Brevet FR2286359A1 — publié le 19760423

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur entre fluides dont un au moins présente une agressivité marquée vis-a4is des matériaux et notamment des métaux usuels. Les échangeurs de chaleur représentent une catégorie d'appareils bien connus et très utilisés dans le domaine du génie chimique. On sait que de tels appareils sont conçus de façon à transférer les calories d'un fluide à au moins un autre fluide selon un rendement maximal. Cependant Si la réalisation de tels dispositifs ne présente pas de difficulté appréciable dans le cas de fluides non corrosifs, par contre, dans le cas où au moins un des fluides présente une agressivité marquée vis-à-vis des métaux ou alliages usuels, une telle réalisation soulève~des problèmes technologiques de résistance à la corrosion. De tels problèmes sont posés notamment par la corrosion des joints mis en oeuvre dans les tuyauteries et canalisations constituant de tels dispositifs. Pour fixer les idées, considérons le cas particulier où l'on désire transférer les calories d'un gaz résultant de la combustion d'un fuel à un liquide caloporteur tel qu'une huile hydrocarbonée. On sait que le gaz de combustion qui renferme de l'anhydride sulfureux en proportion notable présente donc une agressivité marquée, surtout lorsque la température de ce gaz est inférieure au point de rosée de l'acide sulfurique soit 1400C environ. Si l'on considère par ailleurs que, d'une part le processus d'échange ne doit apporter qu'une faible perte de charge [ de l'ordre de 20 à 30 mm d'eau) et que d'autre part l'écart de température entre le gaz et le liquide caloporteur est relativement faible, il est donc nécessaire que la valeur de la vitesse des gaz dans l'échangeur soit relativement peu élevée, donc que la surface d'échange présente une valeur importante ce qui augmente encore les effets de la corrosion, et en conséquence, dans la réalisation d'un tel échangeur on ne peut pas utiliser les métaux usuels. Il est donc nécessaire de faire appel à des alliages spéciaux dont le prix est élevé et la mise en oeuvre délicate, ou mieux au verre qui tout en résistant à la corrosion peut etre très aisément mis en forme, tout en étant d'un coût modique. Si l'on considère par ailleurs que dans un tel échangeur, il est nécessaire d'assurer l'étanchéité entre le gaz corrosif et le liquide caloporteur une telle étanchéité se révèlant beaucoup plus difficile à obtenir que d'effectuer d'une part l'étanchéité entre ledit gaz corrosif et l'air et d'autre part entre l'air et le liquide. Par ailleurs il est de toute évidence que la structure classique tubulaire d'échangeur nécessite de prévoir, dans une enceinte de nombreuses entrées et sorties de tubulures, et il est donc judicieux d'utiliser une surface d'échange en forme de tubes repliés sur eux-mêmes dans un plan unique et disposés à l'intérieur de ladite enceinte de façon à limiter le nombre desdites entrées et sorties.Avantageusement lesdits tubes sont disposés sensiblement perpendiculairement au flux gazeux comme il sera explicité par ailleurs. L'invention. a donc pour objet un échangeur de chaleur entre fluides dont un au moins est corrosif, échangeur comportant une enceinte dans laquelle circule un premier fluide corrosif, un réseau de canalisations dans lequel circule au moins un deuxième fluide étant disposé dans ladite enceinte, échangeur caractérisé par le fait que ledit réseau de canalisations est formé d'une pluralité de tubes en verre repliés sur eux-mêmes dans un plan unique et dont les extrémités de chacun débouchent de façon étanche de ladite enceinte, des moyens étant prévus pour relier de façon étanche l'une desdites extrémités à un distributeur dudit deuxième fluide ainsi que::l'autre extrémité à un collecteur de ce fluide, lesdits tubes en verre étant disposés de sorte à présenter une surface maximale sensiblement perpendiculaire à la direction de circulation dudit premier fluide corrosif de sorte que l'écoulement dudit premier fluide dans ladite enceinte s'effectue selon un régime. légèrement turbulent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente en perspective un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 2 représente à plus grande échelle les portions telles que A de la figure 1. Tel qu'il est représenté à la figure 1 l'échangeur de chaleur comporte une enceinte 1 confectionnée en acier ou en fer revétue entièrement et sur la totalité de sa surface intérieure d'une feuille de polytétrafluoréthylène (PTFE) ou de fluoréthylène-propylène [ FEP) (non représentée).