Brevet FR2674947A1 — publié le 19921009

y La présente invention est relative à un procédé de vaporisation d'un liquide dans des premiers passages, ou passages de vaporisation, ouverts en haut et en bas d'un échangeur de chaleur à plaques, par échange de chaleur avec un fluide calorigène principal circulant dans des seconds passages de l'échangeur. Elle s'applique notamment à la vaporisation des liqui- des cryogéniques, en particulier de l'oxygène liquide en cuve des colonnes basse pression des installations de distillation d'air à double colonne. Les échangeurs de chaleur à plaques, large- ment utilisés dans les installations de distillation d'air, comprennent un empilement de nombreuses plaques rectangulaires verticales en aluminium définissant entre elles un grand nombre de passages plats de gran- des dimensions Des ondes, servant d'entretoises entre les plaques et d'ailettes thermiques, sont disposées entre les plaques Les bords des passages sont fermés par des barrettes-entretoises, et des interruptions de celles-ci permettent l'introduction des fluides dans l'échangeur et leur extraction, via des boîtes d'en- trée et de sortie semi-cylindriques fixées en regard de ces interruptions. Parmi ces échangeurs, certains, dits "vapo- riseurs à bain", comportent des passages de vaporisa- tion complètement ouverts en haut et en bas Ils sont couramment utilisés, par exemple, pour vaporiser l'oxygène liquide par condensation d'azote moyenne pression en cuve des colonnes basse pression des dou- bles colonnes de distillation d'air. Un tel vaporiseur à bain est immergé dans le bain du fluide à vaporiser (de l'oxygène pour le cas d'une double colonne) La circulation de ce fluide se fait par effet thermosiphon. Le débit total circulant dans les passages de vaporisation dépend, pour un échangeur et un flux de chaleur donnés, de la valeur de la submergence, qui est le rapport de la hauteur d'immersion de l'échan- geur dans le bain de liquide à la hauteur de l'échan- geur en % Ce débit diminue lorsque la submergence diminue, et la recirculation (rapport du débit li- quide en sortie au débit vaporisé) s'annule pour les valeurs de submergence trop faibles, entraînant un assèchement dans la partie haute du vaporiseur. Dans certains cas, et notamment dans les vaporiseurs d'oxygène précités, un tel fonctionnement à sec n'est pas permis, pour des questions de sécuri- té En effet, il existe un risque de dépôt et de con- centration d'hydrocarbures qui peuvent réagir de façon explosive avec l'oxygène On se voit donc contraint de travailler à des submergences relativement élevées, généralement de l'ordre de 70 à 80 %. Ceci est pénalisant du point de vue de la performance de l'échangeur, car la hauteur hydrostati- que du bain de liquide entraîne un sous-refroidisse- ment de ce liquide en bas de l'échangeur, ce sous- refroidissement atteignant par exemple 0,80 C pour une hauteur d'oxygène liquide de 1 mètre dans une colonne basse pression fonctionnant sous 1,3 bar absolu La partie basse du vaporiseur est donc utilisée pour réchauffer ce liquide et l'amener à son point d'ébul- lition, et cette zone peut atteindre une fraction importante de la hauteur du vaporiseur ( 1/3 à 1/4 pour une submergence de 100 %). Dans ces conditions, il est difficile de faire fonctionner un vaporiseur d'oxygène à bain avec un faible écart de température inférieur à 1 'C entre l'oxygène et l'azote moyenne pression, sauf à réduire a la hauteur du vaporiseur et à installer en cuve de colonne des échangeurs placés dans des bains superpo- sés Cette solution a déjà ét é mise en oeuvre sur certains appareils, mais elle est coûteuse en inves- tissement. L'invention a pour but de permettre une réduction de la submergence sans assèchement de la partie supérieure des passages de vaporisation. