Brevet FR2432697A1 — publié le 19800229

La présente invention a pour objet un appareil d'échange thermique et de séparation gaz-liquide ; elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans les installations de fabrication d'hydrogène et d'oxygène par electrolyse d'une solution aqueuse. On sait que, dans une telle installation, on utilise également la solution aqueuse pour évacuer la fraction de 11 énergie absorbée par l'éiectrolyseur qui n'est pas directement employée pour la décomposition et qui se retrouve donc sous forme de chaleur. La solution aqueuse électrolytique entre par le bas des cellules d'electrolyse et sort par le haut, à une température accrue (de 200C environ en général), chargez en gaz. Elle doit être dégazée et refroidie avant d'être réintroduite dans les cellules. On connaît déjà un appareil séparateur-échangeur sous pression pour installation de production d'hydrogène par électrolyse d'une solution aqueuse de potasse. Cet appareil est constitué par un tube de grande longueur et de diamètre important (respectivement 13 m et 45 cm par exemple) dans lequel est placé un serpentin parcouru par un liquide réfrigérant. La solution de potasse chargée en gaz entre par une extrémité du tube, placé horizontalement, et sort par l'autre. Les bulles de gaz se rassemblent à la partie haute du tube constituant collecteur et sont évacuées. Les paramètres de fonctionnement sont choisis# de telle façon que la surface libre se trouve approximativement à mi-hauteur du tube, suivant un plan diamétral. Un tel appareil, acceptable dans des installations de petite puissance fonctionnant sous pression modérée, ne l'est plus en cas d'installations importantes, dont la puissance peut dépasser le megawatt. En effet, l'encombrement et le poids d'un tel appareil deviennent alors prohibitifs. La présente invention vise- à fournir un appareil d'échange et de séparation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que son poids et, en conséquence, son coût sont beaucoup plus faibles que ceux d'un appareil conforme à l'art antérieur, à puissance et pression données. Dans ce but, l'invention propose notamment un appareil d'échange thermique et de séparation gaz-liquide, en particulier pour installation de production de gaz par électro lyse d'une solution, appareil comprenant un faisceau de tubes sensiblement parallèles, inclinés d'amont en aval, dont l'extrémité amont est reliée à un compartiment distributeur prévu pour recevoir une solution chargée en gaz, provenant par exemple d'un électrolyseur, et dont l'extrémité aval est reliée â un compartiment collecteur muni en partie haute d'une sortie de gaz et, en partie basse, d'une sortie de solution dégazée, lesdits tubes étant contenus dans une enceinte munie de moyens permettant d'y faire circuler un fluide réfrigé-rant ou chauffant. L'invention part de la constatation que l'efficacité de séparation d'un échangeur-s#éparateur à tube exprimée comme l'inverse du rayon minimum des bulles qu'il sépare pour un débit donné, est une fonction de LR (L étant la longueur du tube et R son rayon). Une étude du poids d'un tel échangeur montre qu'en première approximation il varie en fonction de L R2, à débit et pression donnés. Il s'ensuit que la substitution, à un tube unique, d'un faisceau de tubes de petit diamètre, permet une économie sensible de poids. Par ailleurs, cette diminution de diamètre des tubes permet de leur faire remplir la double fonction de paroi de délimitation de l'espace dans lequel s'effectue la séparation et de paroi d'échanges thermiques. En d'autres termes, l'invention ne se limite pas à une simple réduction du diamètre des tubes : elle prévoit, de plus et notamment, la combinaison en un seul élémement de deux éléments, assurant des fonctions distinctes, des systèmes antérieurs et la coopération d'un tel faisceau de tubes avec des compartiments communs de distribution et de collection. Les tubes auront généralement une faible pente sur l'horizontale. Leur diamètre,leur pente et le débit d'alimentation seront généralement choisis de façon que la surface libre de la solution soit approximativement à mi-hauteur des tubes. Des calibreurs d'équilibrage de débit seront généralement placés aux extrémités amont des tubes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un appareil qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - la figure 1 est un schéma de principe, en élévation, montrant le montage d'un tube entre un compartiment de distribution et un compartiment de collection, - la figure 2 est un schéma de principe, en perspective, montrant l'appareil démonte, un seul tube étant représenté, - les figures 3 et 4 sont, respectivement, une vue en élévation et une vue de dessus d'un tube de l'appareil de la figure 2. Avant de décrire l'ensemble de l'appareil, on indiquera, en faisant référence a la figure 1, sa constitution de principe et ses paramètres de fonctionnement. L'appareil comporte un faisceau de tubes tels que 10, répartis suivant un réseau régulier. Ces tubes, de grande longueur par rapport leur diamètre, sont inclinés d'un angle a faible sur l'horizontale. Ils sont munis a leur extrémité amont d'un calibreur Il permettant d'égaliser les débits d'admission dans les différents tubes 10 a partir d'un compartiment distributeur 12. Tous les tubes débouchent