Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
5i~
La présente invention est relative à la vaporisation
d'un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide au
moyen d'un échangeur de chaleur du type à plaques verticales.
Elle s'applique en particulier aux installations de distilla-
tion de l'air.
Dans les installations de distillation de l'air du
type à double colonne, l'oxygène liquide qui se trouve en cuve
de la colonne basse pression est vaporisé par échange de cha-
leur avec l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne
pression. Pour une pression de fonctionnement donnée de la
colonne basse pression, l'écart de température entre l'oxygène
et l'azote rendu nécessaire par la structure de l'échangeur de
chaleur impose la pression de fonctionnement de la colonne
moyenne pression. Il est donc souhaitable que cet écart de
température soit le plus faible possible, afin de minimiser
les dépenses liées à la compression de l'air à traiter injecté
dans la colonne moyenne pression.
Pour atteindre ce but, on a proposé d'alimenter
l'échangeur de chaleur en oxygène liquide par le haut, en
assurant le ruissellement de ce liquide le long de tubes de
grande longueur (jusqu'à 6 m environ).
Des performances remarquables ont ainsi été obtenues
du point de vue de l'échange de chaleur, mais ceci au prix de
sérieuses dif~icultés technologiques. En effet, notamment
lorsque des débits d'oxygène importants doivent 8tre traités,
il se pose des problèmes de réalisation d'une multitude de
longs tubes résistant à la pression extérieure de l'azote,
ainsi que d'autres problèmes liés à la présence de plaques
d'extrémité en acier inoxydable de forte épaisseur.
L'invention a pour but de ~ournir des moyens pour
~Z'~27
obtenlr des performances d'échange de cha~eur au moins aussi
bonnes mais de fa,con plus fiable et plus économique.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé
pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un
deuxième fluide au moyen d'un échangeur de chaleur comprenant
un corps parallélépipédique formé d'un assemblage de plaques
verticales parallèles dé~inissant entre elles une multitude
de passages plats, procédé du type dans lequel on envoie le
liquide dans un premier ensemble de passages et le deuxième
fluide dans les passages restants, caractérisé en ce qu'on
distribue le liquide en deux stades à l'extrémité supérieure
des passages dudit premier ensemble, sur toute la longueur
horizontale de ceux-ci, les deux stades comprenant une pré-
distribution grossière du liquide sur toute la longueur des
passages dudit premier ensemble, puis une distribution fine
sur toute la longueur de ces passages du liquide ainsi pré-
distribué. De préférence, le débit de liquide est adapté
pour assurer en permanence la présence d'un film liquide sur
pratiquement toute l'étendue de toutes les parois contenues
dans chacun des passages dudit premier ensemble.
L'invention a également pour objet un échangeur de
chaleur destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cet
échangeur est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de
prédistribution du liquide débouchant sur des moyens de distri-
bution fine du liquide disposés à l'extrémité supérieure de
chacun des passages dudit premier ensemble.
Dans un mode de réalisation particulièrement efficace
de l'échangeur suivant l'invention, les moyens de prédistri-
bution comprennent des ouvertures, notamment une rangée hori-
zontale de trous, et des moyens de retenue pour former un bain
56Z17
de liquide au-dessus de ces ouvertures' lesdits moyens de
distribution fine peuvent comprendre un garnissage, ~u bien,
lorsque lesdites ouvertures sont ménagées dans les plaques
de l'échangeur, une surface d'étalement des jets de liquide
sortant de ces ouvertures.
L'invention a encore pour objet une installation de
distillation d'air du type à double colonne, dans laquelle
le liquide de cuve de la colonne moyenne pression est mis en
relation d'échange thermique avecle gaz de tête de la colonne
basse pression au moyen d'un échangeur de chaleur tel que
défini ci-dessus, cette installation comprenant des moyens
d'alimentation pour fournir le liquide auxdits moyens de
prédistribution, et des moyens d'alimentation en gaz des
passages dudit deuxième ensemble.
Plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés.
