Brevet FR2793548A1 — publié le 20001117

La présente invention est relative à un vaporiseur-condenseur à plaques fonctionnant en thermosiphon, du type comprenant d'une part un corps d'échangeur constitué d'un empilement de plaques rectangulaires verticales toutes identiques, d'ondes-entretoises comprenant des ondes d'échange thermique, et de barres de fermeture, qui délimitent une pluralité de premiers passages de vaporisation pour un fluide frigorigène, ouverts vers le haut et vers le bas et munis d'ondes- entretoises à direction principale verticale, et une pluralité de seconds passages de condensation pour un fluide calorigène, et d'autre part des boîtes d'entrée et de sortie de fluide calorigène qui coiffent des rangées de fenêtres d'entrée et de sortie débouchant dans les seconds passages. L'invention s'applique en particulier aux vaporiseurs- condenseurs principaux des doubles colonnes de distillation d'air, qui vaporisent de l'oxygène liquide basse pression par échange de chaleur avec de l'azote gazeux moyenne pression. Ces vaporiseurs-condenseurs fonctionnent soit en thermosiphon, soit par ruissellement de liquide. Dans les vaporiseurs-condenseurs fonctionnant en thermosiphon, qui sont du type indiqué au début, le corps d'échangeur est plus ou moins complètement immergé dans un bain d'oxygène liquide. Cet oxygène liquide pénètre par le bas dans les premiers passages, y est réchauffé jusqu'à son point de bulle puis est vaporisé partiellement. Le taux de recirculation du liquide, c'est-à-dire le rapport du débit de liquide en excès sortant des premiers passages au débit vaporisé, est très élevé et compris entre 5 et 100, pour éviter de façon sure toute vaporisation à sec risquant d'entraîner le dépôt d'impuretés lourdes, notamment d'hydrocarbures. En effet, un tel dépôt peut se traduire par des explosions locales en présence de l'oxygène. Pour disposer d'une hauteur d'échange thermique importante malgré la présence des zones de distribution d'azote gazeux et de collectage d'azote liquide en haut et en bas du corps d'échangeur, celui-ci est disposé avec la grande dimension (ou longueur) des plaques verticales. Cependant, ceci conduit à une hauteur hydrostatique importante qui diminue les performances thermiques de l'échangeur. Pour réduire cette hauteur hydrostatique tout en conservant une surface d'échange importante, on peut disposer les plaques avec leur longueur dans le sens horizontal. Cependant, une difficulté se présente alors pour les 2 2793548 seconds passages: si on conserve dans ceux-ci une orientation générale verticale des ondes d'échange, la hauteur occupée par les ondes de distribution et de collectage devient trop importante par rapport à la hauteur des ondes d'échange. Si on dispose au contraire ces ondes d'échange horizontalement, on obtient un échangeur à courants croisés, ce qui entraîne d'une part une dissymétrie de chauffage pouvant pénaliser la performance thermique globale, d'autre part des défauts d'évacuation de l'azote liquide, entraînés vers le bas des passages par la gravité, qui pénalisent aussi localement le coefficient d'échange thermique. Quant aux vaporiseurs-condenseurs à ruissellement de liquide (voir par exemple le US-A-4 599 097), ils évitent le problème de la hauteur hydrostatique de liquide, mais ils nécessitent l'utilisation d'une pompe de remontée de liquide et présentent également un risque de vaporisation locale à sec. L'invention a pour but de fournir un vaporiseur-condenseur à plaques fonctionnant en thermosiphon avec un échange de chaleur à contre-courant et ayant une faible hauteur hydrostatique et une surface d'échange importante, tout en pouvant être réalisé sous de très grandes dimensions de façon particulièrement économique. A cet effet, I'invention a pour objet un vaporiseur-condenseur du type précité, caractérisé en ce que: - la largeur! des plaques est disposée verticalement et est nettement inférieure à leur longueur L; - les ondes d'échange desdits seconds passages sont à direction principale verticale; et - le corps d'échangeur est muni d'au moins deux boîtes d'entrée espacées sur sa longueur. Le vaporiseur-condenseur suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le corps d'échangeur est muni d'au moins deux boites de sortie espacées sur sa longueur; chaque second passage s'étend sur au moins l'essentiel de la longueur du corps d'échangeur et ce corps est muni à chaque extrémité longitudinale d'une boîte d'entrée et d'une boite de sortie; 3 2793548 - le corps d'échangeur est muni d'au moins une boîte d'entrée intermédiaire