FR2929134A1 - Procede de fabrication d'un garnissage ondule-croise - Google Patents

Abstract

Dans un procédé de traitement d'un module de transfert de matière et/ou de chaleur, le module comprenant un empilage de lamelles ondulées croisées, on réduit le mouillage de la surface des lamelles dans au moins une zone (B,B') du module.

Description

La présente invention est relative à un procédé de fabrication de garnissages ondulé-croisé. Les garnissages ordinairement utilisés sont constitués par des bandes ondulées comprenant des ondulations alternées parallèles disposées chacune dans un plan général vertical et les unes contre les autres. Les ondulations sont obliques et descendent dans des sens opposés d'une bande à la suivante. Le taux de perforation est d'environ 10 % pour ces garnissages dits ondulés-croisés. GB-A-1004046 divulgue des garnissages du type ondulé-croisé.

CA-A-1095827 propose une amélioration de ce type de garnissage en ajoutant une perforation dense de petit diamètre pour permettre au liquide de transiter de part et d'autre des bandes ondulées croisées. Ce garnissage tel qu'illustré à la Figure 1 est généralement fabriqué à partir de produit plat : des feuilles métalliques sous forme de bandes. Les bandes sont d'abord pliées (ou cintrées) de façon à former une sorte de tôle ondulée en bande dont les ondulations sont obliques par rapport à l'axe de la bande. Les bandes pliées sont ensuite découpées en tronçons puis empilées en retournant alternativement une bande sur deux. Les tronçons de garnissage ainsi obtenus sont appelés modules.