Sur ces dessins:
- la Figure 1 est un schéma partiel d'une installa-
tion de distillation d'air conforme à l'invention,
- la Figure 2 est une vue schématique partielle en
perspective, avec arrachement, d'un échangeur de chaleur
équipant l'installation de la Figure l;
- la Figure 3 est une vue analogue d'une variante de
l'échangeur de chaleur de la Figure 2,
- les Figures 4 et 5 représentent respectivement en
perspective deux variantes d'un détail de l'échangeur de la
figure 2,
- la Figure 6 est une vue partielle en perspective,
avec arrachement, d'un autre échangeur de chaleur conforme
à l'invention:
- la Figure 7 est une vue schématique en coupe d'une
-- 3 --
56;~7
partie d'un échangeur de chaleur suivant un autre mode de
réalisation de l'invention; et
- la Figure 8 est une vue analogue d'une variante
de l'échangeur de la Figure 7.
Dans les différents modes de réalisation qui vont
être décrits ci-dessous, on désignera par les mêmes réfé-
rences les éléments identiques ou correspondants.
La Figure 1 illustre une possibilité d'implantation
d'un échangeur de chaleur oxygène-aæote dans une installation
de distillation d'air du type à double colonne. Cette instal-
lation comprend une colonne moyenne pression 1 au bas de
laquelle est injecté l'air à traiter, sous une pression de
l'ordre de 6 bars absolus. Le liquide enrichi en oxygène
qui est recueilli en cuve de la colonne 1 est envoyé en re~lux
au milieu de la hauteur d'une deuxième colonne tnon repré-
sentée), dite colonne basse pression, qui fonctionne légère-
ment au-dessus de la pression atmosphérique. L'azote gazeux
qui se trouve en tête de la colonne 1 est mis en relation
d'échange de chaleur avec l'oxygène liquide recueilli en
cuve de la colonne basse pression, l'azote condensé résultant
sert de reflux dans la colonne 1 et dans la colonne basse
pression, tandis que l'oxygène vaporisé résultant est renvoyé
au bas de la colonne basse pression.
L'échange de chaleur entre l'oxygène et l'azote
s'opère dans un échangeur 2 qui est monté au-dessus de la
colonne 1, tandis que la colonne basse pression est juxtaposée
à cette dernière.
L'échangeur 2 est constitué d'une enveloppe étanche
3 dont 1'essentiel de la hauteur contient un ense~ble de
plaques parallèles 4 de ~orme rectangulaire en aluminium, d'une
~5(~q~
longueur de l'ordre de 1 à 1,5 m et d'une hauteur de l'ordre
de 3 à 6 m, entre lesquelles des ondes également en aluminium
sont fixées par hrasage.
L'espace situé au-dessus aes plaques 4 ren~erme un
bain d'oxygène liquide 5 alimenté par une conduite 6 provenant
de la cuve de la colonne basse pression et munie d'une pompe
(non représentée). Cette dernière peut être commandée par un
régulateur du niveau du bain 5, que l'on a schématisé par un
tube 6A de mesure de niveau, ou, en variante, par un régula-
teur de débit. Au sommet de l'échangeur 2 est prévue uneconduite 7 de renvoi au bas de la colonne basse pression de
l'oxygène vaporisé au-dessus du bain 5, résultant des entrées
de chaleur au niveau de la pompe et des tuyauteries.
L'ensemble de plaques 4 est alimenté à sa partie
supérieure en azote gazeux par une boîte d'alimentation hori-
zontale 8 qui communique par une co~duite 9 avec la tête de la
colonne moyenne pression 1. L'évacuation de l'azote condensé
s'effectue à la base des plaques 4 par une bo;te collectrice
horizontale 10 qui communique par une conduite ~1 avec une
rigole gardée 12 disposée en tête de la colonne 1. Sur la
boîte 10 est piqué un tuyau 13 d'évacuation des ~az rares
incondensables.
Une conduite 14 relie la cuve de la colonne basse
pression à l'espace situé dans l'enveloppe 3 au-dessous des
plaques 4. Cette conduite pénètre verticalement dans cet
espace par le point bas de l'enveloppe 3, et son extrémité
supérieure est surmontée d'un déflecteur conique 15. Du
fond de l'enveloppe 3 part également une conduite 16 destinée
à ramener en cuve dë la colonne basse pression l'oxygène
liquide en exces.
