Brevet FR2482472A1 — publié le 19811120

Dispositif pour distribuer un liquide sous forme d'un mince film dans des échangeurs de chaleur verticaux. La présente invention concerne un dispositif pour distribuer un liquide sous forme d'un mince film dans des échangeurs de chaleur verticaux. Plus particulièrement, la présente invention a trait à un dispositif pour distribuer sous la forme d'un film la solution d'urée sortant d'un réac- teur de synthèse d'urée dans les tubes de l'appareil pour dé- O10 composer sous haute pression le carbamate d'ammonium. Bien que la présente invention ne soit pas limitée à cette appli- cation, on se référera à cette dernière car elle constitue l'un des cas les plus importants dans l'industrie chimique. Comme on le sait, la distribution du liquide sur la plaque tubulaire pour alimenter les divers tubes d'un échan- geur de chaleur par l'intermédiaire de"t'tes tubulaires" de distribution, est d'une importance capitale pour que l'on puisse obtenir un fonctionnement satisfaisant de l'appareil grâce au fait que les tubes sont alimentés avec un débit uni- forme du liquide. Pour obtenir ce résultat, la technique antérieure a offert des solutions qui peuvent être groupées dans la pra- tique, en deux types fondamentaux d'alimentation, à savoir: a) une alimentation du liquide au centre de la pla- que tubulaire et, de ce fait, le mouvement du fluide est cen- trifuge (du centre vers la périphérie), et b) une alimentation du liquide à la périphérie de la plaque tubulaire et, de ce fait, le mouvement du fluide est centripète (de la périphérie vers le centre). Ces deux solutions conduisent à une distribution non uniforme du liquide car la chute de pression entre une "'tête tubulaire" de distribution et celle qui lui est immédiate- ment voisine entraTne une colonne ou énergie potentielle qui est maximale près du point d'alimentation et diminue considé- rablement à mesure que la zone d'alimentation s'éloigne, le résultat étant un manque fâcheux d'uniformité de la distribu- tion du liquide sur tous les tubes. Des observations effectuéessurl'état des tubes de l'appareil de la technique classique ont montré qu'un amincis- sement considérable de la paroi du tube se produit à l'endroit o la colonne est plus élevée, en correspondance avec le point o le débit d'alimentation est important, probablement en rai- son du fait que les tubes se trouvant dans cette zone travail- lent dans des conditions d'écoulement surabondantce qui donne naissance au phénomène d'érosion dans la région supérieure. En plus du phénomène d'écoulement surabondant, on pense qu'il se produit dans la région supérieure des tubes un dégagement intense de gaz qui est d à la fois à la libération des gaz inertes contenus dans la solution et l'évaporation d'une frac- tion de l'ammoniac libre contenu dans la solution. Ces deux facteurs se conjuguent pour donner nais- sance à un certain phénomène de corrosion. La technique antérieure utilise pour la distribu- tion, des "tête tubulaires" perforées à leur sommet pour per- mettre l'échappement des gaz et des vapeurs se dégageant de la solution tombant sous forme d'un film le long des tubes du faisceau tubulaire; la distribution sous forme d'un film sur les parois intérieures-de ces tubes est obtenue grâce au fait que la solution s'écoule par des perforations formées dans la surface périphérique des "têtes". Ces perforations sont de préférence orientées tangentiellement par rapport à la surface intérieure des "têtes". En ce qui concerne la dis- tribution du liquide sur la plaque tubulaire, la forme des "têtes" et des perforations est donnée à titre d'exemple suffisamment caractéristique par le brevet français 2 347 093. On s'est alors aperçu, d'une façon tout à fait sur- prenante, que les conditions favorables pour la corrosion des tubes de l'échangeur ont pour origine la conjugaison du fait que la colonne de liquide e non constante avec le fait que "têtes" sont ouvertes à leur sommet. - La présente invention a donc pour objet principal de procurer un dispositif pour la distribution du liquide sous forme d'un film dans des échangeurs de chaleur, ce dispositif comprenant essentiellement, en combinaison: 1 ) une multiplicité de "têtes" fermées à leur sommet mais comportant des perforations dans leur surface latérale et au voisinage de leur sommet fermé hermétiquement, des perforations tangentielles étant formées en supplément dans la surface latérale des "t8tes" en correspondance avec leur section intermédiaire en vue