Les plateaux à cloches

La distillation est connue depuis les tout premiers siècles de notre ère, à travers les travaux des alchimistes arabes. Pendant tout le Moyen-Âge, de nombreuses «recettes» de préparation de produits de toute nature sont proposées à l’aide
de cette technique, mettant en œuvre des appareils («alambics») plus ou moins sophistiqués.
La technique n’avait finalement que peu évolué depuis le Moyen-Âge, comme en témoigne l’appareil encore utilisé par Jean-Antoine Chaptal en 1785.
C'est Jean-Baptiste Cellier-Blumenthal (1768-1840) qui, par une série de brevets à partir de 1811, propose le premier appareil vertical à plateaux pouvant fonctionner en continu, équipé de plateaux à cloches.

L'ancienneté de cette technologie fait qu'elle a été très étudiée et a fait l'objet de très nombreuses publications. Aujourd'hui, de nombreuses autres technologies, plus efficaces et moins coûteuses à construire, sont disponibles et les plateaux à cloche ne sont plus guére recommandés que pour les applications présentant de très fortes variations de débit ou de très faibles débits liquide, pour lesquels il existe peu d'alternative.

Description des plateaux à cloches

La particularité des plateaux à cloches réside dans la manière de provoquer le contact du gaz et du liquide.
Le gaz venant du plateau inférieur traverse la sole du plateau par une cheminée, est retenu et dévié dans sa trajectoire par une calotte qui le dirige vers le bas de celle-ci, d'où il peut s'échapper et pénétrer dans le liquide.
Par ailleurs, les plateaux à cloches sont similaires aux plateaux perforés ou à clapets:

• le liquide est acheminé vers le plateau inférieur par une descente liquide
• le niveau liquide sur le plateau est obtenu par un barrage de sortie à l'entrée du déversoir
• le cheminement du liquide peut se faire en une ou plusieurs passes

Cheminée

La cheminée est un tube vertical de hauteur supérieure au niveau liquide attendu sur le plateau, afin d'empêcher tous risques d'écoulement du liquide par cette voie.
L'implantation des cheminées détermine la disposition et l'espacement des cloches. Elles sont généralement implantées en quinconce, avec un pas entre 1,25 et 1,5 fois le diamètre des calottes.

Calotte

Les calottes sont principalement désignées par leur diamètre, de 2" à 6". Les plus petits diamètre sont réservés au colonnes de faible diamètre.
Le dispositif de fixation de la calotte sur la cheminée autorise généralement un réglage de sa position par rapport au sommet de la cheminée. Il est généralement recommandé de ménager une section de passage pour le gaz au sommet de la cheminée, sous la cloche au moins 40% supérieure à la section de la cheminée.
Le bas de la calotte doit assurer la dispersion homogène du gaz ou vapeur. Pour assurer cette fonction sur une large plage de débits, on donne aux sections de passage des formes de fentes, de triangles ou de trapèzes verticaux. La position du haut de la fente  au dessus de la sole du plateau est un paramètre important à surveiller au montage.

Trou de vidange

La conception des plateaux à cloches est telle que le liquide accumulé sous le niveau du barrage de sortie, est emprisonné et ne peut s'écouler vers le bas.
Pour néanmoins permettre leur vidange lors de l'arrêt de l'installation, il est généralement pratiqué un ou plusieurs trous dans le fond du plateau, à proximité du barrage de sortie.
Ce trou de vidange, ouvert en permanence, occasionne un débit de fuite qui doit rester négligeable comparé au débit liquide principal qui doit normalement franchir le barrage.
Le débit passant est calculé par la relation:
Débit (m³/sec) = 0,6×A×√(2×g×h)
avec:
 - A: section du ou des trous (m²)
 - g: accélération de la pesanteur (9,81m/sec²)
 - h: hauteur de liquide = hauteur du  barrage de sortie (m)
Ce trou est généralement dimensionné pour que le débit de fuite n'excède pas 10% du débit liquide sur le plateau.
Pour éviter son bouchage par des particules, son diamètre est généralement de 10 à 15mm. Si besoin, plusieurs trous sont pratiqués. En cas de débit liquide particulièrement faible, si un seul trou d'un tel diamètre est excessif il peut être préférable de l'omettre.

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

Saturation des cloches (Overload caps)

A forte charge de gaz, le liquide entre les cloches est chassé. Ce régime est semblable au régime de pulvérisation des plateaux perforés. Ce fonctionnement doit être évité. 

Le bas de la cloche ne devrait pas être utilisé pour la dispersion du gaz. Pour y remédier:

• adapter la géométrie des cloches avec plus de fentes, des fentes plus hautes
• augmenter le nombre de cloches

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

Pulsation du gaz

En l'absence de débit gazeux le liquide couvre entièrement les fentes des cloches. C'est le débit de gaz qui provoque l'abaissement du niveau de liquide sous la cloche pour permettre le passage du gaz. Si le débit de gaz est faible, le niveau liquide pourra recouvrir à nouveau les fentes après le passage d'une "bouffée" de gaz. Le fonctionnement est intermitent. Une pulsation de débit et de pression se produit.

Un régime continu peut être rétabli en:

• réduisant le nombre de fentes ou la largeur des fentes
• réduisant le nombre de cloches

Distribution du gaz

Les cloches constituent un obstacle à l'écoulement du liquide sur le plateau. Leur présence favorise la formation d'un gradient liquide avec une hauteur de liquide supérieure à l'entrée qu'à la sortie.

Ce gradient de liquide déséquilibre la répartion du gaz sur le plateau; le débit de gaz à proximité de l'entrée liquide sera moindre qu'à proximité la sortie; il est même possible que la hauteur de liquide soit telle que du liquide peut s'écouler vers le plateau inférieur en passant à rebours par les cheminées; l'efficacité du plateau se trouvera dégradée.

On pourra limiter ce phénomène en:

• espaçant davantage les cloches,
• en augmentant le nombre de passes du liquide pour réduire sa longueur de parcours sur le plateau.

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.

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

Utilisations des plateaux à cloches

En raison du coût élevé de construction, des difficultés pour les nettoyer et les entretenir, on préfèrera installer d'autres technologies de plateaux sauf pour des applications nécessitant:

• de très larges variations de débit
• un ratio liquide / gaz très faible

Les plateaux à tunnels

Similaires aux plateaux à cloches, leur particularité est que les cheminées et les calottes sont de forme rectangulaire. Ils permettent ainsi de guider le cheminement du liquide sur le plateau.
Il est ainsi possible de contraindre un faible débit,  à un long temps de séjour sur le plateau, en évitant les zones stagnantes. Le liquide cheminant parallèlement aux tunnels, l'orientation des fentes de distribution du gaz permet d'aider à l'écoulement du liquide.