Brevet FR2282613A1 — publié le 19760319

La présente invention est relative à un procédé de refroidissement ou de refroidissement intermédiaire de gaz résultant de processus chimiques et ayant tendance à subir des réactions de décomposition même en absence d'oxygène, comme l'acétylène, l'oxyde d'éthylène, le propylène, entre autres, lors de la compression de ces gaz en un ou plusieurs stades, dans des compresseurs, avec emploi de réfrigérants tubulaires, la compression et le refroidissement des gaz devant être effectués en tenant compte des exigences de sécurité définies dans "Technische Regeln für Âcetylen und Carbid" (TRAC). L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, résistant à la pression.Les règlements précités exigent, par exemple, un coefficient de sécurité de onze contre une élévation de la pression par décomposition de l'acétylène0 Pour freiner la propagation des réactions de décomposition on prescrit en outre des pièces intérieures subdivisant la section. Lors de la compression en plusieurs stades, dans des compresseurs à piston, de gaz résultant de processus chimiques, entre autres de l'acétylène et de l'éthylène, il est connu d'utiliser pour le refroidissement intermédiaire des gaz des réfrigérants tubulaires à ligne de tubes unique, notamment du type à enveloppe réfrigérante ou à tube double, conformes aux normes haute pression0 Pour les réfrigérants à tube double, le gaz à refroidir est dirigé à travers la section circulaire du tube central, alors que l'agent réfrigérant s'écoule à travers la chambre annulaire extérieure.Conformément aux règles indiquées plus haut (TRAC), toute la section du tube parcouru par le gaz doit être subdivisée en plusieurs compartiments par des pièces intérieures axiales assurant un écoulement laminaire et contrecarrant ainsi la propagation de réactions de décomposition du gaz chaud ou des explosions locales0 Comme pièces intérieures, on utilise, pour les réfrigérants à tube double, soit des tôles ondulées dans le sens axial que l'on insère sous forme de rouleaux dans la section circulaire du tube intérieur, soit des tubes individuels d'assez petit diamètre, assemblés en faisceaux. On conçoit qu'avec un tel agencement d'une seule section de tube alimentée en gaz, les échangeurs de chaleur usuels à faisceaux tubulaires ne conviennent généralement pas pour l'usage prévu étant donné les frais de construction élevés qu' entraîne la subdivision en un grand nombre de sections alimentées en gaz ou en agent réfrigérant0 Un autre inconvéni.ent des réfrigérants à tube double à une ou plusueurs lignes réside dans le fait que la transmission de chaleur dans le secteur parcouru par le gaz est considérablement entravée par les pièces intérieures néces saires et ne s'effectue pratiquement de manière satisfaisante que dans les zones marginales extérieures de la section du tube intérieurs La température du courant central n'est pas régla ble.Pour refroidir convenablement de forts volumes de gaz après leur compression ou avant leur compression ultérieure, il faut donc monter en parallèle ou en série un grand nombre de réfri gérants à tube double de type connu, On conçoit facilement que des installations de refroidissement de ce type ne sont pas sa tisfaisantes,vu leur encombrement et les problèmes que pose la régulation du courant d'agent réfrigérant. On s'est donc proposé d'agencer un réfrigérant à tube dou ble de manière à obtenir une transmission nettement plus intense des calories du gaz tout en améliorant les coefficients de sécu rité imposés, la puissance réfrigérante accrue d'une unité ré frigérante devant être obtenue avec réduction du volume de construction des unités réfrigérantes individuelles pouvant entre reliées en batterie, et en même temps la possibilité de réglage thermique et quantitatif du courant d'agent réfrigérant devant être améliorée considérablement.Un réfrigérant répon dant à ces exigences doit être conçu, au point de vue des rac cords pour les sections alimentées en gaz et en agent réfrigé rant, de manière