Les faits à portée de main : plateaux de distillation et emballage

Jul 09, 2023

1er mars 2020 | Par Scott Jenkins

Les colonnes de distillation industrielles utilisent des plateaux ou des garnissages pour favoriser le contact vapeur-liquide lors de la séparation des composants des mélanges liquides jusqu'à la pureté souhaitée. Environ la moitié des colonnes sont globalement équipées de plateaux et l'autre moitié contient des garnissages. Cette référence d'une page passe en revue les différences entre les deux et les situations de processus qui se prêtent à l'une ou l'autre.

Lorsqu'un mélange liquide est chauffé dans une colonne de distillation industrielle, la vapeur générée est plus concentrée dans la matière à point d'ébullition inférieur (plus volatile), tandis que le liquide est plus concentré dans la matière à point d'ébullition plus élevé. En exploitant ce principe, les colonnes de distillation peuvent séparer les composants des mélanges. Des piles de plateaux métalliques, orientés horizontalement à l'intérieur de la colonne, sont conçus pour retenir le liquide pendant que la vapeur montante s'écoule vers le haut. Les plateaux ont des ouvertures pour permettre à la vapeur de s'écouler vers le haut à travers la colonne, ainsi que des conduits (descendants) pour permettre au liquide condensé de s'écouler vers le bas (Figure). Le plateau est conçu pour favoriser un contact intime entre la vapeur montante et le liquide descendant. Chaque plateau effectue une partie de la séparation avant que la vapeur et le liquide ne passent au plateau suivant dans la colonne jusqu'à ce que les concentrations (pures) souhaitées soient atteintes. Les types courants de plateaux comprennent les plateaux à bouchons à bulles, les plateaux à valves et les plateaux à tamis.

Plutôt qu'une pile de plateaux discrets assurant un contact vapeur-liquide, les colonnes de distillation facilitent le contact liquide-vapeur en remplissant l'intérieur de la colonne avec des matériaux de remplissage conçus pour fournir une grande surface par unité de volume. Lorsque la phase liquide traverse la tour, la vapeur et le liquide sont en contact continu sur les surfaces du garnissage métallique, céramique ou plastique. Les tours garnies se présentent généralement sous l'une des deux formes suivantes : le conditionnement aléatoire et le conditionnement structuré. L'emballage aléatoire se compose de petites unités de formes de grande surface qui sont déversées dans une colonne et laissées se déposer. L'emballage structuré est constitué de feuilles ondulées de métal perforé, de plastique ou de toile métallique et est fixé en place. L'emballage structuré est conçu avec des rapports surface/volume élevés et pour maximiser la propagation du liquide. En même temps, ils essaient de maintenir une faible résistance à l’écoulement. Les tours à garnissage aléatoire et les tours à garnissage structuré nécessitent des distributeurs de liquide en haut de la colonne et des plaques de support de garnissage au bas de la colonne.

Les colonnes à plateaux et les colonnes à garnissage présentent des avantages et des inconvénients clés, notamment les suivants :

La chute de pression. Par rapport aux plateaux, le plus grand avantage associé aux garnitures réside dans la réduction des pertes de charge. Cela est particulièrement vrai pour les colonnes fonctionnant à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Généralement, la chute de pression à travers un lit de garnissage structuré est d'environ un sixième de celle à travers une pile de plateaux ayant la même hauteur totale.

Haute pression. Il existe des situations où le conditionnement est moins applicable, comme dans les colonnes de distillation à haute pression, où les produits purs sont ciblés. Les plateaux fonctionnent mieux dans ces cas, et de manière beaucoup plus prévisible, dans les colonnes où les rapports volumétriques liquide/vapeur sont élevés.

Encrassement. L'encrassement est un défi pour tous les types de colonnes. Avec les plateaux, les pièces peuvent se boucher et perdre leur capacité à laisser passer le liquide ou la vapeur. Avec les emballages, les distributeurs de liquide peuvent se boucher, rendant la distribution sous-optimale. Les garnitures structurées sont beaucoup plus sujettes à l'encrassement que les garnitures aléatoires, car les tôles des garnitures structurées sont étroitement espacées.

Refontes. Au fil du temps, les fournisseurs développant de nouvelles géométries de barquettes et d’emballage ont amélioré les performances de ces produits. Les nouvelles générations de plateaux, de garnissages aléatoires et de garnissages structurés ont permis, parfois, d'améliorer sensiblement les performances des colonnes avec des remaniements de colonnes relativement aisés. Lorsque les barquettes remplacent les emballages, c'est généralement parce que les performances de l'emballage ont été décevantes. Lorsque l’emballage remplace les plateaux, c’est généralement dans le but de réduire les pertes de charge.