Brevet FR2008887A1 — publié le 19700130

la présente invention concerne un échangeur de chaleur avec un effet de rectification. Plus particulièrement, elle concerne un évaporateur à condensation partielle construit avec des ailettes et des plaques jointes les unes aux autres dans lesquelles 5 deux fluides (par exemple gaz et gaz, gaz et liquide, gaz et gaz-liquide) de températures différentes circulent en sens inverse et au moins le fluide de température plus élevée subit un changement de phase avec une rectification dans le processus d'échange de chaleur. 10 Pour la séparation et la récupération d'un gaz (par exemple de l'hydrogène) depuis son mélange avec un autre gaz (par exemple un gaz de purge dans la synthèse de l'ammoniaque, un gaz de sortie dans la purification du pétrole, un gaz de four à coke), on a largement adopté un échangeur de chaleur accomplis-15 sant un échange de chaleur, parce qu'un tel appareil est économiquement avantageux à l'échelle industrielle et peut permettre au gaz désiré/une pureté plus élevée en comparaison avec des appareils utilisant l'absorption ou la diffusion. Dans 1'échangeur de chaleur connu, la séparation et la ré-20 cupération d'un gaz depuis son mélange avec n'importe quel autre gaz est ordinairement accomplie sur la différence dans la volatilité de chaque composant constituant le mélange gazeux, c'est-à-dire en condensant et en séparant les composants autres que le gaz désiré, mais aucun effet de rectification sur le produit de 25 condensation n'est attendu. Afin de rectifier le produit de condensation, un appareil de rectification séparé est ainsi nécessité pour être utilisé en relation avec 1'échangeur de chaleur. Un des principaux objets de la présente invention est de réaliser un échangeur de chaleur ayant.la même structure fonda-30 mentale que les échangeurs de chaleur classiques et accomplissant la condensation partielle d'un mélange gazeux aussi bien que la rectification du produit de condensation résultant sans aucun équipement supplémentaire. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un échangeur de chaleur de type com-35 pact qui puisse accomplir la condensation partielle d'un mélange de gaz avec la rectification du condensé résultant. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un échangeur de chaleur pour le traitement continu d'un mélange gazeux avec line grande efficacité de séparation et de rectifica-40 tion. "On autre objet de la présente invention est de réaliser un 69 16153 2 « 2008887 échangeur de chaleur fonctionnant sans abaissement de la limite de noyage dans le procédé de rectification. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un échangeur de chaleur convenant à la séparation économique et la 5 récupération de gaz légers de grande pureté, tels que l'hydrogène et l'hélium, depuis un mélange de gaz contenant de tels gaz, aussi bien que pour la rectification et la récupération de un ou plusieurs composants utiles de points d'ébullition élevés à des concentrations élevées depuis le produit de condènsation partielle 10 du mélange gazeux. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention, ainsi que d'autres avantages de celle-ci apparaîtront de la description suivante d'un exemple de réalisation préféré en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : 15 la figure 1 est une vue en perspective montrant les grandes lignes de la structure externe d'un échangeur de chaleur selon des caractéristiques de la présente invention. La figure 2 est une vue de côté partiellement en coupe, prise sur la ligne II-II de la figure 1, montrant le contour de la 20 combinaison d'un élément de transfert de chaleur pour le fluide à plus haute température avec un élément de transfert de chaleur pour le fluide à plus basse température. La figure 3 est une vue en coupe, prise sur la ligne III-III de la figure 1, représentant le contour de la structure intérieu-25 re de l'élément de transfert de chaleur pour le fluide à plus haute température» La figure .4 est une vue en coupe, prise sur la ligne TI-YI de la figure 1, montrant le contour de la structure intérieure de l'élément de transfert de chaleur pour le fluide à plus basse 30 température. La