de l'introduction du liquide dans le faisceau tubulaire et, 2 ) un lit de garnissage reposant sur une toile métallique, de préférence une toile métallique ayant des mailles carrées, ladite toile métallique étant placée sur une grille formée par des barres parallIèles dont chacune repose sur les bords de deux rangées adJacentes de "têtes"o La fonction de O10 garnissage peut également être remplie par une ou plusieurs plaques perforées comportant des trous d'Vun diamètre de 5 à mm et, dans ce cas, la toile métallique est supprimée tandis que la grille subsiste, En ce qui concerne les perforations formées à tra= vers la surface périphérique des "têtes" dans la section supé- rieure de celles-ci, elles ont pour rile de donner naissance à une chute de session pour les gaz et les vapeurs arrivant des tubes de l'échangeur de chaleur; à ce suJet, il est sur- prenant qu'il faille prévoir un obstacle contre le dégagement des gaz et des vapeurs alors que c est une règle établie dans les operations de distillation de réduire à un minimum autant que possible le temps de contact entre la phase gazeuse ou phase vapeur et la phase liquides Le nombre de ces perforations est généralement compris entre 2 et 8. Leurs axes sont de préférence perpendiw culaires à la "tête" et sont espacés les uns des autres angu- lairement de façon uniforme dans le sens circonférenciel et le long de la périphérie extérieur de chaque "tgte"o La chute de pression que l'on peut escompter de ces perforations est de l'ordre de 0,1 mm - 2000 mm de colonne de d'eau. En ce qui concerne le lit de garnissage, celui-ci est composé par des éléments de garnissage classiques tels que ceux utilisés dans les tours à garnissage, la hauteur du lit étant généralement de 500 mm à 2000 mm, 1000 mm étant la valeur préférée. Il convient de remarquer que les barres de la grille pourraient aussi, dans une autre possibilité, ne pas reposer sur les bords des "têtes" et, par contre, être espacées de ces dernières de manière à permettre une passivation complète des pièces constitutives métalliques tout en empêchant les "têtes" d'être expulsées si des variations de pression brusques venaient à prendre naissance. Dans ce cas, les barres reposent contre la paroi de l'enveloppe et leurs extrémités portent sur des supports appropriés. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux figure 1 à 3 des dessins annexés donnés à titre purement illustratif et non limitatif. La figure 1 montre la partie supérieure (collecteur) de l'échangeur de chaleur du type à film. La référence 1 désigne l'enveloppe du collecteur, la référence 2 le tube servant à introduire le liquide devant être distribué sous la forme d'un film, la référence 3 le tube pourl'échappement vers l'atmosphère des gaz et des vapeurs, la référence 4 un distri- buteur tout à fait classique pour liquide, la référence 5 le lit de garnissage rempli de bagues Raschig ou autres moyens analogue, et la référence 6 la grille sur laquelle repose la toile métallique supportant le lit de garnissage. La référence 7 désigne deux têtes" tubulaires fermées selon la présente invention, tandis que la référence 11 désigne la plaque tubu- laiee supérieure du faisceau de tubes l2 dont deux tubes seule- ment ont été représentés sur la figure. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une seule "tgte" 7 selon la présente invention. Sur les dessins, la référence 8 désigne un des trous prévuspour évacuer vers l'atmosphère les gaz et les vapeurs et la référence 9 désigne les perforations tangentielles destinées à l'introduction du liquide dans les tubes du faisceau tubulaire. La figure 3 montre la façon selon laquelle les barres destinées à supporter la toile métallique repose sur deux rangées adjacentes de "têtes" 7. Dans son ensemble, l'échangeur de chaleur vertical à distribution de liquide sous forme de film selon la présente invention comprend, d'une part, une enveloppe extérieure compor- tant une ouverture pour l'introduction de liquide à traiter, une ouverture pour l'évacuation du liquide traité, une ouver- ture pour l'échappement vers l'atmosphère cs gaz et des vapeurs qui se sont dégagés du liquide ou qui ont été éveptuellement introduits volontairement pour la "séparation" ou "décollage" du liquide et, d'autre part, à l'intérieur, du haut vers le bas, un distributeur pour liquide dont la tache est d'étaler le liquide sur la totalité de la superficie de section droite intérieure de l'appareil et des moyens de support pour ce dis- tributeur, un