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de vaporisation d'un liquide dans des premiers passages, ou passages de vaporisation, ouverts en haut et en bas d'un échangeur de chaleur à plaques, par échange de chaleur avec un fluide calorigène principal circulant dans des seconds passages de l'échangeur, caractérisé en ce qu'on génère du gaz additionnel dans la partie d'extrémité inférieure desdits premiers passages. Suivant d'autres caractéristiques on injecte du gaz, provenant d'une source de gaz extérieure à l'échangeur, dans le li- quide contenu dans ladite partie d'extrémité inférieu- re; pour la vaporisation d'un corps pur à l'état liquide, ledit gaz est constitué par le même corps pur à l'état gazeux; on fait circuler dans la partie d'extré- mité inférieure de l'échangeur, en relation d'échange thermique avec la partie d'extrémité inférieure des premiers passages, un fluide auxiliaire plus chaud que ledit fluide calorigène principal; pour la vaporisation d'oxygène liquide dans le vaporiseur-condenseur principal d'une instal- lation de distillation d'air à double colonne, ledit fluide chaud est du liquide riche provenant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne, de l'air moyenne pression ou de l'air basse pression issu d'une turbine de détente de l'installation. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur destiné à la'mise en oeuvre d'un tel procédé Cet échangeur, du type à plaques, compre- nant des premiers passages, ou passages de vaporisa- tion, ouverts en haut et en bas, et des seconds passa- ges de circulation d'un fluide calorigène principal, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'in- troduction de gaz dans la partie d'extrémité infé- rieure desdits premiers passages. Suivant un autre mode de réalisation, l'échangeur selon l'invention, du type à plaques, comprenant des premiers passages, ou passages de vapo- risation, ouverts en haut et en bas, et des seconds passages de circulation d'un fluide calorigène prin- cipal, est caractérisé en ce que la partie d'extrémité inférieure desdits seconds passages est prolongée, en regard de celle desdits premiers passages, par un compartiment de circulation d'un fluide auxiliaire plus chaud que ledit fluide calorigène principal. L'invention a encore pour objet une instal- lation de distillation d'air à double colonne qui com- prend un vaporiseur-condenseur principal constitué par un échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus, disposé dans la cuve de la colonne basse pression de la double colonne, et des moyens pour faire circuler de l'azote moyenne pression dans lesdits seconds pas- sages. Des exemples de mise en oeuvre de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: la Figure 1 est une vue schématique en élévation d'un premier échangeur de chaleur conforme à l'invention; la Figure 2 est une vue de cet échangeur, prise en coupe verticale dans un passage de vaporisa- tion; la Figure 3 est une vue du même échan- geur, prise en coupe verticale dans un passage de circulation de fluide calorigène; la Figure 4 est une vue schématique en élévation d'un deuxième échangeur de chaleur conforme à l'invention; et la Figure 5 est une vue analogue à la Figure 3 de l'échangeur de la Figure 4. On a représenté schématiquement à la Figure 1 un échangeur de chaleur 1 du type à plaques brasées, constituant le vaporiseur-condenseur principal d'une double colonne de distillation d'air et monté dans la cuve 2 de la colonne basse pression de cette double colonne. L'échangeur 1, de forme générale parallélé- pipédique, est constitué d'un grand nombre de plaques rectangulaires verticales 3 en aluminium délimitant entre elles deux séries de passages, qui sont par exemple alternés des premiers passages 4, ou passa- ges de vaporisation d'oxygène liquide, et des seconds passages 5, ou passages de condensation d'azote. Chaque passage 4 (Figure 2) est ouvert en haut et en bas et fermé de chaque côté, sur toute sa hauteur, par des barrettes-entretoises 4 A Il contient une onde 6 à génératrices verticales, notamment perfo- rée, qui s'étend sur toute sa hauteur et qui sert à la fois d'entretoise et d'ailette thermique. Chaque passage 5 (Figure 3) comporte sur l'essentiel de sa hauteur des barrettes-entretoises latérales 5 A de fermeture et une onde 7 à génératrices verticales analogue aux ondes 6 Il présente une zone 8 d'entrée d'azote gazeux à son extrémité supérieure et une zone 9 de sortie d'azote liquide à son extré- mité inférieure La zone 8 est fermée en haut et sur un côté 10 par des barrettes-,entretoises 8 A et est ouvert sur l'autre côté, par une fenêtre d'entrée 11. Elle contient une onde de distribution comprenant une première onde 12 à génératrices horizontales, partant de la fenêtre 11, et une deuxième onde 13 à génératri- ces obliques descendantes, débouchant directement sur l'extrémité supérieure de l'onde 