained by additive manufacturing is greater than the roughness obtained by machining conventionally used. This higher roughness makes it possible to promote exchanges between the two fluids, which makes it possible to increase the performance of the structured packing.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a structured packing for contacting two fluids. For this process, the following steps are carried out: a) determining the structure of a structured packing unit; and
  • said structure of said structured packing unit is determined by means of a computer-assisted design.
  • said structure of said block of said structured packing is an assembly of at least two identical basic elements.
  • said structure of said structured packing is determined by implementing the following steps:
  • said basic elements are formed by folded or corrugated sheets or sheets, or tubes, said base elements having orifices.
  • said tubes are oriented in the structure along the four directions formed by the diagonals of a rectangular parallelepiped.
  • said rectangular parallelepiped has a dimension of an upper side to the others.
  • said tubes have substantially a circular or elliptical section.
  • said plates or sheets form a succession of channels comprising fins, each of said fins consisting of at least one strip formed in one of said plates or sheets, said strip remaining integral with said plate or sheet by at least one side, and said strip being formed to create an orifice forming a discontinuity on the surface of said plate or sheet.
  • said material is a metal or a polymer.
  • said metal is a steel, an aluminum alloy, or a titanium alloy.
  • said polymer is a nylon.
  • the thickness of a wall of said structured packing is between 0.05 and 1 mm, preferably between 0.05 and 0.4 mm.
  • the roughness of a wall of said structured packing is between 5 and 15 ⁇ .
  • Figures 1 and 2 illustrate a first embodiment of a basic element of a structured packing.
  • FIG. 3 illustrates a structured packing block according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 4 illustrates a second example of a basic element of structured packing.
  • FIG. 5 illustrates an assembly according to a first variant of the second basic element example of a structured packing.
  • FIG. 6 illustrates a structured packing block according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 7 illustrates an assembly according to a second variant of the second basic element example of a structured packing.
  • FIG. 8 illustrates the filling of an exchange column.
  • FIG. 9 illustrates a structured packing block obtained by additive manufacturing according to the second embodiment of the invention.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a structured packing for contacting two fluids.
  • a structured packing is an assembly of tubes, plates, sheets or the like folded, or corrugated (corrugated, that is to say substantially corrugated with right angles), and arranged organized way in the form of large blocks as described in particular in patent applications FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050, FR 2913897 (US 8,505,884).
  • the structured packings have the advantage of offering a large geometric area for a given volume.
  • Basic elements are tubes, plates, sheets or the like which are arranged in an organized manner in structured packing.
  • the structured packing obtained by the process according to the invention can be used in particular in a reactive absorption, distillation, gas treatment, CO 2 capture, dehydration and cooling column (for example for an aeroderfrigerant a cooling tower of power station).
  • the manufacturing method comprises the following steps:
  • the method according to the invention does not include a step of assembling basic elements of a structured packing. Indeed, the additive manufacturing makes it possible to directly realize the block corresponding to the organized arrangement of basic elements. Thus, any problems related to the assembly are avoided.
  • the structure of a structured packing block is determined.
  • the geometry, the dimensions, the number of base elements (also called structural element), and possibly the material of a structured packing unit are determined.
  • Geometry consists of the shape of the basic element of the structured packing.
  • This basic element may be a plate or a folded sheet, corrugated or corrugated. It can be a tube too.
  • This basic element comprises at least one orifice, allowing the passage of fluids.
  • the structured packing block consists of an organized arrangement of a plurality of substantially identical base members.
  • the structured packing blocks may have substantially a shape of rectangular parallelepipeds.
  • the determination of the structure of the structured packing unit can be implemented numerically by means of a computer-assisted design. At the end of this step, it is possible to obtain a numerical model of the structured packing unit.
  • the determination of the structure of the structured packing unit can comprise the following steps:
  • the base element that is to say the plate, the sheet or the tube, provided with orifices
  • the structure of the block is determined numerically by limiting the dimensions of the assembly of the basic elements, in other words "cutting" the assembly to the desired dimensions of the block. At the end of this step, it is possible to obtain a numerical model of the structured packing unit.
  • the structured packing unit defined in this step and subsequently manufactured can take any form of structured packing, since the additive manufacturing makes it possible to produce pieces of complex geometry.
  • the structured packing may comprise corrugated sheets or sheets, for example as described in patent applications FR 2913353 (US 2010/0213625), FR 2995223 (US 9,339,786) and FR 2995224 (US 9,333,480).
  • FR 2913353 US 2010/0213625
  • FR 2995223 US 9,339,786
  • FR 2995224 US 9,333,480.
  • These plates or sheets form a succession of channels comprising fins, each of the fins consisting of at least one strip cut in one of the plates, the strip remaining secured to the plate by at least one side, and the strip being deformed by to create an orifice forming a discontinuity on the surface of the plate or sheet.
  • the packing structures according to the first embodiment of the invention allow a gain in capacity to pass flows, gas or liquid or two fluids, greater in the contacting column.
  • This gain in capacity can be used in particular in cases of "revamping" to increase the operating rates of existing contacting columns by replacing the internal lining of these columns with new packings according to the invention. This avoids the building new columns.
  • the packings according to the invention make it possible to reduce the diameter of the contacting columns and / or to reduce the height of the packing and, therefore, the size of the column. In both cases, the goal is to achieve a reduction in investment costs.
  • the packing structures according to the first embodiment of the invention allow a gain in efficiency, that is to say they increase the area, per unit volume, actually available to achieve the gas contact. /liquid. This gain in efficiency makes it possible to reduce the height of packing required for a given performance and therefore a gain on the size of the contacting column.
  • the capacity gain of the packings according to the invention can also have repercussions on operating costs. Indeed, in some applications, such as reactive absorption implemented in particular for the deacidification of natural gas or synthesis gas, the proper operation of the contacting column is ensured by a minimum value of the liquid flow per section. column passage.
  • the use of a structured packing according to the first embodiment of the invention makes it possible, for a given gas flow, to reduce the diameter of the column. Maintaining a constant liquid flow rate per unit area thus makes it possible to reduce the total flow of liquid per column passage section. As a result, the operating costs associated with the circulation of the liquid are reduced.
  • the basic element of the structured packing according to the first embodiment of the invention consists of a sheet or corrugated plate.
  • the undulations are framed between two relatively close parallel planes.
  • the distance separating these two limit planes can be between 3 mm and 50 mm, preferably greater than 10 mm, and preferably between 10 mm and 30 mm.
  • the corrugations may be in the form of a triangle and may be distributed on either side of a meridian plane: a part of the undulations being located on one side of the meridian plane, the other part of the undulations being located on the other side of the meridian plane.
  • the undulations form a succession of channels.
  • undulations are chosen which generate channels that touch the boundary planes, without leaving the space delimited by these two planes.
  • the wavy sheets occupy a maximum area in the plane wafer defined by the boundary planes.
  • corrugation of the plates can be used to form a structured packing according to the invention.
  • plates having sinusoidal corrugations can be used.
  • ripples that are not not symmetrical for example a series of semicircles and triangles. It is also possible to use plates having irregular and random corrugations.
  • the corrugated sheets are modified to form fins which create surface discontinuities of said sheets.
  • Figure 1 shows a portion of a channel of a corrugated plate.
  • a band B has been cut along the notches C1 and 02.
  • the band B remains integral with the plate at its ends E1 and E2.
  • the band B is situated below the meridian plane P.
  • the band B may have different shapes, for example rectangular or trapezoidal.