située sur sa face supérieure en un emplacement intermédiaire de sa longueur; - le corps d'échangeur est muni d'au moins une boîte de sortie intermédiaire située sur sa face inférieure en un emplacement intermédiaire de sa longueur; - chaque second passage comporte une première zone morte située entre la boîte d'entrée intermédiaire et la boite de sortie intermédiaire, et chaque premier passage comporte une seconde zone morte en regard de cette première zone morte. - en un emplacement de la longueur du corps d'échangeur, chaque premier passage et chaque second comprend une zone qui assure au moins une fonction différente de l'échange de chaleur, notamment une fonction de recirculation de liquide; - chaque intervalle compris entre deux plaques adjacentes définit un second passage sur une longueur L/2 + e, o L désigne la longueur du corps d'échangeur et e la longueur d'une zone de distribution du fluide calorigène, et définit un premier passage sur le reste de la longueur dudit corps, la disposition étant alternée d'un intervalle au suivant; - le corps d'échangeur est coiffé d'un dôme supérieur de collectage du gaz résultant de la vaporisation du liquide; le corps d'échangeur est muni d'un dôme inférieur d'alimentation en source des premiers passages en liquide à vaporiser; - la largeur des plaques est nettement supérieure à 1220 millimètres. L'invention a également pour objet une double colonne de distillation d'air qui comprend une colonne de distillation moyenne pression, une colonne de distillation basse pression et un vaporiseur-condenseur tel que défini ci- dessus qui met le gaz de tête de la colonne moyenne pression en relation d'échange thermique indirect avec le liquide de cuve de la colonne basse pression. Le vaporiseur-condenseur peut être disposé en cuve de la colonne basse pression ou, en variante, à l'extérieur de la double colonne. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente schématiquement une partie d'une double colonne de distillation d'air conforme à l'invention; 4 2793548 - la Figure 2 est une vue du vaporiseur-condenseur de cette double colonne, prise en coupe verticale suivant la ligne 11-Il de la Figure 1; la Figure 3 est une vue du même vaporiseur-condenseur, prise en coupe verticale suivant la ligne 111-111 de la Figure 1; - les Figures 4 et 5 sont des vues analogues respectivement aux Figures 2 et 3 d'un autre mode de réalisation du vaporiseur-condenseur suivant l'invention; - les Figures 6 et 7 sont des vues, prises respectivement en coupe dans deux passages adjacents, d'un autre mode de réalisation du vaporiseur- condenseur suivant l'invention; - la Figure 8 est une vue en perspective d'un autre vaporiseur- condenseur conforme à l'invention; - la Figure 9 est une vue en plan du corps d'échangeur de ce vaporiseur-condenseur; - les Figures 10 et 11 sont des vues du même corps d'échangeur prises respectivement en coupe dans deux passages adjacents, suivant les lignes X- X et XI-XI de la Figure 9; - la Figure 12 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation du vaporiseur-condenseur suivant l'invention; et - les Figures 13 et 14 sont des vues du même vaporiseur-condenseur prises respectivement en coupe dans deux plans adjacents. On a représenté schématiquement sur la Figure 1 la partie intermédiaire d'une double colonne de distillation d'air 1. On voit la virole 2 de la double colonne, commune à la colonne moyenne pression 3 et à la colonne basse pression 4 qui lui est superposée. Le fond supérieur bombé 5 de la colonne 3 sépare les deux colonnes et retient en cuve de la colonne 4 un bain d'oxygène liquide 6. L'azote de tête de la colonne 3 est condensé par échange de chaleur indirect avec l'oxygène liquide dans le vaporiseur-condenseur principal 7 de la double colonne, qui est disposé dans la cuve de la colonne 4 et est pratiquement totalement immergé dans le bain 6. Le vaporiseur-condenseur 7 est constitué d'un corps d'échangeur parallélépipédique 8, généralement en aluminium ou en alliage d'aluminium, et de quatre boîtes d'entrée/sortie d'azote de forme générale semi-cylindrique, dont deux boîtes d'entrée supérieures 9 et deux boîtes de sortie inférieures 10. Le corps 8 est constitué d'un empilement d'un grand nombre de plaques rectangulaires verticales 11, toutes identiques, dont la longueur L est horizontale et la largeur / est verticale. Entre ces plaques sont interposées d'une part des barres de fermeture périphériques 12, d'autre part des ondes- entretoises, à savoir des ondes d'échange thermique 13 d'orientation principale