Dans le cas d'ondulations simples, comme l'on voit à la Figure 2, les différents paramètres permettant de décrire un garnissage ondulé-croisé sont : la hauteur des ondes (H), l'angle de pliage (p), le rayon de courbure (r) et l'inclinaison des ondes (b). L'invention a pour but d'améliorer la technologie des garnissages structurés. La caractéristique structurée du garnissage assure intrinsèquement une bonne réponse aux fonctions dans la zone dite courante . L'importance de la zone d'interface entre modules a été mise en évidence lors des développements des garnissages à interface modifiée 30 (garnissages MELLAPACK + de SULZER CHEMTECH). Une modification légère de l'interface entre modules a permis de repousser l'engorgement donc d'obtenir des gains significatifs de capacité des colonnes à distiller (à relier à la fonction assurer l'écoulement du liquide à contre û courant du gaz ) en ne dégradant quasiment pas les performances en échange de matière (à relier à la fonction maintenir la surface de contact gaz / liquide ). Dans la littérature, cette légère modification d'interface a pour but annoncé, la réduction de la perte de charge gaz à l'interface. Dans le garnissage ondulé croisé classique, le gaz est contraint de changer de direction selon un angle d'environ 90° pour passer d'un module à l'autre d'où une perte de charge particulièrement importante dans cette zone d < interface . Dans un garnissage à interface modifiée type MELLAPACK +, cette perte de charge particulière est assurée dans la zone courante : le gaz ne change pas de direction à l' interface mais avant et après. Dans la littérature, ce phénomène est souvent analysé en termes de rétention de liquide dans la partie basse des modules au voisinage de I ( interface : la perte de charge subie par le gaz au changement de direction provoque une accumulation de liquide dans la zone avoisinante. L'accumulation de liquide provoque un engorgement prématuré de la colonne. Afin d'augmenter la capacité des colonnes, d'autres moyens de limiter la perte de charge gaz à l'interface entre les modules ont été imaginés : - US-A-5013492: Décrit le décalage vertical dans les modules d'une bande de garnissage sur deux afin de réduire la densité au voisinage des interfaces. - FR-A-2686271 : Décrit l'insertion d'entretoises entre les modules. - JP-A-6312101 : Décrit l'insertion de modules de densité inférieure entre les modules de distillation. - US-A-5632934: Décrit la réduction de la hauteur d'ondulation, le changement de l'inclinaison des canaux ainsi que la réalisation d'ouvertures au voisinage de la base des modules. - WO-A-97/16247: Décrit le changement progressif de l'inclinaison des canaux jusqu'à la verticale aux bords des bandes, ainsi que l'installation de 30 caillebotis entre les modules. Une autre interprétation possible de ces phénomènes est que, à I < interface entre modules, entre le moment où le film liquide quitte le module supérieur et où il atteint le module inférieur, ce dernier ne bénéficie plus du maintien par capillarité de la surface du garnissage pour résister à la poussée du gaz montant. Le film liquide peut donc être plus facilement perturbé et, comme il n'est plus maintenu, il se casse pour se rassembler en grosses gouttes, à l'origine d'un engorgement local. La fonction Assurer l'écoulement du liquide à contre courant du gaz est donc plus difficilement remplie dans la zone d' interface entre modules. D'autres essais comparant un garnissage classique à un garnissage à interface modifiée par le rajout d'entretoises entre modules mettent en évidence l'importance du guidage du liquide. En effet, ce rajout d'entretoise rallonge le trajet du liquide en chute libre entre deux modules (donc le temps pendant lequel il peut être plus facilement perturbé). Cela peut expliquer la dégradation de capacité observée lors des essais. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de traitement d'un module de transfert de matière et/ou de chaleur, le dispositif comprenant un empilage de lamelles ondulées croisées dans lequel on réduit le mouillage de la surface des lamelles dans au moins une zone du module. Selon d'autres aspects facultatifs : - on réduit le mouillage en polissant la surface des lamelles dans au 20 moins une zone du module ; - on réduit le mouillage en assurant un traitement chimique des surfaces des lamelles dans au moins une zone du module ; - la zone est trempée dans un bain chimique ou arrosée par une solution ; 25 - on réduit le mouillage en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique ; - la décharge électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro-ondes ; 30 - on réduit le mouillage d'au moins une zone de la lamelle avant ou après pliage ; - on réduit le mouillage dans au moins une des zones d'interface basse et haute du module ; - on réduit le mouillage uniquement dans une ou deux zones du module ; - on augmente le mouillage de la surface des lamelles du module dans au moins une zone du module ; - on augmente le mouillage dans la zone centrale du module ; - on augmente le mouillage en trempant la lamelle dans un bain de liquide ou en l'arrosant avec une solution ; - on augmente le mouillage en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique ; - la décharge électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro-ondes ; - on réduit le mouillage d'au moins une zone du module selon un gradient de propriétés de l'atmosphère plasma à travers le module ; - on varie le long du module la concentration des gaz injectés et/ou densité et température électronique du plasma ; - les changements de propriétés de mouillage sont progressifs entre deux zones contiguës ; - la modification de mouillage est combinée à au moins une modification 20 de géométrie, de densité et de matériau de la zone ; - les lamelles sont en aluminium ; - les lamelles sont en cuivre. Selon l'invention, il est prévu un module de garnissage traité comme décrit ci-dessus. 25 De préférence pour un module ayant une zone centrale et deux zones extérieures, au moins une zone extérieure est traitée selon un des procédés décrit ci-dessus. Selon l'invention, il est prévu une colonne équipée d'au moins un module de garnissage décrit ci-dessus, en particulier une colonne de 30 distillation de gaz de l'air. L'invention consiste à adapter la mouillabilité de la surface du garnissage par le liquide cryogénique fonctionnalisé dans les différentes zones du module. Pour cela on va mettre en oeuvre une technique de traitement de surface des plaques de garnissage lors de leur fabrication, appliquée en ligne avant ou après l'emboutissage. Ainsi dans la zone courante ou dans la zone d'interface du haut du module on cherchera en premier lieu à retenir plus le liquide pour assurer : o un temps de contact plus grand avec le gaz o un meilleur mouillage donc une plus grande surface de contact gaz / liquide et donc améliorer le transfert de matière. Dans la zone d'interface du bas de module, on cherchera à drainer le plus possible le liquide afin d'éviter son accumulation en bordure de module, favoriser des écoulements en filets liquides pour limiter les arrachements de liquide. De telles possibilités d'optimisation se situent également au niveau de la colonne à distiller : - les propriétés physiques des fluides peuvent varier en fonction de la température dans la colonne. Ils peuvent ainsi être plus ou moins visqueux (viscosité différente) ou plus ou moins mouillant (tension de surface différente). Pour contrebalancer cette variation des propriétés physiques, on peut ainsi fonctionnaliser la surface pour la rendre ; o plus mouillante là où le liquide est plus visqueux ou moins mouillant o moins mouillante là où le liquide est moins visqueux ou plus mouillant - les débits liquides par unité de surface du garnissage peuvent varier en fonction de la position dans la colonne. Certaines zones peuvent être plus ou moins chargées en liquide que d'autres. Pour contrebalancer ces variations de charge liquide, on peut ainsi fonctionnaliser la surface pour la rendre : o Plus mouillante là où les charges liquide sont faibles. o Moins mouillantes là où les charges liquides sont élevées. - Les modules de garnissages sont organisés par tronçon dans la colonne. Un tronçon se situe entre une arrivée de gaz en bas et généralement un distributeur de liquide en haut.