lit de garnissage à travers lequel s'infiltre le liquide étalé, une toile métallique sur laquelle repose ledit lit de garnissage, une grille pour supporter ladite toile métal- lique, les "tèted'fêrméshermétiquement àleursommetetdontl'fitérieur estcreuxenvue d'une distribution du liquide sous forme d'un film à un faisceau tubulaire sous-jacent sur les tubes duquel repose ladite toile métallique, une plaque tubulaire supérieure qui est fixée à la paroi de l'enveloppe et à travers laquelle sont introduites les sections d'extrémité supérieures des tubes desdits faisceaux, les "tgtes" étant introduites dans les tubes dudit faisceau tubulaire dans la partie supérieure de ladite plaque tubulaire, le faisceau tubulaire, une plaque tubulaire inférieure qui est fixée à la paroi d'enveloppe et dans laquel- le sont introduites les sections d'extrémité inférieures des tubes dudit faisceau l'agent de chauffage étant introduit dans l'espace délimité par l'enveloppe et lesdites plaques tu- bulaires supérieure et inférieure par une ouverture qui a été spécialement formée dans l'enveloppe extérieure en correspon- dance avec ledit faisceau tubulaire et étant évacué par une ouverture formée dans la m9me région. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limita- tif et que des variantes ou des modifications peuvent y 9tre apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour distribuer un liquide sous la forme d'un mince film dans un échangeur de chaleur vertical du type comprenant une enve- veloppe extérieure comportant une ouverture pour l'introduction du liquide à traiter, une ouverture pour l'évacuation du liquide traité, une ouverture pour l'échappement vers l'atmosphère des gaz et des vapeurs, une ouverture pour introduire un agent chauffant, une ouverture pour évacuer ledit agent chauffant et, à l'intérieur, du haut vers le bas, un distributeur de liquide ayant pour rôle d'étaler ledit liquide sur la totalité de la superficie de section droite intérieure de ladite enveloppe et des moyens supportant le distributeur, des "têtes" creuses pour la distribution du liquide sous forme d'un film dans les tubes d'un faisceau tubulaire sous-jacent, lesdites "têtes" comportant des perforations tangentielles à travers la section intermédiaire de leur surface périphérique et étant évidées intérieurement, une plaque tubu- laire supérieure fixée à la paroi de l'enveloppe et dans laquelle sont introduites les sections d'extrémité supérieures des tubes dudit fais- ceau, lesdites "têtes" étant introduites dans les tubes de ladite plaque tubulaire dans la partie supérieure de ladite plaque tubulaire, ledit faisceau de tubes, une plaque tubulaire inférieure fixée à la paroi de l'enveloppe et dans laquelle siaa introduites les sections deextrémité inférieure des tubes dudit faisceau, caractérisé par le fait que les "têtes" de distribution (7) de liquide sont fermées de façon étanche à leur sommet et sont pourvues de perfo- rations (8) pratiquées dans leur surface périphérique au voisinage des sommets fermés de façon étanche pour décharger les gaz et les vapeurs, lesdites "têtes" de distribution supportant une grille (6) formée par des barres parallèles dont chacune repose sur les bords de chaque paire de rangées adjacentes de têtes, lesdites barres des grilles supportant un élément à mailles qui soutient un lit de gar- nissage (5). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le lit de garnissage (5) a une hauteur de 500 mm à 2000 mm, de préférence 1000 mm. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre des perforations (8) que comporte la "tête" (7) pour l'évacuation des gaz et des vapeurs est compris entre 2 et 8. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les perforations (8) que comportent les têtes (7) pour l'évacuation des gaz et des vapeurs donnent naissance à une chute de pression de 0,1 - 2000 mm de colonne d'eau. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les axes des perforations que comporte une tête (7) pour évacuer les gaz et les vapeurs sont perpendiculaires à l'axe de la tête. - 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le lit de garnissage (5) et l'élément à mailles sont remplacés par une ou plusieurs plaques perforées dont les perforations ont un diamètre de 5 à 10 mm. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les barres (10) ne reposent pas sur les bords des têtes mais sur la paroi de l'enveloppe (1), les extrémités des barres reposant sur des supports prévus spécialement. t