- Ladite enceinte est alimentée selon la flèche F1 en un fluide corrosif chaud tel qu'un gaz résultant de la combustion d'un fuel, et renfermant en conséquence de l'anhydride sulfureux, ledit fluide refroidi étant évacué de l'enceinte selon la flèche F2. A l'intérieur de cette enceinte 1 sont disposés des tubes en verre 2 repliés sur euxmémes dans un plan unique, parallèles entre eux, et présentant à titre nullement limitatif une forme en U reliés entre. eux par leur partie supérieure. Sur la figure 1, on a représenté 4 tubes, mais il est bien entendu qu'un nombre différent peut être mis en oeuvre selon le problème d'échange thermique à résoudre. Ces tubes en verre débouchent de l'enceinte 1 de façon étanche par l'intermé diaire de presse-étoupes en amiante ou de joints en élastomère fluorocarboné de types connus schématisés en 3 et l'une detleurs extrémités est reliée à un distributeur 4 de fluide caloporteur tel qu'une huile hydrocarbonée acheminé selon F3, tandis que l'autre extrémité est reliée à un collecteur 5 dudit fluide évacué selon la flèche F4. Le distributeur 4 et le collecteur 5 sont confectionnés par exemple en cuivre et se présentent sous la forme d'un réservoir auquel on a soudé des tuyauteries 6 en cuivre également présentant le même diamètre que celui des tubes en verre 2. La liaison entre les extrémités des tubes en verre 2 et les tuyauteries 6 est effectuée au moyen d'un dispositif de raccordement A plus particulièrement décrit en référence à la figure 2. Par ailleurs il faut noter que la direction D de chaque tube en verre 2 fait, avec une droite 0' parallèle à une arête telle que 7 de l'enceinte 1, un angle compris entre 5 et 100. On a illustré figure 2 e plus grande échelle le dispositif de raccordement A entre les tuyauteries S soudées au distributeur 4 ou au collecteur 5 et les extrémités des tubes en verre 2. Un tel raccordement est effectué au moyen d'un dispnsitif 8 comportant une douille 9 filetée sur sa surface extérieure disposée sur les extrémités du tube en verre 2 et de la tuyauterie n, le serrage étant assuré au moyen de deux écrous 10 vissés sur la dite douille. tandis que l'étanchéité est assurée au moyen de joints toriques 11. Par ailleurs on intercale un soufflet de laiton 12 sur la tuyauterie G afin de compenser les effets dus aux dilatations et vibrations éventuelles. On va maintenant expliciter le mode de fonctionnement d'un tel échangeur thermique. Comme dans tout dispositif d'échange le gaz chaud entrant dans l'enceinte 1 selon F1 en ressort froid selon F2 aprÈs avoir cédé ses calories au liquide caloporteur circulant dans les tubes en verre 2. Dans l'exemple décrit, le gaz entre à une température de leCo environ, et en ressort à 1200 la surface d'échange ayant bien entendu été calcules dans ce but. Cependant, il faut noter que par suite de l'inclinaison de la direction des tubes en verre.2 de 5 è. 100 par rapport a une arête telle que 7 (ou ce qui revient au même par rapport à la médiane du fond de l'enceinte 1 parallèle à ladite arête) le gaz corrosif est dirigé sensiblement perpendiculairement auxdits tubes en verre qui présentent donc une surface maximale vis-à-vis de la direction de circulation du gaz, et son écoulement dans l'enceinte 1 s'effectue selon un régime 'légèrement turbulent évitant de la sorte la formation d'une pellicule gazeuse statique sur les tubes en verre caractéristique d'un régime d'écoulement laminaire, un tel écoulement entrainant une diminution notable du coefficient d'échange thermique. On notera également que les dispositifs de raccordement tels que décrits en référence à la figure 2 sont disposés à l'extérieur de l'enceinte 1 et en conséquence ne sont pas en contact avec le iaz corrosif ; il n'y a donc pas de risque de détérioration de ces dispositifs. L'échangeur thermique qui vient d'être décrit a titre d'exemple de réalisation de l'invention a été avantageusement utilisé par la Demanderesse dans un dispositif de mise en oeuvre du procédé tel que décrit dans sa demande de brevet français n 73.27.426 du 2c juillet 197? et dans les deandes d'addi- tion correspondantes n 74.16.