  • the band B has been deformed so as to create a discontinuity of the surface of the sheet at the notches 01 and 02. The deformation is limited by the fact that the band does not come out. of the space between the L1 and L2 limit planes.
  • the corrugated sheet occupies only the available space between these two planes L1 and L2, and can easily be stacked on another corrugated sheet having the same characteristics.
  • the band B is deformed so that it is positioned below the plane P.
  • the band B is deformed so that at least part of the band crosses the plane P.
  • the band B is located on the side of the plane P opposite the side where the band B was positioned in its initial position.
  • the fin consisting of a deformed band is located at least partly on the opposite side, relative to the plane P, at the position of the channel in which the band was cut.
  • the fins occupy the free space of the channels formed by the corrugations and increase the surface of the lining which is effectively useful for contacting the fluids.
  • the surface of the fins has a direction parallel to the direction D of the channels.
  • the fins do not hinder or oppose at least the flow of fluids in the channels of the corrugated plates. This helps to minimize the pressure drop of the fluids passing through a structured packing comprising these plates.
  • the corrugated sheet provided with fins according to the first embodiment of the invention develops the same specific geometric area as the same corrugated sheet without fin, since there is no removal of material during the creation of the fins.
  • structured packing according to the first embodiment of the invention develops the same geometrical area as a standard structured packing.
  • the presence of the fins in the structured packing according to the invention forces the liquid film flowing on the surface of the channels, to flow in the form of a drop at the surface breaks created by the presence of the fins.
  • the fins ensure good agitation of the gas flow, which is favorable to the mass transfer between the gas and the liquid which are brought into contact in the structured packing according to the first embodiment of the invention.
  • the shape of a fin is different from that of the adjacent fins along the same channel.
  • the alternation of shape of the fins along a channel actively participates in the agitation of the flow and the mixing of the circulating phases along the channel.
  • FIG. 2 gives an example of a corrugated sheet provided with a multitude of triangular A-fins similar to those described with reference to FIG. On a corrugated sheet, the fins may be identical.
  • the corrugated sheets with fins are stacked to form a structured packing block.
  • the direction of the channels of a corrugated sheet is shifted with respect to the direction of the channels of the adjacent sheets, for example at an angle of between 20 ° and 90 °, preferably at an angle having a substantially similar value. 90 °.
  • Fig. 3 shows a structured packing block composed of corrugated sheets having a triangular pattern according to the first embodiment.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to manufacture directly this packing unit, without additional step of assembling the sheets.
  • additive manufacturing enables the manufacture of stiffer structured packing.
  • additive manufacturing can make it possible to produce stiffening elements, such as pins. Thus, the stiffer structure is more reliable.
  • the structured packing according to the first embodiment can be made in particular according to one of the variants described in the patent applications FR 2913353 (US 2010/0213625), FR 2995223 (US 9,339,786) and FR 2995224 (US 9,333,480), in particular :
  • the basic element of the structured packing may be a tube.
  • the structured packing can then comprise an organized arrangement of bundles of tubes, in each bundle of tubes, the tubes can be oriented in the four directions formed by the diagonals of a rectangular parallelepiped.
  • the structured packing may be such as that described in the patent application: FR 2913897 (US Pat. No. 8,505,884) or in the patent application bearing the filing number FR 15/58652.
  • a tube is a hollow cylinder, having a substantially constant section, and whose dimension perpendicular to the section (depending on the generatrix of the cylinder) is the largest dimension of the hollow element.
  • a tube may have any cross section, for example square, rectangular, polygonal, circular, elliptical ...
  • the walls of the tubes have orifices arranged to promote circulation and mixing. fluids in the structure.
  • each bundle of tubes comprises four tubes oriented along the four directions of the diagonals of a rectangular parallelepiped.
  • the rectangular parallelepiped is a cube.
  • the rectangular parallelepiped is not a cube, and therefore has a dimension greater than the other dimensions, which makes it possible to reduce the angles of orientation of the tubes relative to the vertical plane, because these angles are different from the angles formed by the directions of a cube.
  • the capacity of a lining corresponds to the amount of gas passing through a lining without being clogged, that is to say without creating accumulation of gas in a portion of the lining.
  • FIG. 4 represents a non-limiting example of embodiment of a tubular element 2 constituting the basic element of a structured packing according to the invention.
  • the tube 2 of Figure 4 is presented with a substantially circular section, however, the tube may have a section of different shape: square, rectangle, polygon, circle, ellipse, ... All embodiments of the section of the tube are compatible with the various embodiments described below.
  • the base element 2 consists of a tube wall of hydraulic diameter ⁇ provided with orifices or holes T.
  • the hydraulic diameter of a tube is a notation commonly used for the calculation of flows in a tube, a hydraulic pipe or channel, so as to make calculations similar to those of a circular section tube, when the section of the tube is not circular.
  • the hydraulic diameter corresponds to the geometric diameter.
  • the dimensions of the orifices T and the hydraulic diameter ⁇ are chosen in such a way as to optimize the circulation and the contacting of the fluids.
  • the hydraulic diameter ⁇ of the tubular element 1 is between 5 and 50 mm so as to optimize the geometric area per unit volume of a structured packing composed of such tubes. These dimensions make it possible to develop the geometric area per unit of volume, and by maintaining a small pressure drop, so as to be compatible with the targeted applications.
  • the minimum area of the orifices T greater than 2 mm 2 is chosen so that the liquid film that flows to the The inside of the tubes may be broken by a flow of gas passing through the orifices. Indeed, if the size of the orifices T is less than 2 mm 2 , the liquid film which circulates on the inner wall of a tube may clog these holes by capillary action.
  • the orifices having an area greater than 2 mm 2 allow the passage of gaseous and liquid phases from one tube to another, and thus ensure good contact and good mixing.
  • tubes provided with orifices whose area is greater than 4 mm 2 , or even 8 mm 2 are used.
  • the fluids contacted in a reactive absorption column circulate at high speed, typically at speeds between 1 m / s and 2 m / s.
  • larger orifices are provided in order to fragment the circulating liquid film at the wall of the tubes.
  • the orifices T are inscribed in rectangles of length L and width I of between 2 and 45 mm, preferably between 3 and 20 mm. In other words, an orifice must touch the four sides of a rectangle of length L and width I.
  • an orifice T may be arbitrary, as long as it remains inscribed in a rectangle of dimensions L and I
  • the orifice may have a substantially circular shape, an ellipse shape, a diamond shape ...
  • the fact of inscribing the orifices in rectangles of dimensions L and I makes it possible to impose a minimum dimension between the edges of the orifices, in order to cause the breaking of the liquid film flowing on the wall of the tubes of the lining.
  • the orifices T are arranged in an orderly or random manner.
  • the orifices T are arranged in a regular manner to obtain homogeneous exchange characteristics along the element 2.
  • the space between two orifices does not exceed twice the value of the hydraulic diameter ⁇ .
  • the number of orifices can be chosen so that the element 2 comprises between 10% and 90% of opening, that is to say that the ratio between the area of the orifices and the area of the solid part of the tube is between 10% and 90%, an excellent value of this ratio being between 25% and 50%.
  • the angle formed by the axis of each tube relative to a vertical axis, in a vertical plane passing through the axis of the tube is between 10 and 55 °, advantageously between 10 and 50 ° to obtain an effect important for the capacity of the packing structure.
  • this angle is between 30 and 45 ° to obtain optimum results in terms of capacity of the packing structure.
  • FIG. 5 represents an assembly of tubular elements (bundle of tubes) according to the second embodiment of the invention, the tubes 2 being arranged in four distinct directions of a cube.
