Brevet FR2793312A1 — publié le 20001110

La présente invention est relative à un appareil d'échange thermique à contre-courant entre au moins un premier fluide disponible à une température voisine de la température ambiante et au moins un second fluide disponible à une température cryogénique inférieure à -20 C. L'invention s'applique notamment au refroidissement de l'air atmosphérique destiné à être distillé, et plus généralement aux unités de liquéfaction, de séparation, de purification ou de génération de froid dans lesquelles on met en oeuvre un niveau de température sensiblement inférieur à la température atmosphérique, par exemple inférieur à -200C. Dans ce qui suit, on se référera à la séparation des gaz de l'air par distillation. Une méthode classique pour séparer les gaz de l'air consiste à comprimer de l'air atmosphérique, à l'épurer en eau et en C02 et à le refroidir, puis à l'introduire dans un appareil de distillation dans lequel il est séparé en au moins un fluide riche en azote et au moins un fluide riche en oxygène. Au moins une partie de ces effluents est réchauffée jusqu'à la température ambiante, le froid disponible étant utilisé pour abaisser la température de l'air. La puissance frigorifique nécessaire est généralement fournie par une turbine de détente traitant une fraction de l'air. De nombreuses variantes de ce procédé sont décrites dans la littérature. Les moyens d'épuration et de refroidissement de l'air sont de trois types: (1) Les régénérateurs-épurateurs, qui contiennent un garnissage, organisé ou en vrac, d'accumulation de chaleur. Ils peuvent être utilisés par paires ou en groupe, par rotation. La description qui en est faite ci-dessous correspond à un fonctionnement par paire pour faciliter l'explication. Dans une demi-période, un régénérateur donné est refroidi par circulation dans un premier sens d'un flux gazeux résiduaire de l'appareil de distillation. Dans la demi-période suivante, le même régénérateur est parcouru 2 2793312 dans l'autre sens par l'air à refroidir, dont il piège l'eau et le CO2 par solidification. (2) Les échangeurs réversibles, dont chaque passage est alternativement parcouru par un flux gazeux froid et par l'air à refroidir. Les inversions permettent, comme dans le cas précédent, d'évacuer par élution les impuretés solides qui se sont déposées dans les passages parcourus par l'air. Les échangeurs réversibles peuvent en outre renfermer un (ou des) faisceau(x) d'échange thermique complémentaire(s) permettant en particulier de réchauffer un fluide pur. (3) L'épuration en tête: L'air comprimé est épuré au voisinage de la température ambiante par adsorption sélective de l'eau et du C02, puis l'air épuré est refroidi, soit dans un régénérateur, soit dans un simple échangeur de chaleur. Les régénérateurs-épurateurs et les régénérateurs purement thermiques peuvent en outre renfermer un (ou des) faisceau(x) d'échange thermique complémentaire(s) permettant de réchauffer un fluide pur. Dans tous les cas, on utilise au moins un appareil d'échange thermique, généralement à contre-courant, dont la surface extérieure a une grande étendue et présente une température variable entre la température d'entrée du fluide chaud, qui est l'air, et une très basse température, de l'ordre de -180 à -200 C. Afin de limiter les échanges thermiques parasites qui diminuent les performances de l'installation, ces appareils d'échange thermique sont généralement isolés du milieu extérieur par une boite froide, qui est une enveloppe métallique garnie d'un isolant sous atmosphère d'azote pour empêcher l'entrée d'humidité. Malgré la présence de cette boîte froide, qui représente un investissement élevé, les échanges thermiques résiduels, via l'isolant, entre les parties chaudes et les parties froides de l'appareil d'échange thermique et entre les parties froides et l'environnement, restent substantiels. Ainsi, les pertes thermiques de la ligne d'échange thermique par rapport à l'environnement 3 2793312 représentent souvent 20 à 25% de la totalité des pertes thermiques de l'installation. L'invention a pour but de réduire les échanges thermiques parasites des appareils d'échange thermique à contre-courant. A cet effet, l'invention a pour objet un appareil d'échange thermique à contre- courant entre au moins un premier fluide disponible à une température voisine de la température ambiante et au moins un second fluide disponible à une température cryogénique inférieure à - 20 C, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire circuler le premier fluide de façon globablement centripète par rapport a un axe central général de l'appareil, à partir d'une entrée radialement extérieure de l'appareil, et des moyens pour faire circuler le second fluide de façon globalement centrifuge par rapport audit axe central, à partir d'une entrée radialement intérieure de