Brevet FR2732759A1 — publié le 19961011

L'invention concerne un échangeur de chaleur pour fluide sous pression et en particulier un échangeur de chaleur à plaques utilisé pour échauffer un premier fluide sous pression par la chaleur cédée par un second fluide. On connaît des échangeurs à plaques qui comportent, à l'intérieur d'une enveloppe externe ou calandre, un faisceau constitué par des plaques mises en forme, par exemple pour présenter des ondulations et rapportées l'une contre l'autre de manière à délimiter une pluralité de canaux de passage de fluide, suivant toute la longueur du faisceau. Le faisceau comporte un premier ensemble de canaux de passage pour un premier fluide d'échange et un second ensemble de canaux de passage pour un second fluide, de manière que le premier et le second fluides puissent traverser le faisceau suivant toute sa longueur, dans une direction axiale et dans des sens opposés. Les plaques de l'échangeur qui fournissent une très grande surface d'échange avec les fluides assurent un transfert de chaleur entre les deux fluides. La calandre présente une épaisseur de paroi lui permettant de résister à la pression des fluides introduits dans l'échangeur de chaleur. Le premier ensemble de canaux de passage de fluide à l'intérieur du faisceau est relié, par l'intermédiaire de conduites de jonction à un premier circuit de distribution et de récupération du premier fluide disposé à l'extérieur de la calandre. De même, le second ensemble de canaux de passage du second fluide à l'intérieur du faisceau est relié à un second circuit de distribution et de récupération du second fluide, par l'intermédiaire de conduites de jonction. Les conduites de jonction traversent l'enveloppe de la calandre de manière étanche. Un échangeur de chaleur à plaques tel que décrit plus haut peut être utilisé par exemple pour la mise en oeuvre de procédés physiques ou chimiques dans le domaine du raffinage du pétrole et de la pétrochimie. Pour la mise en oeuvre de tels procédés, il peut être nécessaire de porter un mélange constitué par un liquide et un gaz sous pression à une haute température à laquelle on peut réaliser une réaction chimique en présence d'un catalyseur, au sein du mélange de liquide et de gaz sous pression. Pour porter le mélange de gaz et de liquide à la température de réaction, on peut faire passer le mélange, dans un premier temps, à travers un échangeur de chaleur à plaques et complèter le chauffage du mélange gazeux, dans un deuxième temps, à l'intérieur d'un four. Le mélange de gaz et de liquide au sein duquel doit se produire la réaction chimique constitue un premier fluide qui est introduit dans un premier ensemble de canaux de passage du faisceau de l'échangeur de chaleur. Le second fluide d'échange qui est introduit dans le faisceau, de manière à circuler dans le second ensemble de canaux de passage à contre-courant par rapport au premier fluide est alors constitué par le produit de la réaction à l'intérieur du four ou effluent qui est refroidi à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Le gaz mélangé au liquide dans le premier fluide d'échange est à une pression qui peut être importante, par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines de bars ou supérieure. Le second fluide qui peut être constitué par l'ef fluent à haute température obtenu à l'issue de la réaction chimique est à une pression sensiblement inférieure à la pression du gaz du premier fluide. Le premier fluide à haute pression introduit dans le faisceau risque donc d'exercer des pressions et des efforts importants sur les plaques du faisceau si bien qu'il peut en résulter une détérioration ou même un éclatement du faisceau de plaques. Pour éviter de telles détériorations, il est nécessaire, soit de réaliser un bridage mécanique du faisceau de plaques, par exemple en utilisant des tôles de maintien et des tirants, soit une mise sous pression externe du faisceau de plaques. Dans le cas d'un premier type d'échangeur de chaleur à plaques, le gaz sous pression du premier fluide est introduit dans la calandre dont le volume interne communique avec le premier ensemble de canaux de passage du faisceau destiné à recevoir le premier fluide. Le liquide est injecté dans le courant de gaz sous pression à l'entrée du faisceau, à l'intérieur de la calandre. Le gaz sous pression circulant dans les canaux du faisceau d'échange de chaleur subit une perte de charge, de sorte que le volume interne de la calandre, autour du faisceau, qui reçoit le gaz sous pression du premier fluide, est à une pression supérieure à la pression à l'intérieur du faisceau. Le faisceau de plaques d'échange est donc toujours en compression, ce qui assure sa tenue mécanique. Dans le cas d'un deuxième type d'échangeur à plaques, le circuit de charge à l'intérieur duquel circule le premier fluide, le circuit d'effluent à l'intérieur duquel circule