Les plateaux perforés

Les plateaux perforés sont constitués d'une sole plane et horizontale dont la zone de bullage est parsemée de trous.

S'ils sont équipés de descentes pour le cheminement du liquide, leur fonctionnement sera à courants croisés (Cross Flow).

En l'absence de descente liquide, leur fonctionnement sera à contre courant, le liquide et le gaz s'écoulant par les mêmes trous  (Dual Flow).
Les plateaux Dual Flow pourront être choisis pour les services encrassant, car les descentes liquides sont des parties difficiles à nettoyer et où les crasses peuvent s'accumiler. Leur efficacité sera moindre. De plus, leur performance est très sensible à tout défaut d'horizontalité ce qui fait qu'ils sont souvent réservés aux faibles diamètres de colonnes.

Une variante commerciale nommée Ripple Tray est un plateau Dual Flow dont la sole est constituée d'une tôle ondulée. Cet arragement autorise un traffic gaz supérieur à un plateau Dual Flow classique.

Les plateaux perforés sont utilisés depuis très longtemps, sont faciles à définir et ont fait l'objet de nombreuses études. Ils constituent le modèle de plateau de référence dans le prédimensionnement d'une colonne de distillation. Les autres technologies de plateaux, souvent propriété de fournisseurs commerciaux, pourront être plus performantes, mais aussi plus coûteuses.

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.

Domaine opératoire

Le domaine de fonctionnement optimal d'un plateau est limité par un certain nombre de phénomènes pouvant apparaître pour certains débits de gaz et de liquide. On a coutume de représenter ces limites sur un unique diagramme débit de gaz = f(débit de liquide). Les limites usuelles de fonctionnement sont:

Fluidisation (System limit)

La fluidisation tient au fait que même sans interne, dans la colonne vide, à partir d’une certaine vitesse de gaz, les gouttes de liquide sont entrainées vers le haut. Les forces exercées par le gaz égalent alors les forces de gravité sur les gouttelettes.
W.J Stupin et H.Z. Kister ont proposé en 2003 une méthode pour estimer cette limite. Pour plus de détails consulter la page générale sur le dimensionnement des colonnes de distillation.

Limite d'engorgement (Jet flood)

L'engorgement 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.

On limite généralement le débit de gaz à 80% de la limite d'engorgement.

L'engorgement peut être réduit en:

• réduisant la vitesse du gaz (plus de trous, trous plus gros, avec une descente à profil incliné )
• réduisant la hauteur de liquide sur le plateau
• augmentant l'espace entre plateaux

Régime de pulvérisation (Spray regime, Blowing Dry)

A très faible débit liquide, le gaz constitue la phase continue et le liquide est dispersé. Il est facilement entrainé par le gaz. La quantité de liquide présente sur le plateau est faible, le temps de contact entre le gaz et le liquide est court, la garde hydraulique en bas de la descente est insuffisante et le gaz peut remonter par la descente.

On cherche généralement à éviter ce régime, car il conduit à une faible efficacité de séparation. Il peut conduire à totalement assécher le plateau.

Plus de détails sur la page consacrée aux régimes d'écoulement sur les plateaux

Ce phénomène se produit principalement à faible débit liquide. Il peut être limité en:

• augmentant la hauteur du barrage pour augmenter la hauteur de liquide sur le plateau
• augmentant le diamètre des trous pour réduire la vitesse du jet de gaz

A débit liquide élevé, c'est plutôt l'engorgement qui devient la limite principale du débit de gaz.

Perte de charge sur le plateau

La perte de charge sur le plateau est la somme de:

• la perte de charge due au passage du gaz au travers des trous
• la charge liquide à traverser sur le plateau

Si une perte de charge maximum est requise par le procédé, le débit gaz autorisé sera plus élevé à faible débit liquide et inversement.

Pleurage (Weeping)

Le pleurage est le passage de liquide vers le bas, par les trous du plateau destinés au passage du gaz.

Le pleurage se produit lorsque le débit de gaz est trop faible. Le temps de séjour sur le plateau de ce liquide est réduit et l'efficacité de la séparation est dégradée. 