qu' en montant en parallèle et en série plu sieurs unités réfrigérantes pour former des batteries assez im portantes, il en résulte de petits parcours de raccordement, donc un volume de construction réduit en conséquence et l'absen ce d'espaces gazeux non protégés On s'est proposé enfin, dans l'intérêt d'un entretien peu onéreux et d'un encombrement aussi faible que possible, de concevoir une unité réfrigérante se composant d'un petit nombre de pièces échangeables et pouvant être montées sans le concours d'installations supplémentaires onéreuses. Pour atteindre ce but, on procède, conformement à 1 'inven- tion, en envoyant le gaz, issu de processus chimiques et chauf- fé par compression, à travers la section annulaire d'un réfri gérant tubulaire garnie, de façon connue en soi, de pièces int6- rieures métalliques pour créer des compartiments partiels, et en faisant céder les calories du. gaz, à travers les interfaces intérieure et extérieure de la section annulaire, à des courants partiels agent réfrigérant, indépendants les uns des autres.Selon une autre caractéristique de l'invention il est prévu de régler individuellement la quantité et/ou la température de l'agent réfrigérant amené en courants de mêmes sens ou e contre-courant oar rapport au gaz le long des interfaces intérieure et extérieure de la section annulaire alimentée en gaz. Le dispositif de mise en oeuvre du présent procédé se compose conformément à l'invention de trois tubes coaxiaux de diamètres et de longueurs différents, les tubes central et médian qui sont résistants à la pression comportant des brides montées axialement et la surface latérale du tube extérieur étant pou de tubulures de raccordement, la section annulaire médiane alimentée en gaz à refroidir étant garnie d'une multitude de tubes de remplissages insérés dans le sens de l'axe et il est prévu, en outre, des éléments de tête en forme de blocs pour le double raccordement à cette section annulaire, comportant chacun une boite à étoupes assurant l'étanchéité par rapport au tube central ainsi qu'un joint lentiforme placé entre les brides et les éléments de tête, assurant l'étanchéité par rapport au tube mé- dian résistant à la pression. A titre indicatif, nullement limitatif, on a représenté au messin annexé un exemple de réalisation du dispositif suivant l'invention qui sera expliqué ci-après plus amplement. Sur ce dessin - la figure 1 est une vue en coupe axiale de ltensemble du dispositif - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 1 et - la figure 3 est une vue de détail, en coupe axiale, d'une pièce de tête du dispositif. Une unité réfrigérante, montée par bloc-éléments et composée essentiellement de trois tubes de portée nominale et de longueur différentes, est réglée pour les pressions nominales usuelles en fonction de l'usage prévu, par exemple une pression nominale de 325 bars.Selon la figure du dessin,le tube central 1 et le tube 2 de plus courte longueur entourant extérieurement l'espace annulaire 3 alimenté en gaz sont des tubes haute pres sinon répondant à la norme de l'étage de compression respectif. Pour le refroidissement extérieur de la chambre annulaire 3 alimentée en gaz se trouvant entre les tubes haute pression 1 et 2, le tube 2 est entouré d'un tube enveloppe 4 dont la résistance est uniquement calculée en fonction de la pression de l'agent réfrigérant. À travers la chambre annulaire extérieure 5 ainsi formée et - de préférence indépendamment de cette dernière - à travers la section circulaire 6 du tube central 1, on fait passer des courants partiels d'agent réfrigérant, soit en courant parallèle ou à contre-courant par rapport au sens d'écoulement du gaz circulant dans la chambre 3o Pour créer des compartiments partiels conformes aux règlements "RssC" mentionnés au préambule pour les gaz ayant tendance à se décomposer ou à exploser, la chambre annulaire 3 est garnie d'une multitude de tubes 7 dont le diamètre correspond en principe aux règlements "TRAC" et est adapté à la largeur radiale de la chambre annulaire (cf, figure 2)0 Les tubes de garnissage disposés en anneau de cercle sont avantageusement soudés les uns aux autres par leur face frontale.Etant donné les pulsations se produisant pendant la compression, les tubes de remplissage 7 doivent être introduits avec ajustement serré dans la chambre annulaire 3 et seront avantageusement reliés préalablement entre eux également en certains points de leurs surfaces latérales, par exemple par soudure par points0 Une transmission de chaleur intense, même à l'interface intérieure formée par le tube 1, est ainsi assurée, contrairement à ce que l'on constate avec les réfrigérants usuels à enveloppe réfrigérante, résistant à la pression, qui comportent des éléments de remplissage dans la section circulaire centrale, Avec un réfrigérant tubulaire ainsi conçu, se composant de trois tubes coaxiaux, il est nécessaire, pour pouvoir monter en batterie des unités -réfrigérantes assez importantes, de prendre des mesures constructives particulières pour assurer le raccordement aux chambres 5 et 6 alimentées en agent réfrigérant et à la chambre annulaire 3 alimentée en gaz0 Le tube central i est muni à cet effet de brides vissées axe maçon connue en soi sur la face frontale.L'enveloppe réfrigéiante extérieure annulaire 5 formée par le tube enveloppe 4, est alimentée par l'intermédiaire des aJustages 8a, 8b qui sont soudés, de façon connue en-soi dans le tube-enveloppe 4o L'étanchéité de la chambre annulaire 5, alimentée en agent réfrigérant, par rapport au tube 2 résistant à la pression est assurée des deux côtés par les étoupages 9a, 9b formés de brides soudées et de brides mobiles entre lesquelles est interposée une garniture plate annulaire et une bague en 0. Le raccordement bilatéral des tuyauteries transportant le gaz à la section annulaire 3 de l'unité réfrigérante exige, conformément à l'invention, des mesures constructives particulières. On a prévu à cet effet des éléments de tête 10a, 1Qb, de formes semblables, percés d'un alésage Il qui s'étend le long de l'axe du réfrigérant, et un alésage 12 débouchant dans l'alésage Il à angle droit par rapport à ce dernier (cf, figure 3). Le diamètre extérieur de l'extrémité côté gaz de l'alésage il correspond à la section annulaire 3 alimentée en gaz si bien que les tubes de remplissage 7 peuvent également pénétrer dans les éléments de tête lova, 10p. Dans l'autre extrémité de l'alésage 11 est engagée la garniture 13 ainsi que la bride 13a qui assurent l'étanchéité à la pression des chambres alimentées en gaz par rapport au tube central 1, une fois le réfrigérant tubulaire complètement installé.La surface de chaque élément de tête faisant face à la garniture et dirigée vers le côté frontal du tube 2 résistant à la pression, est serrée par les éléments tubulaires à l'aide du joint lentiforme 14 et de la bride 15 vissée sur le tube 2. L'alésage de raccordement 12 des éléments 10a, lOb alimenté en gaz est, lui aussi, garni de faisceaux de petits dubes de remplissage 7a conformément aux rigle- ments "ERACtX, tubes qui sont avantageusement soudés les uns aux autres Outre 11 alésage de raccordement 12 alimenté en gaz, les éléments 1Qa, 10b présentent plusieurs alésages filetés où peuvent être engagés des raccords normalisés résistant à la pressicn. Grâce à l'agencement qui vient d'être décrit des tubes 1, 2 et 4 montés coaxialement les uns dans les autres, ainsi que de leurs éléments de raccordements, l'unité réfrigérante tubulaire peut être montée et démontée sans le concours de moyens auxiliaires coûteux. Le système de construction conforme à l'invention permet en outre d'utiliser uniquement les tubes de remplissage de petit diamètre indiqués plus haut pour subdiviser les chambres alimentées en gaz et de renoncer à des pièces métalliques intérieures d'une autre forme, par exemple en tôle, qui, dans le cas d'autres constructions, ne répondaient pas toujours aux exigences restrictives imposées par "RAC"o Il est en outre possible de monter en parallèle des unités réfrigérantes du type décrit plus haut en