Brevet FR2496245A1 — publié le 19820618

L'invention concerne un échangeur thermique à blocs de matière carbonique destiné aux fluides fortement agressifs tels que l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique ou l'acide phosphorique. On connart les échangeurs thermiques en graphite, type à caisson réalisés par collage en bloc de différents éléments de graphite tels que plaques, lattes, tubulures et éléments de console. Ce collage est réalisé avec un mastic de bonne conductibilité thermique et renforcé aux points de raccordement par méthode chimique et thermique. Dans ces échangeurs, la circulation des fluides réfrigérant et réfrigéré par des trous de déversement disposés à distance des extrémités des cellules entraînant la formation des zones mortes et une diminution importante du rendement thermique de ce type d'échangeur.En outre, la construction fermée et indémontable de ces échangeurs rend impossible le nettoyage indispensable des cellules pour l'élimination de la couche d'impuretés mécaniques et de cristaux des solutions réfrigérées ce qui abaisse le coefficient d'échange thermique Sont également connus les échangeurs thermiques en graphite dont les blocs à faisceaux de canaux cylindriques rectilignes et parallèles, éventuellement à lattes latérales, sont réalisés par collage de plusieurs panneaux et soumis à un traitement mécanique. Les canaux des fluides se raccordent à l'intérieur de l'échangeur avec le système des canaux de circulation par l'intermédiaire de blocs frontaux de matière carbonique assemblés par des joints d'étanchéité appropriés qui en permettent le démontage.Ainsi conçu, les blocs étant enlevés, cet échangeur permet il est vrai le nettoyage mécanique mais son inconvénient réside en des dimensions relativement peu importantes ainsi qu'aux difficultés à réaliser un bon assemblage qui entraine de sérieuses complications pour construire des unités à surfaces d'échange thermique plus importantes. Ces échangeurs présentent de plus d'importantes résistances à la circulation des fluides ce qui engendre une formation facile des boues et cause des ennuis au montage ou au démontage dans les conditions d'exploitations industrielles. On connaît également des échangeurs Polybloc en graphite constitués d'empilage d'éléments cylindriques de graphite. Tous les éléments comportent un trou dans l'axe et un système de canaux verticaux et radiaux pour les fluides en échange. Le sens et la multiplicité des fluides en circulation sont déterminés au moyen d'éléments étanches périphériques et radiaux appropriés. Les surfaces latérales et frontales des éléments en graphite sont protégees par une chemise métallique et des couvercles et la construction est renforcée à 1' aide des tirants. La conception à blocs et chemise de l'échangeur ne permet pas une modification désirée de la surface d' échange thermique en vue de l'adapter au coefficient de pénétration de la chaleur alors que l'augmentation du nombre d' éléments graphite entraîne un accroissement simultané de la resistance hydraulique défavorable au passage des fluides. Une conception différente de l'échangeur Polybloc qui a fait l'objet du brevet d'invention Polonais NO 77066 se compose d'éléments cylindriques reposant sur les bases et serrés par une plaque métallique à l'aide d'un tirant à boulons. Les éléments sont pourvus de deux cotés d'entailles en spirale en forme de rainures de section droite semi-circulaire qui constituent dans l'ensemble du bloc d'éléments les canaux spirales de circulation. L'entrée et la sortie des fluides en échange se font respectivement par quatre trous verticaux constituant les collecteurs entrée et sortie. Malgré la simplicité de la construction, cet échangeur présente certains défauts fonctionnels tels que : le nonrespect exact de la circulation à contre-courant des deux fluides - le sens de leur parcours étant alternatif -, les résistances élevées au passage ainsi que le risque d'obstruction des canaux provoqué par les coudes relativement brusques lors du passage entre les plaques là ot s'effectue le changement de sens du parcours des fluides. En outre, la construction de l'échangeur ne permet pas l'obtention des surfaces optimales d'échange thermique par unité de volume de l'échangeur. Un autre type