Brevet FR2431103A1 — publié le 19800208

La présente invention concerne une colonne de séparation de mélanges gazeux par fractionnement à basse température. Les colonnes de ce genre comportent généralement deux compartiments à parois latérales cylindriques superposés thermiquement interconnectés par un vaporiseurcondenseur vaporisant du liquide parvenant en cuve du compartiment supérieur et condensant des vapeurs parvenant en tête du compartiment inférieur, ledit vaporiseur-condenseur ayant un corps de forme parallàlépi- pédique rectangle à parois latérales verticales formé d'un assemblage à plaques ménageant une pluralité de passages plats parallèles et adjacents entre eux, les uns de vaporisation, les autres de condensation, les dits passages de vaporisation s étendant verticalement depuis une section d'ouverture basse d'admission du liquide jusqu'à une section d'ouverture haute de sortie des vapeurs, tandis que les dits passages de condensation s'étendant depuis une section d'admission de liquide jusqu'à une section d'ouverture basse de sortie de liquide. La recherche de l'économie est une préoccupation dans toute étude d'optimisation des installations industrielles et de leurs compo sants. Dans le cas particulier des vaporiseurs-condenseurs associés à des colonnes de fractionnement travaillant à basse température, cela conduit généralement à rechercher la plus grande compacité possible afin de limiter l'encombrement des matériels à isoler thermiquement, et par conséquent, le volume des "boites" froides. L'emploi d'éléments d'é- change en plaques d'aluminium brasé incorporé aux colonnes du genre rappelé plus haut a permis d'obtenir sous cet aspect une amélioration notable par rapport à l'emploi d'échangeurs à faisceau tubulaire. Toutefois, on constate qu'une substantielle partie du volume disponible dans une colonne ne peut etre utilisée par le vaporiseur-condenseur puisqu'il est occupé par les canalisations qui servent à raccorder les passages d'é- change de condensation et de vaporisation. Différentes dispositions géométriques ont été recherchées pour tenter d'améliorer cet état de choses en vue d'aménager des surfaces d'échange plus grandes dans une colonne de diamètre donné. L'objet de la présente invention viseà encore améliorer la compacité des vaporiseurs-condenseurs par diverses dispositions ayant toutes pour but d'éliminer définitivement les conduits véhiculant des fluides principaux à l'état gazeux donc de gros diamètre, dans l'espace interstitiel entre vaporiseur-condenseur et colonne. Selon l'invention, les sections d'admission des passages de condensation débouchent, le cas échéant, par une tubulure de prolongation descendante verticalement située à l'aplomb en dessous dudit corps de vaporiseur-condenseur dans la partie de tête du compartiment inférieur, et le corps de forme parallèlépipédique rectangle a ses quatre arêtes angulaires longitudinales substantiellement au voisinage immédiat d'une paroi de compartiment dans lequel il est placé. Grâce à cette réalisation et à d'autres mesures qui seront décrites en détails plus loin, on parvient ainsi à faire circonscrire le vaporiseur-condenseur par la virole de colonne, en sorte que le seul espace perdu est constitué par les quatre volumes longitudinaux délimités entre chacune des parois latérales sensiblement planes du vaporiseurcondenseur et la partie en regard de la virole circulaire de la colonne. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale, ou horizontale, d'une colonne selon l'invention avec vue de dessus du vaporiseur-condenseur; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale, ou verticale, de la colonne selon la figure à l'endroit d'un passage de condensation ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, la coupe étant effec tuée à l'endroit d'un passage de vaporisation ; - les figures 4, 5 et 6 sont des vues analogues aux figures 1, 2 et 3 respectivement d'une première variante de réalisation ; - la figure 7 est une vue analogue à la figure 5 d'une seconde variante de réalisation ;; - les figures 8 et 9 d'une part, 10 et il d'autre part sont des vues analogues aux figures 2 et 3 respectivement d'une troisième et d'une quatrième variante de réalisation. En se référant'aux figures I à 3, une colonne de fractionnement, représentée partiellement en 1 incorpore un vaporiseur-condenseur 2 ayant un corps principal 3 de forme générale parallélépipédique rectangle, monté sur un rebord 4 d'une paroi de séparation 5 entre un compartiment inférieur 6 de sommet colonne haute pression et un compartiment supérieur 7 de bas de colonne basse-pression. Le corps principal 3 est formé d'un assemblage brasé de plaques 8 définissant, avec des parois latérales 20, 21, 22, 24, une pluralité de passages plats de condensation 11 adjacents à une pluralité de passages plats de vaporisation 12. De préférence, un passage de vaporisation 12 est toujours situé cote à côte avec un passage de condensation il comme représenté à la figure 1. Chaque passage de