Brevet FR2670877A1 — publié le 19920626

CHANGEUR A PLAQUES La présente invention concerne la conception des échangeurs thermiques du type à p]aques. Ceux-ci se distinguent d'une manière générale des échangeurs tubulaires par Je fait que les fluides en situation d'échange thermique circulent I.ongitudinalement de part et d'autre de plaques disposées jointives parallèlement les unes aux autres. Tels qu'ils sont décrits, par exemple, dans Je brevet français nO 2 471 569 ou dans la demande de brevet français nO 88 13883, des échangeurs de ce type comportent un faisceau de plaques planes parallèles qui sont constituées de tôles fines le plus souvent en acier inoxydable, munies d'ondulations par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles organisent la circulation des fluides longitudinalement d'une extrémité à l'autre de l'échangeur Cen général à contre-courant l'un de l'autre), en créant des turbulences favorables aux échanges thermiques qui ont lieu entre les fluides à travers chaque plaque.Sur leurs bords longitudinaux, les plaques sont soudées entre elles par l'intermédiaire de languettes ou de cadres formant entretoises qui maintiennent l'écartement entre deux plaques successives. L'empilement de plaques est encadré par deux tôles relativement épaisses, qui report le poids du faisceau sur un support. L'épaisseur de ces plaques dépend du besoin ou non d'assurer également par elles-mêmes la rigidité mécanique du faisceau. Dans ce genre d'échangeurs, on rencontre des problèmes spécifiques de durabilité et sécurité de fonctionnement qui sont autres que ceux que l'on a su résoudre pour des échangeurs tubulaires, notamment ceux où les éléments d'échange thermique sont des tubes cylindriques montés en un faisceau de tubes parallèles débouchant en leurs extrémités à travers des plaques trans versables auxquels ils sont soudés. Concilier les phénomènes de dilation thermique aux efforts mécaniques demande donc des solutions radicalement différentes. En particulier, la grande efficacité recherchée par l'emploi d'éléments d'échange thermique constitués de tôles fines de grandes dimensions, notamment en longueur, qui reposent les unes sur les autres par des ondulations livrant passage aux fluides en circulation, va de pair avec une faible résistance mécanique propre de ces éléments, tandis que par ailleurs toutes liaisons de l'empilement des tôles fines avec les éléments de structure suffisamment épais pour être mécaniquement résistants entraînent des différences d'inertie thermique, d'où une sensibilité aux variations de températures. Dans des réalisations classiques d'échangeurs à plaques auxquelles l1invention est différentiellement destinée, les tôles épaisses et mécaniquement résistantes qui encadrent le faisceau de plaques d'échange thermique servent à supporter l'ensemble dans une enceinte de résistance à la pression des fluides ou virole, à laquelle elles sont liées rigidement non plus aux deux extrémités du faisceau, mais dans la partie médiane de l'échangeur, par des platines d'accrochage latérales. Pour résoudre les problèmes de dilatation thermique qui se posent en fonctionnement, il est alors prévu des soufflets métalliques compensateurs de dilatation sur les circuits collecteurs qui conduisent les fluides entre le faisceau de plaques et l1extérieur de l'enceinte enveloppant le faisceau, à chaque extrémité de l'échangeur. Même dans le cas le plus fréquent où l'enceinte est remplie directement par l'un des fluides passant par le faisceau, on trouve donc encore au moins trois compensateurs de dilatation sur des conduits différents traversant indivi duellement l'enceinte. Le nombre de ces compensateurs est déjà en soi un inconvénient, car les soufflets métalliques généralement utilisés sont des éléments relativement fragiles. De p]us la nécessité d'utiliser des tôles d'encadrement suffisamment épaisses pour reprendre l'ensemble des efforts mécaniques supportés par le faisceau et de les reporter par des potences ou autres supports sur l'enceinte elle-même, entraîne des difficu]tés au niveau des liaisons avec les tôles fines du faisceau, les soudures réalisées étant sensibles aux phénomènes thermiques. On doit en outre déplorer une tendance du faisceau à subir un moment fléchissant au niveau