verticale et des ondes de distribution 14 d'orientation principale horizontale. Le corps 8 est assemblé en une seule opération par brasage au four, et les quatre boîtes 9 et 10 sont soudées sur ce corps. Entre les plaques 11 sont ainsi délimités un grand nombre de passages plats qui sont alternativement des premiers passages 15 de vaporisation d'oxygène et des seconds passages 16 de condensation d'azote. Les premiers passages 15 (Figure 2) sont entièrement ouverts sur leurs côtés supérieur et inférieur, et ils sont fermés sur leurs deux côtés verticaux, sur toute leur hauteur, par des barres de fermeture 12. Ils contiennent uniquement des ondes d'échange 13. Ces ondes 13 peuvent être de la tôle ondulée, éventuellement perforée, ou du type "serrated ", c'est-à-dire à décalage latéral partiel. Les seconds passages 16 (Figure 3) sont fermés sur tout leur pourtour par des barres 12, qui laissent toutefois libre, à chaque extrémité longitudinale, une fenêtre supérieure 17 d'entrée d'azote gazeux et une fenêtre inférieure 18 de sortie d'azote liquide. Chaque second passage contient quatre zones de distribution, associées respectivement aux quatre fenêtres 17 et 18. Chacune de ces zones contient une onde 14 en forme de triangle rectangle très allongé dont le petit côté coïncide avec la fenêtre associée et dont le grand côté coïncide avec la moitié adjacente de la barre de fermeture 12 correspondante. Le reste du second passage, qui s'étend sur une large majorité de sa surface, est occupé par une onde d'échange 13. Les ondes 14 sont en tôle ondulée. Chacune des deux boîtes d'entrée d'azote 9 coiffe une rangée horizontale de fenêtres 17. De même, chacune des deux boîtes de sortie d'azote 10 coiffe une rangée horizontale de fenêtres 18. En fonctionnement, I'azote gazeux, provenant de la colonne 3 via des conduites 19, est introduit dans les seconds passages 16 via les deux boîtes 9, est distribué sur toute la longueur des seconds passages par les ondes 14 supérieures, et se condense dans les ondes d'échange 13. L'azote liquide ainsi obtenu, collecté dans les deux boîtes 10 par les ondes 14 inférieures, est renvoyé en reflux dans la colonne 3 via des conduites 20. 6 2793548 Cette condensation provoque une vaporisation d'oxygène liquide dans les premiers passages 15. Par effet de thermosiphon, il s'établit une circulation ascendante d'oxygène diphasique dans ces passages. L'excès d'oxygène liquide rejoint le bain 6, tandis que l'oxygène gazeux résultant de la vaporisation monte dans la colonne 4. Grâce à l'alimentation des seconds passages 16 par les deux extrémités du corps 8, on peut obtenir une importante surface d'échange effective. En effet, les zones de distribution d'azote, qui ne s'étendent que sur la moitié de la longueur L, peuvent avoir une hauteur peu importante, et les fours de brasage permettent de choisir des longueurs L très importantes tandis que la largeur! est limitée par le diamètre du four (passage à vérifier). Le vaporiseur-condenseur des Figures 4 et 5 diffère de celui des Figures 2 et 3 par les points suivants. Chaque passage 15, 16 est dédoublé dans le sens de la longueur. A milongueur des passages 16 (Figure 5), les barres de fermeture supérieure et inférieure sont interrompues pour dégager une fenêtre intermédiaire supérieure 21 d'entrée d'azote et une fenêtre intermédiaire inférieure 22 de sortie d'azote. En regard de ces fenêtres sont disposées quatre zones de distribution supplémentaires. Ces zones contiennent chacune une onde de distribution secondaire 23 à orientation principale oblique, en forme de triangle rectangle à peu près isocèle (?). Les ondes 23 adjacentes ont chacune une dimension horizontale e. et elles sont opposées par une pointe. Sur la hauteur séparant les ondes 23 est disposée une onde-entretoise 24 à orientation principale verticale, à pas large. Une boîte d'entrée d'azote intermédiaire 25 coiffe la rangée de fenêtres 21, et une boîte de sortie intermédiaire 26 coiffe la rangée de fenêtres 22. Ainsi, I'azote gazeux est distribué d'une part par les deux boîtes 9 d'extrémité comme précédemment, d'autre part par la boîte 25. Dans cette dernière, I'azote est dirigé par les ondes 23 vers les ondes 14 situées de part et d'autre. De même, les ondes 14 inférieures intermédiaires dirigent l'azote liquide vers les ondes 23 inférieures, lesquelles conduisent cet azote liquide vers la boîte 26. L'onde 24 définit une zone morte des passages 16. Les passages 15, quant à eux (Figure 4), comportent une zone morte 27 en regard des ondes 23 et 24. Cette zone 27 est délimitée par deux barres verticales intermédiaires 12 et par deux barres horizontales, supérieure 28 et inférieure 29 (?), et elle contient une onde-entretoise 24 à pas large. 