condensation 11 entre deux plaques séparatrices 8 (voir en particulier figure 2) présente une section principale d'ouverture 13 s'étendant sur toute la largeur transversale "a" d'un passage de condensation 11 à l'intérieur duquel est placée une plaque ondulée 14, ou onde, s'étendant substantiellement au voisinage de la section d'ouverture transversale 13 jusqu a une paroi d'extrémité supérieure 15, l'onde 14 est formée d'une onde principale 16 formant des canaux verticaux et se terminant en un bord incliné 17 pour permettre la mise en place d'une onde auxiliaire 18 à canaux horizontaux débouchant par une section d'ouverture latérale 25 dans un collecteur 19 s'étendant selon l'épaisseur ép ais s eur transversale "b" du vaporiseur-condenseur 2, sur lequel est branché un tube d'évacuation 26. Chaque passage de vaporisation 12 (voir en particulier la figure 3 > , défini entre deux plaques séparatrices 8, présente deux sections principales d'entrée 31 et 32, à extension verticale limitée, ménagées au bas de deux parois opposées 22 et 24, et une section de sortie 33 à extension horizontale à l'extrémité supérieure sur toute la largeur transversale "a" du corps 2. A l'intérieur du passage de vaporisation 12 est agencée une onde 34 à canaux verticaux s'étendant de la section de sortie 33 au bord supérieur 35 des sections d'entrée 31 et 32. Toutefois, on note que les ondes 34 peuvent s'étendre, pour des raisons de fabrication, jusqu'à occuper tout ou partie d'une zone de répartition 36 (qui, à la figure 2, est dépourvue de telles ondes), sous réserve bien entendu que ces ondes ou garnitures aient une structure n'ayant pas d'effet, ou un effet négligeable, sur l'écoulement du liquide. En fonctionnement, du liquide s'accumule en cuve du compartiment supérieur 7 jusqu'à submerger au moins partiellement le vaporiseurcondenseur 1, le cas échéant, complètement (niveau N), tandis que des vapeurs s'élèvent constamment jusqu a parvenir en tête du compartiment inférieur 6-. Dans les passages de vaporisation 12, le liquide pénètre librement par les sections d'entrée latérales 31 et 32 dans une partie transversale de répartition 36 dépourvue d'onde ou équipée de garnissage adéquat, puis le liquide emprunte les canaux verticaux de l'onde 34 en se vaporisant progressivement par échange de chaleur avec le fluide à condenser présent sous les passages de condensation 11. La vapeur produite s'échappe par la section de sortie 33 en entraînant une fraction substantielle du liquide non vaporisé.Dans les passages de condensation 11, les vapeurs progressent vers le haut (flèche f2) et sont progressivement condensées et le condensat s'écoule vers le bas (flèche f3), tandis que les vapeurs incondensables s'écoulent vers le haut par l'onde 18 vers le collecteur 19 et le tube d'évacuation 26. Les avantages de la disposition décrite sont une excellente compacité, l'espace occupé par les tuyauteries étant à peu près inexistant. Cependant, pour que le fonctionnement soit correct, il faut que la vitesse ascendante du gaz à condenser dans les passages de condensation 11 soit suffisamment faible pour ne pas empêcher le condensat de redescendre dans le compartiment inférieur de colonne 6 ; au-delà d'une certaine charge, une instabilité de fonctionnement risque de perturber l'efficacité opératoire. Ceci conduit à limiter la capacité d'échange des passages condensation (c'est-à-dire le plus souvent à limiter la hauteur utilewdu corps). On aboutit à la conception d'éléments de grand diamètre et faible hauteur dont les proportions ne sont pas optimales. En se référant maintenant aux figures 4 à 6, on voit qutune colonne 51 comporte un vaporisateur-condenseur 52, toujours de forme parallèlépipédique, occupant le maximum d'espace à l'intérieur de la colonne cylindrique 51 (voir figure 4). Ici les passages de vaporisation 61 (figure 6) sont identiques aux passages de vaporisation 11 de la réalisation précédente selon la figure 3, tandis que les passages de condensation 62 ont une forme de U renversé grâce à la mise en place# d'une cloison partielle 63, définissant ainsi une partie amont de passage 63a debutant à une section d'entrée 64 d'extension transversale limitée, et une partie aval 62b aboutissant à une section de sortie 65 et séparée de la partie amont 63a par une partie médiane 62c.Pour permettre la circulation des vapeurs selon les flèches f4, f5, f6, la section de sortie 65 communique avec une chambre 66 pourvue d'un déversoir à syphon 67 formant ainsi une dépression dans la partie 62b du passage 62. Cette chambre 66 est équipée d'un conduit haut 68 d'évacuation des vapeurs incondensables. La disposition des figures 4 à 6 présente l'avantage de permettre une charge spécifique élevée pour les passages de condensation 62 grâce à la circulation méthodique du fluide destiné à être condensé. Il devient alors possible de réaliser des corps de vaporiseurcondenseur dont le rapport largeurlhauteur est plus élevé que dans la réalisation précédente. Sous réserve d'un choix judicieux