des faces longitudinales non équipées de tôles épaisses de supports dans la zone de sustentation médiane. En s'affranchissant de ces inconvénients, l'invention propose un échangeur à plaques correspondant à un nouveau mode de montage du faisceau dans dans son enceinte qui répond mieux que les échangeurs à plaques antérieurs aux différents besoins de la pratique, notamment en commodité de fabrication, en coûts et en sécurité de fonctionnement. Elle a pour objet un échangeur de type à plaques comportant un faisceau de plaques d'échange thermique entre des fluides circulant entre elles qui est disposé à l'intérieur d'une enceinte de résistance en pression, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble rigide de suspension dudit faisceau à ladite enceinte, comportant un circuit collecteur guidant un premier desdits fluides entre une extrémité supérieure du faisceau et l'extérieur de l'enceinte. Suivant des caractéristique secondaires de l'invention portant spécialement sur la conception de l'ensemble de suspension - Celui-ci comporte en outre un circuit collecteur interne, guidant un second desdits fluides entre ladite extrémité supérieure du faisceau et ladite enceinte, et monté axialement à l'intérieur dudit circuit collecteur du premier fluide. - Lesdits circuits collecteurs comportent respectivement un conduit externe et un conduit interne, constitués de tubes cylindriques coaxiaux et assurant le guidage des fluides à la traversée d'une calotte supérieure fermant 1' enceinte. - Lesdits circuits collecteurs comportent respectivement deux botes de raccordement à des passages entre plaques à l'extrémité supérieure du faisceau, réalisées sous la forme d'une bote annulaire semicylindrique pour le premier fluide, contenant axialement une boîte de raccordement semi-cylindrique pour le second fluide. - Le circuit collecteur du premier fluide comporte un piquage latéral extérieur à l'enceinte sur ledit conduit externe et le conduit interne est lié rigidement et de manière étanche à un couvercle fermant ledit conduit externe qu'il traverse axialement. Etant donné que l'on utilise en général des matériaux différents dans la fabrication du faisceau et dans celle de l'enceinte qui l'enveloppe, à savoir en particulier un acier inoxydable pour les plaques d'échange thermique et l'ensemble du faisceau, et un acier au chrome pour l'enceinte, il est avantageux de réaliser les conduits externe et interne chacun en au moins deux tronçons tubulaires soudés bout à bout, un tronçon externe attenant à l'enceinte étant réalisé dans le même matériau que celle-ci et un tronçon interne attenant au faisceau étant réalisé dans le même matériau que celui-ci.En outre, le tronçon interne du conduit externe est de préférence constitué, pour au moins une partie de sa longueur, par deux parois semi-cylindriques qui sont soudées ensemble sur des génératrices opposées à la fabrication de l'échangeur, après aboutage du conduit interne. Dans les applications privilégiées de l'invention, les circuits collecteurs de fluides tels que définis cidessus sont conçus et dimensionnés en fonction des propriétés des fluides qu'ils doivent véhiculer. Dans des modes de réalisation préférés, lesdits circuits collecteurs sont destinés à recevoir respectivement un premier fluide à extraire de l'échangeur à une pression relativement faible, et ledit collecteur externe à recevoir un second fluide à pression relativement élevée proche de la pression de ce fluide remplissant l'enceinte à son entrée dans l'échangeur, et un second fluide à pression relativement faible. Et en combinaison ou non avec ce qui précède, ils sont avantageusement destinés à recevoir respectivement des fluides de températures voisines comme il découle des caractéristiques d'efficacité de l'appareil. Dans les réalisations de ce type les conditions de pression régnant de part et d'autre des parois de chacun des circuits collecteurs conduisent avantageusement à réaliser mécaniquement la suspension du faisceau par le circuit collecteur interne dont les parois sont relativement épaisses, tandis que la construction du circuit collecteur externe utilise des parois relativement minces ayant un rôle de fermeture étanche et non de suspension mécanique. En partie basse de l'échangeur, à