figure 5 est une vue en perspective, partiellement découpée de la partie de la moitié supérieure de 1'échangeur de chaleur, tel que représenté sur la figure 1. La figure 6 est une vue en perspective, partiellement décou-35 pée, de la partie de la moitié inférieure de 1'échangeur de chaleur, tel que représenté sur la figure 1. En se référant aux dessins, les lettres majuscules romaines représentant les principaux constituants d'un échangeur de chaleur selon des caractéristiques de la présente invention, les chiffres 40 représentent les éléments composant 1'échangeur de chaleur et les 69 16153 3 200888? lettres et chiffres identifient les mêmes éléments dans l'ensemble des figures ; 1'échangeur de chaleur comprend un élément de transfert de chaleur A pour le fluide à plus haute température et un élément de transfert de chaleur B pour le fluide à plus basse tem-5 pérature. Ainsi, la partie principale et essentielle de 1'échangeur de chaleur est constituée par plusieurs éléments A et B assemblés alternativement et de façon adjacente» Bien qu'une variété de combinaisons de deux fluides puisse être considérée pour les fluides s1 écoulant dans les éléments A 10 et B, la plus ordinaire est un fluide gazeux pour l'élément A et un fluide gazeux, liquide ou gaz-liquide pour l'élément B, et les descriptions suivantes sont faites dans un tel cas pour la commodité de la description» L'élément A comprend trois parties A1,A2 et A3, au-dessus 15 desquelles la partie B1' est prévue comme une partie de l'élément B, L'élément B comprend trois parties B1, B2 et B3. Dans chacune des parties, des ailettes sont disposées dans un arrangement convenable. et en des emplacements appropriés. Les éléments A et B sont séparés l'un de l'autre par des plaques J et sont liés avec 2o cLes cloisons K qui séparent chaque passage à partir de l'environnement et aussi un passage pour tin fluide d'un autre passage pour un fluide différent. Les plaques J et les cloisons K sont soudées de façon étanche à l'air et enferment des ailettes. Les cloisons K sont partiellement découpées pour former des passages 25 11 à 16 pouvant servir d'entrée de fluide ou de sortie de fluide qui sont en communication avec des boîtes distributrices de fluide 0 et D ou des boîtes collectrices de fluide E, F et G. On décrira maintenant en détails la construction de l'élément de transfert de chaleur A pour le fluide à plus haute tem-30 pérature. Cet élément A est divisé en trois parties, c'est-à-dire la partie A1 dans laquelle le fluide à plus haute température est introduit depuis la boîte C distributrice de fluide dans 1'échangeur de chaleur à travers le passage 11 et le liquide rectifié est séparé du fluide a qui est introduit ; la partie A2 35 dans laquelle le fluide provenant de la partie A1 est soumis à l'échange de chaleur et dans laquelle le liquide de condensation est rectifié ; et la partie A3 dans laquelle le fluide gazeux après séparation du liquide de condensation est guidé vers la boîte E collectrice de fluide à travers le passage 12. Au-dessus 40 de la partie A3, on prévoit la partie B1, qui est séparée de cette 69 16153 4 200888* partie A3 par la cloison K1, dans laquelle une partie du fluide à plus basse température b est introduite depuis la boite D distributrice de fluide dans 1'échangeur de chaleur au.travers du passage 13. 5 La partie A1 est, en outre, divisée en deux sections, à savoir les sections A11 et AI". Dans la section AT, une ailette 21 perforée est disposée près du passage 11 d'une manière telle que ses surfaces plates soient maintenues horizontales et que les deux côtés de ses parties relevées soient soudées avec les 10 plaques J, et aussi une ailette perforée 22 est prévue à la suite de l'ailette 21 de telle façon que ses surfaces plates soient inclinées avec leur partie montante partant du passage 11 et que les deux côtés de ses parties relevées soient soudés avec les plaques J. Dans la section AT1, située en-dessous de la section 15 AT, des ailettes 23 en forme de denture sont agencées de telle façon qu'elles soient disposées verticalement dans le sens de la largeur, les parties relevées de chacune d'elle étant décalées par rapport à celles des ailettes supérieures