dans un même compartiment collecteur 13, dans lequel sera placé un matériau a forte porosité évitant le remélange du gaz et de la solution a la sortie des tubes 10. Ce matériau poreux, qui favorise la coalescence, sera généralement métallique. Il pourra se présenter en particulier sous forme de toile, de grille ou de copeaux.L'inclinaison a des tubes sera choisie en fonction du débit de solution, de la teneur en gaz, etc., de façon que l'écoulement dans les tubes se fasse en canal, c'est-a-dire avec une surface libre. Dans la pratique, le choix de a sera en général fait de façon que la surface libre 14, à la sortie du tube, corresponde approximativement au diamètre horizontal de sa section droite. Dans la pratique, l'appareil pourra avoir la constitution montrée schématiquement en figure 2. Il comporte, dans une enceinte 15 munie de tubulures 16 et 17 d'entrée et de sortie d'un liquide réfrigérant, le faisceau de tubes 10, auxquels on donne une forme d'épingle. Ces épingles peuvent avoir la constitution montrée ne figures 3 et 4 et avoir une longueur de plusieurs -mètres. Leurs extrémités amont et aval sont fixées à une même plaque tubulaire 18 qui constitue l'un des fonds d'une boite en deux pièces assemblées. L'autre fond de la boite et la partie latérale sont constitués par une plaque 19 et une virole 20 appartenant a un couvercle 21. Ce couvercle est prévu pour être monté de façon étanChe sur la plaque 18 et il est muni d'une entrée 22 de solution chargée en gaz, d'une sortie 23 de gaz placée en partie haute et d'une sortie 24 de solution dégazée, située en partie basse. Une cloison 25 présentant une légère inclinaison sur la verticale sépare l'intérieur de la boite en deux compa#rtiments, dont l'un constitue le compartiment distributeur 12 et l'autre le compartiment récepteur 13. Les tubes 10, répartis suivant un réseau régulier, ont leur extrémité amont qui débouche dans le compartiment distributeur 12 et leur extrémité aval qui débouche dans le compartiment collecteur 13. Une série d'entretoises transversales 26, munies d'échancrures permettant au liquide réfrigérant de circuler suivant le trajet indiqué par les flèches f sont placées dans l'enceinte 15 et maintiennent les tubes 10 en place. Le fonctionnement de l'appareil ressortant de la description qui précède, il ne semble pas nécessaire de l'indiquer en détail : le liquide réfrigérant circule de façon classique. La solution d'électrolyte chargée en gaz, éventuellement pression élevée, sortant des cellules d'électrolyse est admise par la tubulure 22 au compartiment 12 d'où elle se répartit entre les tubes 10. Dans les tubes se produit la séparation liquide-gaz. La solution d'électrolyse et le gaz, séparés l'un de l'autre,sont admis dans le compartiment collecteur 13 dans lequel le remélange est évité grâce a la présence d'une garniture. La solution électrolytique dégazée et refroidie dans l'appareil est reprise par des pompes, par l'intermédiaire de la tubulure 24, et renvoyée aux cellules d'électrolyse, tandis que le gaz s'échappe par la tubulure de sortie 23. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un appareil destine à dégazer une solution de potasse est constitué de tubes de 2 cm de diamètre. il présente une pente sur l'horizontale de 3% environ. Chaque tube permet de dégazer un débit de 0,2 m3/h de solution des bulles qu'elle contient etXqui ont un rayon supérieur a 11p m si L = 2 m 8 m si L = 4 m 5,5 p m si L = 8 m REVENDICATIONS 1. Appareil d'échange thermique et de séparation gazliquide, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de tubes sensiblement parallèles, inclinés d'amont en aval, dont l'extré- mite amont est reliée à un compartiment distributeur prévu pour recevoir la phase liquide chargée en gaz et dont l'extrémité aval est reliée à un compartiment collecteur muni en partie haute d'une sortie de gaz et, en partie basse, d'une sortie de phase liquide dégazée, lesdits tubes étant contenus dans une enceinte munie de moyens permettant d'y faire circuler un fluide réfrigérant ou chauffant. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des tubes, leur pente et le débit d'alimentation sont choisis de façon que la surface libre de la phase liquide soit approximativement à mi-hauteur des tubes. 3. Appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes sont en forme d'épingle et ont leurs extrémités amont et aval reliées à une même plaque tubulaire délimitant lesdits compartiments qui sont séparés par une cloison transversale à la plaque tubulaire. 4. Appareil suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les tubes sont munis, à leur extrémité amont, de calibreurs d'équilibrage des débits dans les tubes. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compartiment collecteur contient une garniture métallique poreuse, par exemple sous forme de toile, grille ou copeaux. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cloison est légèrement inclinée sur la verticale et relie la plaque tubulaire à une plaque de fond et à une virole cylindrique reliant les plaques pour séparer les compartiments distributeur et collecteur. 7. Application de l'appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes à une installation de production d'hydrogène par électrolyse d'une solution aqueuse constituant la phase liquide.