Brevet FR2774755A1 — publié le 19990813

La présente invention est relative à un condenseur à plaques brasées, du type comprenant un corps d'échangeur qui présente au moins un passage de condensation de forme plate délimité entre deux plaques parallèles sensiblement verticales, ce passage contenant sur l'essentiel de sa hauteur une onde-entretoise d'échange de chaleur à génératrices sensiblement verticales; une boîte d'entrée d'un gaz à condenser, prévue à l'extrémité supérieure du passage; une boîte de sortie du liquide de condensation prévue à l'extrémité inférieure du passage; une onde- entretoise distributrice dont les génératrices forment un angle avec la direction des génératrices de l'onde de chaleur et qui dirigent le liquide de condensation de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur à la boîte de sortie. L'invention s'applique par exemple aux vaporiseurs- condenseurs principaux des doubles colonnes de distillation d'air. Les condenseurs cryogéniques à plaques brasées sont d'un usage largement répandu. Ils réalisent généralement la condensation d'un premier fluide circulant de haut en bas du corps d'échangeur par vaporisation d'un second fluide circulant dans des passages adjacents aux passages de condensation. Dans certaines applications, le gaz que l'on condense contient une faible proportion de constituants à bas point d'ébullition, dits "incondensables", que la température de l'échangeur ne permet pas de condenser. Dans le cas des vaporiseurs- condenseurs principaux des doubles colonnes de distillation, le fluide condensé est l'azote, et les incondensables sont l'hydrogène, l'hélium et néon. Lorsque le gaz à condenser circule de haut en bas dans le corps d'échangeur, les incondensables sont entraînés vers le bas par la vitesse d'écoulement du liquide formé, puis déviés par l'onde distributrice vers la boîte de sortie. Cette dernière comporte généralement en partie basse une tubulure d'évacuation du liquide, qui débouche sur une garde de liquide, et en partie haute une tubulure d'évacuation d'un débit prédéterminé de la phase gazeuse contenant les incondensables. Cependant, en pratique, l'évacuation complète des incondensables est difficile à obtenir, car, dans la partie inférieure des passages de condensation, la région inférieure de l'onde distributrice qui débouche dans la zone d'échange de chaleur la plus éloignée de la boîte de sortie, est parfois inondée de liquide. Du gaz, contenant des incondensables, stagne alors dans cette zone, ce qui réduit l'efficacité du condenseur et déséquilibre les transferts de chaleur. En effet, les zones d'accumulation des incondensables participant moins à la vaporisation du liquide, l'échange de chaleur se concentre dans les autres parties du condenseur. L'invention a pour but de fournir un condenseur à plaques brasées dans lequel l'évacuation des incondensables soit favorisée. A cet effet, l'invention a pour objet un condenseur à plaques brasées du type précité, caractérisé en ce que, en section transversale, la partie de la boîte de sortie comprise entre son point le plus bas et celui d'une canalisation de sortie de liquide reliée à cette boîte est entièrement située à un niveau inférieur à celui du point le plus bas de l'onde distributrice. Le condenseur suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément ou dans toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - l'onde distributrice a des génératrices inclinées vers le bas de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur à la boîte de sortie; - la boîte de sortie est disposée entièrement latéralement par rapport au corps d'échangeur, et les plaques sont prolongées vers le bas jusqu'au niveau du point le plus bas de la boîte de sortie; - dans une région inférieure du passage éloignée de la boîte de sortie, le passage comporte une onde-entretoise de rigidification ayant éventuellement une constitution et/ou un pas d'onde et/ou une orientation différente des caractéristiques correspondantes de l'onde distributrice; - l'onde-entretoise et l'onde distributrice sont réalisées à partir d'une même tôle ondulée; - la boîte de sortie enjambe une arête inférieure du corps d'échangeur et est reliée à ce corps le long d'une ligne longitudinale supérieure située sur une face latérale du corps et le long d'une ligne