En haut de tronçon, on peut ainsi fonctionnaliser la surface pour un mouillage rapide de la surface de garnissage par le liquide tombant du distributeur En bas de tronçon on peut fonctionnaliser la surface pour diminuer le mouillage afin de diminuer l'interaction avec le gaz entrant et limiter les remontées de liquide. Pour adapter à la demande la mouillabilité de la surface d'aluminium initialement recouverte de la couche native d'alumine, les modifications physicochimiques de cette surface peuvent consister notamment : 1. en gravure et décapage, 2. changement de la rugosité 3. création d'une microtexturation, 4. greffages de fonctions chimiques, 5. dépôt de couches minces de matériaux d'apport, ...

Pour les modifications de type 1, 2 et 3, des traitements mécaniques pour les garnissages sont déjà bien décrits dans l'état de l'art notamment dans les brevets US-A- 4604 247, US-A- 4 296 050, EP-A-0190 435. Cet état de l'art décrit bien l'application de ces traitements à l'ensemble de la surface du garnissage et non à des zones précises à fonctionnaliser telles que décrites dans ce pli cacheté. D'autres moyens sont par ailleurs possibles pour aboutir aux modifications recherchées. Préférablement, le traitement de surface est appliqué à partir d'une phase gazeuse et tout particulièrement au moyen d'un plasma froid, notamment parce que la température de traitement admissible par une feuille mince d'aluminium est très limitée. Enfin, un procédé plasma à pression atmosphérique apparaît le mieux adapté pour un traitement en continu à grand rendement, avec l'obligation d'un faible coût. Le dispositif correspondant s'intégrera facilement à l'installation de fabrication en continu des garnissages.

Le dépôt de couches minces de matériau est la voie la plus avantageuse pour modifier la mouillabilité de la surface d'aluminium. En effet, un procédé de microtexturation fera généralement appel à des gaz halogénés posant des problèmes de sécurité et d'environnement, donc impliquant des contraintes et coûts supplémentaires. De plus une surface microtexturée pourra présenter une réactivité moins bien connue et en tout cas moins reproductible vis-à-vis de l'oxygène en conditions d'initiation accidentelle de la combustion. Un simple greffage de fonction chimique peut se révéler insuffisant. En effet, le garnissage devra conserver le niveau de mouillabilité bien spécifique qui lui aura été imparti à la fabrication pendant de nombreuses années de service, alors que le contact permanent de l'oxygène liquide ou diphasique finira certainement par avoir un effet sur les fonctionnalités greffées (qui, rappelons-le, n'impliquent qu'une quantité infime de matière au niveau de la surface), modifiant au cours du temps les propriétés de mouillage. En revanche on connaît une large gamme de matériaux déposables en couche mince à partir d'un plasma chimiquement réactif, dont la mouillabilité va du très hydrophobe au très hydrophile. Ceci vaut du moins jusqu'ici vis-à-vis de l'eau et il faudra donc réétalonner les mouillabilités de ces gammes de matériaux par les liquides cryogéniques considérés, dans les conditions régnant en une zone donnée d'un module ou d'une colonne. Le principe du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) consiste à exciter dans un plasma de décharge électrique, au voisinage ou au contact du substrat, une vapeur chimique de précurseurs des différents éléments à incorporer dans le matériau en couche mince. Par exemple pour déposer de la silice on utilisera un mélange de monosilane SiH4 et d'oxygène. Dans le plasma les molécules chimiques initiales sont dissociés en fragments plus petits, notamment des radicaux présentant une très forte énergie chimique vis-à-vis d'une surface et qui vont aller se condenser sur ladite surface puis s'incorporer dans la couche de matière en train de croître en formant irréversiblement des liaisons fortes. L'avantage du procédé PECVD est que, du fait de la très forte réactivité des radicaux conférée par l'excitation électrique, la couche mince de matériau peut se former sur la surface d'un substrat sans qu'il soit nécessaire de le chauffer notablement, et même à température quasi ambiante. Comme exemple de matériaux à propriétés contrôlées, les films minces de nitrure de silicium sont généralement hydrophobes, de même que les films de polymères fluorocarbonés. On peut aussi obtenir des films hydrophobes de matériaux préparés à partir de précurseurs organosiliciés gazeux. Au contraire les films de silice SiOX et d'oxyde de titane TiO2, par exemple, sont hydrophiles.