  • the tubes of Figure 5 are shown with a substantially circular section, however, the tubes may have a section of different shape: square, rectangle, polygon, circle, ellipse ... All embodiments of the section of the tube are compatible with the various embodiments described below.
  • FIG. 7 represents an assembly of tubular elements (bundle of tubes) according to the second embodiment of the invention, the tubes 2 being arranged in four distinct directions of a rectangular parallelepiped.
  • the tubes of FIG. 7 are represented with a substantially circular section, however, the tubes may have a section of different shape: square, rectangle, polygon, circle, ellipse ... All embodiments of the section of the tube are compatible with the various embodiments described herein. -Dessous.
  • FIGS. 1-10 illustrate a bundle of four tubes 2, each being disposed along one of the four assembly directions D20a to D20d.
  • the four directions D20a to D20d in which the tubes are assembled respectively correspond to the four diagonals of a rectangular parallelepiped, except that the tubes do not intersect at the intersection of the diagonals in the center of the rectangular parallelepiped, but meet in the neighborhood of this point.
  • FIG. 5 (or 7) is repeated, that is to say one arranges along a construction axis, corresponding to the point of intersection of the four tubes of a beam, a new bundle of tubes arranged in the same order as the previous bundle, and so on.
  • an interweaving of four tubing networks which each extend in a plane oriented along one of the four assembly directions of the tubes in a bundle.
  • the tubes of each network are spaced from each other by a distance allowing the passage (crisscrossing) of the tubes of the other networks.
  • the lining structure is obtained by adding at least one additional row of beams along a new axis parallel to the axis of construction.
  • the free volume on either side of the row is then similarly completed, typically to the end of the tubes of the row, so as to obtain in this volume a three-dimensional structure formed of tubes arranged in four directions. directions. This three-dimensional structure forms the structured packing unit determined during this step.
  • FIG. 6 illustrates a block 3 of structured packing formed by tubes 2 oriented along the four directions of a rectangular parallelepiped.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to manufacture directly this packing unit, without additional step of assembling the sheets. 2) Additive manufacturing of the structured packing block
  • At least one structured packing unit having the structure determined in the previous step is manufactured.
  • This step is not aimed at the manufacture of a base element (plate, sheet or tube) but the manufacture of a structured packing block, that is to say directly of a set of basic elements (by example, as illustrated in Figures 3 and 6).
  • This manufacture is implemented by an additive manufacturing method using a material.
  • Additive manufacturing is the process of manufacturing by adding material, generally these processes can be computer assisted. Such a method may consist of forming a part by adding material, in successive layers.
  • a raw material in the form of liquid, powder, ribbon, or wire
  • optical source eg laser, electron beam, visible light, ultraviolet light, or infrared
  • the shaping process can be physical (for example: melting followed by solidification, sintering) or chemical (for example: polymerization).
  • Additive manufacturing methods make it possible to manufacture complex structures.
  • the additive manufacturing makes it possible without difficulty to assemble a structured packing based on tubes oriented along the four diagonals of a rectangular parallelepiped (as illustrated in FIGS. 5 to 7), in particular when the rectangular parallelepiped comprises a dimension superior to the others and when the section of the tubes is not circular, for example elliptical.
  • the constitution of the structured packing requires a lot of manipulation (placement of the tubes beam, assembly of bundles in rows, assembly of several rows) complex, long and expensive.
  • additive manufacturing generates a lower quality surface condition (ie higher roughness) than machined parts.
  • the higher roughness of the walls of the structured packing makes it possible to improve the exchanges between the gas and the liquid on the packing, by improving the wettability of the material, which favors the spreading of the liquid.
  • the performance of the structured packing is improved.
  • the average roughness of the walls of the lining structured that is to say the roughness of the plates, sheets or tubes, is between 5 and 15 ⁇ , so as to improve the performance of the structured packing.
  • the additive manufacturing method can be automated by manufacturing the structured packing block from the numerical model of the packing block. structured packing.
  • the material used is in powder form.
  • the additive manufacturing method can be of the type:
  • LMD Laser Powder laser melting
  • the material is brought in powder form, deposited where material is needed.
  • a laser melts the material to make the powder integral with the layers already made.
  • the difference between the two technologies comes from the fact that for the SLM method, the powder removal and melting steps are successive while for the LMD method, the removal and melting are simultaneous.
  • the laser can be replaced by an electron beam.
  • the melting phenomenon can be replaced by a sintering phenomenon.
  • the material used is a metal or a polymer.
  • the metal has the advantage of good mechanical strength.
  • the polymer has the advantage of being easily implemented by additive manufacturing methods.
  • the metal is a steel, an aluminum alloy or a titanium alloy.
  • the metal is chosen from:
  • titanium alloys preferably Ti6Al4V.
  • the materials exemplified above have the advantage of being easily usable by additive manufacturing methods, and the advantage of withstanding the conditions (temperatures, pressures, corrosion) within the exchange columns between a gas and a liquid .
  • the polymer is a nylon. Indeed, this material is adapted to corrosive environments. In addition, this material has the advantage of being inexpensive.
  • the thickness of the walls of the structured packing is between 0.05 and 1 mm, preferably between 0.05 and 0.4. mm. These thicknesses allow good mechanical strength of the structured packing, while limiting the weight of the structured packing.
  • a plurality of structured packing blocks are juxtaposed in an exchange column.
  • the blocks located at the inner periphery of the wall are adapted to the cylindrical shape of the column and the other structured packing blocks may be in the form of rectangular parallelepiped blocks.
  • the blocks are arranged in a contacting column, so that their lengths (the largest dimension) are parallel to the axis of the column, that is to say generally the vertical axis.
  • the arrangement of the blocks can be achieved in successive slices, without particular orientation of a slice to another.
  • the structured packing blocks are sized to pass into a hole of diameter 600 mm.
  • the structured packing unit may have a square section, side between 100 and 500 mm, and height between 100 and 500 mm.
  • Figures 3 and 6 are examples of packing blocks juxtaposed in an exchange column.
  • FIG. 8 illustrates a nonlimiting example of arrangement of rectangular parallelepiped blocks 3 in a column 4.
  • the blocks are distributed over two structured packing slices arranged one above the other.
  • Figure 9 illustrates a structured packing block obtained by additive manufacturing from metal according to the second embodiment of the invention.
  • Block 3 structured packing has a substantially cylindrical shape.
  • the packing unit 3 comprises a plurality of tubes 2.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un garnissage structuré au moyen d'une méthode de fabrication additive. La fabrication additive permet de former directement un bloc de garnissage structuré.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN GARNISSAGE STRUCTURE PAR UNE METHODE
DE FABRICATION ADDITIVE
La présente invention concerne le domaine du garnissage des colonnes de contact gaz/liquide, et plus particulièrement pour les unités de traitement de gaz, de captage du C02, de déshydratation ou encore de distillation.
Afin de mettre en contact un gaz et un liquide et de favoriser les échanges (chaleur et/ou matière) entre ces fluides, de telles colonnes comportent généralement au moins un garnissage. Le garnissage présente une géométrie spécifique pour optimiser les échanges entre le liquide et le gaz. On distingue notamment deux types de garnissage : le garnissage vrac et le garnissage structuré.
On appelle garnissage vrac, des empilements anarchiques, aléatoires, d'éléments unitaires possédant des formes particulières, par exemple des anneaux, des spirales... Les échanges de chaleur et/ou de matière se réalisent au sein de ces éléments unitaires. Ces éléments unitaires peuvent être en métal, en céramique, en plastique ou en matériaux analogues. Les demandes de brevet EP 1478457 et WO 2008/067031 décrivent deux exemples d'élément unitaire de garnissage vrac.