du rapport des surfaces transversales des passages ascendants 62a et descendants 62b pour les passages de condensation 62, ainsi qu'un dimensionnement approprié des ondes à ailettes qui garnissent chacun de ces passages, il devient possible d'assurer un fonctionnement stable dans une large plage de charge. En se référant à la figure 7, qui est une variante de réalisation, montrant les passages de condensation 71, ceux-ci sont du type à partie amont ascendant 71a et partie aval descendant 71b, séparées entre elles par une partie médiane horizontale 71c, l'alimentation et l'évacuation s'effectue par des collecteurs 72 et 73 respectivement raccordés par des tubulures-supports 74 et 75 sur une paroi de séparation 76, la tubulure d'évacuation des condensats débouchant dans une chambre à syphon 77. En se référant aux figures 8 et 9, un vaporiseur-condenseur 81 toujours placé dans un compartiment de colonne supérieur 82 comporte un corps principal 83 formant des passages de condensation 84 et des passages de vaporisation 85. Les passages de condensation 84 s'étendent sur toute la largeur transversale "a" du corps et présentent une section d'entrée 86 d'extension transversale limitée coopérant avec une onde préliminaire de répartition 87 vers une onde principale 88, et une large section de sortie 89 coopérant avec deux ondes de rétrécissement 90 et 91 et débouchant dans un collecteur 92, ce collecteur 92 étant raccordé par une tubulure verticale 93 à une chambre à syphon 94 dans le compartiment inférieur de colonne 99.La section d'entrée 86 est raccordée par un collecteur d'alimentation 95 à un ensemble de passages d'alimentation 96 situés dans le prolongement transversal des passages de vaporisation 85, non occupée par lesdits passages de vaporisation 85. Les passages d'alimentation 96 sont euxmêmes alimentés via un collecteur bas 97 par une tubulure 98 située à l'aplomb en-dessous du corps et débouchant dans le compartiment 99. Selon les figures 10 et 11, un corps 100 de vaporiseur condenseur 101 est situé dans un compartiment inférieur 102 séparé par une cloison 103 d'un compartiment supérieur 104 d'une colonne de séparation 105. Des passages de condensation 106 présentent des sections d'entrée 107 à extension latérale ou verticale en une zone haute du corps et des sections de sortie 108 en une zone basse qui débouchent dans une chambre à siphon 109 à conduite d'évacuation des vapeurs incondensables 110. Des passages de vaporisation 111 présentant, comme précédemment, des sections d'entrée basses 112 et des sections de sortie haute 113 à extension transversale totale. Pour les alimenter, on prévoit un collecteur d'alimentation bas 114 connecté par une canalisation de faible diamètre 115 (car transférant seulement du liquide) en cuve d'un compartiment supérieur 116 tandis que les vapeurs sont rassemblées par un collecteur d'évacuation 117 et une cheminée 118 engagée dans le compartiment supérieur 116 jusqu a une hauteur dépassant le niveau N du liquide. En se référant à la figure 12 qui est une variante de réalis#- tion du vaporiseur selon la figure 11, les passages de vaporisation proprement dits 120 occupent seulement une partie -a- de la largeur du vaporiseur-condenseur- 121 et sont relies par un dégagement de fond 122 avec des passages d'alimentation 123 occupant la partie restante -b- de la largeur du vaporiseur-condenseur 121 ; les passages d'alimentation 123 débouchent par une section d'entrée 124 dans le compartiment supérieur 125, tandis que les passages de vaporisation 120 débouchent dans ce même compartiment 125 par une cheminée 126. Selon une autre variante de réalisation, le vaporiseurcondenseur est toujours placé dans un compartiment inférieur de colonne, mais on a disposé une conduite d'alimentation en liquide à l'extérieur de la virole de colonne. On obtient ainsi non seulement une meilleure occupation de l'espace intérieur de la colonne, mais également une sécurité d'exploitation supérieure car le point bas de la conduite est situé à l'extérieur de la colonne. L'invention s'applique à la séparation par fractionnement de mélanges gazeux, notamment à basse température. REVENDICATIONS 1. - Colonne de séparation de mélanges gazeux par fractionnement à basse température, du genre à deux compartiments à parois latérales cylindriques superposés thermiquement interconnectés par un vaporiseur-condenseur vaporisant du liquide parvenant en cuve du compartiment supérieur et condensant des vapeurs parvenant en tête du compartiment inférieur, ledit vaporiseur-condenseur ayant un corps de forme parallèl2pipédique rectangle à parois latérales verticales formé d'un assemblage à plaques ménageant une pluralité de passages plats parallèles et adjacents entre eux, les uns de vaporisation, les autres de condensation, les dits passages de vaporisation s 'étendant substantiellement verticalement depuis une section d'ouverture d'admission du liquide jusqu'à une section d'ouverture de sortie, tandis que les dits passages de condensation s'étendant depuis une section d'admission de liquide jusqu a une section d'ouverture basse de sortie de liquide, caractérisée en ce que les sections d'admission des passages de condensation débouchent, le cas échéant, par une tubulure de prolongation descendante verticalement située à l'aplomb en dessous dudit corps de vaporiseurcondenseur, dans la partie de tête du compartiment inférieur, et en ce que le corps de forme parallèlépipédique rectangle a ses arêtes longitudinales substantiellement au voisinage immédiat d'une paroi de compartiment dans lequel il est placé. 