longitudinale inférieure située sur la face inférieure dudit corps; - la boîte de sortie est reliée au corps d'échangeur le long d'une ligne longitudinale supérieure située sur une face latérale du corps et le long d'une ligne longitudinale inférieure qui est située sur la même face latérale ou sur l'arête inférieure correspondante dudit corps; - la boîte de sortie est reliée au corps d'échangeur le long de deux lignes longitudinales situées sur la face inférieure de ce corps, l'une de ces lignes suivant éventuellement une arête inférieure du corps; - la boîte de sortie est équipée d'une conduite d'évacuation de liquide qui part du voisinage de son point bas et d'une conduite d'évacuation de gaz qui part du voisinage de son point haut; - la boîte de sortie est équipée d'une tuyauterie d'évacuation de liquide dont l'axe passe à l'extérieur de l'axe général de la boîte de sortie par rapport au corps; - ladite tuyauterie a un axe sensiblement vertical; et - ladite tuyauterie se prolonge vers le haut au-delà de la boîte de sortie pour former une conduite d'évacuation de gaz. L'invention a également pour objets: - un vaporiseur-condenseur pour double colonne de distillation d'air, destiné à vaporiser de l'oxygène par condensation d'azote, caractérisé en ce que la partie condenseur de ce vaporiseur-condenseur est telle que définie ci-dessus; - une double colonne de distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend un vaporiseur-condenseur ainsi défini; et - un procédé de condensation d'un fluide dans un condenseur à plaques brasées du type comprenant un corps d'échangeur qui présente au moins un passage de condensation de forme plate délimité entre deux plaques parallèles sensiblement verticales, ce passage contenant sur l'essentiel de sa hauteur une onde-entretoise d'échange de chaleur à génératrices sensiblement verticales; une boîte d'entrée d'un gaz à condenser, prévue à l'extrémité supérieure du passage; une boîte de sortie du liquide de condensation prévue à l'extrémité inférieure du passage; une onde-entretoise distributrice dont les génératrices forment un angle avec la direction des génératrices de l'onde de chaleur et qui dirigent le liquide de condensation de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur à la boîte de sortie, caractérisé en ce qu'on maintient en permanence la surface libre du liquide à un niveau inférieur à celui du point le plus bas de l'onde distributrice. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente schématiquement une double colonne de distillation conforme à l'invention; - la Figure 2 représente en perspective, avec arrachements, le vaporiseur-condenseur de cette double colonne; - la Figure 3 est une vue schématique en coupe de la partie inférieure du vaporiseur- condenseur, prise le long d'un passage de condensation d'azote; et - les Figures 4 à 6 sont des vues analogues d'autres modes de réalisation. La double colonne 1 représentée à la Figure 1 a une structure classique à l'exception de son vaporiseur- condenseur principal 2: elle comprend une colonne moyenne pression 3 surmontée d'une.colonne basse pression 4. L'air à distiller est introduit sous une moyenne pression de 5 à 6 bars absolus en cuve de la colonne 3. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) soutiré au bas de cette colonne est détendu à une basse pression de l'ordre de 1,2 bar absolu dans une vanne de détente 5 et est introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 4. Du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) est soutiré en tête de la colonne 3 et, après détente dans une vanne de détente 6, introduit en tête de la colonne 3. La colonne 3 produit en tête un gaz résiduaire (azote impur), évacué via une conduite 7, et dans sa cuve se rassemble un bain d'oxygène liquide 8. De l'oxygène gazeux de production est soutiré au-dessus du bain 8 via une conduite 9, et de l'azote gazeux sous la moyenne pression est soutiré en tête de la colonne 3 via une conduite 10. Le vaporiseur-condenseur 2, du type à plaques brasées, assure la condensation d'azote moyenne pression par vaporisation d'oxygène liquide basse pression. Comme représenté sur la Figure 2, il comprend un corps d'échangeur de forme générale parallélépipédique, constitué d'un empilement de plaques rectangulaires 11 verticales et