Le débit de pleurage ne doit pas dépasser 10% du débit liquide lorsque le débit de gaz est minimum.

Le pleurage peut être réduit par:

• une diminution de la hauteur liquide sur le plateau
• une réduction du diamètre des trous
• une augmentation de la vitesse du gaz dans les trous en réduisant leur nombre

Charge du barrage de sortie (Weir Load)

Le barrage de sortie joue un rôle pour assurer une vitesse d'écoulement uniforme sur le plateau et empêcher la formation de zones mortes. Pour cela, un débit minimum de liquide est nécessaire pour assurer une surverse sur toute la longueur du barrage.

Un débit insuffisant conduira à ce que l'écoulement se fasse préférentiellement sur une portion seulement du barrage.

 Pour s'affranchir des possibles défauts d'horizontalité, il est recommandé que la hauteur liquide soit 3 mm au dessus du sommet du barrage ce qui correspond à un minimum de 9 m³/m/h de débit liquide.

Si ce débit minimum ne peut être garanti, il est recommandé d'installer un barrage muni de fentes ou de dents.

Si le débit liquide est trop élevé, il sera difficilement absorbé par la descente dans laquelle un dégazage doit s'opérer.

Il est recommandé que la hauteur de liquide au dessus du barrage n'excède pas 37mm (1,5 "), ce qui correspond à un débit liquide maximum de 120 m³/m/h. Si cet objectif ne peut être atteint, il faut envisager de:

• augmenter la longueur du barrage
• augmenter le nombre de passes sur le plateau

Hauteur liquide dans les descentes (Downcomer back-up) 

En fonctionnement, une certaine hauteur de liquide s'établit dans les descentes. Celle-ci résulte de la perte de charge

• sur le plateau
• dans l'espace en bas de la descente
• dans le barrage d'entrée (entrée du plateau, c'est-à-dire en sortie de la descente)

Un taux d'aération du liquide (fraction du volume occupé par du gaz entrainé) augmente cette hauteur.

Lorsque la hauteur de liquide dans la descente est équivalente à l'espace entre les plateaux, le liquide n'est plus correctement évacué et peut s'accumuler sur le plateau.

Pour réduire cette hauteur liquide, il est possible de:

• réduire la perte de charge sur le plateau
• augmenter l'espace en bas de la descente
• supprimer le barrage d'entrée si la hauteur de liquide sur le plateau crée une garde hydraulique suffisante

Il est recommandé de viser une hauteur liquide d'environ 40% de l'espacement entre plateaux.

A noter que le barrage de sortie n'aura aucun effet sur la hauteur liquide dans la descente.

Il est aussi parfois nécessaire d'augmenter l'espacement entre plateaux.

Vitesse dans les descentes (Downcomer inlet velocity)

Quand les descentes sont de section insuffisante pour permettre une bonne séparation du gaz entrainé, un niveau liquide excessif est favorisé. Une valeur maximum de 0,15 à 0,20 m/s est souvent recommandée.

Certains fabricants de plateaux préfèrent utiliser la notion de temps de séjour dans les descentes.Dans les deux cas on doit tenir compte de la capacité du système à former des moussages. Pour cela, un facteur empirique est appliqué. Il varie de 0,3 pour un système très moussant à 1,0 pour un système peu ou pas moussant.

La société Glitsch a publié en 1993, une méthode souvent citée, pour calculer la vitesse optimale du liquide dans les descentes. Plus de détails sur la page consacrée aux descentes de liquide entre plateaux

Si la vitesse du liquide dans les descentes est excessive, il faut:

• augmenter la section de passage dans les descentes
• augmenter le nombre de passes des plateaux afin d'augmenter la section globale des descentes

Sources

Dr.-Ing. Volker Engel (Welchem Process Technology) - How to design and optimize Sieve Trays

Glitsch BALLAST™ Tray Design Manual-1993 Sixth Edition

Stupin, W.J. and Kister, H.Z.; “System limit: The ultimate capacity of fractionators”; Trans IChemE, Vol 81, Part A, pg. 136-146 (January 2003)