Brevet FR2786859A1 — publié le 20000609

La présente invention concerne un échangeur de chaleur et, plus particulièrement, un échangeur de chaleur à plaques, permettant d'échanger de la chaleur entre au moins deux fluides d'un appareil de séparation d'air. Un appareil de séparation d'air comprend plusieurs types d'échangeur de chaleur. Un échangeur de chaleur principal sert à refroidir l'air d'alimentation de l'appareil à la température de distillation par échange de chaleur avec un ou plusieurs fluides provenant de l'appareil de distillation. Dans certains cas, ce sont des liquides pressurisés de l'appareil qui se vaporisent contre l'air à distiller dans l'échangeur. Ces échangeurs sont normalement faits entièrement en aluminium ou en cuivre ou en alliages de ces métaux (WO95/28610, Hausen, Linde 'Tieftemperaturtechnik", pages 468-471, "Large Tonnage Oxygen Plants - Brazed Aluminium Technology and Equipment for the 80's", Duncan et al., Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, août 1980, "Improved Plant Main Condenser", O'Neill et al., Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, août 1980). Pour des raisons de sécurité, ces liquides se vaporisent parfois dans un échangeur dédié contre un seul fluide tel que l'air ou l'azote. L'appareil comprend également au moins un vaporiseur-condenseur qui est un échangeur de chaleur placé à l'intérieur ou à l'extérieur de la colonne. Ces vaporiseurs sont habituellement réalisés entièrement en cuivre, acier inoxydable, nickel ou aluminium et sont constitués d'au moins deux circuits qui sont reliés au reste de l'installation au moyen de tuyauteries soudées sur l'équipement. Ces tuyauteries sont normalement réalisées en acier inoxydable ou en aluminium, ce qui impose des jonctions mixtes pour les assembler à l'échangeur. Un but de la présente invention est de réduire le coût de la construction des échangeurs en supprimant les jonctions mixtes. Selon un objet de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur à plaques comprenant: - une pluralité de plaques métalliques en cuivre, en nickel, en aluminium ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre, au moins % de nickel ou au moins 80 % d'aluminium ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages; - des ondes d'échange placées entre les plaques; - un moyen d'obturation constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques; - deux tôles extérieures parallèles aux plaques et ayant un contour substantiellement similaire à ceux des plaques; - des têtes semi-cylindriques reliées aux passages entre les plaques et éventuellement une chambre d'entrée et/ou sortie d'un fluide reliée à un joint étanche à une face d'entrée ou de sortie du fluide, une partie au moins de la chambre étant constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde et par des secteurs de cônes tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde caractérisé en ce qu'au moins une des tôles extérieures et/ou au moins une des têtes semi-cylindriques et/ou une chambre d'entrée et/ou de sortie de fluide est en acier inoxydable ou, dans le cas o les plaques seraient en cuivre ou en nickel ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre ou au moins % de nickel, en nickel ou un alliage comprenant au moins 80 % de nickel. Tous les éléments prévus en acier inoxydable peuvent être en acier austénitique. Ils peuvent également être en un alliage d'acier inoxydable avec au moins un autre métal. L'échangeur peut comprendre des tuyauteries, reliées aux têtes semi- cylindriques, en acier inoxydable ou en aluminium. De préférence, les séparatrices et/ou les barres latérales sont en acier inoxydable. L'échangeur peut remplir un des rôles décrits ci-dessus dans un appareil de séparation d'air. Par exemple, il peut être l'échangeur principal qui sert à refroidir l'air à sa température de distillation ou un sous-refroidisseur. Si l'appareil comporte une première colonne alimentée par de l'air et reliée thermiquement à une deuxième colonne, un échangeur de chaleur selon l'invention peut permettre de chauffer la cuve de la deuxième colonne avec le gaz de tête de la première colonne. Seuls deux débits différents circulent dans l'échangeur. Sinon l'échangeur de chaleur selon l'invention peut être un échangeur intermédiaire de la deuxième colonne ou un condenseur de tête d'une simple colonne. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés. Sur ces dessins, - la figure 1 est une vue schématique de l'extérieur d'un échangeur selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de l'intérieur d'un échangeur selon l'invention, - la figure 4 est un appareil de séparation d'air comprenant plusieurs échangeurs selon l'invention, - la figure 5 est une vue partielle de côté de l'extérieur d'un autre échangeur selon l'invention, - et la figure 6 est une vue de dessus de cet échangeur. Dans la figure 1, un échangeur de chaleur 20 comprend une série de plaques parallèles en aluminium brasées entre elles qui définissent une multitude de passages destinés alternativement à un des trois débits de fluide, par exemple, un débit d'air gazeux, un débit gazeux enrichi en azote à environ 5 bars et un débit liquide enrichi en oxygène à environ 1,5 bars. Evidemment les pressions peuvent prendre d'autres valeurs. Le gaz ou le liquide rentre dans l'échangeur au moyen d'une tuyauterie 2 en acier inoxydable soudée au milieu d'une tête 1 (parfois appelée "boite" ou en anglais "header") semi-cylindrique et en acier inoxydable qui distribue le gaz sur toute la hauteur de l'échangeur 20 pour l'envoyer à une entrée de passages définie par la barre séparatrice 12 en acier inoxydable. Si la tuyauterie est en aluminium et les plaques sont en cuivre ou nickel ou un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre ou nickel, les têtes de distribution 1 seront en nickel ou en acier inoxydable ou un alliage comprenant un de ces deux métaux. Dans la figure 2 on voit la tôle extérieure 7 en acier inoxydable en dessus des plaques empilées 8. Une autre tôle extérieure identique est placée en dessous des plaques. Des barres latérales 14 en acier inoxydable sont fixées de manière étanche aux bords des plaques 