l'extrémité opposée à l'ensemble de suspension ci-dessus, les circuits collecteurs d'alimentation et d'extraction des fluides peuvent être réalisés de toutes manières en elles-mêmes classiques. Dans des modes de réalisation préférés on y retrouve un compensateur de dilatation thermique sur un circuit collecteur reliant des passages de fluide entre plaques, au centre du faisceau, avec l'extérieur de l'échangeur à travers l'enceinte, et d'autre part, une alimentation directe en fluide à pression relativement élevée dans l'enceinte. Dans un mode de réalisation préféré l'échangeur suivant l'invention comporte par ailleurs des moyens de centrage du faisceau d'échange thermique par rapport à une virole cylindrique limitant l'enceinte extérieure, qui sont en outre dimensionnés pour pouvoir supporter le faisceau hors fonctionnement en position longitudinale horizontale. On décrira maintenant l'invention plus en détails, en en faisant apparaître d'autres caractéristiques secondaires ainsi que divers avantages, dans le cadre d'un exemple particulier de réalisation. Sans vouloir être aucunement, on se référera pour la clarté de l'exposé à une application préférée de l'invention où l'échangeur à plaques est utilisé pour assurer l'échange thermique entre la charge et l'effluent d'une unité de reformage catalytique dans une installation de raffinage pétrolier. Cette description est illustrée par les figures 1 à 3 des dessins annexés, toutes relatives au même échangeur, parmi lesquelles - La figure 1 montre schématiquement l'échangeur vu en coupe longitudinale suivant le plan diamétral A-A de la figure 2 - La figure 2 représente une coupe transversale schématique de l'échangeur - La figure 3 représente schématiquement une autre coupe longitudinale, selon B-B de la figure 2, où l'on a fait seulement fait apparaître une partie supérieure de l'échangeur. Conformément aux figures l'échangeur de l'invention comporte essentiellement un faisceau 1 de plaques rectangulaires 2 d'échange thermique entre deux fluides qui traversent longitudinalement le faisceau, et une enceinte extérieure 3, résistant à la pression des fluides, qui enferme le faisceau. Pour l'emploi prévu dans le cas particulier considéré, l'échangeur est destiné à fonctionner en position longitudinale verticale, les entrées et sorties de fluides se situant aux deux extrémités longitudinalement opposés de 1 'échangeur, en tête et en fond de l'enceinte extérieure. Toutefois, il est prévu qu'il puisse être facilement transporté en position horizontale. Deux fluides circulent à contre-courant l'un de l'autre longitudinalement dans le faisceau 1, dans des passages ménagés entre deux plaques adjacentes, de sorte qu'ils sont en situation d'échange thermique à travers une plaque qui les sépare. Un premier de ces fluides est la charge ; constituée de napthta, et d'hydrogène elle représente le fluide relativement froid qui doit être préchauffé par l'effluent dans l'échangeur. Le second est formé par l'effluent, relativement chaud. Il se trouve par ailleurs que la charge de naphta parvient à l'échangeur sous une pression plus élevée que l'effluent ; c'est pourquoi il pénètre, en partie basse de l'échangeur, directement dans l'enceinte 3, qu'il remplit, avant de traverser le faisceau. L'enceinte, ou calandre 3, est limitée essentiellement par une virole cylindrique 10, enveloppant sur toute sa longueur le faisceau 1, et par deux calottes semi-sphériques 4 qui ferment la virole en partie haute et basse de l'échangeur. Compte-tenu des dimensions individuelles des plaques 2 et de leur nombre, le faisceau 1 présente une section carrée ; il est contenu axialement dans la calandre 3. Les circuits collecteurs, d'alimentation et d'extraction, qui guident les deux fluides entre le faisceau et l'extérieur de l'enceinte traversent la calandre 3 comme il sera décrit plus loin. Les figures montrent en outre une tubulure 8 que comporte la calotte inférieure pour introduire dans l'enceinte un gaz de recyclage, et un trou de visite 9, qui sert à pénétrer dans l'enceinte pour le montage des éléments internes de l'échangeur et son entretien. La réalisation du faisceau d'échange thermique proprement dit est conforme à celle qui a été décrite dans la demande de brevet français nO 