le second fluide d'échange et le volume intérieur de la calandre sont totalement séparés. Dans un échangeur à plaques du second type, le volume interne de la calandre est totalement isolé des canaux de passage de fluides à l'intérieur du faisceau. Des conduits de jonction qui traversent l'enveloppe de la calandre de manière étanche assurent la liaison entre le premier ensemble de canaux de passage du premier fluide à travers le faisceau et le premier circuit de distribution et de récupération du premier fluide disposé à l'extérieur de la calandre. De même, des conduits de jonction assurent la liaison entre le second ensemble de canaux de passage du second fluide à travers le faisceau avec le second circuit de distribution et de récupération du second fluide disposé à l'extérieur de la calandre. Le faisceau est donc soumis intérieurement à la pression des fluides d'échange et en particulier à la pression du gaz à haute pression constituant le premier fluide et extérieurement à la pression régnant dans la calandre. Il est donc nécessaire, pour éviter un éclatement du faisceau qui est soumis intérieurement à une forte pression, d'assurer une mise en pression de la partie du volume intérieur de la calandre située autour du faisceau. Cette mise en pression est assurée par introduction dans la calandre de gaz comprimé provenant des compresseurs utilisés pour la mise en pression du gaz constituant une partie du premier fluide. Le premier fluide est réalisé par mélange, à l'extérieur de la calandre, du gaz sous pression et du liquide de charge qui sont ensuite introduits par un conduit de jonction dans le premier ensemble de canaux de passage, à l'intérieur du faisceau. Il est possible également, pour favoriser l'en- traînement du premier fluide, d'injecter du liquide directement à l'intérieur du faisceau, par l'intermédiaire d'une conduite traversant l'enveloppe de la calandre et débouchant dans un moyen d'injection, à l'intérieur du faisceau. Bien que la partie du volume de la calandre située autour du faisceau soit mise en pression par introduction de gaz dans l'enveloppe de la calandre, lors des phases transitoires de fonctionnement de l'échangeur de chaleur et en particulier au cours des démarrages, on ne peut être sûr que la pression à l'intérieur de la calandre, autour du faisceau, reste toujours supérieure à la pression à l'intérieur du faisceau. En effet, lors de démarrages, on ne peut être sûr que la mise en pression du volume intérieur de la calandre est effectuée avant la mise en pression de la partie interne du faisceau de plaques qui reçoit le premier fluide d'échange, du fait que le circuit d'alimentation du faisceau et le circuit d'alimentation de la calandre en gaz sous pression sont indépendants. De ce fait, il risque de se produire un éclatement du faisceau de plaques qui n'est pas prévu pour supporter une surpression importante. La première solution envisagée consistant à brider le faisceau à l'intérieur de tôles de compression maintenues par des tirants peut s' avérer d'une application difficile du fait que l'épaisseur des tôles pour une pression de fluide par exemple, de l'ordre de quelques dizaines de bars peut devenir prohibitive. La seconde solution qui consiste à enfermer le faisceau de plaques dans une calandre et à remplir la calandre avec un gaz sous pression peut s'avérer inopérante dans les phases transitoires du fonctionnement de l'échangeur de chaleur et en particulier dans les phases de démarrage. Dans le cas d'un échangeur du second type, c'està-dire d'un échangeur dans lequel les circuits du premier et du second fluides d'échange et le volume intérieur de la calandre sont entièrement séparés, on ne connaissait pas de moyen permettant d'éviter tout risque d'éclatement du faisceau pendant les phases transitoires de fonctionnement de l'échangeur. Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur comportant une enveloppe externe ou calandre, un ensemble d'éléments d'échange de chaleur ou faisceau constitué par des plaques empilées et disposées à l'intérieur de la calandre et définissant un premier ensemble de canaux de passage pour un premier fluide et un second ensemble de canaux de passage pour un second fluide, des conduites de jonction, du premier ensemble de canaux de passage avec un premier circuit de distribution du premier fluide et du second ensemble de canaux de passage avec un second circuit de distribution du second fluide, le premier fluide étant constitué par un gaz sous pression en mélange avec un liquide et le second fluide étant à une pression inférieure à la pression du gaz du premier fluide, ainsi qu'une conduite d'injection du gaz sous pression débouchant à l'intérieur de la calandre dans un espace libre autour du faisceau, cet échangeur de chaleur permettant d'éviter tout risque d'éclatement du faisceau, dans les phases transitoires de fonctionnement de l'échangeur de chaleur et en particulier dans les phases de démarrage. Dans ce but, le circuit de distribution du premier fluide disposé à l'extérieur de la calandre comporte une canalisation débouchant à l'une de ses extrémités dans l'espace libre à l'intérieur de la calandre et reliée, à son autre extrémité, à l'une des conduites de jonction débouchant dans le premier ensemble de canaux de passage du faisceau et un conduit d'injection du liquide débouchant dans la canalisation. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant à la figure jointe en annexe, un échangeur de chaleur à plaques suivant l'invention qui peut être mis en oeuvre pour effectuer des échanges de chaleur entre des fluides sous pression. La figure unique représente une vue en élévation et en coupe partielle par un plan vertical d'un échangeur à plaques suivant l'invention. L'échangeur de chaleur suivant l'invention, désigné de manière générale par le repère 1, comporte, à l'intérieur d'une enveloppe externe 2 appelée calandre, un faisceau d'échange de chaleur 3 constitué par un empilement de plaques juxtaposées présentant des ondulations longitudinales, de manière que des canaux longitudinaux de circulation de fluide se trouvent délimités entre les ondulations des tôles juxtaposées. Les tôles sont soudées entre elles suivant leurs bords d'extrémité longitudinaux de manière à assurer la fermeture du faisceau qui comporte un très grand nombre de canaux longitudinaux délimités par les ondulations des tôles rapportées et empilées les unes contre les autres. On obtient ainsi un faisceau dont la surface d'échange peut être extrêmement importante, à l'intérieur d'un volume limité. A l'extrémité du faisceau 3 sont fixées des boîtes de distribution 4a et 4b séparées en deux parties par des cloisons respectives 5a et 5b. Chacune des parties des collecteurs 4a et 4b délimitées par les cloisons de séparation 5a et 5b est reliée à une conduite de jonction 6a, 6'a, 6b, 6'b traversant la paroi de la calandre 2, de manière étanche. Les canaux de circulation de fluide du faisceau 3 débouchent à leurs extrémités dans l'une ou dans l'autre des deux parties du collecteur 4a et du collecteur 4b. Les conduites de jonction 6a et 6b sont reliées à un circuit de distribution et de récupération du premier fluide d'échange de l'échangeur de chaleur et les conduites de jonction 6'a et 6'b sont reliées à un second circuit de distribution et de récupération du second fluide d'échange de l'échangeur de chaleur. La disposition des différents canaux de circulation de fluide du faisceau 3, de manière qu'ils débouchent à leurs extrémités dans des conduites de jonction du faisceau, soit au circuit de distribution et de récupération du premier fluide soit au circuit de distri but ion et de récupération du second fluide permet de définir, à l'intérieur du faisceau 3, un ensemble de canaux dans lesquels circule le premier fluide et un ensemble de canaux dans lequel circule le second fluide. Ces canaux sont généralement groupés de manière à constituer un premier ensemble de canaux de passage du premier fluide à travers le faisceau et un second ensemble de canaux de passage du second fluide à travers le faisceau. Les conduits de jonction 6a et 6b permettent de relier le premier circuit de distribution du premier fluide au premier ensemble de canaux de passage de fluide du faisceau 3 et les conduits de jonction 6'a et 6'b permettent de relier le second ensemble de canaux de passage du second fluide à travers le faisceau au second circuit de circulation du second fluide. De manière préférentielle, le premier fluide est constitué par un fluide de charge comportant un gaz sous pression et un liquide de charge mélangé au gaz sous pression. Le second fluide est constitué par un effluent à haute température dont la pression est sensiblement inférieure à la pression du gaz constituant une partie du premier fluide. Le premier et le second fluide sont mis en circulation à l'intérieur du faisceau, dans des sens opposés, de manière que, du fait de la circulation à contre-courant des deux fluides à l'intérieur du faisceau, le premier fluide s'échauffe pendant sa circulation à l'intérieur du faisceau alors que le second fluide circulant à contre courant par rapport au premier fluide se refroidit. Un piquage 7 débouchant à l'intérieur de la calandre 2 est relié, par l'intermédiaire de brides à une conduite 8 d'injection de gaz sous pression dans le volume intérieur de la calandre 2, autour du faisceau 3. L'échangeur de chaleur 1 suivant l'invention correspond donc au second type d'échangeur décrit plus haut, dans lequel on assure une mise sous pression du volume intérieur de la calandre, autour du faisceau, par injection du gaz sous pression du premier fluide d'échange dont la pression est sensiblement supérieure à la pression du second fluide d'échange. Selon l'invention, on prévoit un piquage 9 dans