Tous ces matériaux sont amorphes et il est possible d'atteindre toute composition d'alliage intermédiaire en combinant dans un procédé PECVD plusieurs précurseurs gazeux des différents éléments à incorporer. En faisant ainsi varier de façon continue la composition entre le matériau hydrophile et le matériau hydrophobe, on peut en principe atteindre n'importe quelle valeur de mouillabilité. L'ajustement de la composition est particulièrement simple dans un procédé PECVD puisqu'il suffit de changer les rapports des débits des différents précurseurs chimiques gazeux. Il est aussi possible de faire varier spatialement la composition du matériau, donc la mouillabilité, suivant la direction perpendiculaire au défilement pendant un traitement en continu de la bande de garnissage (i.e. la hauteur du module). Il suffit pour cela d'injecter un mélange de gaz dont la composition varie de manière adaptée le long de cette direction, ce qui ne pose pas de gros problème lorsqu'on opère à pression atmosphérique. La mise en oeuvre d'un procédé PECVD atmosphérique nécessite un dispositif adapté pour l'excitation du plasma. Il existe deux grandes familles de sources de plasma atmosphériques non thermiques (i.e. par opposition par exemple aux arcs de soudage). La première est celle des décharges à barrière diélectrique, qui peuvent exister dans un mode filamentaire ou homogène (luminescent). Seul ce dernier est adapté pour mettre en oeuvre un procédé PECVD mais ses conditions de fonctionnement sont contraignantes et en particulier le traitement en direct de substrats conducteurs n'est pas possible. Cela veut dire que l'on ne peut pas faire défiler la bande de garnissage entre deux électrodes. La deuxième famille est celle des décharges micro-ondes atmosphériques, qui présentent l'avantage d'une densité électronique élevée, donc d'un fort rendement de conversion des précurseurs gazeux et partant d'une grande vitesse de dépôt qui est un élément très important dans des applications où il existe une forte contrainte de coût. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une source de plasma linéaire en flux, c'est-à-dire générant un rideau de plasma incident sur la surface de la bande de garnissage, et s'étendant perpendiculairement à la direction du défilement. Une telle source de plasma est décrite dans la demande de brevet française FR-07 57719 du 20 Septembre 2007, et son application pour réaliser un dispositif et un procédé PECVD dans la demande de brevet française FR-07 57720 du 20 Septembre 2007, toutes deux au nom de la Demanderesse. Le gaz de dilution peut être de l'azote, de l'argon ou un mélange des deux. Une enceinte étanche assure le confinement des gaz actifs dans la zone de dépôt pour éviter les émissions polluantes dans l'atmosphère de l'atelier de fabrication. Le système est également muni d'un système de dépollution des gaz usés avant remise à l'atmosphère. Les automatismes de contrôle permettent d'assurer la traçabilité des caractéristiques de mouillage de chaque lot fabriqué, en fonction de sa destination dans le module ou dans la colonne.