7, sur toute la lar- geur (c'est-à-dire la dimension horizontale) du pas- sage 5. De même, la zone de sortie est fermée en bas et sur un côté 14 par des barrettes-entretoises 9 A et ouverte de l'autre côté sur une fenêtre de sortie 15 Elle contient une onde oblique 16 sur laquelle l'onde 7 débouche directement, sur toute la largeur du passage 5, et une onde horizontale 17 débouchant sur la fenêtre 15. L'ensemble des plaques, des ondes et des barrettes-entretoises est solidarisé de façon étanche par brasage au four, puis des boîtes semi-cylindriques 18, 19 d'entrée et de sortie d'azote sont fixées laté- ralement par soudage sur l'échangeur, en regard des fenêtres 11 et 15 Ces boîtes sont reliées respective- ment au sommet de la colonne moyenne pression (non représentée) de la double colonne par des conduites , 21. Des rampes perforées 22 reliées à une source d'oxygène (non représentée) sont disposées sous l'échangeur 1 dans la cuve de colonne 2, et de préférence juste au-dessous de chacun des passages de vaporisation 4, avec des perforations réparties sur toute la largeur de celui-ci En variante, comme indiqué en traits mixtes sur la Figure 2, l'onde 6 peut, dans chaque passage 4, être arrêtée à une petite 7, distance du bas de l'échangeur, et la rampe 22 être logée dans l'espace ainsi dégagé à l'extrémité infé- rieure du passage En fonctionnement, l'échangeur 1 est par- tiellement immergé dans le bain d'oxygène liquide 23 formé dans la cuve de colonne 2 L'azote gazeux sous la moyenne pression d'environ 6 bars absolus circule dans les passages 5, via la boîte 18, les ondes 12, 13, 7, 16 et 17, en se condensant, et en ressort li- quide via la boîte 19 En se condensant, cet azote provoque la vaporisation de l'oxygène liquide contenu dans les passages 4, et l'oxygène circule par effet de thermosiphon de bas en haut dans ces passages, en contenant une proportion croissante de gaz Du mélange diphasique oxygène liquide/oxygène gazeux sort par le haut des passages 4 et retombe dans le bain 23 > comme schématisé par les flèches de la Figure 1, o l'on a également schématisé par une flèche en traits mixtes la circulation descendante de l'azote. Grâce à l'injection d'oxygène gazeux au bas des passages 4 par les rampes 22, l'écoulement ascen- dant de l'oxygène est diphasique dès l'extrémité infé- rieure de ces passages, ce qui améliore l'échange thermique entre l'oxygène et l'azote De plus, la recirculation est accrue et par suite, une submergence réduite peut être adoptée sans risque d'assécher la zone supérieure des passages 4, ce qui résulte fina- lement en un moindre sous-refroidissement de l'oxygène liquide contenu dans l'échangeur 1 Au total, les performances du vaporiseur- condenseur sont nettement améliorées, et l'on peut réduire la température de l'azote gazeux calorigène et donc la pression de mar- che (c'est-à-dire la moyenne pression) de l'installa- tion de distillation d'air. Le débit d'oxygène gazeux introduit via les rampes 22 peut être de l'ordre de 2 à 4 % du débit d'oxygène vaporisé. Dans l'exemple des Figures 4 et 5, l'oxy- gène gazeux additionnel (par rapport à celui généré par le chauffage à l'azote moyenne pression) est gé- néré in situ à l'extrémité inférieure des passages 4. Ces derniers sont identiques à ceux de la Figure 2, les rampes 22 sont supprimées, et les passages 5 de la Figure 3 sont légèrement raccourcis vers le bas, c'est-à-dire qu'ils sont fermés vers le bas par une barrette-entretoise horizontale 24 située à une petite distance de l'extrémité inférieure de l'échangeur Au- dessous de cette barrette est délimité un compartiment fermé en bas par une barrette-entretoise 26, ouvert des deux côtés et contenant sur toute sa longueur une onde 27 à génératrices horizontales. En fonctionnement, un fluide auxiliaire plus chaud que l'azote moyenne pression circule à travers le compartiment 25, dans lequel il entre via une boîte d'entrée 28 et d'o il ressort via une boîte de sortie 29 La température et le débit de ce fluide sont choisis pour créer un début de vaporisa- tion suffisant de l'oxygène dans cette région On pourra notamment choisir comme fluide auxiliaire: du "liquide riche" (air enrichi en oxygè- ne) soutiré en cuve de la colonne moyenne pression, et qui sera sousrefroidi dans les compartiments 25; de l'air moyenne pression, qui sera liquéfié