Brevet FR2094088A1 — publié le 19720204

L'invention a pour objet une installation pour le fractionnement d'un mélange gazeux, laquelle installation comprend deux ou plus de deux colonnes de rectification travaillant sous des pressions de service différentes, et reliées entre elles par un 5 échangeur de chaleur-evaporateur-condensateur, de sorte que, d'un côté des surfaces de 1'échangeur de chaleur, un mélange gazeux se condense et que, de l'autre côté, un mélange de liquides s'évapore. On connaît jusqu'à présent trois modes de construction 10 d'installations pour le fractionnement d'un mélange gazeux, différents quant au principe, qui fonctionnent au moyen de plusieurs colonnes de rectification reliées entre elles par des échangeurs de chaleur. Dans le premier de ces modes de construction, un mélange de 15 différents liquides s'évapore à la surface extérieure des tubes dans l'enceinte de 1'échangeur de chaleur. Un mélange de différents gaz se condense à l'intérieur des tubes. Dans le deuxième des dispositifs connus, un mélange de gaz se condense sur la surface extérieure des tubes.dans l'enceinte 20 de 1'échangeur de chaleur, tandis que le mélange de liquides s'évapore à l'intérieur des tubes. Dans ce genre d'installations, le mélange de liquides entre dans les tubes évaporateurs avec une teneur en vapeur nulle (liquide pur). Dans le troisième mode connu, on fait circuler le mélange 25 de liquides au moyen d'une pompe à liquide à travers les tubes évaporateurs. La teneur en vapeur à l'entrée de 1'évaporateur est, dans ce cas, toujours nulle. A la sortie de 1'évaporateur, la teneur en vapeur est comprise entre environ 0,1 et 0,3. Dans ce dispositif, le mélange de gaz se condense, d'une façon analogue 30 à celle du deuxième dispositif sus-indiqué, sur la surface extérieure du tube. On sait que le coefficient de transmission calorifique d'un écoulement à deux phases d'un mélange liquide-vapeur avec modification de phases (évaporation) dépend entre autres de la 35 charge thermique de la surface chauffante, dudébit du fluide réfrigérant et de la teneur en vapeur (par teneur en vapeur, on entend ie rapport du débit de vapeur au débit total du fluide réfrigérant) du mélange liquide-vapeur. Si l'on considère un tube évaporateur donné, dans lequel le fluide réfrigérant pénè-40 tre avec une teneur en vapeur assez faible et en sOtt complète 71 16689 2 2094088 ment vaporisé, on obtient, selon la charge thermique de la surface chauffante et le débit de fluide réfrigérant, le long du tube évaporateur,deux régions dans lesquelles la transmission de chaleur suit des lois différentes. A l'entrée de 1'évaporateur 5 (faible teneur en vapeur, donc faible vitesse d'écoulement), le coefficient de transmission calorifique dépend en premier lieu de la charge thermique de la surface chauffante (ébullition). Le débit de fluide ne joue pas un- grand rôle dans cette région. La teneur en vapeur croissant, la vitesse d'écoulement croît 10 aussi. A partir d'un certain endroit, la transmission de chaleur s'effectue uniquement par convection. Dans cette région, le coefficient de transmission calorifique est indépendant de la charge thermique de la surface chauffante et dépend fortement 15 du débit de fluide réfrigérant et de la teneur en vapeur. Ce coefficient de transmission calorifique passe par un maximum pour une teneur en vapeur x = 0,8 environ. La vaporisation se poursuivant, l'écoulement devient peu à peu un écoulement exclusif de vapeur avec une forte diminution du coefficient de transmis-20. sion calorifique. De la description précédente, il ressort que, pour une certaine teneur en vapeur, le coefficient de transmission calorifique est très favorable. Dans les installations du premier mode de construction, l'écÊange de chaleur s'effectue à la surface extérieure du tube 25 (évaporation) dans la région d'ébullition. Le coefficient de transmission calorifique dépend en premier lieu de la charge thermique de la surface chauffante ou de l'écart entre la température de la paroi du tube et la température d'évaporation. Dans les installations de séparation de gaz, on travaille, eu égard 30 aux frais d'exploitation (en vue de tenir la pression de service à une faible valeur), avec des écarts de température relativement faibles ët, de ce fait, le coefficient de transmission calorifique du côté de 1'évaporation est relativement très faible. Dans le dispositif du deuxième mode, on travaille 35 également dans la région d*ébullition, car la perte de pression s'oppose à des densités de débit massique plus élevées. Dans le dispositif du troisième mode, on travaille également dans une large mesure dans la région d'ébullition (faibles teneurs en vapeur). Le coefficient de transmission calorifique 40 du côté de 1'évaporation, dans les installations utilisant les 71 16669 3 2094088 deuxième et troisième dispositifs, est, en comparaisonlégalement très faible. Dans les installations de séparation de gaz, en raison des mauvais coefficients de transmission calorifique du côté de l'é-5 vaporation de 11échangeur-condensateur-évaporateur, on est obligé soit de travailler avec des écarts de température relativement importants, soit d'installer des échangeurs de chaleur à très grandes surfaces. Il en résulte des frais d'exploitation ou d'installation relativement importants. Le but de l'invention consiste 10 à réaliser une installation de séparation de gaz dans laquelle les frais d'exploitation et d'installation peuvent être considérablement réduits. On résout ce problème selon l'invention en prévoyant des moyens et des circuits partiels permettant de régler la densité 15 de débit massique et la teneur en gaz ou vapeur du fluide à évaporer à l'entrée de 1*échangeur de chaleur et la teneur en vapeur à la sortie de 1'échangeur de chaleur, de manière à réaliser une transmission de chaleur élevée du côté du fluide qui s'évapore. 