@16, 74.20.910, 74.22.251 déposées respectivement les 14 mai 1974, 17 juin 1974, 26 juin 1974 pour "Procédé d'épuration des fumées et des a et de production d'acide sulfurique. A titre d'exemple, la Pamancéresse a réalisé un échangeur comprenant 20 - tubes en verre "Pyrex". Chacue tube présente une lonlueur de 3 mêtres. une longueur développée de 50 mètres et une hauteur de 1 mètre. La distance entre les branches verticales des U est de 60 mm, chaque branche présentent une longueur de 1 mètre. Un tel échangeur permet de récuperer 40 000 Kcal/heure sur des gaz résultant de la combustion d'un fuel, de telles calories étant utilisées soit pour effectuer la concentration 'e l'acide sulfurique resultant de l'épuration en anhydride sulfureux desdits gaz, soit pour réchauffer les gaz épures et favoriser leur dispersion dans l'atposphère. Sien entendu l'échangeur thermique tel que précédement décrit peut être utilis@ dans le cas où le liquide caloporteur circulart dars les tubes en verre est lui-même corrosif, tel que par exemple une solution d'acide sulfurique. sans pour putant se dérartir du cadrfe de la présente invention. Il suffira, dans ce cas, de réaliser le distributeur 4, le collecteur 5 et les tuyauteries 6 en verre, tandis que le soufflet 12 sera confectionn@ par exemple en PTP@. L'échangeur de chaleur selon l'invention trouve de no@reauses applications non seulement dans les dispositifs d'épuration des f@@as et des gaz, pais de plus dans le @otaine du @@ic chi@ique en gé@eral. Pien cantendu, l'invention n'est bullerent limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on pourra, sans sortir @@ cadre d el'invention, apporter des modifications de detail, changer certaines dispositions du remplacer certains poyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur entre fluides dont un au moins est corrosif, échangeur comportant une enceinte dans laquelle circule un premier fluide corrosif, un réseau de canalisations dans lequel circule au moins un deuxième fluide étant dispsosé dans ladite enceinte, échangeur caractérisé par le fait que ledit réseau de canalisations est formé d'une pluralité de tubes en verre repliés sur euxmêmes dans un plan unique dont les extrémités de chacun débouchent de façon étanche de ladite enceinte, des moyens étant prévus pour relier de façon étanche l'une desdites extrémités à un distributeur dudit deuxième fluide ainsi que l'autre extrémité à un collecteur de ce fluide, lesdits tubes en verre étant disposés de sorte à présenter une surface maximale sensiblement perpendiculaire à la direction de circulation dudit premier fluide corrosif de sorte que l'écoulement dudit premier fluide dans ladite enceinte s'effectue selon un régime légèrement turbulent. 2/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits tubes en verre sont disposés selon une direction faisant avec la médiane principale du fond de ladite enceinte un angle compris entre 5 et 100. 3/ Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens prévus pour relier de façon étanche d'une part l'une des extrémités de chaque tube en verre à un distributeur dudit deuxième fluide et d'autre part l'autre extrémité du tube en verre à un collecteur de ce fluide comportent une douille disposée sur l'extrémité du tube en verre et l'extrémité d'une tuyauterie liée au distributeur ou audit collecteur, ladite douille étant filetée sur sa surface extérieure de façon à engager deux écrous de serrage. 4/ Echangeur selon l'une des revendications 5 à 3, caractérisé par le fait qu'un soufflet est intercalé sur ladite tuyauterie liée audit distributeur et audit collecteur. 5/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite enceinte est confectionnée en fer ou en acier, et revêtue intérieurement d'une feuille d'un matériau plastique, de préférence du polytétrafluoréthylène ou du fluoréthylène-propylène. 6/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que dans le cas où le seul premier fluide est corrosif, ledit distributeur, ledit collecteur, lesdites tuyauteries, sont confectionnés en cuivre de préférence, lesdits soufflets étant confectionnés de préférence en laiton. 7/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que dans le cas où ledit deuxième fluide est également corrosif, ledit distributeur ledit collecteur, lesdites tuyauteries sont confectionnés en verre, lesdits soufflets étant confectionnés en polytétrafluoréthylène. 8/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit premier fluide corrosif est un gaz chaud résultant de la combustion d'un fuel, ledit deuxième fluide étant une huile hydrocarbonée. 9/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit premier fluide corrosif est un gaz chaud résultant de la combustion d'un fuel, ledit deuxième fluide étant une solution d'acide sulfurique. 10/ Installation, et notamment installation d'épuration des fumées et des gaz et de production concomittante d'acide sulfurique mettant en oeuvre au moins un échangeur selon l'une des revendications I à 9.