dans ces compartiments; ou de l'air basse pression sortant d'une turbine de détente et destiné à être insufflé dans la colonne basse pression, lorsque la température de cet air à la sortie de la turbine est suffisante. En variante, le compartiment 25 peut être remplacé par plusieurs compartiments superposés, per- mettant ainsi d'utiliser plusieurs fluides auxiliai- res. En variante également, le compartiment 25 peut être subdivisé de façon à constituer plusieurs passes superposées, reliées en série, pour augmenter la vitesse de passage du fluide auxiliaire et, ainsi, améliorer son coefficient d'échange thermique. En variante encore, la configuration des Figures 4 et 5 peut être utilisée pour injecter de l'oxygène gazeux dans les passages de vaporisation 4 comme aux Figures 1 à 3 Pour cela, l'oxygène gazeux est introduit dans les compartiments 25 via la boîte 28, la boîte 29 est remplacée par des barrettes de fermeture, et les plaques 3 sont perforées le long des compartiments 25 pour permettre le passage de l'oxy- gène gazeux de ces compartiments dans les passages de vaporisation 4 Dans ce cas, il est préférable de supprimer les ondes 27. REVENDICATIONS 1 Procédé de vaporisation d'un liquide dans des premiers passages ( 4), ou passages de vapori- sation, ouverts en haut et en bas d'un échangeur de chaleur ( 1) àplaques, par échange de chaleur avec un fluide calorigène principal circulant dans des seconds passages ( 5) de l'échangeur, caractérisé en ce qu'on génère du gaz additionnel dans la partie d'extrémité inférieure desdits premiers passages ( 4). 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on injecte du gaz, provenant d'une source de gaz extérieure à l'échangeur ( 1), dans le liquide contenu dans ladite partie d'extrémité inférieure 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, pour la vaporisation d'un corps pur à l'état li- quide, caractérisé en ce que ledit gaz est constitué par le même corps pur à l'état gazeux. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on fait circuler dans la partie d'extrémité inférieure de l'échangeur ( 1), en relation d'échange thermique avec la partie d'extrémité inférieure des premiers passages ( 4), un fluide auxiliaire plus chaud que ledit fluide calorigène principal. Procédé suivant la revendication 4, pour la vaporisation d'oxygène liquide dans le vapori- seur condenseur principal d'une installation de dis- tillation d'air à double colonne, caractérisé en ce que ledit fluide auxiliaire est du liquide riche pro- venant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne, de l'air moyenne pression ou de l'air basse pression issu d'une turbine de détente de l'installation. 6 Echangeur de chaleur du type à pla- il ques, comprenant des premiers passages ( 4), ou passa- ges de vaporisation, ouverts en haut et en bas, et des seconds passages ( 5) de circulation d'un fluide calo- rigène principal, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 22; 25) d'introduction de gaz dans la partie d'extrémité inférieure desdits premiers passa- ges ( 4). 7 Echangeur de chaleur du type à pla- ques, comprenant des premiers passages ( 4), ou passa- ges de vaporisation, ouverts en haut et en bas, et des seconds passages ( 5) de circulation d'un fluide calo- rigène principal, caractérisé en ce que la partie d'extrémité inférieure desdits seconds passages ( 5) est prolongée, en regard de celle desdits premiers passages, par un compartiment ( 25) de circulation d'un fluide auxiliaire plus chaud que ledit fluide calori- gène principal. 8 Installation de distillation d'air à double colonne, caractérisée en ce qu'elle comprend un vaporiseur-condenseur principal constitué par un échangeur de chaleur ( 1) suivant la revendication 6 ou 7, disposé dans la cuve ( 2) de la colonne basse pression de la double colonne, et des moyens ( 18 à 21) pour faire circuler de l'azote moyenne pression dans lesdits seconds passages ( 5). 9 Installation suivant la revendication 8, caractérisées en ce que l'échangeur de chaleur ( 1) est conforme à la revendication 7 et en ce qu'elle comporte des moyens ( 28, 29) pour faire circuler dans ledit compartiment ( 25) du liquide riche provenant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne, de l'air moyenne pression ou de l'air basse pression issu d'une turbine de détente de l'installa- tion.