20 De cette manière, on obtient le résultat qu'on peut tou jours demeurer dans la région convective et qu'il est possible de réaliser, avec des écarts aussi petits qu'on le désire entre la température de la paroi du tube et la température d*évaporation, par exemple de l'ordre de 0,5°C, par établissement de den-25 sités de débit massique et de teneurs en vapeur élevées à l'entrée de 1'évaporateur, des coefficients de transmission calorifique très élevés du côté de 1'évaporation. Le fait qu'on peut travailler selon le nouveau dispositif avec des écarts plus petits entre la température d'évaporation 30 et la température de condensation conduit aussi à une augmentation de la transmission de chaleur du côté de la condensation. Des écarts relativement petits, entré la température d'é-vaporation et la température de condensation, par exemple des écarts de 1°C, entraînent un abaissement considérable des frais 35 d'exploitation. Grâce à l'accroissement du coefficient de transmission calorifique de 1'échangeur de chaleur selon le dispositif de l'invention, on peut réduire selon les besoins soit les frais d'exploitation, soit les frais d'investissement (la surface de 1'évaporateur devient petite). 40 D'autres particularités, caractéristiques et avantages de 71 16689 4 2094088 l'invention ressortent de l'exemple illustratif, mais nullement limitatif, qu'on a décrit ci-après, en se référant à la figure unique annexée qui représente schématiquement un mode de réalisation préférentiel de l'invention. 5 Sur la figure, deux colonnes de rectification 1 et 2 sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 3. La colonne 1 constitue une colonne haute pression, et la colonne 2 une colonne basse pression. A titre d'exemple, on va 10 considérer ici la séparation de l'azote et de l'oxygène, constituants principaux de l'air. On introduit l'air à décomposer sous pression à travers le conduit tubulaire 4 dans la colonne 1. On retire de la colonne 2 de l'azote à l'état gazeux, et de l'oxygène à l'état liquide. Dans 1'échangeur de chaleur 3, un mé-15 lange de gaz riche en azote, provenant de la colonne 1, se condense sur la surface extérieure du tube,et un mélange de liquides riche en oxygène, provenant de la colonne 2, s'évapore à l'intérieur du tube 4. A l'entrée du tube évaporateur est disposée une chambre mélangeuse 5 et à la sortie du tube évaporateur est 20 prévu un séparateur 6. De la vapeur est refoulée à l'aide d'une soufflerie à vapeur 7 du séparateur 6 dans la chambre mélangeuse 5. Du liquide est refoulé à l'aide d'une pompe à liquide 8 du séparateur 6, également dans la chambre mélangeuse 5, située à l'entrée du tube évaporateur. On peut ainsi établir à l'entrée 25 du tube évaporateur une densité de débit massique très élevée et n'importe quelle teneur en vapeur et, de cette façon, augmenter essentiellement le coefficient de transmission calorifique du côté de 1'évaporation. Les moyens mis en oeuvre pour établir "la densité de débit massique élevée et la forte teneur en 30 vapeur à l'entrée de 1'évaporateur consistent ici dans la soufflerie de vapeur 7, la pompe à liquide 8 et la chambre mélangeuse à l'entrée de 1'évaporateur. On a désigné par 9 et 10 sur la figure les circuits partiels. Il va de soi qu'on peut utiliser, au lieu de tubes éva-35 porateurs, aussi d'autres surfaces échangeuses de chaleur, par exemple des évaporateurs à plateaux. L'invention décrite ci-dessus trouve une application préférentielle dans les installations de décomposition de l'air et de gaz naturels. 71 16689 5 2094088 REVENDICATION Installation pour le fractionnement d'un mélange gazeux, laquelle installation comprend deux ou plus de deux colonnes de rectification travaillant sous des pressions de service diffé-5 rentes et reliées entre elles par un échangeur de chaleur-éva-porateur-condensateur, de sorte que d'un côté des surfaces de 1'échangeur de chaleur, un mélange gazeux se condense et que, de l'autre côté, un mélange de liquides s'évapore, laquelle installation pour le fractionnement d'un mélange gazeux est carac-10 térisée en ce qu'on prévoit des moyens et des circuits partiels permettant de régler la densité de débit massique et la teneur en gaz ou vapeur du fluide à évaporer à l'entrée de 1*échangeur de chaleur et la teneur en vapeur à la sortie de 1'échangeur de chaleur, de manière à réaliser une transmission de chaleur é-15 levée du côté du fluide qui s'évapore.