Brevet FR2514119A1 — publié le 19830408

ECHANGEUR DE CHALEUR TUBULAIRE POUR GAZ A PRESSION ET TEMPERATURE ELEVEES L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur pour gaz à pression et température élevées et, plus particulièrement, aux chaudières de récuperation. Les difficultés de construction posées par ces appareils croissent avec la température et la pression du gaz à refroidir et avec la pression de la vapeur que l'on veut produire. La composition du gaz augmente aussi ces difficultés : c'est particulièrement le cas des gaz rencontrés dans les processus de synthèse de l'ammoniac, ou autres gaz industriels, contenant une forte proportion d'hydrogène et d'azote qui entraîne des phénomènes de fragilisation et de corrosion des aciers lorsqu'ils sont à pression et/ou à température élevée. Ces phénomènes se rencontrent notamment dans les échangeurs à tubes droits ou à tubes en U souvent utilisés dans les applications à température et pression élevées. Dans les échangeurs à tubes droits, la dilatation des tubes montés entre deux plaques de support, n'est pas possible; lesdites plaques sont soumises à la haute pression et doivent être épaisses. Le gaz à refroidir arrive dans une bote chaude qui est soumise à la fois à la haute pression et à la température élevée. La plaque de support située du côté de l'entrée du gaz est soumise à des différences de température considérables sur ses faces et à une corrosion importante aux endroits de passage des tubes. Les échangeurs à tubes en U ont également une boîte chaude d'entrée soumise à la fois à la haute pression et à la température élevée et une plaque de support de tubes soumise à des contraintes thermiques importantes, qui se manifestent. aussi bien suivant l'épaisseur de la plaque que suivant sa dimension transversale.Cette plaque est également sujette à corrosion aux endroits. de passage des tubes. Dans ce genre d'échangeurs, on est alors conduit à utiliser des aciers spéciaux pour réaliser ou vetir certaines parties de forte épaisseur de l'appareil. Les échangeurs des types susvisés présentent , outre leur cout élevé et leur poids relativement important, l'inconnénient d'être sujets à des contraintes mécaniques supplémentaires dues aux différences de température dans les épaisseurs des parois ou des plaques de support des faisceaux de tubes échangeurs. L'invention propose, en vue de supprimer ces inconvénients, l'application nouvelle, aux échangeurs pour gaz à pression et température élevées, d'un dispositif du type "bayonnette." connu en soi, mais qui sera utilisé en amenant le gaz à refroidir par les tubes intérieurs du faisceau. Suivant un mode d'exécution préféré, la boîte chaude munie d'une plaque de support des tubes intérieurs et d'une tubulure d'entrée du gaz à refroidir, est disposée à l'intérieur de la boîte froide, munie d'une plaque de support des tubes extérieurs et d'une tubulure de sortie du gaz refroidi, les parois de la boîte chaude étant séparées des parois de la boîte froide et ladite tubulure d'entrée traversant une paroi du corps de la boîte froide, tandis que les tubes intérieurs traversent la plaque de support des tubes extérieurs. Selon une forme d'exécution plus particulière, ladite tubulure d'entrée est garnie d'une chemise a' isolation thermique Suivant une autre particularité de l'invention, la paroi de la boite froide opposée à la plaque de support des tubes extérieurs est munie d'un couvercle étanche et amovible. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après A la figure unique du dessin annexé, on a représenté, en coupe verticale, une chaudière de récupération de chaleur conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention. Une calandre 1 dans laquelle l'eau d'alimentation à vaporiser pénètre à une extrémité (à droite sur la figure) en 10, est munie, à son extrémité opposée, d'une plaque 20 dans laquelle sont fixés, par soudage par exemple; des tubes extérieurs 21 fermés à une extrémité et logeant des tubes intérieurs 31, ouverts à l'extrémité correspondante. Pour simplifier, on a représenté deux couples de tubes seulement, alors que le faisceau comporte, de manière connue en soi, une pluralité de couples de tubes constituant un vaporisateur. A l'autre extémité, les