~4L5~
La structure de la partie active de l'échangeur 2,
c'est-à-dire de l'ensemble de plaques 4, va maintenant être
décrite en regard de la Figure 2.
Dans cette région de l'échangeur, l'enveloppe 3 a
une forme parallélépipédique. Les plaques 4 définissent une
multitude de passages destinés alternativement à l'écoulement
de l'oxygène (passages 17) et à l'écoulement de l'azote
(passages 18). Sur la majeure partie de leur hauteur, les
passages 17 et 18 contiennent chacun une onde 19 constituée
d'une tôle d'aluminium per~orée ondulée a génératrices
verticales.
Les ondes 19 des passages d'azote se terminent, en
haut comme en bast avant les ondes 19 des passages d'oxygène.
En bas des plaques 4, ces ondes des passages 18 sont prolon-
gées par des ondes obliques de collection d'azote (non
représentées) qui aboutissent à l'entrée de la boîte collec-
trice 10. A leur extrémité supérieure, ces mêmes ondes 19
sont prolongées par des ondes obliques 20 de distribution
d'azote qui débouchent à la sortie de la boîte d'alimentation
8. Au-dessus des ondes 20, les passages 18 dlazote sont fer-
més par des barres horizontales 21. Des barres analogues
ferment l'extrémité inférieure des passages d'azote au-
dessous des zones de collection de l'azote. Au-dessus des
barres 21, chaque passage d'azote comporte un réservoir
dloxygène liquide 22 contenant une onde verticale 23 en tôle
d'aluminium perforée, à génératrices verticales, dont l'épais-
seur et le pas sont nettement supérieurs à ceux des ondes 19.
Les ondes 23 ont uniquement une ~onction d'entretoises entre
les plaques 4, de façon à permettre l'assemblage de l'échan-
geur par une unique opération de brasage. Les réservoirs 22
sont ouverts vers le haut pour communiquer avec le bain
d'oxygène liquide S. Les ondes l9 des passages d'oxygène
17 s'étendent vers le bas jusqu'à l'extrémité inférieure
des pla~ues 4, de sorte que ces passages sont ouverts vers
le bas. Ces ondes s'~tendent vers le haut jusqu'au bord
supérieur des barres 21, puis sont prolongées par un garnissage
24. Ce dernier est constitué par une onde du type "serrated"
qui est illustrée plus en détail sur la Figure 6.
Comme on le voit sur cette Eigure 6, l'onde 24 est
une tôle d'aluminium non perforée à génératrices horizontales
(disposition dite en "hard way" par rapport à l'écoulement de
l'oxygène liquide). A intervalles réguliers, chaque facette
horizontale ou pseudo-horizontale 25 de l'onde 24 est pourvue
d'un crevé 26 décalé vers le haut d'un quart de pas d'onde.
La largeur des crevés26, mesurée le long dlune génératrice
de l'onde, est du même ordre que la distance qui sépare
chacun d'eux des deux crevés adjacents situés sur la même
facette 25.
En revenant à la Figure 2, chaque plaque 4 comporte,
au-dessus du garnissage 24, une rangée horizontale de trous 27
disposés à intervalle régulier sur toute la longueur de
l'échangeur, les trous des plaques successives étant disposés
à la meme hauteur mais en quinconce~ En variante, ces trous
pourraient d'ailleurs être prévus seulement dans une plaque
sur deux. Juste au-dessus de ces trous, les passages d'oxy-
gène sont ~ermés par des barres horizontales 28, disposées
à l'extrémité supérieure des plaques 4. Pour éviter le risque
d'obstruction de certains trous 27 par des ondes 23, celles-ci
sont interrompues sur une courte hauteur au niveau desdits
trous.
