Les garnissages de colonnes

Les garnissages sont des éléments offrant un maximum de surface de contact et de fraction de vide, disposés de manière à occuper la quasi totalité du volume de la colonne.
Les garnissages sont employés depuis le 19ème siècle pour des opérations de distillation. C'était alors des billes de verre, du coke ou bien des pierres. C'est dans les années 1930 qu'on a recherché des formes régulières et maîtrisées des éléments de garnissage pour optimiser leur efficacité; les anneaux Raschig ou les selles de Berl en céramique sont alors utilisés. A partir des années 1950 des formes plus évoluées comme les anneaux Pall, permettant une meilleure circulation des fluides sont apparus. Dans les années 1960 Sulzer proposa le premier garnissage structuré constitué de toiles métalliques. A partir des années 1970, de nombreux nouveaux modèles de garnissage vrac ont fait leur apparition et tous les fournisseurs se sont engagés dans le développement de garnissages structurés.
Les colonnes à garnissage sont principalement destinées:

• aux colonnes de faible diamètre; le pouvoir de séparation des garnissages se dégrade rapidement si le liquide n'est pas distribué uniformément sur la section de la colonne, ce qui est plus difficile à réaliser sur les grand diamètres
• aux substances corrosives; les éléments de garnissages sont disponibles en matières plastiques ou en céramique
• aux applications nécessitant une faible perte de charge (lavage de gaz à pression atmosphérique, distillation sous vide)
• aux applications nécessitant une faible rétention du liquide
• aux débits liquides stables; les distributeurs du liquide sur le garnissage ont une plage de fonctionnement optimum restreinte

Les garnissages structurés, grâce à leur grande efficacité, trouvent également leur place dans le remplacement de plateaux pour augmenter le pouvoir de fractionnement et la capacité y compris pour des colonnes de fort diamètre.

On distingue les garnissages:

- vrac classiques
- vrac améliorés
- structurés

Garnissages vrac

Les garnissages vrac classiques sont:

- anneaux Raschig
- anneaux Pall
- selles de Berl

Ce sont les plus anciens; ils ont été proposés dans les années antérieures à 1960. Ils sont proposés par une multitude de fournisseurs. La littérature se rapportant à leurs performances est abondante.
Ils peuvent être en métal, plastique ou matériau céramique.
Ils offrent une efficacité correspondant à 1 ou 2 plateaux théoriques au mètre.

Plusieurs fournisseurs proposent des éléments de garnissage vrac optimisés, autorisant des trafics liquide et gaz supérieurs, et présentant une plus grande efficacité.
- IMTP (métal) de Norton
- Snowflake (plastique) de Norton
- Super-Ring (métal) de Raschig
- Ralu-Flow (plastique) de Raschig
- Fleximax de Koch
- ...
Ils sont apparus dans les années 1970 et restent la propriété de leurs concepteurs qui seuls les commercialisent.

Les 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 éléments de garnissage vrac sont le plus souvent déversés dans le fût de la colonne, où ils s'entassent en désordre. Dans le passé, certains éléments (anneaux Raschig, Pall, ...) ont pût être utilisés alignés dans le sens vertical afin de minimiser la résistance offerte à l'écoulement des fluides. Aujourd'hui, si la perte de charge du garnissage est une contrainte, on préférera souvent utiliser un garnissage structuré.

La hauteur de garnissage sans support intermédiaire dépend du matériau. Les garnissages métalliques peuvent supporter une hauteur de 6 à 7 mètres, tandis que les garnissages en matières plastiques, plus facilement déformables, doivent être limités à 3-4 mètres.

Garnissages structurés

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 et offrant une faible perte de charge..
Ils sont généralement en métal, mais peuvent être en plastique ou en céramique.
- Montz-Pak de Montz
- Ralu-Pak de Raschig
- Gempak de Glitsch
- Mellapak de Sulzer
- Intallox de Norton

Pour les débits très élevés (refroidissement de gaz), et les services très encrassant (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.
La perte de charge est faible (2mbars au mètre).
La flexibilité est limitée (2/1 au plus).
- Flexigrid de Koch
- Glitsch-Grid de Glitsch

Caractéristiques des garnissages

Les caractéristiques importantes d'un garnissage sont:
- la SURFACE SPECIFIQUE (a) dont dépend l'efficacité du garnissage
- la FRACTION DE VIDE (ε) qui influera sur la perte de charge et donc la capacité de la colonne

Pour les garnissages classiques:

Le Packing factor

Le "Packing Factor" est une caractéristique du garnissage. C'est un paramètre représentatif de la perte de charge que créera le garnissage en fonctionnement.

Initialement il était défini comme le rapport de la surface spécifique sur le cube de la fraction de vide: a ⁄ ε³. Il a la dimension de l'inverse d'une longueur (L^-1).  Il faut donc veiller à son unité lors de son utilisation dans des calculs. Elle est souvent exprimée en m^-1, mais peut aussi être exprimée en ft^-1 dans la littérature anglo-saxonne.

Comparés aux garnissages classiques, les garnissages modernes présentent des surfaces spécifiques augmentées mais produisant des pertes de charge réduites, rendant obsolète la définition initiale du packing factor.
Aujourd'hui, le packing factor est un paramètre indiqué par le fournisseur de garnissage, qui permet, en se référant à un diagramme universel (GPDC pour Generalised Pressure Drop Correlation), de calculer la perte de charge produite en fonctionnement.

Applications typiques

Lavage de gaz acides par des amines

Les garnissages vrac équipent des colonnes de lavage de gaz destinés à éliminer des substances acides tels que le dioxyde de carbone (CO2) ou encore l'hydrogène sulfuré (H2S) au moyen d'amines. L'amine est ensuite régénérée dans un stripper lui aussi équipé d'un garnissage vrac. Les amines utilisées ayant tendance à mousser, le garnissage vrac limite l'impact du moussage sur le pouvoir de séparation de la colonne.

Distillation extractive difficile

Pour certaines séparation par distillation extractive au moyen d'un débit particulièrement important de solvant (extraction du butadiène par exemple), un garnissage vrac est recommandé pour permettre ce trafic liquide important.

Distillation sous forte pression

Dans certaines distillation de gaz liquéfiés (déméthaniseur par exemple), opérées sous forte pression, la faible différence de densité entre gaz et liquide fait préférer un garnissage vrac à des plateaux.

Stripping d'eau contaminée

La purification d'eau contaminée par des substances organiques volatiles est traditionnellement opérée par stripping à l'air sur une colonne à garnissage vrac.