Le dépôt de couche mince peut être effectué sur la tôle d'alu lisse avant emboutissage, ce qui pose le problème du maintien de son intégrité au cours de cette dernière opération, mais il peut aussi être effectué en aval de l'emboutissage. Dans ce cas, il peut être nécessaire de procéder avant le dépôt proprement dit à un nettoyage de la surface pour assurer une bonne adhésion de la couche qui va subir de fortes sollicitations thermiques différentielles en service. Ce traitement peut consister avantageusement en l'application d'un plasma réducteur avec un gaz de départ contenant de l'hydrogène ou de la vapeur d'eau. Les Figures 4A et 4B montrent des lamelles de garnissage différentes traités par le procédé de l'invention. Dans la Figure 4A les ondulations traversent la lamelle de manière classique formant un angle constant avec les bords de la lamelle. Dans ce cas, soit la zone supérieure B soit la zone inférieure B' ou les deux sont traités selon un procédé selon l'invention pour réduire le mouillage de leurs surfaces.

La zone centrale A peut également être traité selon un procédé décrit ci-dessus pour en augmenter le mouillage. La Figure 4B montre un garnissage à bords modifiés où l'angle des ondulations s'approche de la verticale vers les bords inférieur et supérieur du module. Ainsi dans les zones B,B' l'angle d'ondulation s'approche de 90° à l'horizontale alors que dans la zone A, l'angle formé est vers 45°. Dans ce cas soit la zone supérieure B soit la zone inférieure B' ou les deux sont traitées selon un procédé selon l'invention pour réduire le mouillage de leurs surfaces.

La zone centrale A peut également être traitée selon un procédé décrit ci- dessus pour en augmenter le mouillage. Pour les zones où le mouillage est augmenté, il est également possible d'augmenter le temps de contact gaz-liquide dans ces zones, par d'autres moyens connus.

Pour les zones où le mouillage est réduit, il est également possible de réduire le temps de contact gaz-liquide dans ces zones, par d'autres moyens connus. Les hauteurs relatives des zones A, B, B' peuvent varier mais en général, les zones B et B' comprennent entre 2 et 20 % de la hauteur de la lamelle et la zone centrale A comprend entre 60 et 96 % de la hauteur de la lamelle.

Claims (24)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un module de transfert de matière et/ou de chaleur, le dispositif comprenant un empilage de lamelles ondulées croisées dans lequel on réduit le mouillage de la surface des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B').
2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage en polissant la surface des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B').
3. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage en assurant un traitement chimique des surfaces des lamelles dans au moins une zone du module (A,B,B').
4. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la zone (A,B,B') est trempée dans un bain chimique ou arrosé par une solution.
5. 5. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réduit le mouillage 20 en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique.
6. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la décharge 25 électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro- ondes.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage d'au moins une zone (A,B,B') de la lamelle avant ou 30 après pliage.15
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage dans au moins une des zones (B,B') d'interface basse et haute du module.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage uniquement dans une ou deux zones (A,B,B') du module.
10. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on augmente le mouillage de la surface des lamelles du module dans au moins une zone (A,B,B') du module.
11. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on augmente le mouillage dans la zone centrale du module (A).
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel on augmente le mouillage en trempant la lamelle dans un bain de liquide ou en l'arrosant avec une solution.
13. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel on augmente le mouillage en assurant un traitement physique et/ou chimique à partir d'une atmosphère gazeuse réactive excitée par une décharge électrique, en particulier une décharge électrique à pression atmosphérique.
14. 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel la décharge électrique étant du type couronne, à barrière diélectrique (DBD) ou micro-ondes.
15. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réduit le mouillage d'au moins une zone (A,B,B') du module selon un gradient de propriétés de l'atmosphère plasma à travers le module.
16. 16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel on varie le long du module la concentration des gaz injectés et/ou densité et température électronique du plasma.
17. 17. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les changements de propriétés de mouillage sont progressifs entre deux zones contiguës (A,B,B').
18. 18. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la 10 modification de mouillage est combinée à au moins une modification de géométrie, de densité et de matériau de la zone (A,B,B').
19. 19. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les lamelles sont en aluminium.
20. 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel les lamelles sont en cuivre.
21. 21. Module de garnissage traité selon un des procédés des 20 revendications précédentes.
22. 22. Module selon la revendication 21 ayant une zone centrale et deux zones extérieures, dont au moins une zone extérieure est traitée selon un des procédés des revendications 1 à 20.
23. 23. Colonne équipée d'au moins un module de garnissage selon la revendication 21 ou 22.
24. 24. Colonne de distillation de gaz de l'air selon la revendication 23. 15 25 30