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Internes de colonnes


Les internes de colonnes à distiller, d'absorption ou de stripping, sont destinés à assurer un contact intime entre un gaz et un liquide.
Ils appartiennent à deux grandes catégories:
- les plateaux
- les garnissages

Sont également présents à l'intérieur des colonnes:
- des distributeurs de liquide destinés à distribuer uniformément le liquide sur la section de la colonne
- des grilles support de garnissage
- des dévésiculeurs pour retenir les gouttelettes de liquide entraînées par le gaz.

Les plateaux

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.

Types de plateaux

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 couteux 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 présentants  une large plage de débits de fonctionnement. Grace 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 peu 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, les plateaux peuvent être assemblés sous forme de cartouches, qui seront glissées à l’intérieur du fût de la colonne.

Leur efficacité va de 60% à 100% selon le type d'application.
Ils doivent être espacés de 40 à 60cm.

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 résistance 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.

Capacité des plateaux

La capacité d’un plateau peut être limitée pour plusieurs raisons pouvant être liées au débit vapeur ou au débit liquide.
Les limitations du débit vapeur sont :
La fluidisation : la fluidisation tient au fait que même sans interne, dans la colonne vide, à partir d’une certaine limite les gouttes de liquide sont entrainées vers le haut par le gaz. Les forces exercées par le gaz égale les forces de gravité sur les gouttelettes.
Le jet flooding : correspond à un entrainement massif de liquide d’un plateau vers le suivant au dessus. Cela peut aussi être vu comme le débit de gaz pour lequel la hauteur de mousse au dessus du plateau égale l’espace disponible entre les plateaux.
Les limitations dues au débit liquide sont :
Chocking dans la descente
Niveau dans la descente

Diagramme de capacité des plateaux de colonne à distillerLe diagramme de performance illustre le domaine de fonctionnement possible des internes d’une colonne. Les différentes limites sont portées sur un diagramme avec la charge liquide en abscisse et la charge vapeur en ordonnée. Les limites du domaine de fonctionnement sont généralement :
La courbe à jet flood constant (80% par exemple) qui défini généralement la charge maximum en vapeur
La courbe de limite du régime de bulle (spray transition) qui défini le débit minimum de liquide
Le débit maximum de liquide par unité de longueur de déversoir (30 l/m/sec par exemple) qui défini le débit maximum de liquide
La perte de charge plateau sec (40 à 50mm de colonne d’eau) qui défini le débit minimum de gaz
La courbe à hauteur dans la descente constante (80% par exemple)
La courbe à vitesse dans la descente constante (0,1 m/sec par exemple)


Les garnissages

Les garnissages sont des éléments offrant un maximum de surface de contact et de porosité, disposés de manière à occuper la totalité du volume de la colonne.
On distingue les garnissages:
- vrac classiques
- vrac améliorés
- structurés

Garnissages vrac pour colonne de distillation Les GARNISSAGES VRAC sont:

- anneaux Raschig
- anneaux Pall
- selles de Berl
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
- ...

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 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.
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 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.
La perte de charge est faible (2mbars au mètre).
La flexibilité est limitée (2/1 au plus).
- Flexigrid de Koch
- Glitsch-Grid de Glitsch

Redistributeurs de liquide

Au cours de son écoulement vers le bas, le liquide tend à s'accumuler vers la paroie externe de la colonne. La redistribution du liquide est nécessaire pour maintenir l'efficacité de la colonne et doit être aussi bonne que la distribution initiale. Les redistributeurs doivent être installés au moins:
 - à partir de 12m de hauteur de garnissage
 - à partir de 10 unités de transfert (ou plateau théorique)
 - à partir de 6 fois le diamètre du lit

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