parallèles séparées par des ondes-entretoises d'échange de chaleur 12 et par des ondes distributrices 13. Ces plaques délimitent entre elles un grand nombre de passages de forme plate, qui sont alternativement des passages de condensation d'azote 14 et des passages de vaporisation d'oxygène 15. Les passages 15 sont fermés latéralement sur toute leur hauteur par des barrettes-entretoises 16 et sont ouverts vers le haut et vers le bas. Les passages 14 sont fermés sur tout leur pourtour par des barrettesentretoises 16, sauf en deux emplacements: en haut et d'un côté du corps d'échangeur (à gauche sur la Figure 2), et en bas et de l'autre côté de ce corps. Les barrettes 16 ont été omises sur les Figures 3 à 6 dans un but de simplification des dessins. En ces deux emplacements, sont ainsi définies une rangée horizontale supérieure de fenêtres d'entrée d'azote gazeux et une rangée horizontale inférieure de fenêtres de sortie d'azote liquide. La première rangée est coiffée d'une boîte d'entrée d'azote gazeux 17 et l'autre rangée d'une boîte de sortie d'azote liquide 18. Chacune de ces boîtes est constituée de trois tôles soudées ensemble: une tôle semi-cylindrique principale 19 à axe horizontal, qui s'étend sur toute l'épaisseur du corps d'échangeur, et deux tôles d'extrémité en forme de quart de cylindre à axes verticaux, comme il est bien connu dans la technique. Comme représenté sur la Figure 1, le vaporiseur- condenseur 2 est immergé dans le bain d'oxygène liquide 8, en cuve de la colonne 4. Les boîtes 17 et 18 communiquent avec l'espace de tête de la colonne 3 au moyen de conduites respectives 21 et 22 qui traversent à joint étanche le dôme supérieur 23 de cette colonne 3. On décrira maintenant, en regard de la Figure 3, la constitution de la partie inférieure de chaque passage de condensation 14. Sur l'essentiel de sa hauteur, le passage 14 contient une onde d'échange de chaleur 12 à génératrices verticales et perforée. Cette onde se termine suivant une ligne oblique 24 qui s'élève jusqu'au niveau supérieur de la boîte 18. A ce niveau, la génératrice supérieure 25 de la tôle 19 est soudée le long de la face latérale adjacente du corps d'échangeur. L'espace inférieur restant du passage 14 contient une onde 26 perforée ou non dont les génératrices descendent suivant un angle a positif et modéré, par exemple de l'ordre de 10 à 20 , en direction de la boîte 18. De la ligne 25 à la génératrice 27 de l'onde qui rejoint le point le plus bas de la ligne 24, cette onde est une onde distributrice de sortie 13, qui canalise vers la boîte 18 le fluide diphasique arrivant au bas de l'onde 12, sur toute la largeur du passage 14. La tôle 19 s'étend vers le bas jusqu'à un niveau inférieur au point bas A de la génératrice 27, c'est-à-dire de l'onde 13. Sa génératrice inférieure 28 est soudée tout le long de l'arête horizontale inférieure adjacente du corps d'échangeur. Ainsi, la boîte 18 est apte à résister à la moyenne pression de l'azote, et la partie de l'onde 26 située au- dessous de la génératrice 27 forme une onde-entretoise "morte" 29 de forme trapézoïdale qui remplit uniquement une fonction d'entretoise et de maintien des plaques en forme plane et verticale malgré la pression de l'azote. Par ailleurs, une tubulure 30, dont l'axe X-X rencontre l'axe Y-Y de la tôle 19, part en oblique vers le bas, de la boîte 18. Le point bas 31 du cercle d'intersection de cette tubulure et de la tôle 19 se trouve légèrement au-dessus de la génératrice 28. Une autre tubulure 32 part vers le haut du voisinage du point haut de la tôle 19, et rejoint la conduite 7 via une vanne de détente 33 (Figure 1). En service, les incondensables, étant des gaz légers, se séparent de l'oxygène en même temps que l'azote dans la colonne moyenne pression 3. Dans le vaporiseur- condenseur 2, l'onde 13 guide le fluide diphasique constitué d'azote liquide, d'azote gazeux et des incondensables vers la boîte 18, et le liquide se rassemble dans la partie inférieure de celle-ci et s'évacue par la tubulure 30. Le niveau du liquide s'établit légèrement au-dessus du point 31, et il n'y a aucune circulation gazeuse dans la tubulure 30 du fait de la garde de liquide 34 existant à l'extrémité inférieure de cette tubulure (Figure 1). Grâce à la présence de l'onde 29, ce niveau de liquide est situé