et inférieures qui sont disposées de façon adjacente l'une à l'autre et les deux cô-20 tés des parties relevées étant soudés avec les plaques J ; par suite le liquide de condensation s'écoule vers le bas. La partie la plus basse de la section A1'' est libre de façon que le liquide qui s'est écoulé vers le bas soit apte à être collecté et à être introduit dans la boîte F collectrice de fluidefau tra-25 vers du passage 14. Les ailettes 23 agencées dans la section AT' peuvent prendre alternativement une forme comme celle des ailettes 21 et 22 et non pas la forme en denture comme mentionnée ci-dessus. Dans ce cas, les surfaces plates des ailettes seront disposées verticalement. La partie A1 a pour rôle d'introduire 30 avec facilité le fluide a dans la partie A2 et de recueillir le liquide condensé et rectifié dans cette partie. La partie A2 située au-dessus de la partie A1 est divisée en plusieurs parties, par exemple en trois parties, à savoir une partie supérieure, line partie médiane et une partie inférieure 35 déterminées selon la pente des parties relevées des ailettes ondulées 24, 25 et 26., des ailettes en forme de denture, des ailettes perforées et des ailettes droites qui y sont agencées. Les ailettes 24, 25 et 26 sont disposées de manière adjacente et verticalement dans le sens de la largeur et les deux côtés 40 de leur partie relevée sont soudés sur les plaques J, les pentes 69 16153 5 2008887 des ailettes 24, 25 et 26 étant faibles à fortes, dans cette fin. Lorsque la pente des ailettes 24 est prise comme unité, les pentes respectives des ailettes 25 et 26 peuvent être par exemple deux et trois. Dans la partie A2, le fluide a s'écoulant de la 5 partie A1, circule vers le haut, une partie du fluide est condensée par échangé de chaleur avec le fluide b pour s'écouler vers le bas et la rectification est accomplie entre le liquide condensé s'écoulant vers le bas et le fluide circulant vers le haut. Cet agencement particulier des ailettes ayant différentes pentes 10 dans la partie A2 a pour effet d'effectuer la rectification avec une grande efficacité en empêchant que survienne le phénomène de noyage résultant du contact du liquide condensé s'écoulant vers le bas et du fluide circulant vers le haut et cet agencement peut être habituellement conçu de façon telle que le processus de rec--15 tification soit pratiqué avec environ 70 à 80 # de la limite de formation du noyage dans une partie quelconque de la partie A2, dans les conditions de fonctionnement. La partie A3, située au-dessus de la partie A2 sert à l'introduction facile du fluide gazeux après la séparation du liqui-20 de condensé dans le passage 12. Dans la partie A3, l'ailette 27 ayant la même structure que l'ailette 22 est soudée aux plaques J de telle façon que la surface plate de l'ailette soit incli-néè avec sa partie montante approchant du passage 12 et aussi de l'ailette 28 prévue près du passage 12 et ayant la même structure 25 que l'ailette 21 qui est soudée aux plaques J de telle façon que la surface plate de l'ailette soit maintenue horizontale» Au-dessus de la partie A3, la cloison K' est fixée de façon à diviser la partie B1', qui est une partie de l'élément B pour le fluide à plus basse température. La partie B1' est mise 30 en communication avec le passage 13 prévu à la partie la plus haute de l'élément A. Dans la partie de moitié supérieure de la partie B1', l'ailette 29 ayant la même constitution que l'ailette 21 est soudée aux plaques J de telle façon que sa surface plate soit inclinée en pente descendante à partir du passage 13. 