2. - Colonne de séparation selon la revendication 1, du genre où un vaporiseur-condenseur est entièrement situé en cuve du compartiment supérieur, caractérisée en ce que les passages de condensation ont leur section de sortie à extension horizontale en regard du compartiment inférieur, tandis que les passages de vaporisation ont des sections d'entrée à extension verticale dans la paroi latérale du corps. 3. - Colonne de séparation selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque passage de vaporisation comporte deux sections d'entrée disposées en regard l'une de l'autre dans deux parois latérales verticales opposées du vaporiseur-condenseur. 4. - Colonne de séparation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les passages de condensation présentent des sections de sortie qui sont totalement confondues avec les sections d'entrée, les dites sections s'étendant sur toute la largeur transversale des dits passages de condensation. 5. - Colonne de séparation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les passages de vaporisation incorporent des ondes formant des canaux de répartition verticaux, les dites ondes s'étendant depuis les sections de sortie substantiellement jusqu'au bord supérieur des sections d'entrée à extension verticale. 6. - Colonne de séparation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les passages de vaporisation incorporent un garnissage au niveau des sections d'entrée. 7. - Colonne de séparation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les passages de condensation présentent à leurs entre mités supérieures une section de sortie des vapeurs incondensables vers un collecteur s'étendant dans le sens de l'épaisseur transversale du corps du vaporiseur-condenseur. 8. - Colonne de séparation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les passages de condensation présentent chacun une partie verticalement ascendante depuis une section d'entrée s'étendant sur une partie seulement de la largeur transversale du corps, et une partie verticalement descendante aboutissant à une section de sortie occupant la partie restante de ladite largeur transversale. 9. - Colonne de séparation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les passages de condensation communiquent avec une enceinte basse ménagée dans le compartiment inférieur et équipée d'un déverser du type syphon. 10. - Colonne de séparation selon la revendication 1 ou 2 ou 4 ou 8, caractérisée en ce que les sections d'entrée et/ou de sortie des passages de condensation débouchent directement dans le compartiment inférieur. 11. - Colonne de séparation selon la revendication 2 ou 4 ou 8, caractérisée en ce que les sections d'entrée et les sections de sortie des passages de condensation débouchent dans des collecteurs respectivement d'alimentation et d'évacuation individuellement raccordés par tubulure au compartiment inférieur. 12. - Colonne de séparation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les passages de vaporisation ont, selon la largeur transversale du corps, une extension qui est plus faible que la largeur dudit corps formant partie des passages de condensation et formant conduits verticaux aboutissant à un collecteur haut de redistribution aux parties descendantes des dits passages de condensation. 13. - Colonne de séparation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de vaporiseur-condenseur est Situé dans le compartiment inférieur et en ce qu'une conduite de faible diamètre relie le bas du compartiment supérieur à un collecteur bas de redistribution de liquide aux sections d'entrée des passages de vaporisation, tandis que les sections de sortie débouchent dans un collecteur haut d'évacuation vers une cheminée s'étendant au-dessus du fond de cuve du compartiment supérieur. 14. - Colonne de séparation selon la revendication 13, carac térisée en ce que les sections de sortie des passages de condensation ont une extension verticale dans la paroi latérale du corps. 15. - Colonne de séparation selon la revendication 12, carac térisée en ce que les sections d'entrée des passages de condensation ont une extension verticale dans la paroi latérale du corps. 16. - Colonne de séparation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps du vaporiseur-condenseur est situé dans le compartiment inférieur et en ce que des passages dudit corps servent de passages d'alimentation basse des passages de vaporisation proprement dits.