connu d'échangeur de chaleur faisant l'objet du brevet d'invention Polonais NO 100 300 est fait en ma tière carbonique et constitué par les plaques regroupées en un bloc et collées l'une à l'autre. Les plaques sont prévues de chaque coté de rainures spiralées constituant dans le bloc les canaux de passage ayant en section une forme de figure plane et régulière, par exemple d'ellipse ou d'hexagone, dont le rapport de la hauteur à largeur est tel que ces canaux sont de type "en fonte". Les collecteurs entrée et sortie sont prévus en partie centrale du bloc et profilés en graphite sur les surfaces latérales des plaques. Cet échangeur tout en se caractérisant par une construction compacte et un coefficient élevé de la surface d'échange thermique par rapport au volume, présente pourtant des difficultés de réalisation des canaux profilés et de l'assemblage étanche des plaques. L'inconvénient commun 9 tous leséchangeurs thermiques en blocs de matière carbonique réside dans la nécessité de percer une matière dure telle que "karit" de très longs trous pour le passage des fluides ce qui exige, de par l'écartement des forets, l'augmentation de la distance entre axes des trous avoisinants afin d'éviter le perçage éventuel des parois. Cette difficulté est à l'origine de la diminution de la surface d'échange thermique par unité volumique. Dans le cas de blocs avec un trou de collecteur disposé dans l'axe et pourvus de deux types d'alésages, c'est-à-dire axiaux et verticaux pour le parcours du fluide agressif et de trous radiaux pour le fluide neutre -ce qui existe dans les échangeurs de conception Polybloc-, il est nécessaire d'installer un système défavorable de canaux. Un tel système de circulation diminue la capacité du procédé d'échange thermique. Une autre incommodité de ces échangeurs réside en la nécessité d'employer une chemise métallique extérieure ce qui entraîne, les deux fluides agressifs étant en circulation, de graves difficultés dans le processus d'échange de chaleur. Le but de la présente invention est de créer un échangeur thermique assurant la régularité de l'échange de la chaleur dans tout le bloc en utilisant au maximum la surface d'échange par rapport à la capacité de l'échangeur. L'essentiel de l'échangeur thermique, objet de la présente invention, réside dans l'exécution dans tous les segments centraux du bloc d'un système de passages horizontaux ainsi que de trous de collecteur disposés le long du diamètre éventuellement de l'axe de la symétrie du segment où les trous de collecteur sont raccordés avec deux files au moins de passages horizontaux--ces files étant situées dans des plans verticaux et aboutissant tangentiellement de deux côtés aux trous de collecteur. Entre les files de passages horizontaux sont de préférence prévues deux files de passages verticaux. Les passages horizontaux et verticaux sont pourvus d' entailles de préférence en forme de filetage à filets unique ou multiples et à grand pas. La chemise extérieure de I'échangeur,'constitué de préférence par une enveloppe métallique démontable à double peau, est fixée à la cellule inférieure de l'échangeur à l'aide d'un élément d'accrochage à brides et à la cellule supérieure par tirants à brides et à boulons ou par éléments d'accrochage à boulons. Entre la chemise de l'échangeur et les segments est prévu un écran élastique adhérant d'une façon étanche aux cellules inférieure et supérieure. Cet écran est fait en matière anticorrosion, en caoutchouc de preférence. Une autre version de l'échangeur utilise un écran élastique en matière résistante à la corrosion constituant la chemise extérieure de ltéchangeur fixé de façon étanche aux cellules inférieure et supérieure et serré de l'extérieur par des éléments annulaires situés entre cet écran et les tirants à barres. Les éléments annulaires sont implantés au droit des bagues d'étanchéité disposées entre l'écran et les segments de bloc. L'échangeur thermique objet de l'invention se caractérise par la compacité de la construction et par un coefficient élevé de la surface d'échange thermique par unité de volume, le coefficient de consommation des materiaux par unité de la surface d'échange étant réduit. Le système des trous de passage, assurant l'épaisseur presque constante des parois, permet