Internes de colonnes

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

Les plateaux sont des éléments métalliques horizontaux, 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 généralement horizontalement, et donc perpendiculèrement au gaz. Ils sont dit à courants croisés.

Les plateaux à courants croisés sont 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.
  

Certains plateaux permettent l'écoulement du liquide du haut vers le bas et le gaz du bas vers le haut par les mêmes ouvertures. Ils sont dit à contre courant. Ils n'ont pas besoin d'être équipés de barrage, deversoirs et descentes liquide.

Les plateaux classiques doivent être espacés de 40 à 60cm.

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 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.

Pour équiper des colonnes de diamètre supérieur à 1 mètre, les plateaux doivent pouvoir être introduit par éléments d'une taille limitée à l'ouverture d'un trou d'homme, puis assemblés sans soudure, à l'intérieur. A l'intérieur de la colonne, des supports soudés à la paroi permettent de fixer les plateaux.
Ces assemblages boulonnés sont un point de fragilité. Les boulons peuvent se desserer avec les vibrations en fonctionnement, et les plateaux fragilisés peuvent s'éffondrer.

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

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

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

Distributeurs de liquide

Le fonctionnement optimum d'un garnissage (vrac ou structuré) nécessite une distribution uniforme du liquide sur toute la section de la colonne. Ceci est assuré par les distributeurs de liquide.
Ils sont nécessaires à minima pour le liquide d'alimentation et le liquide de reflux. De plus, au cours de son écoulement vers le bas dans le garnissage, le liquide tend à s'accumuler vers la paroi de la colonne. La redistribution du liquide est donc 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
Les distributeurs de liquide sont des dispositifs qui fractionnent le flux de liquide en une multitude d'écoulements répartis uniformément sur la section de la colonne. Ils sont principalement caractérisés par une densité de points d'écoulement (drip point density). Elle est habituellement comprise entre 50 et 150 points/m². Attention! Une densité de points d'écoulement élevée implique souvent de faibles sections d'écoulement, plus sensibles à l'encrassement.
Les distributeurs de liquide doivent également::
 - maintenir une distribution uniforme pour une plage étendus de débit
 - être peu sensible à l'encrassement
 - n'imposer qu'un faible temps de séjour au liquide (pour les liquides dégradable, polymérisants, thermosensibles)
 - être peu encombrant pour minimiser la hauteur de la colonne
 - offrir une faible résistance à l'écoulement du gaz
La conception d'un distributeur de liquide est un compromis entre:
 - offrir un grand nombre de d'écoulement grâce à un dispositif couvrant largement la section de la colonne
ou bien
 - présenter une résistance à l'écoulement du gaz aussi faible que possible par un dispositif laissant un maximum de surface libre

Dispositifs d'alimentation

Ils doivent être adaptés à la nature de l'alimentation; on distingue les dispositifs:
- pour liquide seul
- pour vapeur seule
- pour liquides flashant (mélange liquide + vapeur)

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.

Collecteurs de liquide

Sous chaque lit de garnissage, le liquide en écoulement doit être collecté sur toute la section de la colonne pour être éventuellement redistribué sur le lit de garnissage plus bas. Mais le collecteur de liquide doit également permettre un libre passage du gaz ou vapeur ascendant.

Support de lit de garnissage

Le support de garnissage doit physiquement supporter le garnissage sans entraver le flux de liquide descendant et de gaz ou vapeur ascendant.

Grille de maintien du garnissage

C'est une grille disposée au sommet du lit de garnissage et destinée à empêcher le déplacement du lit ou la fluidisation de son sommet en cas d'excès accidentel de débit de gaz.
Pour les éléments de garnissage en céramique, la grille n'est pas fixée mais seulement posée et lestée pour lui permettre de suivre le tassement du lit qui se produit généralement avec ce matériau. Le poids de la grille doit alors être au minimum égal au produit de la perte de charge maximum du lit par la section de la colonne.

Dévésiculeur

Disposé en partie haute de la colonne près de la sortie du gaz ou de la vapeur, le dévésiculeur a pour but de retenir les gouttelettes de liquide entrainées.
Le dévésiculeur est particulièrement utile en distillation lorsque la composition du liquide sur le dernier plateau est très différente de celle de la vapeur émise ou lorsqu'une pureté élevée de la vapeur est requise. Les gouttelettes entrainées modifieront significativement la composition du liquide condensé.
Le dévésiculeur est installé de manière à ce que le liquide retenu s'écoule naturellement vers le plateau de tête ou le distributeur de liquide en tête de la colonne.
Le dévésiculeur doit générer une perte de charge aussi faible que possible pour les distillations sous pression réduite.
Pour les liquides polymérisables, le dévésiculeur doit générer un temps de séjour aussi faible que possible pour éviter la formation de polymères encrassants et colmatants.