En fonctionnement, le dispositif de régulation de
la pompe d'alimentation de l'échangeur 2 en oxygène liquide
maintient au-dessus des plaques 4 un niveau du bain 5 suffi-
sant pour vaincre les diverses pertes de charge qui s'opposent
à l'écoulement de l'oxygène. La hauteur d'oxygène liquide au-
dessus des plaques 4 est par exemple de l'ordre de 20 cm.
L'oxygène liquide remplit les réservoirs 22 et passe
par les trous 27, à ~m débit défini par la section de passage
de ces derniers et par la hauteur de liquide qui le surmonte.
Comme cette hauteur est constante en régime établi, le débit
d'oxygène liquide est celui fourni par la pompe de remontée
de ce liquide. Les trous 27 assurent donc une prédistribution
grossière de l'oxygène liquide tout le long de~ passages 17,
et l'oxygène liquide ainsi prédistribué parvient sur le
garnissage 24, lequel en assure une distribution fine sur toute
la longueur de chaque passage 17. L'oxygène liquide aborde
ainsi les ondes 19 en ruisselant de facon parfaitement uni-
forme sur toutes les parois ~ondes l9 et plaques 4) des passa-
ges qui lui sont afectés, c'est-à-dire en formant sur ces
parois un film continu descendan-t.
En meme temps, l'azote gazeux parvient dans l'échan-
geur par la boîte 8 et les ondes de distribution 20, puis
s'écoule vers le bas le long des passages 18. Ce faisant, il
cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se
trouve dans les passages adjacents 17, de sorte que l'oxygène
se vaporise et que, simultanément, l'azote se condense.
L'azote condensé est recueilli dans la boîte lO et
s'écoule dans la conduite 11 jusque dans la rigole 12.
Lorsque la hauteur d'azote liquide dans la conduite ll est
suffisante pour vaincre la pression qui règne dans la colonne
-- ~3 --
moyenne pression 1, ce liquide déborde de la rigole et tombe
en re~lux dans la colonne moyenne pression après qu'une
partie ait été prélevée par une conduite llA pour a~surer le
reflux de la colonne basse pression. Il se crée ainsi une
aspiration dans les passages 17, ce qui assure la circulation
de l'azote.
Le débit d'oxygène liquide est réglé de façon à
garantir un excès d'oxygène liquide sur toute la hauteur des
plaques 4. En effet, une vaporisation totale de l'oxygène
dans une région des passages 17 conduirait à cet emplacement
à une concentration de l'acétylène dissous dans l'oxygène
liquide, ce qui pourrait provoquer une explosion locale.
Indépendamment de ce risque d'explosion, il en résulterait
aussi une baisse de performance de l'échangeur par neutrali-
sation de la surface non mouillée. Ce risque est limité grâce
à la grande ef~icacité de la distribution fine assurée par
le garnissage 24. Cependant, par sécurité, on préfère tra-
vailler avec un excès d'oxygène liquide, généralement du
même ordre que le débit d'oxygène vaporisé.
Par conséquent, un mélange diphasique oxygène
gazeux-oxygène liquide sort par l'extrémité inférieure des
passages 17, ce mélange se sépare dans la partie inférieure
de l'enveloppe 3, les phases liquide et vapeur retournant
respectivement à la cuve de la colonne basse pression
par les conduites 16 et 14.
La ~emanderesse a constaté qu'un tel échangeur
peut fonctionner de facon parfaitement fiable avec un écart
de température très faible, et l'ordre de 0,5C, entre
l'azote et l'oxygène, ce qui permet par conséquent de
comprimer l'air entrant dans l'installation de distillation
dans des conditions très économiques.
'12~L~6~
Dans le mode de réalisation de la figure 2, on voit
que la distribution de l'oxygène liquide est entièrement réa-
lisée lorsque le fluide arrive dans la zone d'échange de cha-
leur avec l'azote. Dans la variante de la Figure 3, au
contraire, l'oxygène est mis en relation d'échange thermique
avec l'azote dès le début de l'opération de distribution fine.
Pour cela, les barres 21 qui limitent supérieurement
les passages 18 sont disposées à l'extrémité supérieure des
plaques 4, comme les barres 28. De plus, les trous 27 sont
supprimés et remplacés par des trous verticaux 29 percés
à intervalles réguliers dans les barres 28, tout le long de
celles-ci.