On appelle garnissage structuré, un assemblage de tubes, de plaques, de feuilles pliées, ou corruguées (de l'anglais « corrugated » c'est-à-dire sensiblement ondulé avec des angles droits), et arrangées de manière organisée sous forme de grands blocs comme décrit notamment dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050. Les garnissages structurés ont l'avantage d'offrir une grande aire géométrique pour un volume donné.
Un des inconvénients de la mise en œuvre du garnissage structuré est l'étape obligatoire d'assemblage (empilement) de pièces plus ou moins complexes, dont certaines parties peuvent se recouvrir et/ou se déformer. Si cet assemblage n'est pas précis, donc pas conforme à ce qui est attendu, il peut en résulter la réalisation d'un garnissage ne possédant pas les caractéristiques recherchées en termes d'échange entre le liquide et le gaz, les performances de la colonne d'échange peuvent être détériorées. De plus, cette étape d'assemblage peut être longue.
Par ailleurs, la géométrie du garnissage structuré est limitée à des formes relativement simples pouvant être obtenues par usinage et/ou déformation plastique, et afin de pouvoir réaliser cet assemblage. Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un garnissage structuré au moyen d'une méthode de fabrication additive. La fabrication additive permet de former directement un bloc de garnissage structuré, c'est-à- dire directement l'empilement, ce qui permet de se passer d'une étape d'assemblage supplémentaire. De plus, la fabrication additive permet de réaliser des formes relativement complexes, éventuellement non réalisables par des méthodes de fabrication classiques, ce qui offre des possibilités d'amélioration de conception et pouvant favoriser les échanges. En outre, la rugosité des parois du garnissage structuré obtenue par fabrication additive est supérieure à la rugosité obtenue par usinage utilisé classiquement. Cette rugosité plus élevée permet de favoriser les échanges entre les deux fluides, ce qui permet d'augmenter les performances du garnissage structuré.
Le procédé selon l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un garnissage structuré pour la mise en contact de deux fluides. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes : a) on détermine la structure d'un bloc de garnissage structuré ; et
b) on fabrique ledit bloc de garnissage structuré ayant ladite structure déterminée, par une méthode de fabrication additive au moyen d'un matériau.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on détermine ladite structure dudit bloc de garnissage structuré au moyen d'une conception assistée par ordinateur.
Avantageusement, ladite structure dudit bloc dudit garnissage structuré est un assemblage d'au moins deux éléments de base identiques.
Conformément à une mise en œuvre de l'invention, on détermine ladite structure dudit garnissage structuré, en mettant en œuvre les étapes suivantes :
i) on conçoit numériquement un élément de base ;
ii) on assemble numériquement au moins deux éléments de base identiques pour former un bloc de garnissage structuré ; et
iii) on détermine numériquement ladite structure dudit bloc de garnissage structuré par limitation des dimensions dudit assemblage desdits éléments de base.
Selon une caractéristique, lesdits éléments de base sont formés par des plaques ou des feuilles pliées, ou ondulées, ou des tubes, lesdits éléments de base comportant des orifices.
Selon un premier mode de réalisation, lesdits tubes sont orientés dans la structure selon les quatre directions formées par les diagonales d'un parallélépipède rectangle. De manière avantageuse, ledit parallélépipède rectangle comporte une dimension d'un côté supérieure aux autres.
De préférence, lesdits tubes ont sensiblement une section circulaire ou elliptique.
Selon un deuxième mode de réalisation, lesdites plaques ou feuilles forment une succession de canaux comportant des ailettes, chacune desdits ailettes étant constituée par au moins une bande formée dans l'une desdites plaques ou feuilles, ladite bande restant solidaire de ladite plaque ou feuille par au moins un côté, et ladite bande étant formée de manière à créer un orifice formant une discontinuité sur la surface de ladite plaque ou feuille.
Selon une mise en œuvre, ledit matériau est un métal ou un polymère.
Selon une première variante, ledit métal est un acier, un alliage d'aluminium, ou un alliage de titane.
Selon une deuxième variante, ledit polymère est un nylon.
Conformément à un mode de réalisation, l'épaisseur d'une paroi dudit garnissage structuré est comprise entre 0.05 et 1 mm, de préférence entre 0.05 et 0.4 mm.
Selon un mode de réalisation, la rugosité d'une paroi dudit garnissage structuré est comprise entre 5 et 15 μηι.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Les figures 1 et 2 illustrent un premier exemple de réalisation d'un élément de base d'un garnissage structuré.
La figure 3 illustre un bloc de garnissage structuré selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 illustre un deuxième exemple d'un élément de base d'un garnissage structuré.
La figure 5 illustre un assemblage selon une première variante du deuxième exemple d'élément de base d'un garnissage structuré.
La figure 6 illustre un bloc de garnissage structuré selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 7 illustre un assemblage selon une deuxième variante du deuxième exemple d'élément de base d'un garnissage structuré.
La figure 8 illustre le remplissage d'une colonne d'échange. La figure 9 illustre un bloc de garnissage structuré obtenu par fabrication additive selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un garnissage structuré pour la mise en contact de deux fluides. On rappelle qu'un garnissage structuré est un assemblage de tubes, de plaques, de feuilles ou analogues pliées, ou corruguées (de l'anglais « corrugated » c'est-à-dire sensiblement ondulé avec des angles droits), et arrangées de manière organisée sous forme de grands blocs comme décrit notamment dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), US 3,679,537, US 4,296,050, FR 2913897 (US 8,505,884). Les garnissages structurés ont l'avantage d'offrir une grande aire géométrique pour un volume donné. On appelle éléments de base, les tubes, plaques, feuilles ou analogues qui sont arrangés de manière organisée dans un garnissage structuré.
Le garnissage structuré obtenu par le procédé selon l'invention peut être utilisé notamment dans une colonne d'absorption réactive, de distillation, de traitement de gaz, de captage du C02, de déshydratation, de refroidissement (par exemple pour un aéro- réfrégirant d'un tour de refroidissement de centrale électrique).
Selon l'invention, le procédé de fabrication comporte les étapes suivantes :
1 ) Détermination de la structure d'un bloc de garnissage structuré, et
2) Fabrication additive du bloc de garnissage structuré
Le procédé selon l'invention ne comporte pas d'étape d'assemblage d'éléments de base d'un garnissage structuré. En effet, la fabrication additive permet de réaliser directement le bloc correspondant à l'arrangement organisé d'éléments de base. Ainsi, les éventuels problèmes liés à l'assemblage sont évités.
1 ) Détermination de la structure d'un bloc de garnissage structuré
Lors de cette étape, on détermine la structure d'un bloc de garnissage structuré. En d'autres termes, on détermine la géométrie, les dimensions, le nombre d'éléments de base (appelé également élément structurel), et éventuellement le matériau d'un bloc de garnissage structuré. La géométrie consiste en la forme de l'élément de base du garnissage structuré. Cet élément de base peut être une plaque ou une feuille pliée, ondulée ou corruguée. Il peut être aussi un tube. Cet élément de base comporte au moins un orifice, permettant le passage des fluides. Le bloc de garnissage structuré consiste en un arrangement organisé d'une pluralité d'éléments de base sensiblement identiques. Selon une variante de réalisation de l'invention, les blocs de garnissage structuré peuvent avoir sensiblement une forme de parallélépipèdes rectangles.