un échange régulier de chaleur dans tout le bloc de l'échangeur tout en éliminant les zones inactives du matériau. La construction démontable de l'échangeur permet l'aug mentation facile de la surface d'échange thermique et I'emploi de l'écran spécial en matière anti-corrosion protège efficacement les éléments métalliques de l'échangeur contre les actions destructives des fluides agressifs. L'échangeur convient aussi bien pour les basses et hautes pressions des fluides. L'objet de l'invention est représenté comme exemple sur les plans ci-joints où - la figure 1 montre la section longitudinale de l'échangeur thermique avec chemise métallique et écran - la figure 2 représente l'échangeur avec écran en section longitudinale ; - la figure 3 l'échangeur en section transversale le long de la ligne A-A - la figure 4 représente un segment en section longitudinale. L'échangeur thermique objet de l'invention est constitué par les segments centraux 1 en charbon et graphite et les segments extrêmes : segment inférieur 2 et segment supérieur 3. Les segments sont assemblés en bloc, étanches sur les surfaces de contact par les joints périphériques 4 et enfermés dans un boitier constitué par la chemise métallique 5 et les cellules métalliques : cellule inférieure6 et cellule supérieure 7. Les segments extrêmes 2 et 3 sont étanches dans les cellules 6 et 7 par les joints 8 et pourvus de trous appropriés : trous d'entrée 2a et trou de sortie 3a. Dans la cellule supérieure 7 se situe la tubulure d'entrée 9 et dans la cellule inférieure 6 - la tubulure de sortie 10. Les surfaces intérieures des cellules 6 et 7 ainsi que celles des tubulures 9 et 10 sont enduites d'une façon étanche d'une matière anti-corrosion par exemple caoutchouc vulcanisé. A l'intérieur de la chemise métallique 5 se situe l'écran élastique 11 en matière anti-corrosion (par exemple caoutchouc étanche et adhérant aux cellules inférieure 6 et supérieure 7. Cet écran protège la chemise 5 contre les attaques corrosives du fluide. La chemise 5 est raccordée à la cellule inférieure 6 au moyen d'un élément d'accrochage à brides 12 et à la cellule supérieure à l'aide de l'assemblage typique à boulons et à brides ou par éléments d'accrochage à boulons. La chemise 5 est composée de deux parties raccordées par boulons au moyen des lattes longitudinales 14. Entre l'écran Il et les segments centraux 1 sont disposées des bagues d'étanchéité 15 déterminant la circulation du fluide. Tous les segments centraux 1 sont percés de passages verticaux 16 de circulation et de pas sages hqrizontaux 17 constituant les canaux de circulation des fluides d'échange. De plus, tous les segments 1 sont pourvus de trous 18 verticaux de collecteur placés le long du diamètre. Les passages horizontaux 17 sont reliés aux trous verticaux 18 de collecteur, les -deux files 17 de passages affrontés débouchant dans un meme trou 18. Les plans verticaux d'implantation des passages 17 sont décalés 1 t un par rapport à l'autre de telle sorte que le débouché de ces passages dans les trous correspondants de collecteur soit tangentiel. Entre les deux files 17 de passages horizontaux situées sur deux plans verticaux parallèles sont prévus les passages verticaux 16 disposés en deux files au minimum et décalés en files avoisinantes à mi-distance de l'écartement de deux passages. Les trous de collecteur 18 sont fermés aux deux extremi- tés du segment 1 par bouchons 19. Les passages horizontaux 16 et verticaux 17 sont pourvus d'entailles en forme de filetage à filets multiples à grand pas en vue d'engendrer un mouvement tourbillonnaire et d'assurer la circulation turbulente des fluides. Sur la surface latérale des segments 1, à mi-hauteur, est entaillée une rainure 20 prévue pour la bague d'étanchéité 15 et sur les surfaces frontales de ces segments et des segments extrêmes 2 et 3 sont réalisées des rainures périphéri- ques 21 constituant les sièges des joints d'étanchpité 4. Suivant une autre conception (figure 2 et 4), les segments 1, 2 et 3 de l'échangeur sont serrés au moyen de tirants à boulons et barres 22 solidaires des brides fixées aux cellules inférieure 6 et supérieure 7. Le boîtier du bloc de seg ments est constitué par l'écran élastique 11 enfoncé et adhérant d'une façon étanche aux cellules