au-dessous du point bas A de la génératrice 27. Par suite, l'onde distributrice 13 n'est jamais inondée, même partiellement, de sorte qu'aucun obstacle à l'écoulement du fluide diphasique n'est créé. Ceci permet une évacuation efficace des incondensables, avec un débit prédéterminé d'azote, via la tubulure 32. La variante de la Figure 4 ne diffère de la précédente que par la réalisation des moyens d'évacuation des fluides hors de la boîte 18. En effet, les tubulures 30 et 32 sont remplacées par une tubulure unique 35 dont l'axe X-X est décalé, par rapport à l'axe Y-Y, dans le sens opposé au corps d'échangeur, tandis que l'angle d'inclinaison de cet axe X- X est augmenté jusqu'à être vertical dans l'exemple représenté. Ceci permet d'augmenter l'aire de l'intersection de la tubulure 35 et de la tôle 19, et donc d'augmenter le débit de liquide évacué, abaissant ainsi le niveau du liquide dans le corps d'échangeur. L'absence de liquide dans l'onde de distribution 13 est ainsi obtenue plus facilement, même avec une boîte de sortie de dimensions réduites. Dans le mode de réalisation de la Figure 5, la génératrice 27 rejoint l'arête horizontale inférieure du corps d'échangeur, de sorte que l'onde morte 29 a une forme triangulaire. La tôle 19 s'étend, à partir de sa génératrice supérieure 25, sur trois quarts de cylindre, en chevauchant ladite arête du corps d'échangeur, et sa génératrice opposée 36 est soudée sur la face inférieure du corps d'échangeur. Dans cette configuration, la boîte peut être fermée à chaque extrémité par une tôle en forme de demi-ellipsoïde de révolution soudée sur la tranche d'extrémité de la tôle 18 et, suivant un quart de cercle, sur la plaque 11 extrême correspondante. Dans le mode de réalisation de la Figure 6, la boîte de sortie 18, de forme générale semi-cylindrique, est entièrement disposée sous le corps d'échangeur, avec une génératrice d'extrémité 36 soudée sur la face inférieure du corps, comme précédemment, et son autre génératrice d'extrémité 37 soudée le long d'une arête inférieure du corps. Les fenêtres de sortie d'azote liquide et de gaz forment une rangée le long de cette arête inférieure, et sont adjacentes à la génératrice 37. L'onde 13 comporte une première onde oblique supérieure 13A de forme triangulaire, avec sa génératrice inférieure 27 rejoignant au point bas A la génératrice 36, et une deuxième onde distributrice inférieure 13B à génératrices verticales, également de forme triangulaire, débouchant dans la boîte 18. On retrouve par ailleurs l'onde morte 29, de forme triangulaire. De nouveau, ce mode de réalisation permet de maintenir le liquide dans la boîte 18 à un niveau inférieur à l'onde distributrice 13 avec une boîte de sortie de petites dimensions. L'invention a été décrite ci-dessus dans son application à un vaporiseur-condenseur du type à bain, dans lequel les passages de fluide réfrigérant (oxygène) sont ouverts vers le haut et vers le bas, afin de créer un mouvement de convection ascendant de ce fluide. Cependant, l'invention s'applique également à tout autre type de condenseur, notamment aux vaporiseurs-condenseurs à film ruisselant tels que décrits par exemple dans le EP-A-0 130 122. Dans chaque mode de réalisation, l'onde "morte" 29 peut être réalisée indépendamment de l'onde distributrice 13, avec un pas d'onde et une orientation quelconque. REVENDICATIONS 1 - Condenseur à plaques brasées, du type comprenant un corps d'échangeur qui présente au moins un passage de condensation (14) de forme plate délimité entre deux plaques parallèles (11) sensiblement verticales, ce passage contenant sur l'essentiel de sa hauteur une onde-entretoise d'échange de chaleur (12) à génératrices sensiblement verticales; une boîte (17) d'entrée d'un gaz à condenser, prévue à l'extrémité supérieure du passage; une boîte (18) de sortie du liquide de condensation prévue à l'extrémité inférieure du passage; une onde-entretoise distributrice (13) dont les génératrices forment un angle avec la direction des génératrices de l'onde de chaleur et qui dirigent le liquide de condensation de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur (12) à la boîte de sortie(18), caractérisé en ce que, en section transversale, la partie de la boîte de sortie (18) comprise entre son point le plus bas (28) et celui (31) d'une canalisation de sortie de liquide (30; 35) reliée à cette boîte est entièrement située à un niveau inférieur à celui du point le plus bas (A) de l'onde distributrice(13). 