Dans cette variante, l'oxygène liquide du bain 5
s'écoule par les trous 29, à un débit correspondant à celui
de la pompe de remontée de l'oxygène liquide, et est ainsi
prédistribué sur toute la longueur des passages 17; ~es
liquides tombent alors sur le garnissage 24 situé juste au-
dessous (ce garnissage a été représenté très schématiquement
sur la Figure 3). Comme précédemment, le garnissage 24
assure une distribution fine uniforme de l'oxygène liquide
sur toute la longueur des passages 17, et ce liquide ruisselle
ensuite le long des ondes 19 et des parois 4 correspondantes.
L'échange de chaleur entre l'oxygène et l'azote commence
pendant le passage de l'oxygène liquide à travers les garnis-
sages 24, lesquels se trouvent au même niveau que les ondes 20
de distribution de l'azote gazeux.
Comme illustré à la Figure 4, les trous 29 des
barres 28, au lieu d'être d'un diamètre constant sur toute
la hauteur de ces barres, peuvent avoir un diamètre élaxgi
dans la plus grande partie de leur hauteur par un contre-
alésage 29A réalisé à partir du bas.
-- 10 --
i27
I,a Figure 5 montre que des trous analogues peuvent
également atre obtenus par perforation de l'âme supérieure 30
de profilés en U constituant les barres 28. L'avantage de ces
deux réalisations réside dans le ~ait que la partie utile des
trous 29, qui définit la section de passage de l'oxygène
liquide, est de courte longueur et donc moins sujette à
l'apparition de bouchages ou de vaporisation indésirable.
Dans les échangeurs de chaleur des Figures 2 et 3,
l'oxygène vaporisé s'évacue par le bas en meme temps que
l'oxygène liquide en excès. Dans le modè de réalisation de
la Figure 6, au contraire, l'oxygène vaporisé est libre de
s'évacuer à la fois par le haut et par le bas.
L'échangeur de la Figure 6 est ide~tique à celui
de la Figure 2 du bas des plaques 4 jusqu'au niveau du bord
supérieur des barres 21 qui limitent supérieurement les
passages d'azote 18.
Juste au-dessus de ces barres 21, chaque plaque 4
comporte une rangée horizontale de trous 31. Au-dessus de
ceux-ci, les plaques 4 s'étendent sur une hauteur importante,
jusqu'à un niveau supérieur à celui de la surface libre du
bain 5 d'oxygène liquide. Dans les intervalles situés au-
dessus des barres 21 sont disposées des ondes - en-tretoises 32
à génégatrices verticales analogues aux ondes 23 de la Figure
2. Dans les intervalles restants, un espace libre 33 est
prévu au niveau des trous 31, au-dessus des ondes l9, et cet
espace est surmonté, de bas en haut par le garnissage 24
précédemment décrit, par une barre 28 à trous 29 analogue à
celles de la Figure 3, et par une onde - entretoise 34 analogue
aux ondes 32 mais à~génératrices horizontales.
L'alimentation du bain 5 s'effectue latéralement par
~s~
une bo;-te d'alimentation 35 située au-dessus de la boîte 8
et débouchant dans les espaces occupés par les ondes 34.
Pour cela, les barres 36 qui ferment de ce côté les passages
17 d'oxygène ne s'étendent vers le haut que jusqu'au niveau
du bord supérieur des barres 28.
En fonctionnement, on maintient dans la boite 35
un niveau d'oxygène liquide constant approprié. Le bain 5
surmonte les barres 2~ et, comme à :La Figure 1, l'oxygène
liquide s'écoule par les trous 29 dans le garnissage 24,
qui le distribue uniformément de façon fine, puis ruisselle
dans les passages 17 en échange de chaleur avec l'azote
contenu dans les passages 18. L'oxygène vaporisé peut s'éva-
cuer soit vers le bas, comme précédemment, soit vers le haut
en passant par les trous 31 et les espaces contenant les ondes
32, comme indiqué par des flèches sur la Figure 6.