inférieure 6 et supérieure 7, et serré aux bagues d'étanchéité 15 par l'intermédiaire des éléments annulaires 23 situés entre l'écran 11 et les tirants 22. Dans l'exécution réalisée à titre d'exemple, l'échangeur est à simple passe mais la segmentation appropriée des groupes de passages verticaux 16 par des joints entre les différents blocs permet la réalisation d'échangeurs à double-, triple; quadri- ou multi-passe en fonction des besoins d'exploitation. Les segments de l'échangeur peuvent être cylindriques ou en forme de prisme. Le fluide est amené à l'échangeur par un trou d'entrée 2a situé dans le segment extrême 2, passe à travers les segments centraux 1 par les passages verticaux 16 et s'échappe par un trou de sortie 3a. L'autre fluide est amené simultanément à la cellule 7 par la tubulure 9, traverse l'espace entre l'écran 11 et les segments 1 et par les trous horizontaux 17, isolés dans le segment central 1 par les bagues 15, arrive tangentiellement de deux côtés jusqu'aux trous 18 de collecteur appropriés. A partir de ces trous, le fluide repasse par d'autres passages horizontaux 17 à travers les différents segments 1 et les trous de collecteur 18 appropriés et se dégage à l'extérieur de l'échangeur en traversant la cellule inférieure 6 et la tubulure de sortie 10. L'entrée tangente du fluide dans les trous de collecteur 18 et les entailles dans les trous verticaux 16 et horizontaux 17 assurent la turbulence du flux ce qui intensifie sensiblement le procédé de l'échange thermique. L'échangeur objet de l'invention dans son exécution fondamentale est de conception Polybloc permettant, la construction étant démontable, le changement de dimensions de la surface d'échange thermique par un choix approprié du nombre des segments. L'échangeur peut être également utilisé comme "monobloc" dans le système à un seul segment : bloc central raccordé avec les segments extrêmes (frontaux). L'échangeur en version "monobloc" de même qu'en version "polybloc" trouve son application comme réfrigérant de l'acide chaud, par exemple,dans les procédés technologiques utilisant l'acide. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à blocs en matière carbonique pour fluides agressifs, constitué par un empilage de blocs centraux et extrêmes, pourvus d'un système de canaux de circulation horizontaux et verticaux ainsi que de trous de collecteur, enfermés dans un boîtier, caractérisé par le fait que les trous de collecteur (18) situes dans les segments centraux (1) sont raccordés au moins avec deux files de passages hori- zontaux (17) situés dans des plans verticaux avec des files de passages verticaux (16), de préférence au nombre de deux, entre deux plans voisins de passages horizontaux, et, entre une enveloppe métallique (5) constituant le boîtier de l'é- changeur et les segments (1) protégés par cette enveloppe, un écran élastique (11) adhérant de façon étanche par ses extrémités aux cellules inférieure (6) et supérieure (7) de 1' échangeur. 2. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les passages horizontaux (17) situés en files selon deux plans parallèles débouchent tangentiellement dans un trou de collecteur (18) approprié de deux côtés opposés. 3. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les passages horizontaux (17) et verticaux (16) sont pourvusd'entai1les de préférence en forme de filetage à filets multiples et à grand pas. 4. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise extérieure (5) est constituée par une enveloppe métallique démontable à double peau fixée à la cellule inférieure (6) au moyen d'un élément d'accrochage à brides (12) et à la cellule supérieure (7) par l'intermédiaire de tirants à brides et boulons (13) ou d'éléments d'accrochage à boulons. 5. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que son boîtier extérieur est constitué par un écran élastique (11) fixé de façon étanche aux cellules inférieure (6) et supérieure (7) de l'échangeur avec, entre cet écran et les tirants à barres (22) des éléments annulaires (23) de serrage dudit écran en regard des bagues d'étanchéité (15) des segments (1) dans cet écran. 6. Echangeur suivant les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que l'écran élastique (11) est en matière résistante à la corrosion.