88 13883, auquel on se reportera en particulier pour ce qui concerne la réalisation des plaques 2, ainsi que celle des orifices pour les entrées et sorties des fluides au niveau des extrémités du faisceau. Les plaques 2 apparaissent par leur tranche sur la figure 2, à une échelle que ne permet pas d'y voir comment elles reposent les unes sur les autres par des ondulations qui ont simultanément pour rôle de ménager des passages entre plaques guidant les fluides vers les collecteurs d'entrée ou sortie du faisceau. Ces plaques sont fabriquées avec leurs ondulations par formage par explosion de tôles fines en métal inoxydable.Elles sont empilées ensemble pour former le faisceau, avec interposition de languettes métalliques soudées sur leurs bords en guise d'entretoises fermant les passages entre plaques sur deux faces longitudinales opposées 12 et 13 du faisceau 1. Sur ses deux autres faces longitudinales, le faisceau est encadré par deux tôles épaisses 6 et 7, habituellement en acier inoxydable, de manière à constituer un bâti de maintien mécanique de l'empilement de plaques. Les tôles fines constituant les plaques 2 présentent à titre d'exemple une épaisseur de l'ordre de 1 mm. Les tôles épaisses 6 et 7 présentent une épaisseur de 3 à 5 mm alors que dans l'art antérieur une épaisseur de 10 mm était nécessaire du fait que ces plaques devaient reprendre tous les efforts mécaniques et supporter l'ensemble du faisceau vertical dans la virole de calandre. Conformément à l'invention l'échangeur décrit ne comporte aucune pièce de support véritablement analogue qui soit suffisamment résistante et soudée à la fois aux tôles 6 et 7 et à la virole 10 pour les relier en une structure rigide résistant aux conditions de fonctionnement. Par contre, on y trouve à la place des entretoises telles que celles qui sont représentées en 18 et 19, constituées par exemple sous la forme de grille ajourée ou en étoile, qui servent à supporter le faisceau 1 dans la virole de calandre 10, non plus quand il est en position verticale et en fonctionnement, mais seulement quand il est en position horizontale pour le transport de l'échangeur complet. En fonctionnement, ces entretoises jouent simplement le rôle d'organes de centrage, retenant le faisceau dans l'axe de l'enceinte 3. Comme on le verra plus loin le faisceau est porté suspendu à l'enceinte 3 en tête de l'échangeur, au niveau de la calotte supérieure 4, par les circuits collecteurs de fluides. L'ensemble de l'échangeur est supporté par un socle non représenté sur lequel l'enceinte 3 repose par des potences 16 et 17, soudées à elle au niveau de la soudure circulaire reliant la calotte inférieure 5 à la virole 10 de manière étanche. La charge constituant le fluide à haute pression pénètre en fond de l'échangeur directement dans l'enceinte 3 par une tubulure 11. Elle remplit cette enceinte et elle est reprise par les passages entre plaques à la partie inférieure du faisceau. En partie haute du faisceau, elle sort dans un collecteur comportant une boîte de raccordement 21, de forme annulaire semi-cylindrique, reliée à un conduit 22 qui traverse axialement la calotte de calandre supérieure 4 de manière étanche et débouche à l'extérieur de l'échangeur par un piquage latéral 14 orienté en biais, munie en bout d'une bride appropriée pour son raccordement à des tuyauteries ne faisant plus partie de l'échangeur. Le conduit 22, le piquage 14 et la boîte 21 forment ensemble ce que l'on considère ici comme constituant un circuit collecteur d'alimentation de l'échangeur pour la charge de naphta. L'effluent constituant le fluide à pression relativement faible pénètre dans les passages entre plaques à l'extrémité supérieure du faisceau. I1 en sort à l'extrémité inférieure par une boîte de raccordement semicylindrique 24 vers un conduit axial 3 qui complète le circuit collecteur d'extraction de l'effluent en traversant la calotte de calandre inférieure 5. Une boîte de raccordement analogue 23 est soudée sur le faisceau en son extrémité supérieure pour assurer l'alimentation du faisceau en effluent à partir d'un conduit axial 26 qui guide l'effluent à la traversée de la calotte supérieure 4. Comme il. apparaît sur la figure 1, le conduit 35 du circuit collecteur d'extraction d'effluent, situé