35 Dans la demi partie inférieure, l'ailette 30 perforée est agencée avec une pente plus forte en comparaison de celle de l'ailette 29 de façon telle que sa surface plate soit disposée perpendiculairement et que ses parties relevées soient soudées aux plaques J. Sur les plaques J, un certain nombre de perforations 17 40 est prévue à des positions correspondant à la partie inférieure 69 16153 6 2008887 de la partie B1'„ Dans 1*échangeur de chaleur, tel que représenté, le passage 13 est disposé à une position un peu plus "basse que le passage 15 communiquant directement avec la partie B1 de l'élément B. 5 Lorsqu'un fluide de phases gaz-liquide, est utilisé comme fluide "b, ce fluide "b s'écoule dans la partie B1 * à travers le passage 13 et passe dans l'élément B par 1'intermédiaire des perforations 17. Puisque les perforations 17 sont en dimension et en nombre convenables de façon à maintenir une certaine profondeur du fluide 10 liquide, c'est-à-dire une certaine charge statique de pression, la quantité du fluide provenant de la partie B1' et allant dans l'élément B peut être rendue uniforme. On décrira maintenant en détail la construction de l'élément B. Cet élément B est divisé en trois parties, à savoir la partie 15 B1 dans laquelle le fluide b est introduit depuis la boîte D dans 1'échangeur de chaleur à travers le passage 15» la partie B2 dans laquelle le fluide s'écoulant vers le bas depuis la partie B1 est soumis à l'échange de chaleur, et la partie B3 dans laquelle le fluide après l'échange de chaleur est conduit à la 20 boîte collectrice de fluide G à travers le passage 16. La partie B1 est située à la partie supérieure de l'élément B et comporte, près du passage 15, l'ailette 31 ayant la même construction que l'ailette 21 et soudée aux plaques J, de façon telle que sa surface plate soit maintenue horizontalement et, 25 à l'écart du passage 15, l'ailette 32 étant construite comme i'ailette 31 et soudée aux plaques J de telle façon que sa surface plate soit inclinée en pente descente depuis le passage 15. La partie B2 située en-dessous de la partie B1 est la partie principale dans laquelle l'échange de chaleur entre le fluide 30 b et le fluide a est accompli et comporte les ailettes 33 ondulées ayant la même construction que les ailettes 24, 25 ou 26 pour former un nombre de chemins pour le fluide b. Sur les plaques J, les perforations 17 sont prévues à des positions correspondant à la partie supérieure de la partie B2 et le fluide en 35 phase liquide vient dans la partie B2 à.travers ces perforations 17, s'écoule vers le bas sur la surface des plaques J et des ailettes 32, est vaporisé par échange de chaleur avec le fluide provenant de l'élément A, et ensuite s'écoule vers le bas en même temps que le fluide gazeux provenant de la partie B1. 40 La partie B3 située en-dessous de la partie B2 sert à in 69 16153 2008887 troduire le fluide s'écoulant vers le bas dans la boîte G- et comporte l'ailette 34 ayant la même construction que l'ailette 31 et soudée aux plaques J, d'une telle façon que sa surface plate soit inclinée en pente descendante en s'approchant du passage 5 16 et aussi, près du passage 16, l'ailette 35 ayant la même construction que l'ailette 34 est soudée aux plaques J de telle façon que sa surface plate soit maintenue horizontale. Le fluide gazeux après l'achèvement de l'échange de chaleur dans la partie B2 augmente en quantité en s * écoulant vers le bas, 10 et les pentes des ailettes 33, 34 et 35 dans les parties B2 et B3 peuvent être conçues de façon convenable pour une telle augmentation. Dans 1'échangeur de chaleur, tel que représenté, chaque constituant des éléments A et B, telle que les ailettes, les 15 plaques J et les cloisons K,K' est fabriqué de manière usuelle en alliage d'aluminium et tous sont assemblés avec un agent de soudure pour alliage d'aluminium, pour former un ensemble. Le fonctionnement pratique de 1'échangeur de chaleur sera décrit ci-après en détail en prenant comme exemple l'application 20 au traitement du gaz de purge dans la synthèse de l'ammoniaque. Du gaz de purge à une pression de 135 atmosphère et à 275 à 279°K est détendu pour présenter une pression absolue de 40 atmosphères, et refroidi à environ 120°K, introduit dans la boîte C à travers la canalisation 36 et envoyé uniformément 25 à la partie A1 de chacun des éléments A. Le fluide s'écoulant dans la partie A1 est conduit par la partie A1' dans la partie A2. Dans la partie A2, le fluide est indirectement soumis à un échange de chaleur avec un fluide refroidissant s'écoulant en sens contraire dans l'élément B pour refroidir jusqu'à environ 30 65°K, et par suite la plus grande partie du méthane et de l'argon et un peu d'azote sont partiellement condensé. Le fluide obtenu élevé en concentration d'hydrogène atteint la partie A3 et est alors