Dans ce mode de réalisation, on peut également,
en variante, fermer les passages 17 à leur extrémité inférieure
et recueillir l'oxygène liquide au moyen d'une onde oblique de
collection et d'une boite collectrice horizontale reliée par
une conduite au bain d'oxygène liquiae situé en cuve de la
colonne basse pression. Dans ce cas, la totalité de l'oxygène
vaporisé sort de l'échangeur par le haut, de la façon décrite
ci-dessus~
L'échangeur de chaleur illustré à la figure 7 ne
diffère de celui de la Figure 2 que par la manière dont
l'oxygène est distribué et évacué. En effet, dans chaque
passage 17, le garnissage 24 est supprimé, les jets d'oxygène
liquide 37 sortant des trous 27 frappent la plaque 4 en regard
et slétalent sur ce~le-ci. L'espacement et le diamètre de ces
trous sont choisis de manière que les nappes d'allure para-
bolique ainsi formées se rejoignent en une nappe contlnue
- 12 -
5~i~7
un peu au-dessus des ondes d'échange thermique 19. Ainsi, la
prédistribution de ]loxygène est encore assurée par les trous
27, tandis que sa distribution Eine est assurée par les plaques
4 elles-mêmes.
Ce mode de distribution est particulièrement simple
et présente l'avantage de ne pas créer d'obstacle impo~tant à
l'évacuation de l'oxygène vaporisé par le haut des passages 17,
comme représenté. L'extrémité inférieure des passages 17 peut
alors être soit obturée et pourvue de moyens de collection de
l'excès d'oxygène liquide, soit ouverte pour laisser également
à 1'oxygène gazeux la possibilité de s'évacuer par le bas.
Pour améliorer l'étalement des jets d'oxygène
liquide sur la plaque 4, on peut modifier localement l'état
de surface de celle-ci, en particulier par striage, de préfé-
rence horizontal, etJou prévoir un obstacle horizontal 38 en
saillie sur cette plaque au-dessus des jets, comme représenté
en trait interrompu. L'amélioration de l'étalement des jets
permet, pour un débit donné, d'utiliser des trous 27 plus
grands en plus petit nombre, ce qui réduit le risque de
bouchage de ces trous par des particules en suspension dans
le liquide.
En variante (Figure 8), les zones d'étalement des
jets peuvent être prévues sur des plaques supplémentaires 39
accolées aux plaques 4.
La région de l'échangeur située au-dessus des barres
21 ne nécessite aucune onde. Pour 1'assemblage de 1'échangeur
par brasage, on peut disposer dans cette région, entre les
plaques 4, des ca:Les d'épaisseur que l'on retire ensuite, les
plaques 39 étant évëntuellement rapportées ultérieurement. En
variante, comme représenté, on peut utiliser comme entretoises
des ondes 23 en tole forte et à grand pas, ces ondes étant
- 13 -
~5~
interrompues au niveau des trous 27 et dans les zones d'étale-
ment des jets. A la Figure 8, on a représenté dans les
passages 17 Ime onde 23 en deux parties, respectivement au-
dessus et au-dessous des trous 27, avec une zone striée 40
en regard de ces trous et une autre zone striée 41 entre
l'onde 23 et l'onde 19. Cette Figure 8 montre par ailleurs
que de telles ondes 23 permettent la mise en place simultanée
des plaques supplémentaires 39.
En variante, on peut prévoir des trous 27 dans toutes
les plaques 4, avec bien entendu un décalage convenable, afin
d'alimenter chaque passage 17 avec deux nappes d'oxygène
liquide.
Dans chaque mode de réalisation de l'échangeur
suivant l'invention, le circuit d'azote est classique. On
peut donc le remplacer par d'autres types connus de circuits
d'azote, nota~ment par ceux décrits dans le brevet FR.
78.20.757 de la Demanderesse.
Par ailleurs, un ou plusieurs échangeurs de
chaleur suivant l'invention peuvent être installés à l'inté-
rieur d'une double colonne de distillation d'air dont lacolonne basse pression est superposée à la colonne moyenne
pression.
