Brevet FR2080630A1 — publié le 19711119

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la conduite des gaz dans des échangeurs de chaleur à haute pression, en particulier dans des installations de synthèse d'ammoniac avec échange thermique entre un gaz chaud en circuit 5 fermé et de l'eau. Dans des échangeurs de chaleur de ce genre, il est nécessaire de tenir compte des propriétés du gaz chaud devant être refroidi, sous peine d'une détérioration prématurée de l'appareil. 10 Dans un réacteur de synthèse d'ammoniac, les gaz contenant de l'azote et des composés azotés sont portés à une température d'environ 4-80°C et plus. Dans les réacteurs de synthèse d'ammoniac connus, ce gaz est amené en échange thermique avec du gaz frais entrant en réaction et cède sa 15 chaleur à ce gaz en circuit fermé. Les gaz chauds sortant du réacteur de synthèse à une température encore de l'ordre de 100 à 250°C sont utilisés pour la production de vapeur. A la température d'environ 250°C le gaz ne met pas en danger le matériau des échangeurs de chaleur, car il ne se produit pas 20 encore à cette température de nitration critique de la paroi supportant la pression. Dans le réacteur de synthèse d'ammoniac, le gaz chaud du circuit fermé à la température d'environ 4-80°C ou plus ne peut pas exercer d'action sur l'enveloppe supportant la pression du réacteur, car cette enveloppe est 25 refroidie par le gaz froid du circuit fermé qui est admis. Pour rationnaliser les installations de synthèse d'ammoniac, on a proposé d'extraire du. réacteur le gaz de réaction chaud à la température d'environ 4-80°C, de l'utiliser d'abord pour la production de vapeur et de mettre à profit sa chaleur résiduelle 30 pour réchauffer le gaz frais du circuit fermé. Le passage à ce mode opérationnel nécessite la mise au point d'un échangeur de chaleur à haute pression, dans lequel le gaz chaud contenant de l'azote et/ou des composés d'azote ne puisse pas exercer d'influence préjudiciable sur la construction. A certaines 35 températures, des gaz contenant de l'azote et/ou des composés d'azote conduisent à des nitrations inacceptables du matériau. Nitration signifie en même temps fragilisation et, 'de ce fait, tendance à la formation de fissures dès que l'élément de construction est soumis à des contraintes. Or, les 40 échangeurs de chaleur des installations de synthèse d'ammoniac, â 71 05704 2 2080630 par exemple à la suite du convertisseur de synthèse, subissent de fortes variations de pression et de température ? à l'arrêt ils sont seulement à la température ambiante et à la pression atmosphérique, alors qu'en service la température monte à 2 5 480°C et plus et la pression à 300 kg/cm et plus. S'il se produit en service une nitration superficielle des éléments supportant la pression et s'il s'y ajoute de fortes contraintes dues à l'élévation de la pression et de la température, le risque de fissures devient sensiblement plus 10 grand. Il ne peut être réduit que par un remplacement périodique des éléments menacés, qui s'accompagne d'une augmentation supplémentaire des frais d'investissement et d'une interruption de la production. L'invention a pour but de réaliser un procédé pour 15 la conduite des gaz et une construction d'échangeur de chaleur, qui empêche les diverses influences, telles que la composition du gaz, sa pression et sa température, d'agir simultanément. On a trouvé, de façon surprenante, que ces problèmes sont résolus lorsque les parties d'enveloppe de 1'échangeur de 20 chaleur qui supportent la pression sont protégées des gaz dont la température est supérieure à 300°C. Ce résultat est atteint grâce au fait que ie gaz chaud en circuit fermé amené à la préchambre parcourt un tube et un capot de guidage, pénètre ensuite par le centre du fond tabulaire plaqué dans les tubes 25 échangeurs de chaleur suffisamment résistants à la nitration, les traverse avec une inversion de direction en cédant une partie de sa chaleur au fluide se trouvant autour des tubes, sort à la périphérie du fond tubulaire, entre dans l'intervalle séparant le capot de guidage de gaz de l'enveloppe de la pré-30 chambre en soulageant ainsi le capot de guidage de la pression et s'échappe de la préchambre par une tubulure. La température du gaz sortant des tubes échangeurs de chaleur est avantageusement inférieure à la température de nitration, de préférence inférieure à 360°C. La préchambre 35 est formée avantageusement d'un tube central de guidage de gaz et d'un capot central de guidage de gaz, qui sont soulagés de la pression et résistants dans une large mesure à la nitration, ainsi que d'une enveloppe de préchambre supportant la pression. Le capot de guidage de gaz est soudé de manière 40 étanche au gaz au placage du fond tubulaire. Le tube et le 71 05704 3 2080630 capot de guidage sont calorifugés pour transmettre moins de chaleur au gaz refroidi. Pour éviter une transmission de chaleur exagérée à la tubulure d'entrée de gaz supportant la pression, il est prévu entre ladite tubulure et le tube de gui-5 dage de gaz un interstice pour l'admission et le passage de gaz froid. Les avantages que procure l'invention résident en particulier dans la possibilité d'utiliser le gaz chaud en circuit fermé d'une installation de synthèse d'ammoniac pour 10 la production de vapeur à haute pression. La circulation du gaz a lieu de telle sorte que les problèmes tels que la oitration critique du matériau et les fortes contraintes de température et de pression, ne s'additionnent pas, mais se posent séparément et peuvent être ainsi résolus. 