7 2793548 Dans le mode de réalisation des Figures 6 et 7, chaque intervalle séparant deux plaques 11 constitue sur un peu moins de la moitié de sa longueur un passage de vaporisation 15 et sur un peu moins de la moitié de sa longueur un passage de condensation 16. La longueur restante e est dédiée à une distribution intermédiaire d'azote, avec une configuration analogue à la moitié de celle de la Figure 5. Ainsi, l'intervalle représenté sur la Figure 6 contient successivement sur sa longueur, de gauche à droite sur le dessin: une barre de fermeture verticale 12; une onde d'échange verticale 13; une barre de fermeture verticale intermédiaire 12; une zone intermédiaire de longueur e, définissant une fenêtre supérieure 21 d'entrée d'azote gazeux, une onde 23 en forme de triangle- rectangle, une onde-entretoise verticale 24, une onde 23 en forme de triangle- rectangle, et une fenêtre inférieure 22 de sortie intermédiaire d'azote liquide; une onde d'échange verticale 13 encadrée vers le haut par deux ondes 14 et vers le bas par deux autres ondes 14, comme aux Figures 3 et 5; et une barre de fermeture verticale 12 qui laisse libre une fenêtre supérieure 17 d'entrée d'azote et une fenêtre inférieure 18 de sortie d'azote. Chaque intervalle adjacent du corps d'échangeur 8 est identique mais inversé droite-gauche. Il y a donc une fenêtre 21 et une fenêtre 22 dans chaque intervalle, et ces rangées de fenêtres sont coiffées par des boîtes intermédiaires supérieure 25 d'entrée d'azote gazeux et inférieure 26 de sortie d'azote liquide comme précédemment. En fonctionnement, l'azote gazeux pénètre dans chaque passage par les boîtes 9 et 25 et les fenêtres 17 et 21, est distribué par les ondes 23 et 14 (alternativement de droite et de gauche) supérieures dans les ondes 13 correspondantes, et l'azote liquide est collecté par les ondes 14 et 23 inférieures et évacué par les fenêtres 18 et 22 et les boîtes de sortie 10 (alternativement de droite et de gauche) et 26. L'oxygène est vaporisé dans l'autre partie 15 de chaque intervalle, comme précédemment. L'avantage de ce mode de réalisation par rapport à celui des Figures 4 et 5 réside dans la réduction de moitié de la longueur inactive e. Le mode de réalisation des Figures 8 à 11 diffère de celui des Figures 4 et 5 par les points suivants: 8 2793548 - dans les passages de vaporisation 15 (Figure 10), la zone intermédiaire est ouverte vers le haut et vers le bas et constitue une zone 27A de recirculation d'oxygène liquide; - dans les passages de condensation 16 (Figure 11), la zone intermédiaire 21 à 26 est remplacée par une zone 27B de recirculation d'oxygène liquide identique à la zone 27A, encadrée par deux barres de fermeture verticales intermédiaires 12. De plus, les quatre ondes 14 centrales sont supprimées; - les boîtes 25 et 26 sont supprimées, et l'ensemble du corps io d'échangeur est coiffé par un dôme supérieur 31 de collectage d'oxygène gazeux, muni à son sommet d'une tubulure 32 d'évacuation de ce gaz, et par un dôme inférieur 33 de collectage et de recirculation d'oxygène liquide. Chaque dôme est soudé sur toute la périphérie du corps. En fonctionnement, dans chaque passage 16, de chaque côté de la zone 27B, l'azote gazeux est introduit par la boîte latérale supérieure 9, répartie par l'onde 14 supérieure et descend le long de l'onde d'échange 13 en se condensant. Le liquide est collecté par l'onde 14 inférieure et évacué par la boîte latérale inférieure 10. Dans chaque passage 15, de chaque côté de la zone 27A, l'oxygène liquide monte en se vaporisant partiellement, et l'oxygène liquide en excès retombe dans le dôme 33 en passant par toutes les zones de recirculation 27A et 27B. Ainsi, le dôme 33 alimente en source les passages 15. Le mode de réalisation des Figures 12 à 14 combine ceux des Figures 4 et 5 et des Figures 8 à 11. En effet, il consiste en deux corps d'échangeur tel que celui des Figures 8 à 11, équipés chacun de deux dômes 31 et 33, et d'une zone intermédiaire qui, dans les passages 15, est une zone morte 27 (Figure 13), et, dans les passages 16, est une zone de distribution bilatérale d'azote gazeux et de collectage bilatéral d'azote liquide, cette zone intermédiaire étant coiffée des boîtes supérieure d'entrée d'azote 25 et inférieure de sortie d'azote 26. Ce mode de réalisation permet d'augmenter considérablement la longueur L des plaques sans nuire de façon notable à la distribution de l'azote ni aux performances thermiques de l'échangeur. 