Selon une mise en œuvre de l'invention, la détermination de la structure du bloc de garnissage structuré peut être mise en œuvre numériquement au moyen d'une conception assistée par ordinateur. A la fin de cette étape, on peut donc obtenir un modèle numérique du bloc de garnissage structuré.
Conformément à une option de réalisation, la détermination de la structure du bloc de garnissage structuré peut comprendre les étapes suivantes :
a) on conçoit numériquement l'élément de base, c'est-à-dire la plaque, la feuille ou le tube, pourvu d'orifices ;
b) on assemble (on empile) numériquement au moins deux éléments de base identiques, de manière à former le bloc ;
c) on détermine numériquement la structure du bloc par limitation des dimensions de l'assemblage des éléments de base, en d'autre termes « on découpe » l'ensemble aux dimensions du bloc souhaitées. A la fin de cette étape, on peut donc obtenir un modèle numérique du bloc de garnissage structuré.
Dans la suite de la description, on décrit de manière non limitative deux modes de réalisation du garnissage structuré. Toutefois, le bloc de garnissage structuré défini lors de cette étape et fabriqué ensuite peut prendre toute forme de garnissage structuré, étant donné que la fabrication additive permet de réaliser des pièces de géométrie complexe.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le garnissage structuré peut comprendre des plaques ou feuilles ondulées, par exemple telles que décrites dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), FR 2995223 (US 9,339,786) et FR 2995224 (US 9,333,480). Ces plaques ou feuilles forment une succession de canaux comportant des ailettes, chacune des ailettes étant constituée par au moins une bande découpée dans l'une des plaques, la bande restant solidaire de la plaque par au moins un côté, et la bande étant déformée de manière à créer un orifice formant une discontinuité sur la surface de la plaque ou feuille.
Les structures de garnissage selon le premier mode de réalisation de l'invention permettent un gain de capacité pour passer des débits, de gaz ou de liquide ou des deux fluides, plus importants dans la colonne de mise en contact. Ce gain en capacité peut être utilisé notamment dans les cas de "revamping" pour augmenter les débits de fonctionnement de colonnes de mise en contact existantes par remplacement des garnissages internes de ces colonnes par de nouveaux garnissages selon l'invention. Cela permet d'éviter la construction de nouvelles colonnes. Dans le cas de nouvelles installations, les garnissages selon l'invention permettent de diminuer le diamètre des colonnes de mise en contact et/ou de diminuer la hauteur de garnissage et, donc, la taille de la colonne. Dans les deux cas, on vise à obtenir une réduction des coûts d'investissement.
Par ailleurs, les structures de garnissage selon le premier mode de réalisation de l'invention permettent un gain en efficacité, c'est-à-dire qu'elles augmentent l'aire, par unité de volume, réellement disponible pour réaliser le contact gaz/liquide. Ce gain en efficacité permet de diminuer la hauteur de garnissage nécessaire pour une performance donnée et donc un gain sur la taille de la colonne de mise en contact.
De plus, le gain en capacité des garnissages selon l'invention peut également avoir des répercussions sur les coûts de fonctionnement. En effet, dans certaines applications, comme l'absorption réactive mise en œuvre notamment pour la désacidification du gaz naturel ou de gaz de synthèse, le bon fonctionnement de la colonne de mise en contact est assuré par une valeur minimale du débit de liquide par section de passage de colonne. L'utilisation d'un garnissage structuré selon le premier mode de réalisation de l'invention permet, pour un débit de gaz donné, de réduire le diamètre de la colonne. Le maintien d'un débit de liquide par unité de surface constant permet donc de diminuer le débit total de liquide par section de passage de colonne. En conséquence, les coûts opératoires associés à la circulation du liquide sont diminués.
L'élément de base du garnissage structuré selon le premier mode de réalisation de l'invention est constitué d'une feuille ou plaque ondulée. Les ondulations sont encadrées entre deux plans parallèles relativement proches. La distance séparant ces deux plans limites peut être comprise entre 3 mm et 50 mm, de préférence supérieure à 10 mm, et de préférence comprise entre 10 mm et 30 mm. Selon un exemple de réalisation, les ondulations peuvent être en forme de triangle et peuvent être réparties de part et d'autre d'un plan méridien : une partie des ondulations étant située d'un côté du plan méridien, l'autre partie des ondulations étant située de l'autre côté du plan méridien. Les ondulations forment une succession de canaux. De préférence, on choisit des ondulations qui génèrent des canaux qui touchent les plans limites, sans sortir de l'espace délimité par ces deux plans. Ainsi, les feuilles ondulées occupent une surface maximum dans la tranche plane définie par les plans limites.
On peut employer différentes formes d'ondulation des plaques pour réaliser un garnissage structuré selon l'invention. Par exemple, on peut utiliser des plaques présentant des ondulations de forme sinusoïdale. On peut mettre en œuvre des ondulations qui ne sont pas symétriques, par exemple un enchaînement de demi-cercles et de triangles. On peut également utiliser des plaques comportant des ondulations irrégulières et aléatoires.
Selon l'invention, on modifie les feuilles ondulées pour former des ailettes qui créent des discontinuités de surface desdites feuilles. La figure 1 représente une portion d'un canal d'une plaque ondulée. Une bande B a été découpée selon les entailles C1 et 02. La bande B reste solidaire de la plaque au niveau de ses extrémités E1 et E2. Sur la figure 1 , la bande B est située en-dessous du plan méridien P. La bande B peut avoir différentes formes, par exemple rectangulaire ou trapézoïdale. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, la bande B a été déformée de manière à créer une discontinuité de la surface de la feuille au niveau des entailles 01 et 02. La déformation est limitée par le fait que la bande ne sort pas de l'espace situé entre les plans limites L1 et L2. Ainsi la feuille ondulée n'occupe que l'espace disponible entre ces deux plans L1 et L2, et peut sans problème être empilée sur une autre feuille ondulée présentant les mêmes caractéristiques. De préférence, on déforme la bande B de manière à ce qu'elle soit positionnée en dessous du plan P. En d'autres termes, la bande B est déformée de manière à ce qu'au moins une partie de la bande franchisse le plan P. Après déformation, la bande B est située du côté du plan P opposé au côté où était positionnée la bande B dans sa position initiale. L'ailette constituée d'une bande déformée est située au moins en partie du côté opposé, par rapport au plan P, à la position du canal dans lequel la bande a été découpée. Ainsi, les ailettes occupent l'espace libre des canaux formés par les ondulations et augmentent la surface du garnissage qui est effectivement utile à la mise en contact des fluides.
De préférence, la surface des ailettes a une direction parallèle à la direction D des canaux. Ainsi, les ailettes n'entravent pas ou s'opposent au minimum, à l'écoulement des fluides dans les canaux des plaques ondulées. Cela participe à minimiser la perte de charge des fluides traversant un garnissage structuré comportant ces plaques.
La feuille ondulée pourvue d'ailettes selon le premier mode de réalisation de l'invention développe la même aire géométrique spécifique que la même feuille ondulée sans ailette, puisqu'il n'y a pas de retrait de matière lors de la création des ailettes. Ainsi, un garnissage structuré selon le premier mode de réalisation de l'invention développe la même aire géométrique qu'un garnissage structuré standard. La présence des ailettes dans le garnissage structuré selon l'invention force le film liquide s'écoulant à la surface des canaux, à s'écouler sous forme de goutte au niveau des ruptures de surface créées par la présence des ailettes. Par ailleurs, les ailettes assurent une bonne agitation de l'écoulement de gaz, ce qui est favorable au transfert de masse entre le gaz et le liquide qui sont mis en contact dans le garnissage structuré selon le premier mode de réalisation de l'invention. Pour favoriser l'agitation, on peut prévoir que la forme d'une ailette est différente de celle des ailettes adjacentes le long d'un même canal. L'alternance de forme des ailettes le long d'un canal participe activement à l'agitation de l'écoulement et au mélange des phases en circulation le long du canal.