la paroi de la calandre 2, dans une disposition sensiblement opposée diamétralement par rapport à la position du piquage 7 auquel est reliée la conduite 8 d'injection de gaz sous pression et on relie le piquage 9 débouchant dans le volume intérieur de la calandre 2 à la conduite de jonction 6a débouchant dans le premier passage de fluide du faisceau 3, par une canalisation 10 constituant une partie du circuit de distribution du premier fluide. Une conduite 11 d'injection de liquide est reliée à la canalisation 10, de manière à déboucher dans une partie de la canalisation 10 pour réaliser l'injection de liquide dans le gaz sous pression circulant à l'intérieur de la canalisation 10, comme représenté par les flèches 12. Le premier fluide d'échange qui est sous forme biphasique est donc élaboré à l'extérieur de la calandre 2, dans la partie du circuit de distribution constituée par la canalisation 10. Le premier fluide pénètre, par l'intermédiaire de la conduite de jonction 6a et de la boîte de distribution 4a, dans un ensemble de canaux délimités par les tôles du faisceau 3. Le premier fluide constitué par le mélange de gaz et de liquide de charge circule dans le premier ensemble de canaux du faisceau 3, dans la direction verticale et de bas en haut. Le second fluide qui est constitué par le produit résultant de la réaction du gaz et du liquide à haute température en présence d'un catalyseur qui est à très haute température est introduit dans le second ensemble de canaux du faisceau 3, par l'intermédiaire de la conduite de jonction 6'b et de la boîte de distribution 4b. Le second fluide circule dans la direction verticale et de haut en bas, à l'intérieur du faisceau, c'est-àdire à contre-courant par rapport à la circulation du premier fluide. Le premier fluide qui est mis en contact thermique avec le second fluide, par l'intermédiaire des tôles du faisceau 3, s'échauffe pendant sa circulation dans le faisceau alors que le second fluide se refroidit. Le premier fluide échauffé sort de l'échangeur de chaleur sous forme gazeuse, par la conduite de liaison 6b constituant une partie du circuit de distribution et d'évacuation du premier fluide. La conduite 6b peut être reliée par exemple à un four dans lequel se produit la réaction catalysée à haute température. La conduite de jonction 6'b est elle-même reliée à la sortie du four pour récupérer l'ef fluent produit par la réaction. L'effluent refroidi est récupéré à la partie inférieure de la calandre 2 de l'échangeur de chaleur 1 par la conduite de jonction 6'a qui est reliée à un circuit de récupération et de stockage de l'effluent. Un trou de visite ou trou d'homme 13 est prévu dans la partie supérieure de la calandre de l'échangeur de chaleur. Le gaz sous pression introduit dans la calandre en continu, pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur, assure la mise en pression du volume intérieur de la calandre 2, autour du faisceau 3 constitué par l'empilement de plaques. Le gaz sous pression remplissant le volume intérieur de la calandre pénètre ensuite dans la canalisation 10 du circuit de distribution du premier fluide par le piquage 9 puis circule dans la canalisation 10 entre le piquage 9 et la conduite de jonction 6a, comme représenté par les flèches 12. Le liquide de charge est introduit par la conduite d'injection 11 dans le flux de gaz sous pression circulant dans la canalisation 10. Le fluide circulant dans la canalisation 10 est donc constitué, dans la deuxième partie de son parcours, par un mélange biphasique de liquide et de gaz. Ce mélange bi-phasique est introduit par la conduite de jonction 6a dans l'ensemble de canaux de l'échangeur 3 destiné à recevoir le premier fluide. La circulation du gaz sous pression et la mise en pression des différentes parties de l'échangeur de chaleur s'effectuent donc dans l'ordre suivant : remplissage et mise en pression de la calandre, circulation du gaz dans la première partie de la canalisation externe 10, injection du liquide de charge, circulation du mélange biphasique dans la canalisation 10 et enfin introduction du mélange biphasique dans le premier ensemble de canaux du faisceau 3. Dans le sens de circulation du gaz, la pression de ce gaz ou du mélange biphasique évolue dans le sens d'une diminution, du fait de l'injection du liquide de charge et des différentes pertes de charge sur la circulation du gaz ou du fluide biphasique. Du fait que l'ef fluent à haute température circulant dans le second ensemble de canaux du faisceau de l'échangeur de chaleur présente une pression sensiblement inférieure à la pression du premier fluide, la structure et la constitution de l'échangeur de chaleur suivant l'invention permettent d'assurer que la pression à l'extérieur du faisceau est constamment supérieure à la pression à l'intérieur du faisceau. En particulier, cette différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur du faisceau est maintenue automatiquement, également pendant les phases de fonctionnement transitoires de l'échangeur de chaleur et en particulier dans les phases de démarrage. En effet, le gaz sous pression du premier fluide est toujours introduit dans la calandre avant que le premier fluide ne pénètre dans le faisceau. La structure et la constitution de l'échangeur de chaleur suivant l'invention permettent donc d'éviter tout risque de détérioration et d'éclatement du faisceau de plaques, pendant toutes les phases de fonctionnement de l'échangeur de chaleur. Il est donc possible d'utiliser l'échangeur de chaleur avec un gaz et un premier fluide d'échange à une pression élevée. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que le piquage d'injection de gaz dans la calandre et le piquage de sortie du gaz de la calandre peuvent être placés dans des positions relatives différentes de celles qui ont été décrites. Le piquage de sortie du gaz de la calandre peut être placé à un niveau différent du niveau du piquage d'entrée, sur une génératrice diamétralement opposée par rapport à la génératrice de l'enveloppe de la calandre sur laquelle est centré le piquage d'entrée ou sur une génératrice différente. Le circuit de distribution du premier fluide peut présenter une forme différente de celle qui a été décrite. L'injection du liquide et son mélange avec le gaz sous pression peuvent être réalisés par un moyen quelconque tel qu'une buse de pulvérisation fixée à l'extrémité de la conduite d'injection. Enfin, l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut être utilisé dans le cadre d'un procédé industriel différent du raffinage ou de la pétrochimie. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur comportant une enveloppe externe ou calandre (2), un ensemble d'éléments d'échange de chaleur ou faisceau (3) constitué par des plaques empilées et disposées à l'intérieur de la calandre (2) et définissant un premier ensemble de canaux de passage pour un premier fluide et un second ensemble de canaux de passage pour un second fluide, des conduites de jonction du premier ensemble de canaux de passage avec un premier circuit de distribution du premier fluide et du second ensemble de canaux de passage avec un second circuit de distribution du second fluide, le premier fluide étant constitué par un gaz sous pression en mélange avec un liquide et le second fluide étant à une pression inférieure à la pression du gaz du premier fluide, ainsi qu'une conduite d'injection (8) du gaz sous pression débouchant à l'intérieur de la calandre (2), dans un espace libre autour du faisceau (3), caractérisé par le fait que le circuit de distribution du premier fluide disposé à l'extérieur de la calandre (2) comporte une canalisation (10) débouchant à l'une de ses extrémités dans l'espace libre à l'intérieur de la calandre (2) et reliée, à son autre extrémité, à l'une des conduites de jonction (6a) débouchant dans le premier ensemble de canaux de passage du faisceau (3) et un conduit d'injection (11) du liquide débouchant dans la canalisation (10). 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la canalisation (10) débouche dans l'espace libre à l'intérieur de la calandre (2), dans une zone située de manière diamétralement opposée sur la paroi de la calandre (2), par rapport à la zone dans laquelle débouche la conduite d'injection de gaz sous pression (8) à l'intérieur de la calandre (2). 3.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la canalisation (10) comporte une première partie en amont du conduit d'injection de liquide (11), dans le sens de circulation (12) du gaz sous pression, dans laquelle circule le gaz sous pression et une seconde partie en aval du conduit d'injection de liquide (11), reliée à la conduite de jonction (6a), dans laquelle circule un fluide biphasique comportant le gaz sous pression et le liquide de charge injecté par la conduite d'injection de liquide (11). 4.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les conduites de jonction (6a, 6b, 6'a, 6'b) des deux ensembles de canaux du faisceau (3) et des circuits de distribution du premier et du second fluides débouchent dans des boîtes de distribution (4a, 4b) fixées aux extrémités du faisceau (3) et comportant chacune deux compartiments communiquant respectivement avec le premier ensemble de canaux de passage du faisceau (3) et avec le second ensemble de canaux de passage du faisceau (3). 5.- Utilisation d'un échangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour réaliser l'échauffement d'un mélange biphasique constitué par un gaz sous pression mélangé à un liquide de charge, avant de réaliser une réaction chimique catalysée à haute température sur le mélange biphasique, le second fluide d'échange étant constitué par un effluent résultant de la réaction chimique catalysée du liquide de charge et du gaz sous pression.