15 Le tube et le capot de guidage de gaz. sont exécutés en un matériau résistant dans une large mesure à la nitration et une nitration minimale de ces éléments est sans conséquence, car ils sont soulagés de la pression. Le fond tubulaire supportant la pression est protégé de la nitration par un 20 placage du côté du gaz. L'enveloppe supportant la pression de la préchambre reçoit un gaz en circuit fermé, dont la température est inférieure à la température critique de nitration. Pour le dimensionnement de l'épaisseur de paroi, il n'est donc pas nécessaire de prendre en considération une détérioration 25 éventuelle par nitration. L'échangeur de chaleur à haute pression peut être exécuté avec une faible quantité de matériau de haute qualité, résistant dans une large mesure à la nitration. La production de vapeur à haute pression dans une installation de synthèse d'ammoniac devient ainsi particulièrement rentable. 30 La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Le gaz chaud en circuit fermé sortant du convertisseur entre par la tubulure 1 dans lé tube de guidage de gaz 2, pé-35 nètre dans l'échangeur de chaleur à haute pression et parvient dans le capot de guidage de gaz 3, soudé de façon étanche au gaz au centre du fond tubulaire 4. Le tube 2 et le capot de guidage de gaz 3 sont exécutés en un matériau résistant à la nitration dans une large mesure et sont munis respectivement 40 d'un calorifuge intérieur 5 et d'un calorifuge extérieur 6, â 71 05704 4 2080'630 qui empêchent l'échauffement de la tubulure 1 et fi® 1 'smreloppe 7 de la préchambre supportant l'un et l'autre la pression. Le fond tubulaire 4 est protégé contre «ne nitration inacceptable dans la zone du capot central de guidage â& gaz 53 par un plaça-5 ge 8 d'un matériau résistant dans une large mesure à la nitration. Etant donné que les contraintes s'exerçant sur la face externe du fond tubulaire sont faibles il n'y a pas lieu de craindre une rupture par nitration de la couche de placage» Dans les perçages du fond tutulaire 4 sont insérés des tubes 10 échangeurs de chaleur 9, suffisamment résistants à la nitration et soudés de façon étanche au gaz au placage 8» Après avoir parcouru les tubes 9, 1® gaz sortant du capot de guidage 3 change de direction à l'extrémité 10 de l'échangeur de chaleur et est refroidi à une température inférieure à la 15 température de nitration dans 19 intervalle 11 compris entre le capot de guidage de gaz 3 et l'enveloppe 7» Le gaz entrant à haute pression dans l'échangeur de chaisur ne subit au passage à travers les tubes échangeurs qu'usa© perte de pression minimale, de sorte que les contraintes de pression supportées par 20 le tube et le capot de guidage de gaz sont pareillement minimales» Le gaz en circuit fermé refroidi s'échappe de l'échangeur de chaleur à haute pression par la tubulur-ô 12» Pour protéger encore mieux la tubulure 1 des températures trop élevées malgré le calorifugeage du tube de guidage de gaz, il 25 est prévu un perçage 13 permettant d'insuffler du gaz froid dans l'interstice séparant la paroi de la tubulure 1 du tube de guidage de gaz 2. Ce gaz froid lèche le tube de guidage de gaz 2 et se mélange ensuite au gaz qui s'échappe de l'échangeur de chaleur par la tubulure 12« 30 L'eau qui sort de "1 'échangeur de chaleur sous la forme de vapeur à haute pression est introduite latéralement en 14 dans la chambre de vapeur» Les parcours de l'eau pour la circulation naturelle sont agencés de telle sorte que du côté eau le fond tubulaire 4 reçoit de l'eau à même température. 35 La vapeur produite est évacuée de l'échangeur de chaleur par la tubulure 15. BAD ORIGINAL 71 05704 5 2080630 REVENDICATIONS 1Procédé pour la conduite des gaz dans des échangeurs de chaleur à haute pression pour des installations 5 de synthèse d'ammoniac avec échange thermique entre un gaz chaud en circuit fermé et de l'eau caractérisé en ce que le gaz chaud en circuit fermé amené à la préchambre parcourt un tube et un capot de guidage, pénètre ensuite par le centre du fond tubulaire plaqué dans les tubes échangeurs de chaleur 10 suffisamment résistants à la nitration, les traverse avec une inversion de direction en cédant une partie de sa chaleur au fluide se trouvant autour des tubes, sort à la périphérie du fond tubulaire, entre dans l'intervalle séparant le capot de guidage de gaz de l'enveloppe de la préchambre en soulageant 15 ainsi le capot de guidage de la pression et s'échappe de la préchambre par une tubulure. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température du gaz sortant des tubes échangeurs de chaleur est inférieure à la température de nitration, de 20 préférence inférieure à 360°C. 3.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1\ comportant un faisceau tubulaire et une préchambre et caractérisé en ce que la préchambre est fornée d'un tube central de guidage de gaz et d'un eapot 25 central de guidage de gaz, qui sont soulagés de la pression et résistants dans une large mesure à la nitration, ainsi que d'une enveloppe de préchambre supportant la pression. 4.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le capot de guidage de gaz est soudé de 26 manière étanche au gaz au placage du fond tubulaire. 5«- Dispositif suivant la revendication 3» caractérisé en ce que le tube et le capot de guidage de gaz sont calorifugés* 6.- Dispositif suivant la revendication 3, oaracté-30 risé en ce qu'il est prévu un interstice pour l'admission de gaz froid entre la tubulure d'entrée et le tube de guidage de gaz.