l'appareil. L'appareil suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - l'appareil comprend au moins un passage reliant les deux entrées et destiné à être parcouru alternativement en sens opposés par les deux fluides; - ledit passage comporte sur au moins une partie de sa longueur un garnissage, notamment un garnissage en vrac, d'accumulation de chaleur; - ledit passage comprend sur au moins une partie de sa longueur un garnissage, notamment un garnissage en vrac, d'adsorption sélective de certains constituants de l'un des fluides; - le ou chaque garnissage est disposé suivant un lit annulaire; - le ou au moins un garnissage est constitué de particules ayant un diamètre équivalent inférieur à 15 mm et de préférence compris entre 1 et 10 mm; - l'appareil constitue un régénérateur thermique; l'appareil est destiné à refroidir de l'air 4 2793312 atmosphérique destiné à être distillé, par récupération du froid contenu dans un courant de fluide issu de l'appareil de distillation d'air; l'appareil est destiné en outre à épurer en eau et en CO2, et éventuellement en d'autres impuretés, l'air en cours de refroidissement; et - l'appareil comprend un lit annulaire extérieur d'adsorption d'eau et de CO2, et éventuellement d'autres impuretés, contenus dans l'air à traiter. L'invention a également pour objet une installation de distillation d'air, du type comprenant des moyens de compression d'air, des moyens de refroidissement et d'épuration de l'air, et un appareil de distillation d'air alimenté en air refroidi et épuré, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement et d'épuration comprennent au moins un appareil d'échange thermique tel que défini ci- dessus, dont l'entrée radialement extérieure est affectée à l'entrée d'air à distiller et dont l'entrée radialement intérieure est affectée à l'entrée d'un fluide issu de l'appareil de distillation d'air. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la Figure unique représente schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention. L'installation représentée au dessin est destinée à produire de l'oxygène gazeux à partir d'air atmosphérique par distillation. Elle comprend essentiellement un compresseur d'air 1 muni à sa sortie d'un réfrigérant 2 à air ou à eau, deux régénérateurs 3A, 3B identiques et montés en parallèle, un dispositif 102 d'épuration d'air par adsorption, un échangeur de chaleur 103, et une double colonne de distillation 4. La double colonne 4 est constituée, de façon classique, d'une colonne de distillation moyenne pression 5 surmontée d'une colonne de distillation basse pression 6, avec un vaporiseur-condenseur 7 qui permet de condenser la vapeur de tête (azote à peu près pur) de la colonne 5 par vaporisation du liquide de cuve (oxygène à peu près pur) de la colonne 6. On a représenté la conduite 8 de remontée du 2793312 "liquide ricbe" (air enrichi en oxygène) de la cuve de la colonne 5 à un niveau intermédiaire de la colonne 6, cette conduite étant équipée d'une vanne de détente 9, et également la conduite 10 de remontée du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) de la tête de la colonne à celle de la colonne 6, cette conduite étant équipée d'une vanne de détente 11. -L'oxygène gazeux produit est véhiculé via une conduite de soutirage 12 piquée en cuve de la colonne 6, juste au-dessus du bain d'oxygène liquide 13. On décrira maintenant la structure des régénérateurs 3A et 3B, les références utilisées étant dépourvues de suffixe mais devant être entendues comme affectées pour chaque régénérateur du suffixe A ou B respectivement. Chaque régénérateur 3 comprend une virole cylindrique 14 d'axe vertical X-X, munie d'un fond supérieur et d'un fond inférieur 16. Une conduite 17 débouche à peu près à mi-haxteur dans la virole 14, tandis qu'une conduite 18 débouche dans la région centrale du fond 16. Deux- grilles cylindriques, à savoir une grille extérieure 19 et une grille intérieure 20, s'étendent du fond 15 au fond 16, auxquelles elles sont fixées rigidement. La grille 19 délimite avec la virole 14 un espace annulaire extérieur 21, tandis que la grille 20 entoure un espace cylindrique central 22. Entre les deux grilles est délimité un autre espace annulaire, qui est empli d'un lit annulaire 23 de gravillons. On a-également indiqué schématiquement sur le dessin un ensemble de conduites et de vannes qui permettent de réaliser sélectivement l'une ou l'autre des deux liaisons suivantes: (11l) Liaison de la sortie du réfrigérant 2 à la conduite 17A, de la conduite 18A à la cuve de la colonne 5, du sommet de la colonne 6 à la conduite 18B, et de la conduite 17B-à l'atmosphère; (12) Liaison de la sortie du réfrigérant 2 à la conduite 17S, de la conduite 18B à la cuve de la colonne 5, du sommet de la colonne 6 à la conduite 18A, et de la conduite 17AZà l'atmosphère. 