9 2793548 REVENDICATIONS 1. Vaporiseur-condenseur à plaques fonctionnant en thermosiphon, du type comprenant d'une part un corps d'échangeur (8) constitué d'un empilement de plaques rectangulaires verticales (11) toutes identiques, d'ondesentretoises comprenant des ondes d'échange thermique (13), et de barres de fermeture (12), qui délimitent une pluralité de premiers passages (15) de vaporisation pour un fluide frigorigène, ouverts vers le haut et vers le bas et munis d'ondes-entretoises (13) à direction principale verticale, et une pluralité de seconds passages (16) de condensation pour un fluide calorigène, et d'autre part des boîtes d'entrée (9; 9, 25) et de sortie (10; 10, 26) de fluide calorigène qui coiffent des rangées de fenêtres d'entrée (17; 17, 21) et de sortie (18; 18, 22) débouchant dans les seconds passages, caractérisé en ce que: - la largeur (1) des plaques (11) est disposée verticalement et est nettement inférieure à leur longueur (L); - les ondes d'échange (13) desdits seconds passages (16) sont à direction principale verticale; et - le corps d'échangeur (8) est muni d'au moins deux boîtes d'entrée (9;9, 25) espacées sur sa longueur. 2. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps d'échangeur (8) est muni d'au moins deux boîtes de sortie (10) espacées sur sa longueur. 3. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque second passage (16) s'étend sur au moins l'essentiel de la longueur (L) du corps d'échangeur (8), et en ce que ce corps est muni à chaque extrémité longitudinale d'une boîte d'entrée (9) et d'une boîte de sortie (10). 4. Vaporiseur-condenseur suivant une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps d'échangeur (8) est muni d'au moins une boîte d'entrée intermédiaire (25) située sur sa face supérieure en un emplacement intermédiaire de sa longueur. 5. Vaporiseur-condenseur suivant une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps d'échangeur (8) est muni d'au moins une boîte de sortie intermédiaire (26) située sur sa face inférieure en un emplacement intermédiaire de sa longueur. 2793548 6. Vaporiseur-condenseur selon les revendications 4 et 5 prises ensemble, caractérisé en ce que chaque second passage (16) comporte une première zone morte (24) située entre la boîte d'entrée intermédiaire (25) et la boîte de sortie intermédiaire (26), et en ce que chaque premier passage (15) -comporte une seconde zone morte (27) en regard de cette première zone morte. 7. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'en un emplacement de la longueur du corps d'échangeur (8), chaque premier passage (15) et chaque second passage (16) comprend une zone (27A, 27B) qui assure au moins une fonction différente de l'échange de chaleur, notamment une fonction de recirculation de liquide. 8. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque intervalle compris entre deux plaques (11) adjacentes définit un second passage (16) sur une longueur L/2 + e, o L désigne la longueur du corps d'échangeur et e la longueur d'une zone de distribution du fluide calorigène, et définit un premier passage (16) sur le reste de la longueur dudit corps, la disposition étant alternée d'un intervalle au suivant. 9. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps d'échangeur (8) est coiffé d'un dôme supérieur (31) de collectage du gaz résultant de la vaporisation du liquide. 10. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que le corps d'échangeur (8) est muni d'un dome inférieur (33) d'alimentation en source des premiers passages (15) en liquide à vaporiser. 11. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la largeur (1) des plaques (11) est nettement supérieure à 1220 millimètres. 12. Double colonne de distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend une colonne de distillation moyenne pression (3), une colonne de distillation basse pression (4) et un vaporiseur-condenseur (7) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11 qui met le gaz de tête de la colonne moyenne pression en relation d'échange thermique indirect avec le liquide de cuve de la colonne basse pression. 1 1 2793548 13. Double colonne suivant la revendication 12, caractérisée en ce que le vaporiseur-condenseur (7) est disposé en cuve de la colonne basse pression (4). 14. Double colonne suivant la revendication 12, caractérisée en ce que le vaporiseur-condenseur (7) est conforme aux revendications 9 et 10 prises ensemble et est disposé à l'extérieur de la double colonne.