La figure 2 donne un exemple de feuille ondulée pourvue d'une multitude d'ailettes A triangulaires semblables à celles décrites en référence à la figure 1 . Sur une feuille ondulée, les ailettes peuvent être identiques.
Les feuilles ondulées pourvues d'ailettes sont empilées de manière à former un bloc de garnissage structuré. De préférence, la direction des canaux d'une feuille ondulée est décalée par rapport à la direction des canaux des feuilles adjacentes, par exemple d'un angle compris entre 20° et 90°, de préférence d'un angle ayant une valeur sensiblement proche de 90°. La figure 3 représente un bloc de garnissage structuré composé de feuilles ondulées ayant un motif triangulaire selon le premier mode de réalisation. Le procédé de fabrication selon l'invention permet de fabriquer directement ce bloc de garnissage, sans étape supplémentaire d'assemblage des feuilles. De plus, la fabrication additive permet la fabrication de garnissage structuré plus rigide. Par exemple, la fabrication additive peut permettre de réaliser des élément de rigidification, tels que des picots. Ainsi, la structure plus rigide est plus fiable.
Le garnissage structuré selon le premier mode de réalisation peut être réalisé notamment selon l'une des variantes décrites dans les demandes de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625), FR 2995223 (US 9,339,786) et FR 2995224 (US 9,333,480), en particulier :
- selon les géométries des bandes illustrées aux figures 4a à 4f, 6 et 8 de la demande de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625),
- selon les dimensions et les orientations décrites page 1 1 et 12 de la demande de brevet FR 2913353 (US 2010/0213625),
- selon le perfectionnement de la demande de brevet FR 2995223 (US 9,339,786), avec une répartition particulière des orifices (au moins une zone longitudinale parallèle à un des bords de la plaque, dans laquelle les arêtes ne comportent pas d'orifices), par exemple décrit sur les figures 7 à 8 et pages 8 et 9, de manière à favoriser les contacts entre les éléments de base, et ainsi conserver les performances du garnissage.
- selon le perfectionnement de la demande de brevet FR 2995224 (US 9,333,480), avec différentes longueurs d'ailettes (les ailettes d'un canal ont des longueurs différentes des ailettes d'un canal voisin), par exemple décrit sur les figures 7 à 9 et pages 7 à 9, de manière à favoriser les contacts entre les éléments de base, et ainsi conserver les performances du garnissage structuré.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément de base du garnissage structuré peut être un tube. Le garnissage structuré peut comprendre alors un arrangement organisé de faisceaux de tubes, dans chaque faisceau de tubes, les tubes peuvent être orientés selon les quatre directions formées par les diagonales d'un parallélépipède rectangle. Ainsi, le garnissage structuré peut être tel que celui décrit dans la demande de brevet : FR 2913897 (US 8,505,884) ou dans la demande de brevet portant le numéro de dépôt FR 15/58652.
On appelle tube, un cylindre creux, possédant une section sensiblement constante, et dont la dimension perpendiculaire à la section (selon la génératrice du cylindre) est la plus grande dimension de l'élément creux. Un tube peut avoir une section quelconque, par exemple carré, rectangulaire, polygonale, circulaire, elliptique... Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, les parois des tubes comportent des orifices disposés de manière à favoriser la circulation et le mélange des fluides dans la structure.
Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, chaque faisceau de tubes comprend quatre tubes orientés suivant les quatre directions des diagonales d'un parallélépipède rectangle. Selon une première variante de réalisation, le parallélépipède rectangle est un cube. Alternativement, le parallélépipède rectangle n'est pas un cube, et comporte donc une dimension supérieure aux autres dimensions, ce qui permet de réduire les angles d'orientation des tubes par rapport au plan vertical, car ces angles sont différents des angles formés par les directions d'un cube. Ainsi, il est possible d'augmenter la capacité de la structure de garnissage. On rappelle que la capacité d'un garnissage correspond à la quantité de gaz passant dans un garnissage sans être en engorgement, c'est-à-dire sans créer d'accumulation de gaz dans une partie du garnissage. Les directions des tubes correspondent sensiblement aux quatre diagonales d'un parallélépipède rectangle, à ceci près que les tubes ne s'entrecoupent pas au niveau de l'intersection théorique des diagonales au centre du parallélépipède rectangle, mais se croisent au voisinage de ce point. La figure 4 représente un exemple non limitatif de réalisation d'un l'élément tubulaire 2 composant l'élément de base d'un garnissage structuré selon l'invention. Le tube 2 de la figure 4 est présenté avec une section sensiblement circulaire, toutefois, le tube peut avoir une section de forme différente : carré, rectangle, polygone, cercle, ellipse,... Toutes les formes de réalisation de la section du tube sont compatibles avec les différents modes de réalisation décrits ci-dessous.
L'élément de base 2 est constitué d'une paroi en forme de tube de diamètre hydraulique Θ pourvue d'orifices ou trous T. Le diamètre hydraulique d'un tube est une notation communément utilisée pour le calcul des écoulements dans un tube, une conduite hydraulique ou un canal, de manière à faire des calculs similaires à ceux d'un tube de section circulaire, lorsque la section du tube n'est pas circulaire. Le diamètre hydraulique Θ peut être défini selon une formule du type : Θ =— avec A l'aire de la section de passage du tube et P le périmètre de la section de passage du tube. Pour un tube de section circulaire, le diamètre hydraulique correspond au diamètre géométrique. Selon l'invention, on choisit les dimensions des orifices T et du diamètre hydraulique Θ de manière à optimiser les circulations et la mise en contact des fluides. Selon un mode de réalisation de l'invention, le diamètre hydraulique Θ de l'élément tubulaire 1 est compris entre 5 et 50 mm de manière à optimiser l'aire géométrique par unité de volume d'un garnissage structuré composé de tels tubes. Ces dimensions permettent de développer l'aire géométrique par unité de volume, et en maintenant une faible perte de charge, de façon à être compatibles avec les applications visées.
Selon une conception avantageuse du deuxième mode de réalisation de l'invention, on choisit l'aire minimum des orifices T supérieure à 2 mm2, de préférence 4 mm2, de manière à ce que le film liquide qui s'écoule à l'intérieur des tubes puisse être cassé par un flux de gaz qui traverse les orifices. En effet, si la taille des orifices T est inférieure à 2 mm2, le film liquide qui circule sur la paroi interne d'un tube risque de boucher par capillarité ces orifices. Les orifices présentant une surface supérieure à 2 mm2 permettent le passage des phases gazeuses et liquides d'un tube à l'autre, et d'assurer ainsi un bon contact et un bon mélange. Dans l'application du garnissage selon l'invention à l'absorption réactive, on préfère utiliser des tubes munis d'orifices dont l'aire est supérieure à 4 mm2, voire 8 mm2. En effet, en général, les fluides mis en contact dans une colonne d'absorption réactive circulent à grande vitesse, typiquement à des vitesses comprises entre 1 m/s et 2 m/s. De ce fait, on prévoit des orifices plus grands afin de fragmenter le film liquide en circulation à la paroi des tubes. Selon une variante de réalisation de l'invention, les orifices T sont inscrits dans des rectangles de longueur L et de largeur I comprises entre 2 et 45 mm, de préférence entre 3 et 20 mm. Autrement dit, un orifice doit toucher les quatre côtés d'un rectangle de longueur L et de largeur I. Par contre, la forme d'un orifice T peut être quelconque, tant qu'il reste inscrit dans un rectangle de dimensions L et I. L'orifice peut avoir une forme sensiblement circulaire, une forme d'ellipse, une forme de losange... Le fait d'inscrire les orifices dans des rectangles de dimensions L et I permet d'imposer une dimension minimum entre les bords des orifices, afin de provoquer la cassure du film liquide circulant sur la paroi des tubes du garnissage.