6 2793312 Sur le dessin, on a indiqué en traits gras la liaison (11). L'installation fonctionne de la manière suivante. La liaison ( 1) étant établie par une manoeuvre appropriée des vannes, le gaz résiduaire de tête de la colonne 6, constitué par de l'azote impur, pénètre dans l'espace central 22B du régénérateur 3B via la conduite 18B. Ce gaz traverse dans l'ensemble radialement, dans le sens centrifuge, le lit 23B, en refroidissant celui-ci. Il parvient ensuite dans l'espace extérieur 21B, quitte le régénérateur via la conduite 17B, et est évacué dans l'atmosphère. Simultanément, une partie de l'air entrant, comprimé en 21 et ramené en 2 au voisinage de la température ambiante, pénètre dans l'espace annulaire 21A, traverse dans l'ensemble radialement, dans le sens centripète, le lit 23A, qui a été préalablement refroidi comme décrit ci-dessus, et se refroidit ainsi jusqu'au voisinage de son point de rosée, puis il parvient dans l'espace central 22A. Il quitte ensuite le régénérateur 3A via la conduite 18A et est envoyé en cuve de la colonne 5. Au cours de ce refroidissement, la solidification de l'eau et du C02 contenus dans l'air provoque l'arrêt de ces éléments par le lit 23A, et donc l'épuration simultanée de l'air. Le reste de l'air comprimé et pré-refroidi en 2 est épuré dans le dispositif d'adsorption 102, puis refroidi dans l'échangeur de chaleur indirect 103 à contre-courant de l'oxygène véhiculé dans la conduite 12, avant d'être introduit en cuve de la colonne 5. Cette phase de fonctionnement se poursuit jusqu'à ce que, d'une part, il subsiste dans le lit 23B une couche annulaire extérieure mince 24B d'épaisseur prédéterminée au voisinage de la température ambiante T1, et, d'autre part, il subsiste dans le lit 23A une couche annulaire intérieure mince 25A d'épaisseur prédéterminée au voisinage de la température froide T2 du gaz résiduaire. Cette phase dure généralement de 1 à 15 minutes. 7 2793312 On passe alors de la liaison (11) à la liaison (12). L'air se refroidit alors en traversant dans le sens centripète le lit 23B, avant d'être envoyé dans la colonne , pendant que l'azote impur refroidit le lit 23A par circulation centrifuge tout en en éliminant par élution l'eau et le C02 précédemment piégés par celui-ci. De nouveau, cette phase de fonctionnement est arrêtée lorsqu'il subsiste deux minces couches annulaires extérieure 24A et intérieure 25B dans les deux lits, respectivement au voisinage de la température ambiante et de la température froide T2. Ainsi, au cours du refroidissement de chaque lit par l'azote impur, le front froid ne sort jamais du lit et, au cours de son réchauffement par l'air, il en est de même du front chaud. Par suite, les espaces extérieurs 21A et 21B restent en- permanence au voisinage de la température ambiante, et les espaces intérieurs 22A et 22B restent en permanence au voisinage de la température froide T2. Grâce à cette disposition, les échanges de chaleur parasites, d'une région à l'autre d'un régénérateur ou entre celui-ci et l'atmosphère environnante, sont minimisés, et il n'est pas nécessaire d'isoler thermiquement les viroles 14A et 14B, qui constituent en pratique l'essentiel de la surface extérieure des régénérateurs. Comme représenté, il suffit de prévoir une isolation thermique 26 sur les deux fonds de chaque régénérateur, voire sur la seule région radialement intérieure de ces fonds. Les technologies connues de réalisation des appareils (adsorbeurs ou réacteurs) à lit annulaire, quant à la distribution des deux fluides, à la constitution et à la fixation des grilles, peuvent être utilisées ici. On tiendra compte bien entendu des pressions des deux fluides (5 à 6 bars absolus pour l'air, 1,1 à 1,2 bar absolu pour l'azote impur par exemple dans les schémas les plus classiques), de leurs niveauIx de température, et de l'absence de fluctuation des températures des deux grilles. De même, les vannes de la partie froide seront avantageusement remplacées, de façon classique, par des 8 2793312 boîtes à clapets qui fonctionnent sous le seul effet des pressions des deux fluides. Il est à noter que les lits annulaires 23 offrent aux fluides une très grande section de passage, ce qui permet d'utiliser des lits de faible épaisseur. Le gain de perte de charge résultant peut être mis à profit pour réduire la pression de compression de l'air entrant, et donc l'énergie consommée, et/ou pour utiliser des lits plus efficaces. En particulier, au lieu des graviers de diamètre équivalent 15 mm généralement utilisés dans les régénérateurs à flux verticaux, on peut avoir recours à des gravillons plus petits, de diamètre équivalent compris entre 1 et 10 mm, par exemple d'environ 5 mm. Avec de tels gravillons, à volume égal, la surface d'échange gaz/particules est augmentée d'un facteur 3; pour des vitesses d'écoulement identiques, le coefficient d'échange thermique augmente d'un