Les plateaux de colonnes

Les plateaux de distillation sont des éléments occupants la totalité de la section de la colonne, et disposés à intervalles réguliers, destinés à retenir en partie le liquide s'écoulant du haut vers le bas de la colonne et à permettre un barbottage de la vapeur ou du gaz cheminant à contre courant du bas vers le haut..

Les plateaux peuvent être:

• "à courants croisé": le liquide s'écoule horizontalement sur chaque plateau et donc perpendiculèrement au gaz. Le liquide passe d'un plateau vers l'autre par des descentes
• "à contre courant" ou "dual flow": ce sont des plateaux perforés, dont les trous sont suffisament gros pour permettre le passage simultané du liquide vers le bas et la vapeur vers le haut.

Les plateaux sont tous constitués de:

• une sole horizontale permettant de retenir le liquide
• un dispositif permettant le barbottage de la vapeur ascendante

Les plateaux à courants croisés possèdent en plus

• un déversoir et descente pour faire transiter le liquide d'un plateau vers le plateau immédiatement inférieur.
• des barages en sortie pour maintenir un niveau liquide suffisant sur le plateau, et parfois en entrée pour empêcher le passage à contre-courant de gaz par les descentes.
  

Outre le type de cheminement du liquide, le dispositif pour faire barbotter la vapeur est la caractéristique principale pour différencier les types de plateaux; les plus classiques sont:

• les plateaux à cloches
• les plateaux perforés
• les plateaux à clapets flottants (ou mobiles)
• les plateaux à clapets fixes

Les constructeurs rivalisent d'ingéniosités pour proposer des optimisations pour chaque type de plateaux.

Les phénomènes redoutés qui peuvent dégrader l'efficacité du plateau, et pour lesquels une conception adaptée est nécessaire, sont:

• l'entraînement excessif de liquide avec la vapeur s'échappant du plateau
• le pleurage de liquide à travers le dispositif de barbottage (pour les plateaux à courants croisés)
• le moussage excessif du liquide sur le plateau, traversé par le gaz
• l'engorgement des descentes par du liquide ou de la mousse
• l'encrassement par des dépôts solides ou des polymérisations
• les passages préférentiels de vapeur ou de liquide

Sur les plateaux à courants croisés, l'écoulement du liquide horizontalement sur le plateau se fait avec une certaine perte de charge qui se traduit par un niveau liquide supérieur près de l'entrée, et décroissant progressivement jusqu'au barrage de sortie. En conséquence, la vapeur traversera plus facilement le plateau près de la sortie liquide (où l'épaisseur de liquide à traverser est moindre) que vers l'entrée. Pour limiter ce phénomène et la perte d'efficacité du plateau qui en découle, sur les colonnes de fort diamètre, le cheminement du liquide est réparti sur plusieurs passes.

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

Types de plateaux

Les plateaux à cloches (Bubble cap trays) font partie des plus anciens types de plateaux. Ils étaient déjà en usage dans l'industrie du 19ème siècle. La sole du plateau est persée de trous équipés d'une cheminée et surmontés d'une cloche. La cloche est munie à sa base de fentes pour faire buller le gaz dans le liquide. Aujourd'hui ils restent utiles lorsque l’efficacité doit être maintenue pour un très faible débit liquide, ou lorsque le débit de gaz ou de vapeur varie dans de grandes proportions. Correctement construit et installé, aucun pleurage du liquide n'est à redouter.
La perte de charge est relativement élevée en raison du niveau important de liquide nécessaire.

Les plateaux à cloches sont coûteux à construire

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. Le nombre de plateaux est limité à cinq par assemblage, maintenus ensemble par des tirants et des entretoises. La colonne est alors constituée de tronçons munis d'une bride aux extrémités. Une cartouche de plateaux peut être glissés par chaque extrémité d'un tronçon de colonne. La colonne peut être constituée de plusieurs tronçons mis bout à bout.

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.

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 critères souvent évalués sont les suivants; leur désignation en anglais est souvent utilisée:

• Engorgement (Jet flood)
• Fluidisation (Entrainment limits)
• Perte de charge (Pressure drop)
• Pleurage (Weeping)
• Régime de bulle (Spray transition ou Blowing dry)
• Hauteur dans les descentes (Downcomer back-up)
• Vitesse dans les descentes (Downcomer inlet velocity)
• Charge du barrage de sortie (Weir loadings)
• Temps de séjour dans les descentes (Downcomer residence time)

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

Un diagramme de performance, avec la charge liquide en abscisse et la charge vapeur en ordonnée, illustre le domaine de fonctionnement efficace des internes d’une colonne.
Les différentes limites sont portées sur le diagramme . 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 barrage (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 (60% par exemple)
La courbe à vitesse dans la descente constante (0,1 m/sec par exemple)

Idéalement, tous les cas de fonctionnement d'une colonne doivent se situer à l'intérieur du domaine de fonctionnement optimum des internes.

Limites de capacité des plateaux

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.
Le débit de gaz admissible à la limite d'engorgement dépend de la technologie de plateau (perforé, clapets fixes, clapets mobiles, ...)

Fluidisation (Entrainment 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.

Perte de charge (Pressure drop)

La perte de charge d'un plateau est la somme de la perte de charge due au passage du gaz au travers des orifices, plateau sec, et de la hauteur de liquide à vaincre sur le plateau.
Une perte de charge maximum peut être contraignante dans les opérations sous faible pression.
Une perte de charge minimum (40 à 50 mm col d'eau sur le plateau sec) est nécessaire pour assurer une répartition homogène du gaz au travers du plateau.

Pleurage (Weeping)

Les plateaux perforés ou à clapets permettent au liquide de s'écouler par les ouvertures de distribution du gaz en cas de débit de gaz insuffisant. Le liquide s'écoulant ainsi, parvient au plateau inférieur sans avoir été mis en contact avec le gaz. De plus, cela peut conduire à un niveau liquide trop faible sur le plateau, favorisant les entrainements par le gaz vers le plateau supérieur. Pour ces différentes raisons, l'efficacité du plateau est dégradée.
Le pleurage est généralement considéré comme excesif s'il occasionne une perte d'efficacité supérieure à 10%.

Régime de bulle (Spray transition)

En fonctionnement normal, lorsque le niveau liquide est suffisant, le gaz forme des bulles dans le liquide séjournant sur le plateau. En cas de niveau liquide insuffisant, le régime de bulles est remplacé par un régime de pulvérisation qui favorise l'entrainement de liquide. Ce régime s'établie généralement si le débit d'alimentation en liquide est insuffisant.

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 et dans le barrage de sortie. 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.

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.

Charge du barrage de sortie (Weir loadings)

La charge du barrage de sortie contribue à la hauteur de liquide sur le plateau.