tubes 31, après avoir traversé la plaque 20, sont fixés, par exemple par soudage, à une plaque 30 constituant la paroi antérieure d'une boîte d'entrée de gaz 3. Le gaz à refroidir pénètre dan-s la boîte 3 par une tubulure d'entrée 32 qui traverse en 22, la paroi d'une bolte de sortie de gaz 2 dont la paroi antérieure est constituée par la plaque 20 et la paroi postérieure, par un couvercle amovible 23. La paroi de la boite 2 est munie en 24 d'une tubulure de sortie de gaz 25. La tubulure 32 est munie d'une chemise 33 d'isolation thermique, permettant d'éviter son échauffement par le gaz entrant. La boîte 3 est logée à l'intérieur de la boîte 2 et ses parois ne sont pas en contact avec celles de la boîte 2. A son extrémité de droite, la calandre 1 est munie d'un trou d'homme 11 et, à sa partie supérieure par exemple, d'une tubulure 12 d'évacuation de la vapeur et, selon les cas, de l'eau chaude produites, comme on l'expliquera par la suite. L'appareil est alimenté en continu, en eau par la tubulure 10, en gaz chaud à pression élevée par la tubulure 32. Le gaz chaud pénètre dans la "bolte chaude" 3, puis dans le faisceau intérieur 31 où il commence à- refroidir ; le faisceau intérieur étant ouvert à son extrémité, le gaz déjà partiellement refroidi passe dans les espaces annulaires compris entre les tubes 31 et 21 et, convenablement refroidi, il traverse la plaque 20, pénètre dans la "boite froide" 2 et sort par la tubulure 25. Les calories cédées par le faisceau vaporisateur à l'eau contenue dans la calandre vaporisent cettre eau. La vapeur produite est, de façon connue en soi, soit évacuée par les tubulures 12 (chaudière du type rebouilleur dans laquelle la vapeur est séparée de l'eau dans la calandre) soit, en même temps que de l'eau, envoyée vers un ballon extérieur (chaudière à recirculation extérieure, dans laquelle la séparation eau-vapeur s'effectue dans le ballon). L'invention ne porte pas sur cette partie de l'appareil, qui pourrait même être du type économiseur, c'est-à-dire produire de l'eau chaude à température légèrement inférieure à celle de vaporisation. L'appareil peut être installé horizontalement, comme illustré au dessin, ou verticalement, la boîte de sortie étant placée en haut ou en bas. Si l'on suppose, pour fixer les idées, que le gaz pénètre en 32 à une température de 4000C et sous une pression de 200 bars, compte tenu de la perte dè charge dans le faisceau vaporisateur, qui est de l'ordre de 1 Kg/cm2, la pression sera par exemple de 199 bars à l'intérieur de la chambre 5 et la température du gaz refroidi sera par exemple 3600C. Il est évident que les parois en contact avec l'extérieur de la calandre 1 et de la boite 2 devront etre suffisamment résistantes pour supporter les pressions élevées qui règnent côté-gaz et coté vapeur. A cet effet, les parois de la boîte 2 et de la calandre pourront être constituées en acier allié d'épaisseur relativement grande (par exemple 300 mm pour la boite 2, 100 mm pour la calandre 1), apte à résister aux conditions de température et de pression. En ce qui concerne les phénomènes de fragilisation et de corrosion liés aux conditions de température et de pression et à la teneur éventuelle du gaz en hydrogène et en azote, la conception de la chaudière décrite permet, comme on l'expliquera ci-après, de se protéger contre ces phénomènes sans devoir utiliser dans les parties les plus repaisses, des parois ou des revêtements en alliages spéciaux, à haute teneur en nickel-chrome par exemple, présentant un coût élevé. Par ailleurs, les contraintes mécaniques liées aux différences de température dans les épaisseurs de métal sont considérablement réduites. Ces résultats remarquables sont obtenus, en premier lieu, grâce à l'application nouvelle, au refroidissement et à la récupération de chaleur d'un gaz à haute. température et haute pression, d'une chaudière munie d'un échangeur du type "bayonnette", présentant la particularité selon laquelle le gaz est introduit par le tube intérieur En effet il en résulte que - le gaz chaud n'ayant pas de contact avec la boîte 2 et la plaque 20, celles-ci ne seront pas soumises aux conditions de corrosion et de fragilisation les plus sévères t elles peuvent donc être construites en acier