introduit dans la boîte E à travers le passage 12. A partie de la boîte E, le fluide peut être alimenté par la ca-35 nalisation 37 à tout autre échangeur de chaleur ou dispositif. Si nécessaire, une partie du fluide peut être détendue par une valve de détente de façon à produire un froid désiré et être utilisée comme fluide dans l'élément B. D'un autre côté, le liquide partiellement condensé dans la partie A2 s'écoule vers le 40 bas le long des ailettes 24, 25 et 26 pour être efficacement 69 16153 8 200888? en contact avec le fluide qui s'élève et par suite la rectification s'effectue. lorsque le liquide condensé atteint la partie la plus élevée de la partie Al, il est encore rectifié efficacement avec le flui-5 de provenant de la boîte C en permettant au produit de condensation contenant abondamment du méthane d'être à un point d'ébulli-tion élevé. Le produit de condensation s'écoulant vers le bas sur l'ailette 22 dans la partie A1' est dirigé pour s'écouler naturellement dans la direction du passage 11 le long de l'agencement 10 d'ailette 22 mais est repoussé par le fluide provenant du passage 11 vers la direction intérieure. En atteignant les perforations de l'ailette 22, le produit de condensation s'écoule vers le bas par gravité vers la partie A1", et pénètre dans la boite F à travers le passage 14. Grâce à l'agencement particulier de l'ailette 15 22 dans la partie A1', le fluide provenant du passage 11 repousse vers l'intérieur le liquide condensé et écoulé vers le bas et s'écoule vers le haut sans s'écouler dans la partie A1''. Puisque l'ailette 23 dans la partie A1" est construite perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide provenant du passage 20 11, le liquide condensé tombe facilement vers le bas dans la partie A1,f sans recevoir aucune influence du fluide introduit. Ainsi, la séparation du fluide et du liquide condensé est réalisée progressivement dans la partie A1. Le produit de condensation contenant abondamment des composants à point d'ébullition élevé pé-25 nètre dans la boîte F et est envoyé à une valve de détente, par l'intermédiaire de la canalisation 38, dans laquelle il est détendu avec production d'un froid désiré et utilisé comme fluide pour l'élément B. Le produit de condensation obtenu est un liquide rectifié contenant le composant à point d'ébullition élevé, 30 c'est-à-dire le méthane, et peut être utilisé comme produit industriel. Cependant, l'hydrogène de grande pureté ou tout autre milieu froid, classiquement employé dans des échangeurs de chaleur, peut être utilisé comme fluide pour l'élément B. Le fluide de l'élément B est introduit dans la boîte B par l'inter-35 médiaire de la canalisation 39 et s'écoule dans les parties B1 et B1' par les passages 13 et 15. Lorsqu'un fluide en phases gaz-liquide est utilisé, le composant gaz entre dans la partie B1 par le passage 15, et s'écoule vers le bas vers la partie B2, tandis que le composant liquide pénètre dans la partie ,B1' 40 par le passage 13, s'écoule dans la partie B2 par l'intermédiaire 69 16153 9 2008887 des perforations 17 et alors s'écoule vers le "bas avec le composant gaz sur la surface de la plaque J, et de ce fait l'efficacité d'échange de chaleur dans l'élément A est accrue„ Le fluide est rendu gazeux après l'accomplissement de l'échange de chaleur 5 dans: la partie 332, s'écoule dans la "boîte G par l'intermédiaire de la partie B3 et est récupéré ou abandonné par l'intermédiaire de la canalisation 40. Ainsi qu'on l'a compris de la description qui précède l'échan-geur de chaleur selon des caractéristiques de la présente inven-10 tion est avantageux pour accomplir non seulement la condensation d'un fluide gazeux mais également la rectification du produit de condensation résultant, avec une grande efficacité, sans appareil supplémentaire de rectification. Il est également avantageux qu'un tel échangeur de chaleur puisse être construit en faisant de lé-15 gères modifications dans la structure interne des échangeurs de chaleur classiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'hom-20 me de l'art. 69,1615;3 10 200888* ' REVENDICATIONS 1 - Echangeur de: chaleur comprenant la combinaison d'au moins un élément de transfert