en partie basse de l'échangeur, est interrompu par un compensateur de dilatation thermique, constitué ici par un soufflet métallique 25. En cette particularité, il est analogue à ceux des échangeurs à plaques classiques suspendus en travers du faisceau lui-même, sauf que les propriétés nominales du soufflet sont calculées différemment. Par contre, la réalisation est totalement différente en partie haute de l'échangeur, comme il apparaît sur les figures 1 et 2. Le circuit collecteur d' effluent comportant la boîte de raccordement 23 et le conduit 26 est disposé axialement à l'intérieur du circuit collecteur d'alimentation en charge, au niveau de la boîte de raccordement 21 et du conduit axial 22. Il est ainsi constitué un ensemble rigide de suspension du faisceau 1 à l'enceinte 3 par son extrémité supérieure, le circuit collecteur d'effluent, ou circuit interne, étant lié rigidement au cicuit collecteur de la charge, ou circuit externe, qui est lui-même lié rigidement à l'enceinte 3. Les liaisons rigides dont il s'agit sont réalisées en pratique par des soudures, qui assurent simultanément l'étanchéité aux fluides. Les boîtes de raccordement et les tronçons du conduit externe 22 et du conduit interne 26 qui se situent à l'intérieur de l'enceinte 3, sous la calotte supérieure 4, sont avantageusement réalisés en acier inoxydable comme les éléments du faisceau lui-même. L'épaisseur de leurs parois peut être relativement faible, à savoir par exemple 25 mm pour le collecteur interne et 4 à 6 mm pour le collecteur externe. Les conduits comportent par ailleurs des tronçons 27 et 28, dits externes, respectivement soudés bout à bout aux tronçons correspondants internes, qui sont intérieurs à l'enceinte 3. C'est au niveau de ces tronçons 27 et 28 que s'effectue la traversée de la calotte 4, avec soudure étanche. Leurs parois sont plus épaisses et ils sont constitués par exemple en acier au chrome comme les parois de l'enceinte.Le tronçon 28 du collecteur interne traverse un couvercle 29 fermant le collecteur externe audelà du piquage 14 et il se termine à l'extérieur par une bride d'accouplement 31. La conception de l'échangeur selon l'invention impliquant un tel ensemble de suspension rigide et mécaniquement résistant, conduit à ce qu'en fonctionnement, les contraintes résultant des dilatations thermiques différentielles et des pressions des fluides en circulation s'exercent plus en traction et compression qu'en flexion, contrairement aux échangeurs de l'art antérieur. Ces avantages viennent s'ajouter à la réduction du nombre de soufflets de dilatation et à la simplification de la fabrication, avec l'économie en matériel et en main-d'oeuvre qui en découle. Plus précisément, c'est en pratique ie collecteur interne avec sa boîte de raccordement associée qui assure mécaniquement le supportage du faisceau au couvercle 29 fermant le collecteur externe. Bien que cela n'apparaisse pas sur les figures, les parois du tronçon du collecteur externe intérieur à l'enceinte 3 présente une épaisseur sensiblement plus faible que celle des parois du collecteur interne. Pour faciliter le montage des éléments de l'échan- geur lors de sa fabrication, et notamment la soudure des circuits collecteurs à l'extrémité supérieure du faisceau par accès par le trou de visite 9 de l'enceinte 3, le tronçon interne du conduit 22 est constitué sur une partie de sa longueur, entre les lignes tranversales 32 et 33, par deux pièces de liaison semi-cylindriques qui sont soudées sur place pour fermer le circuit correspondant. La zone de soudure entre deux tronçons en matières métalliques différentes, sur les conduits des circuits collecteurs internes et externes, peut voir sa position calculée précisément dans chaque application particulière, suivant les conditions de fonctionnement envisagées.Dans tous les cas on remarquera que les différences de températures auxquelles sont soumises les parois des circuits sont plus faibles que dans les montages de l'art antérieur. En effet, l'espace annulaire intermédiaire entre Je conduit interne 26 et le conduit externe 22 est occupé par la charge déjà préchauffée, entre l'effluent chaud pénétrant dans l'échangeur et la charge relativement froide remplissant l'enceinte. Les contraintes résultant des dilatations thermiques au niveau des circuits collecteurs s'en trouvent donc diminuées. Enfin et comme il est en soi usuel, les éléments des circuits collecteurs qui ont été désignés ci-dessus par le terme de conduit sont réalisés essentiellement sous la forme de tubes cylindriques, notamment au niveau de la traversée de l'enceinte 3, à laquelle ils sont soudés de manière étanche. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Echangeur de type à plaques comportant un faisceau (1) de plaques (2) d'échange thermique entre des fluides circulant entre elles qui est disposé à l'intérieur d'une enceinte (3) de résistance en pression, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble rigide de suspension dudit faisceau à ladite enceinte comportant un circuit collecteur (21,22) guidant un premier desdits fluides entre une extrémité supérieure du faisceau (1) et l'extérieur de l'enceinte (3). 2. Echangeur à plaques suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de suspension comporte en outre un circuit collecteur interne (23,26) guidant un second desdits fluides entre ladite extrémité supérieure du faisceau et ladite enceinte et monté axialement à l'intérieur dudit circuit collecteur du premier fluide. 3. Echangeur à plaques suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits circuits collecteurs comportent respectivement un conduit externe (22) et un conduit interne (26) constitués de tubes cylindriques coaxiaux et assurant le guidage des fluides à la traversée d'une calotte supérieure (4) fermant l'enceinte (3). 4. Echangeur à plaques suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits circuits collecteurs comportent respectivement deux boîtes de raccordement à l'extrémité supérieure du faisceau, réalisées sous la forme d'une bote annulaire sensiblement semi-cylindrique pour le premier fluide contenant axialement une boîte de raccordement sensiblement semi-cylindrique pour le second fluide. 5. Echangeur à plaques suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit collecteur du premier fluide comporte un piquage latéral (14) extérieur à l'enceinte (3) sur ledit conduit externe (22) et en ce que ledit conduit interne (26) est lié rigidement et de manière étanche à un couvercle (29) fermant ledit conduit externe qu'ils traverse axialement. 6. Echangeur à plaques suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que lesdits conduits sont constitués chacun en au moins deux tronçons tubulaires soudés bout à bout, un tronçon interne à l'enceinte étant réalisé dans le même matériau que le faisceau (1) et un tronçon externe (27, 28) traversant l'enceinte (3) étant réalisé dans le même matériau que celle-ci. 7. Echangeur à plaques suivant la revendications 6, caratérisé en ce que le tronçon interne du conduit externe (22) est constitué, pour au moins une partie de sa longueur, par deux parois semi-cylindriques qui sont soudées ensemble sur des génératrices opposées 8. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que lesdits circuits collecteurs sont destinés à recevoir respectivement un premier fluide à extraire de l'échangeur à pression relativement élevée, remplissant ladite enceinte à son entrée dans l'échangeur, et un second fluide à pression relativement faible. 9. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que lesdits circuits collecteurs sont destinés à recevoir respectivement un premier fluide à température relativement faible dans l'échange thermique, et un second fluide à température relativement élevée. 10. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de centrage du faisceau d'échange thermique par rapport à une virole cylindrique (10) limitant l'enceinte extérieure, qui sont en outre dimensionnés pour pouvoir supporter le faisceau hors fonctionnement en position longitudinale horizontale. 11. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'ensemble rigide de suspension comporte un circuit collecteur interne passant à l'intérieur d'un circuit collecteur externe et en ce que la suspension du faisceau est assurée par l'intermédiaire du circuit collecteur interne présentant à cet effet une paroi relativement épaisse tandis que le circuit collecteur externe présente à l'intérieur de l'enceinte 3 une paroi d'épaisseur relativement faible.