faiblement allié, peu onéreux - l'échange thermique maximum entre le gaz eut l'eau ne s'effectue pas au niveau de la plaque 20, mais est reporté à l'extrémité opposée du faisceau de tubes 21-31.Au niveau de la plaque 20, la différence de température entre gaz et eau n'est que de 40 à 500C : les contraintes thermiques sont faibles et il n'y a pas de risque de formation de poches de vapeur. A l'extrémité opposée, où ce risque existe, l'inspection de la chaudière est facile (trou d'homme 11) ; - les tubes extérieurs 21 n'étant soumis qu'au gaz refroidi, ils peuvent être réalisés en acier faiblement allié et les phénomènes de corrosion sous contrainte observés sur les alliages fortement alliés en présence d'eau de chaudière se trouvent éliminés. L'agencement de la boîte chaude 3, disposée à l'intérieur de la boîte froide 2 et complètement distincte de celle-ci, permet de séparer les parties à haute température de celles à température plus basse et d'éviter les contraintes qui seraient dues aux gradients thermiques élevés dans les fortes épaisseurs de la bote 2 et de la plaque 20. On notera que la plaque 20 ne sera pas soumise à des différences de température importantes, ni dans le sens de son épaisseur, ni dans le sens de son diamètre, ce qui réduit au maximum les contraintes thermiques. Les parois intérieures de la boîte 3 et de la plaque 30 sont évidemment soumises à la température la plus élevée, mais, par contre, la pression différentielle est faible (de l'ordre de 1 kg/cm2). Elles peuvent donc être réalisées en métal mince. I1 s'agira d'alliages spéciaux mentionnés cidessus, mais, compte tenu de la faible épaisseur (par exemple 6mm pour la boîte 3, 20mm pour la plaque 30) la construction est aisée et peu onéreuse. Le couvercle 23 permet le démontage du faisceau de tubes intérieurs, tout en assurant l'étanchéité du gaz sous pression. En résumé, la chaudière décrite est de construction relativement peu onéreuse, l'épaisseur de toutes les parties soumises à haute température étant réduite et les enveloppes de forte épaisseur sur lesquelles regne la pression n'étant soumises qu'à des gradients thermiques modérés. I1 va se soi que des modifications dans la forme et l'agencement des différentes parties de l'appareil décrit et représenté peuvent être apportées, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Revendications de brevet 1. Echangeur de chaleur du type "bayonnette" destiné au refroidissement d'un gaz à pression et température élevées, comportant une boite chaude (3) munie d'une tubulure (32) d'entrée du gaz à refroidir et d'une plaque de support (30) d'un premier faisceau de tubes échangeur ; une boîte froide(2), munie d'une tubulure de sortie du gaz refroidi (25) et d'une plaque de support (20) d'un second faisceau de tubes échangeurs ; les tubes de l'un des faisceaux etant ouverts à leur extrémité libre et logés à l'intérieur des tubes, fermés à leur extrémité libre, de l'autre faisceau, caractérisé en ce que ledit premier faisceau est composé des tubes intérieurs (31), tandis que le second faisceau est composé des tubes extérieurs (21). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boîte chaude (3) est disposée à l'intérieur de la boîte froide (2), les parois de la boîte chaude étant séparées de celles de la boîte froide et la dite tubulure d'entrée (32) traversant une paroi (22) du corps de la boîte -froide, tandis que les tubes intérieurs (31) du faisceau traversant la plaque de support (20) des tubes extérieurs. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tubulure d'entrée (32) est garnie d'une chemise d'isolation thermique (33). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou 3b, caractérisé en ce que la. paroi de la boîte froide (2) opposée à la plaque de support (20) des tubes extérieurs est munie d'un couvercle étanche et amovible (23). 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les parois de la boîte froide (2) et de la plaque (20) de support des tubes extérieurs (21) ont une épaisseur sensiblement supérieure à celle des parois de la boîte chaude (3) et de la plaque (30) de support des tubes intérieurs (31). 6. Chaudière de récupération de chaleur comportant un échangeur de chaleur selon l'une des revendications l à 5.