les rapprochant le plus près possible les unes des autres ou de placer en série des unités réfrigérantes encore plus importantes. Dans un essai pratique du réfrigérant à trois tubes on a constaté que pour un volume de construction comparable d'une unité réfrigérante on peut obtenir des taux de conductibilité thermique améliorés jusqu'à concurrence de 33 % grâce au fait que la chaleur est évacuée à travers des interfaces d'échange de chaleur intérieure et extérieure par des courants d'agent réfrigérant circulant dans les chambres 5 et 6 et qui sont réglables, le cas échéant, individuellement au point de vue débit et température. Dans le tableau comparatif ci-après, on a confronté les taux de conductibilité thermique, les dimensions des surfaces réfrigérantes et les longueurs hors tout d'un réfrigérant à enveloppe de type connu et d'un réfrigérant à trois tubes conçu conformément à l'invention, chaque fois avec et sans insertion des tubes de remplissage dans la section alimentée en gaz. Les dimensions des réfrigérants sont étudiées pour l'acétylène. Réfrigérant Réfrigérant tubu- Réfrigérant à Réfrigérant à laire à enveloppe, trois tubes, trois tubes, tubulaire à portée nominale sans pièces avec pièces enveloppe, 45 mm,avec pièces intérieures, intérieures, portée nominale portée nominale portée nomina45mm,sans pièces intérieures 30/70mm. le 30/70mm. intérieures a) Taux de conductibilité thermique vers le tube intérieur (kcal/m2/ - - 118 157 h/ C) b) Taux de conductibilité thermique vers le tube @extérieur 65,2 6,1 82 74 (kcal/m2/h/ C) c) Surface réfrigérante efficace disponible (par 1,152 m2 1,152 m2 1,37 m2 1,37 m2 unité) d) Longueur totale hors tout 6 m 6 m 4,7 m 4,7 m REVENDI CÂTIONS 1.- Procédé de refroidissement ou de refroidissement intermédiaire de gaz résultant de processus chimiques et ayant tendance à subir des réactions de décomposition même en absence d'oxygène, lors de la compression de ces gaz, en un ou plusieurs stades avec emploi de réfrigérants tubulaires, ce procédé étant caractérisé par le fait que, dans un réfrigérant tubulaire, on dirige le gaz chauffé par compression, à travers une section annulaire garnie, de façon connue en soi, de pièces intérieures métalliques pour créer des compartiments partiels et on fait céder les calories du gaz, à travers les interfaces intérieure et extérieure de la section annulaire, à des courants partiels de l'agent réfrigérant. 20- Procédé selon la revendication 1, dans lequel les courants partiels d'agent réfrigérant amenés le long des interfaces intérieure et extérieure de la section annulaire parcourue par le gaz, en courant parallèle ou en contre-courant par rapport à ce dernier, sont réglables individuellement en débit et température. 3.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il se compose de trois tubes coaxiaux de diamètres et de longueurs différents, les tubes central et médian, qui sont résistants à la pression comportant des brides montées axialement et la surface latérale du tube extérieur étant pourvue de tubulures de raccordement, la section annulaire médiane alimentée en gaz à refroidir étant garnie d'une multitude de tubes de remplissages insérés dans le sens de l'axe et il est prévu, en outre, des éléments de tête en forme de blocs pour le double raccordement à cette section annulaire, comportant chacun une boîte à étoupes assurant l'étanchéité par rapport au tube central ainsi qu'un joint lentiforme placé entre les brides et les éléments de tête, assurant î'étan- chéité par rapport au tube médian résistant à la pression. 4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel des tubes de remplissage de faible longueur sont introduits avec ajustement serré dans l'alésage ae raccordement des vléments de tête formant blocs, alésage qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe commun des tubes coaxiaux. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel les tubes de remplissage sont soudés les uns aux autres par le côté frontal et par certains points de leurs surfaces latérales.