Les orifices T sont disposés de manière ordonnée ou aléatoire. De préférence, les orifices T sont disposés de manière régulière pour obtenir des caractéristiques d'échanges homogènes le long de l'élément 2. De préférence, l'espace entre deux orifices n'excède pas deux fois la valeur du diamètre hydraulique Θ. On peut choisir le nombre d'orifices de manière à ce que l'élément 2 comporte entre 10% et 90% d'ouverture, c'est-à-dire que le rapport entre l'aire des orifices et l'aire de la partie pleine du tube soit compris entre 10% et 90%, une excellente valeur de ce rapport étant comprise entre 25% et 50%.
Les orifices T tels que définis ci-dessus, ouvrent des voies de communication au fluide entre l'intérieur et l'extérieur de l'élément 2 afin d'optimiser le mélange entre les phases, donc le contact et la redistribution entre les phases, circulant dans un garnissage structuré composé de tubes 2.
Avantageusement, l'angle formé par l'axe de chaque tube par rapport à un axe vertical, dans un plan vertical passant par l'axe du tube, est compris entre 10 et 55°, avantageusement entre 10 et 50° pour obtenir un effet important pour la capacité de la structure de garnissage. De manière préférée, cet angle est compris entre 30 et 45° pour obtenir des résultats optimaux en termes de capacité de la structure de garnissage.
La figure 5 représente un assemblage d'éléments tubulaires (faisceau de tubes) selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, les tubes 2 étant disposés suivant quatre directions distinctes d'un cube. Les tubes de la figure 5 sont représentés avec une section sensiblement circulaire, toutefois, les tubes peuvent avoir une section de forme différente : carré, rectangle, polygone, cercle, ellipse ... Toutes les formes de réalisation de la section du tube sont compatibles avec les différents modes de réalisation décrits ci-dessous.
La figure 7 représente un assemblage d'éléments tubulaires (faisceau de tubes) selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, les tubes 2 étant disposés suivant quatre directions distinctes d'un parallélépipède rectangle. Les tubes de la figure 7 sont représentés avec une section sensiblement circulaire, toutefois, les tubes peuvent avoir une section de forme différente : carré, rectangle, polygone, cercle, ellipse ... Toutes les formes de réalisation de la section du tube sont compatibles avec les différents modes de réalisation décrits ci-dessous.
L'agencement détaillé de cet assemblage est décrit en référence aux figures 5 et 7.
Ces figures illustrent un faisceau de quatre tubes 2, chacun étant disposé suivant l'une des quatre directions d'assemblage D20a à D20d. Les quatre directions D20a à D20d dans lesquelles les tubes sont assemblés correspondent respectivement aux quatre diagonales d'un parallélépipède rectangle, à ceci près que les tubes ne s'entrecoupent pas au niveau de l'intersection des diagonales au centre du parallélépipède rectangle, mais se croisent au voisinage de ce point.
Pour former la structure du bloc de garnissage structuré, on répète la disposition de la figure 5 (ou 7), c'est-à-dire on dispose suivant un axe de construction, correspondant au point d'entrecroisement des quatre tubes d'un faisceau, un nouveau faisceau de tubes disposé dans le même ordre que le faisceau précédent, et ainsi de suite. On obtient ainsi, un début d'assemblage ordonné formé d'une première rangée de faisceaux de tubes 2 alignés suivant l'axe. On forme ainsi un entrecroisement de quatre réseaux de tubes qui s'étendent chacun dans un plan orienté suivant une des quatre directions d'assemblage des tubes dans un faisceau. Les tubes de chaque réseau sont espacés les uns des autres par une distance permettant le passage (entrecroisement) des tubes des autres réseaux.
Lorsqu'on a atteint le nombre désiré de faisceaux dans la rangée, on superpose ensuite plusieurs séries de rangées de faisceaux suivant des axes parallèles à l'axe de manière à remplir le volume libre autour de la rangée. Ensuite, la structure de garnissage est obtenue par ajout d'au moins une rangée supplémentaire de faisceaux selon un nouvel axe parallèle à l'axe de construction. On complète ensuite de la même façon le volume libre de part et d'autre de la rangée, typiquement jusqu'à l'extrémité des tubes de la rangée, de manière à obtenir dans ce volume une structure tridimensionnelle formée de tubes respectivement disposés suivant quatre directions. Cette structure tridimensionnelle forme le bloc de garnissage structuré déterminé lors de cette étape.
La figure 6 illustre un bloc 3 de garnissage structuré formé par des tubes 2 orientés selon les quatre directions d'un parallélépipède rectangle. Le procédé de fabrication selon l'invention permet de fabriquer directement ce bloc de garnissage, sans étape supplémentaire d'assemblage des feuilles. 2) Fabrication additive du bloc de garnissage structuré
Lors de cette étape, on fabrique au moins un bloc de garnissage structuré ayant la structure déterminée à l'étape précédente. Cette étape ne vise pas la fabrication d'un élément de base (plaque, feuille ou tube) mais la fabrication d'un bloc de garnissage structuré, c'est-à-dire directement d'un ensemble d'éléments de base (par exemple, tel qu'illustré sur les figures 3 et 6). Cette fabrication est mise en œuvre par une méthode de fabrication additive au moyen d'un matériau.
On appelle fabrication additive, ou impression tridimensionnelle (impression 3D), les procédés de fabrication par ajout de matière, généralement ces procédés peuvent être assistés par ordinateur. Un tel procédé peut consister à la mise en forme d'une pièce par ajout de matière, par couches successives. Pour ce procédé, une matière première (sous forme de liquide, poudre, ruban, ou fil) est mise en forme grâce à une source de chaleur ou une source optique (par exemple laser, faisceau d'électrons, lumière visible, rayons ultraviolets ou infrarouges). Le processus de mise en forme peut être physique (par exemple : fusion suivie d'une solidification, frittage) ou chimique (par exemple : polymérisation).
Les méthodes de fabrication additive permettent de fabriquer des structures complexes. Par exemple, la fabrication additive permet de réaliser sans difficulté d'assemblage un garnissage structuré basé sur des tubes orientés selon les quatre diagonales d'un parallélépipède rectangle (comme illustré sur les figures 5 à 7), en particulier lorsque le parallélépipède rectangle comporte une dimension supérieure aux autres et lorsque la section des tubes n'est pas circulaire, par exemple elliptique. En effet, par la méthode habituelle, décrite notamment dans la demande de brevet FR 2913897 (US 8,505,884) ou dans la demande de brevet portant le numéro de dépôt FR 15/58652, la constitution du garnissage structuré nécessite beaucoup de manipulations (placement des tubes par faisceau, assemblage de faisceaux par rangées, assemblage de plusieurs rangées) complexes, longues et coûteuses.