8. Ces plaques 8 parallèles de forme rectangulaire sont séparées par des ondes en aluminium 9 fixées pas brasage. Dans le cas o les plaques seraient en cuivre ou en nickel ou en alliage comprenant au moins 80 % d'un de ces métaux, les ondes seraient dans le même métal ou alliage. Au-dessus des ondes 9, les passages sont fermés par des barres 12. Dans la figure 4 un débit d'air se refroidit dans un échangeur 20A selon l'invention par échange de chaleur avec des gaz résiduaires, de l'azote liquide et de l'azote gazeux avant d'être envoyé à une double colonne. Celle-ci comprend une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression par un vaporiseur-condenseur 20C selon l'invention. Un débit de liquide riche en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression et se vaporise par échange de chaleur avec un débit d'air surpressé dans un échangeur dédié 20B selon l'invention. D'autres débits de l'appareil sont sous-refroidis dans un échangeur 20D selon l'invention. Dans la figure 5, l'échangeur comprend un empilement de plaques rectangulaires verticales et parallèles entre lesquelles sont interposées des ondes-entretoises formant également ailettes thermiques. Chaque paire de plaques délimite un passage de forme générale plate. Il existe au moins deux séries de passages dont l'une est réservée à la circulation d'oxygène constituant le fluide traité tandis que l'autre sert à faire circuler l'azote qui constitue le fluide auxiliaire calorigène en cours de condensation. Sur leur périphérie, les passages sont fermés par des barres. Les barres correspondant au fluide traité sont toutefois supprimées sur la face supérieure 3 du corps 1, et également sur sa face inférieure. L'échangeur fonctionne ainsi en thermosiphon, avec une circulation ascendante d'oxygène vaporisé, entraînant de l'oxygène liquide. Le mélange diphasique sort du corps 2 par sa face supérieure 3. Les barres de fermeture sont par ailleurs agencées de façon à laisser libres, sur les faces latérales verticales du corps 1, des rangées horizontales de fenêtres d'entrée/sortie de l'azote. Ces fenêtres sont coiffées par des boîtes d'entrée/sortie de forme générale cylindrique, telle que la boîte 4 représentée au dessin, prévue à la partie supérieure du corps et servant à l'entrée d'azote gazeux dans les passages d'azote, laquelle boîte est alimentée par une conduite 5. Le ballon constituant la chambre d'entrée/sortie de fluide peut être en acier inoxydable ou en nickel ou en un alliage comprenant un de ces deux métaux. Ces chambres sont décrites plus en détails dans EP-A- 0718582 et EP-A-0718583. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation comprenant: - une colonne moyenne pression, - une colonne basse pression reliée thermiquement avec la colonne moyenne pression, - un échangeur de chaleur, - des moyens pour envoyer à l'échangeur de chaleur un débit d'air, un débit d'azote liquide soutiré de la colonne moyenne pression et au moins un autre débit provenant d'une des colonnes, - un échangeur auxiliaire, - des moyens pour envoyer un autre débit d'air, éventuellement surpressé, et un débit liquide riche en oxygène à l'échangeur auxiliaire, - et des moyens pour sortir un débit d'azote gazeux de l'échangeur de chaleur et des moyens pour sortir un débit gazeux riche en oxygène de l'échangeur auxiliaire. Ainsi dans la figure 4, I'oxygène liquide se vaporise après pressurisation dans l'échangeur 20B contre de l'air et l'azote liquide pressurisé se vaporise dans l'échangeur principal 20A contre de l'air. L'air est détendu dans une turbine Claude et une turbine d'insufflation. De l'argon peut être produit à partir du débit provenant de la colonne basse pression. Les échangeurs selon l'invention peuvent être des échangeurs à co- courant ou à contre-courant. Ils peuvent être des vaporiseurs du type à bain (à thermosiphon) ou à film ou tubulaires. Revendications 1. Echangeur de chaleur à plaques comprenant: - une pluralité de plaques métalliques (8) en cuivre, en nickel, en aluminium ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre, au moins 80 % de nickel ou au moins 80 % d'aluminium ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages; - des ondes d'échange (6) placées entre les plaques, - un moyen d'obturation (11) constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques; - deux tôles extérieures (7) parallèles aux plaques et ayant un contour substantiellement similaire à ceux des plaques; - des têtes semi-cylindriques (1) reliées aux passages entre les plaques et éventuellement une chambre d'entrée et/ou sortie d'un fluide (106) reliée à un joint étanche à une face d'entrée ou de sortie du fluide, une partie au moins de la chambre étant constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde et par des secteurs de cônes tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde caractérisé en ce qu'au moins une des tôles extérieures et/ou au moins une des têtes semi-cylindriques et/ou une chambre d'entrée ou de sortie de fluide est en acier inoxydable ou, dans le cas o les plaques seraient en cuivre ou en nickel ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre ou au moins % de nickel, en nickel ou un alliage comprenant au moins 80 % de nickel. 2. Echangeur selon la revendication 1 comprenant des tuyauteries (2), reliées aux têtes semi-cylindriques, en acier inoxydable ou en aluminium. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les barres latérales (11) sont en acier inoxydable. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les séparatrices sont en acier inoxydable. 5. Appareil de séparation d'air comprenant au moins un échangeur de chaleur (20) selon l'une des revendications précédentes. 6. Appareil selon la revendication 5 dans lequel l'échangeur de chaleur est l'échangeur principal qui sert à refroidir l'air à sa température de distillation. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6 dans lequel l'échangeur de chaleur est un sous-refroidisseur. 8. Appareil selon la revendication 5, 6 ou 7 comprenant une première colonne alimentée par de l'air et reliée thermiquement à une deuxième colonne au moyen d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4.