Les internes de colonnes à distiller, d'absorption ou de
stripping,
sont principalement destinés à assurer un contact intime entre un gaz ou une vapeur et un liquide.
Ils appartiennent à deux grandes catégories:
- les plateaux
- les garnissages
Une
colonne de distillation ou de stripping peut être équipée intégralement
de plateaux ou de garnissage, ou bien êre équipée de plateaux sur un
tronçon et de garnissage sur un autre. Il est fréquent, lors d'un
changement du mode de fonctionnement ou pour augmenter ses
performances, de remplacer tout ou partie des plateaux d'une colonne
par un garnissage. Il convient alors de supprimer les supports de
plateaux fixés sur le fût de la colonne, qui peuvent gêner
l'installation du garnissage.
Sont également présents à l'intérieur des colonnes:
- des dispositifs d'alimentation
- des dévésiculeurs
pour retenir les gouttelettes de liquide entraînées par le gaz
et spécifiquement pour les colonnes à garnissage:
- des grilles
support de garnissage
- des collecteurs de liquide
- des distributeurs
de liquide destinés à distribuer uniformément le liquide
sur la section de la colonne
- des grilles de maintien du garnissage pour éviter qu'il ne soit entrainé par le flux gazeux
Les plateaux sont des éléments métalliques occupants la
totalité de
la section de la colonne, et disposés à intervalles réguliers.
Ils ont pour but de retenir en partie le liquide s'écoulant du haut
vers le bas de la colonne et de permettre un barbottage de la vapeur ou
du gaz cheminant à contre courant du bas vers le haut. Sur chaque
plateau le liquide s'écoule horizontalement et donc perpendiculèrement
au gaz.
Les plateaux sont généralement munis de:
- barages pour maintenir un niveau liquide suffisant
- déversoirs et descentes pour faire transiter le liquide d'un plateau
vers le plateau immédiatement inférieur.
Les plateaux classiques doivent être espacés de 40 à 60cm.
Les plateaux classiques sont:
Les plateaux à
cloches (Bubble cap trays)
sont particulièrement adaptés aux services pour lesquels l’efficacité
doit être maintenue pour un très faible débit liquide. La perte de
charge est relativement élevée en raison du niveau de liquide
nécessaire.
Les plateaux perforés (Sieve trays) sont
particulièrement peu coûteux à construire, mais ne sont efficace que
dans une faible plage de débits autour des conditions pour lesquelles
ils ont été dimensionnés. Pour les services encrassant ils peuvent être
conçus sans descente (downcomer), le liquide circulant alors
exclusivement par les perforations du plateau (Dual flow trays).
L’efficacité est alors moindre.
Les plateaux à
clapets flottants (Floating valve trays)
sont particulièrement adaptés aux applications présentant
une
large plage de débit de fonctionnement. Grâce à leur capacité à
s’adapter au débit de gaz, ils conservent une efficacité élevée sur une
plage de fonctionnement plus large que les plateaux perforés (Sieve
trays). La forme des clapets peut varier selon les fournisseurs. Ils
peuvent être ronds ou rectangulaires, créer un effet venturi pour
réduire leur perte de charge, être enfermés dans une cage (Caged
valves), ...
Les plateaux à
clapets fixes (Fixed valve trays)
combinent les propriétés des plateaux perforés et des clapets
flottants. Leur but est d’orienter horizontalement le flux gazeux
traversant le plateau. Ils autorisent une plus large plage de débits
que les plateaux perforé et sont plus robustes que les clapets
flottants.
Les plateaux peuvent être montés individuellement
dans les colonnes de diamètre suffisant pour permettre une circulation
de personne à l’intérieur. Pour des colonnes de trop faible diamètre (<1 mètre),
les plateaux peuvent être assemblés sous forme de cartouches, qui
seront glissées à l’intérieur du fût de la colonne.
L'efficacité des plateaux est évaluée en comparant le nombre
d'étages théorique réalisé au nombre de plateaux réellement installés.
Cette efficacité va de 60% à plus de 100% selon le type d'application.
Les plateaux dit « haute capacité » sont des conceptions propres à chaque fournisseur. Ils sont souvent basés sur l’une des conceptions classiques précédentes, optimisée pour accroitre la capacité hydraulique. Les optimisations portent principalement sur l’augmentation de l’aire de passage du gaz ou la réduction des entrainements liquides.
Leur efficacité est améliorée et ils acceptent un espacement plus
réduit. On peut citer:
- MD Trays de UOP
- Nyes de Glitch
- Ripple-Tray de Stone & Webster
Le
diamètre des colonnes augmente avec le débit de gaz ou de vapeur,
rendant plus difficile l'écoulement du liquide sur le plateau. La
charge liquide des plateaux augmente plus vite que le débit de gaz.
Pour diminuer les résistances à l'écoulement du liquide, celui-ci est
fractionné. On parle de plateaux multipasses (2 ou 4 passes
principalement). Mais la géométrie de la colonne fait que dans les
plateaux à 4 passes ou plus, le fractionnement de l'écoulement liquide
n'est pas parfaitement symétrique. L'efficacité de la colonne s'en
trouve diminuée.
Les GARNISSAGES VRAC sont:
- anneaux RaschigPlusieurs fournisseurs proposent des éléments de garnissage vrac optimisés, autorisant des trafics liquide et gaz supérieurs, et présentant une plus grande efficacité.
- IMTP (métal) de NortonLes éléments de garnissage vrac sont disponibles en
différentes tailles allant généralement de 1/2" à 2".
La dimension du garnissage à un impact sur le dimensionnement
de la colonne:
- les garnissages de grande dimension permettent un
débit plus grand dans un diamètre donné de colonne
- les garnissages de petite dimension permettent
une plus grande efficacité dans une hauteur donnée de colonne
Les
tailles de 2" sont généralement recommandées pour des
colonnes de
diamètre >1m. Pour les colonnes plus petites, la taille du
garnissage doit être inférieure au dixième du diamètre de la colonne.
Les GARNISSAGES STRUCTURES sont des assemblages complexes de tôles pliées formant un matelas.
Ils offrent une très grande efficacité (3 à 5 plateaux au mètre), alliée à une grande capacité.Pour les débits très élevés (refroidissement de gaz), et les services très encrassants (lavage de gaz chargés), il est proposé un garnissage constitué de grilles ajourées, que l'on empile dans la colonne.
La capacité est très supérieure à celle des plateaux ou garnissages vracs.Si
l'alimentation est liquide et à une température nettement inférieure à
la température d'équilibre avec la vapeur présente dans la colonne, le
dispositif d'alimentation devra empêcher que la vapeur ne puisse
pénétrer à contre courant dans la tuyauterie d'alimentation. Elle
pourrait provoquer des coups de bélier dramatiquement destructeurs en
se condensant violemment au contact du liquide froid.
Si
l'alimentation est vapeur (ou gazeuse), son énergie cinétique devra
être comparée à la perte de charge du garnissage. Une vitesse élevée du
gaz ou de la vapeur, associée à une faible perte de charge du
garnissage pourra conduire à une distribution non uniforme, et une
mauvaise efficacité de la colonne.
Si l'alimentation est
constituée d'un liquide flashant, le dispositif d'alimentation doit
assurer la séparation de la vapeur et du liquide avant leur
distribution.