De plus, la fabrication additive génère un état de surface de moins bonne qualité (c'est- à-dire une rugosité plus élevée) que des pièces obtenues par usinage. La rugosité plus élevée des parois du garnissage structuré permet d'améliorer les échanges entre le gaz et de liquide sur le garnissage, en améliorant la mouillabilité du matériau, ce qui favorise l'étalement du liquide. Les performances du garnissage structuré s'en trouvent améliorées. Selon une mise en œuvre de l'invention, la rugosité moyenne des parois du garnissage structuré, c'est-à-dire la rugosité des plaques, feuilles ou tubes, est comprise entre 5 et 15 μηι, de manière à améliorer les performances du garnissage structuré.
Conformément à une option de réalisation, pour laquelle la structure du bloc de garnissage structuré est obtenue au moyen d'une conception assistée par ordinateur, la méthode de fabrication additive peut être automatisée en fabriquant le bloc de garnissage structuré depuis le modèle numérique du bloc de garnissage structuré.
Selon une mise en œuvre de l'invention, le matériau utilisé est sous forme de poudre. Dans ce cas, la méthode de fabrication additive peut être du type :
- la fusion laser sur lit de poudre (SLM/SLS pour « Sélective Laser Melting/Sintering »), ou
- la fusion laser par projection de poudre (LMD pour « Laser Métal Déposition »).
Dans les deux cas, le matériau est amené sous forme de poudre, déposé aux endroits où de la matière est nécessaire. Un laser vient fondre la matière pour rendre la poudre solidaire des couches déjà réalisées. La différence entre les deux technologies vient du fait que pour la méthode SLM, les étapes de dépose de poudre et de fusion sont successives alors que pour la méthode LMD, la dépose et la fusion sont simultanées. Pour la SLM, le laser peut être remplacé par un faisceau d'électrons. De plus, le phénomène de fusion peut être remplacé par un phénomène de frittage.
Selon une caractéristique de l'invention, le matériau utilisé est un métal ou un polymère. Le métal présente l'avantage d'une bonne tenue mécanique. Le polymère présente l'avantage d'être facilement mis en œuvre par les méthodes de fabrication additive.
De préférence, le métal est un acier, un alliage d'aluminium ou un alliage de titane. Par exemple, le métal est choisi parmi :
- des superalliages à base de Nickel et Cobalt, notamment de type 625, 718 CoCr ou analogue,
- des aciers inoxydables, notamment du type 316L et 17-4PH,
- des alliages d'aluminium, notamment de type AISM OMg, et
- des alliages de titane de préférence TÎ6AI4V.
Les matériaux exemplifiés ci-dessus présentent l'avantage d'être facilement utilisables par des méthodes de fabrication additive, et l'avantage de résister aux conditions (températures, pressions, corrosion) au sein des colonnes d'échange entre un gaz et un liquide. Alternativement, le polymère est un nylon. En effet, ce matériau est adapté au milieux corrosifs. De plus, ce matériau présente l'avantage d'être peu onéreux.
Selon une mise en œuvre de l'invention, l'épaisseur des parois du garnissage structuré, c'est-à-dire l'épaisseur des plaques, feuilles ou tubes, est comprise entre 0.05 et 1 mm, de préférence entre 0.05 et 0.4 mm. Ces épaisseurs permettent une bonne tenue mécanique du garnissage structuré, tout en limitant le poids du garnissage structuré.
Une fois le bloc de garnissage fabriqué, on juxtapose dans une colonne d'échange une pluralité de blocs de garnissage structuré. Avantageusement, les blocs situés à la périphérie interne de la paroi sont adaptés à la forme cylindrique de la colonne et les autres blocs de garnissage structuré peuvent être sous une forme de blocs parallélépipédiques rectangles. Puis, les blocs sont agencés dans une colonne de mise en contact, de manière à ce que leurs longueurs (la plus grande dimension) soient parallèles à l'axe de la colonne, c'est-à- dire généralement l'axe vertical. L'agencement des blocs peut être réalisé par tranches successives, sans orientation particulière d'une tranche à l'autre.
Afin de pouvoir être facilement installé dans une colonne d'échange par un trou d'homme, les blocs de garnissage structuré sont dimensionnés pour passer dans un trou de diamètre 600 mm. Selon un exemple de réalisation, le bloc de garnissage structuré peut avoir une section carré, de côté compris entre 100 et 500 mm, et de hauteur comprise entre 100 et 500 mm.
Les figures 3 et 6 sont des exemples de blocs de garnissage juxtaposés dans une colonne d'échange. La figure 8 illustre un exemple non limitatif d'agencement de blocs parallélépipédiques rectangles 3 dans une colonne 4. Pour cet exemple, les blocs sont répartis sur deux tranches de garnissage structuré disposées l'une au-dessus de l'autre.
La figure 9 illustre un bloc de garnissage structuré obtenu par fabrication additive à partir de métal selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Le bloc 3 de garnissage structuré possède une forme sensiblement cylindrique. Le bloc 3 de garnissage comporte une pluralité de tubes 2.

Claims

Revendications
1 ) Procédé de fabrication d'un garnissage structuré pour la mise en contact de deux fluides, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes :
a) on détermine la structure d'un bloc (3) de garnissage structuré ; et
b) on fabrique ledit bloc (3) de garnissage structuré ayant ladite structure déterminée, par une méthode de fabrication additive au moyen d'un matériau.
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on détermine ladite structure dudit bloc (3) de garnissage structuré au moyen d'une conception assistée par ordinateur.
3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite structure dudit bloc (3) dudit garnissage structuré est un assemblage d'au moins deux éléments de base
(1 , 2) identiques.
4) Procédé selon la revendication 3, dans lequel on détermine ladite structure dudit garnissage structuré, en mettant en œuvre les étapes suivantes :
i) on conçoit numériquement un élément de base (1 , 2) ;
ii) on assemble numériquement au moins deux éléments de base (1 , 2) identiques pour former un bloc (3) de garnissage structuré ; et
iii) on détermine numériquement ladite structure dudit bloc (3) de garnissage structuré par limitation des dimensions dudit assemblage desdits éléments de base (1 , 2). 5) Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel lesdits éléments de base sont formés par des plaques (1 ) ou des feuilles pliées, ou ondulées, ou des tubes (2), lesdits éléments de base (1 , 2) comportant des orifices (T).
6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel lesdits tubes (2) sont orientés dans la structure selon les quatre directions (20a, 20b, 20c, 20d) formées par les diagonales d'un parallélépipède rectangle.
7) Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit parallélépipède rectangle comporte une dimension d'un côté supérieure aux autres.
8) Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel lesdits tubes (2) ont sensiblement une section circulaire ou elliptique. 9) Procédé selon la revendication 5, dans lequel lesdites plaques ou feuilles (1 ) forment une succession de canaux comportant des ailettes (B), chacune desdits ailettes (B) étant constituée par au moins une bande formée dans l'une desdites plaques ou feuilles (1 ), ladite bande restant solidaire de ladite plaque ou feuille (1 ) par au moins un côté, et ladite bande étant formée de manière à créer un orifice (T) formant une discontinuité sur la surface de ladite plaque ou feuille (1 ).
10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit matériau est un métal ou un polymère.
1 1 ) Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit métal est un acier, un alliage d'aluminium, ou un alliage de titane.
12) Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit polymère est un nylon.
13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur d'une paroi dudit garnissage structuré est comprise entre 0.05 et 1 mm, de préférence entre 0.05 et 0.4 mm.
14) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la rugosité d'une paroi dudit garnissage structuré est comprise entre 5 et 15 μηι.
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