2 - Condenseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde distributrice (13) a des génératrices inclinées vers le bas de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur (12) à la boîte de sortie (18). 3 - Condenseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) est disposée entièrement latéralement par rapport au corps d'échangeur, et en ce que les plaques (11) sont prolongées vers le bas jusqu'au niveau du point le plus bas (28) de la boîte de sortie (18). 4 - Condenseur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, dans une région inférieure du passage (14) éloignée de la boîte de sortie (18), le passage comporte une onde-entretoise de rigidification (28) ayant éventuellement une constitution et/ou un pas d'onde et/ou une orientation différente des caractéristiques correspondantes de l'onde distributrice (13). 1l - Condenseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'onde-entretoise (28) et l'onde distributrice (13) sont réalisées à partir d'une même tôle ondulée. 6 - Condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) enjambe une arête inférieure du corps d'échangeur et est reliée à ce corps le long d'une ligne longitudinale supérieure (25) située sur une face latérale du corps et le long d'une ligne longitudinale inférieure (36) située sur la face inférieure dudit corps. 7 - Condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) est reliée au corps d'échangeur le long d'une ligne longitudinale supérieure (25) située sur une face latérale du corps et le long d'une ligne longitudinale inférieure (28) qui est située sur la même face latérale ou sur l'arête inférieure correspondante dudit corps. 8 - Condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) est reliée au corps d'échangeur le long de deux lignes longitudinales (36, 37) situées sur la face inférieure de ce corps, l'une de ces lignes suivant éventuellement une arête inférieure du corps. 9 - Condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) est équipée d'une conduite d'évacuation de liquide (29) qui part du voisinage de son point bas et d'une conduite d'évacuation de gaz (31) qui part du voisinage de son point haut. - Condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la boîte de sortie (18) est équipée d'une tuyauterie (35) d'évacuation de liquide dont l'axe (X-X) passe à l'extérieur de l'axe général (Y-Y) de la boîte de sortie par rapport au corps. 11 - Condenseur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ladite tuyauterie (35) a un axe (X-X) sensiblement vertical. 12 - Condenseur suivant la revendication 11, caractérisé en ce que ladite tuyauterie (35) se prolonge vers le haut au-delà de la boîte de sortie (18) pour former une conduite d'évacuation de gaz. 13 - Vaporiseur-condenseur (2) pour double colonne de distillation d'air (1), destiné à vaporiser de l'oxygène par condensation d'azote, caractérisé en ce que la partie condenseur de ce vaporiseur-condenseur est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12. 14 - Double colonne de distillation d'air (1), caractérisée en ce qu'elle comprend un vaporiseur- condenseur(2) suivant la revendication 13. - Procédé de condensation d'un fluide dans un condenseur à plaques brasées du type comprenant un corps d'échangeur qui présente au moins un passage de condensation (14) de forme plate délimité entre deux plaques parallèles (11) sensiblement verticales, ce passage contenant sur l'essentiel de sa hauteur une onde-entretoise d'échange de chaleur (12) à génératrices sensiblement verticales; une boîte (17) d'entrée d'un gaz à condenser, prévue à l'extrémité supérieure du passage; une boîte (18) de sortie du liquide de condensation prévue à l'extrémité inférieure du passage; une onde-entretoise distributrice (13) dont les génératrices forment un angle avec la direction des génératrices de l'onde de chaleur et qui dirigent le liquide de condensation de l'extrémité inférieure de l'onde d'échange de chaleur (12) à la boîte de sortie(18), caractérisé en ce qu'on maintient en permanence la surface libre du liquide à un niveau inférieur à celui du point le plus bas (A) de l'onde distributrice(13).