facteur de l'ordre de 2. On peut donc réduire les dimensions des régénérateurs. En variante, les gravillons qui constituent les lits annulaires peuvent être remplacés par d'autres types de particules en vrac, ou encore par des garnissages organisés. Dans un autre mode de mise en oeuvre, les régénérateurs peuvent être utilisés en tant que régénérateurs uniquement thermiques, auquel cas ils sont précédés d'un appareil d'épuration distinct, notamment par adsorption. En variante également, chaque régénérateur peut comporter des moyens d'épuration distincts des moyens de refroidissement, sous la forme d'un second lit annulaire de particules adsorbant l'eau et le CO2, ce second lit entourant le lit 23. Ces moyens d'épuration peuvent soit arrêter la totalité de l'eau et du CO2, soit n'arrêter que partiellement la vapeur d'eau, pour éviter toute condensation sous forme liquide avant le piégeage sous forme de solide (glace). Les moyens d'épuration peuvent être adaptés pour assurer également l'arrêt d'autres polluants secondaires de l'air. 9 2793312 D'autres configurations d'échangeurs de chaleur à contre-courant, réversibles ou non, à circulation globalement centripète d'un premier fluide et globalement centrifuge d'un second fluide, sont envisageables, par exemple à partir d'un enroulement en spirale d'un empilement de tôles minces séparées par des ondes-entretoises. Chaque paire de tôles définit un passage de faible épaisseur, et des barres de fermeture ferment hermétiquement chaque passage sur son pourtour en laissant libres des ouvertures d'entrée et de sortie pour le ou les fluides qui y circulent. Une autre réalisation d'échangeur de ce type consiste en un empilage de galettes fonctionnant en parallèle entre deux collecteurs centraux à température cryogénique et deux collecteurs périphériques proches de la température ambiante, chaque galette consistant en un bitube enroulé en spirale sur lui-même. 2793312 REVENDICATIONS 1. Appareil d'échange thermique à contre-courant entre au moins un premier fluide disponible à une température voisine de la température ambiante et au moins un second fluide disponible à une température cryogénique inférieure à -20 C, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire circuler le premier fluide de façon globablement centripète par rapport à un axe central général (X-X) de l'appareil (3), à partir d'une entrée radialement extérieure (17) de l'appareil, et des moyens pour faire circuler le second fluide de façon globalement centrifuge par rapport audit axe central, à partir d'une entrée radialement intérieure (18) de l'appareil. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un passage reliant les deux entrées (17, 18) et destiné à être parcouru alternativement en sens opposés par les deux fluides. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit passage comporte sur au moins une partie (23) de sa longueur un garnissage, notamment un garnissage en vrac, d'accumulation de chaleur. 4. Appareil suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit passage comprend sur au moins une partie de sa longueur un garnissage, notamment un garnissage en vrac, d'adsorption sélective de certains constituants de l'un des fluides. 5. Appareil suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou chaque garnissage est disposé suivant un lit annulaire (23). 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le ou au moins un garnissage est constitué de particules ayant un diamètre équivalent inférieur à 15 mm et de préférence compris entre 1 et 10 mm. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il constitue un régénérateur thermique. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est destiné à 11i 2793312 refroidir de l'air atmosphérique destiné à être distillé, par récupération du froid contenu dans un courant de fluide issu de l'appareil de distillation d'air (4). 9. Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est destiné en outre à épurer en eau et en C02, et éventuellement en d'autres impuretés, l'air en cours de refroidissement. 10. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un lit annulaire extérieur d'adsorption d'eau et de C02, et éventuellement d'autres impuretés, contenus dans l'air à traiter. 11. Installation de distillation d'air, du type comprenant des moyens (1) de compression d'air, des moyens (3) de refroidissement et d'épuration de l'air, et un appareil de distillation d'air (4) alimenté en air refroidi et épuré, _ caractérisée en ce que les moyens de refroidissement et d'épuration comprennent au moins un appareil d'échange thermique (3) suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10 dont l'entrée radialement extérieure (17) est affectée à l'entrée d'air à distiller et dont l'entrée radialement intérieure (18) est affectée à l'entrée d'un fluide issu de l'appareil de distillation d'air (4).