de chaleur pour un fluide à température plus élevée avec un élément de transfert de chaleur pour un flui- 5 de à plus basse température assemblés alternativement et de manière adjacénte, un nombre convenable d'ailettes de forme appropriée, comprises dans ces éléments de transfert de chaleur, où l'échange de chaleur est accompli entre le fluide à température plus élevée et le fluide à plus bassë température, le fluide à 10 température plus élevée changeant de phase pendant l'échange de chaleur, un agencement pour conférer à cet échangeur de chaleur la capacité de rectifier le produit de condensation depuis le fluide à température plus élevée et de récupérer le liquide rectifié, caractérisé en ce que les ailettes sont agencées dans 15 la partie inférieure de l'élément de transfert de chaleur pour le fluide à température plus élevée et disposées pour que le fluide à température plus élevée, pénétrant à partir d'un passage de cet élément, s'écoule vers le haut régulièrement en étant en contact avec le liquide condensé à partir de ce fluide à la partie 20 supérieure de cet élément et s'écoulant vers le bas, ce liquide condensé s'écoulant vers le bas au travers des ailettes et étant extrait à partir d'un passage prévu dans la partie la plus basse de cet élément, la rectification s'accomplissant pendant ce temps. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractéri-25 sé en ce que chacun des deux éléments de transfert de chaleur est construit de telle façon que les ailettes soient enfermées dans un volume libre de section rectangulaire formé par deux plaques opposées et assemblées entre elles par des cloisons, ces cloisons étant prévues avec des passages pour l'écoulement du fluide à 30 température plus élevée et du fluide à plus basse température. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de transfert de fluide à température plus, élevée comprend une partie pour la séparation du liquide condensé à partir du fluide à température plus élevée, une partie pour 35 l'échange de chaleur de ce dernier fluide avec le fluide à plus basse température et la rectification du produit de condensation provenant du fluide à température plus élevée qui pénètre dans l'élément, et une partie pour prélever le fluide gazeux à température plus élevée, cette partie étant en siçplément à la partie 40 de distribution d'une partie du fluide à plus basse température, 69 16153 200888* et l'élément de chaleur de transfert du fluide à plus "basse température comprenant une partie pour distribuer le fluide à plus basse température, orne partie pour l'échange de chaleur de ce fluide avec le fluide à température plus élevée, et une partie 5 pour prélever le fluide à plus basse température» 4 - Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ailettes dans la partie de séparation du liquide condensé à partir du fluide à température plus élevée dans l'élément de transfert de chaleur du fluide à température 10 plus élevée sont divisées en deux sections, l'une étant perforée et ayant des saillies dans la direction presque horizontale et l'autre étant perforée et ayant des saillies dans la direction verticale de sorte que le liquide condensé s'écoule vers le bas dans les ailettes à la verticale tout en étant repoussé par le 15 fluide à température plus élevée qui pénètre. 5 - Echangeur de chaleur selon la revendication 3,' caractérisé en ce que la partie de rectification du produit de condensation à partir du fluide à température plus élevée à l'entrée de ce fluide dans l'élément de transfert de chaleur pour ee fluide 20 est divisée en plusieurs sections supérieures et inférieures, chacune de celles-ci ayant des ailettes différentes les unes des autres de par leur forme de façon à effectuer la rectification à une condition relativement proche de la limite de noyage dans chaque section. 25 6 - Echangeur de chaleur selon la revendication 5, carac térisé en ce que dans la partie inférieure la pente des ailettes varie d'une pente faible à une forte pente. 7 - Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un fluide en phase gaz-liquide est utilisé comme 30 fluide à plus basse température dans l'élément de transfert de chaleur pour un tel fluide.