Brevet FR2786858A1 — 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 (W095128610). 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. Les échangeurs utilisés dans les appareils de séparation d'air sont souvent réalisés en plaques parallèles d'aluminium ayant un contour similaire brasées entre elles. En général dans les échangeurs qui servent de vaporiseurs, un liquide riche en oxygène se vaporise à contre-courant d'un gaz riche en azote (tel que I'air ou l'azote avec une pureté supérieur à 80 %). Pour améliorer les performances, on peut utiliser des vaporiseurs dits "à film tombant" dans lesquels le liquide riche en oxygène est distribué en tête du vaporiseur sous forme d'un film très mince qui s'écoule verticalement et dont une partie se vaporise par échange de chaleur avec les passages du gaz riche en azote de manière co-courante. EP-A-0795349 décrit le cas o un vaporiseur de ce type est combiné avec un vaporiseur de type thermosiphon (vaporiseur à bain, c'est-à-dire un vaporiseur complètement immergé dans le liquide o la recirculation du liquide riche en oxygène se fait grâce à la poussée hydraulique due à la différence de densité entre le bain et le liquide se vaporisant dans les passages). Dans les échangeurs brasés utilisés comme vaporiseurs à film tombant tel que celui de EP-A-0130122, le liquide est distribué entre de nombreux passages constitués d'ondes verticales insérées entre deux tôles dites séparatrices constituant ainsi des ailettes et du fait du pas de ces ondes les échangeurs brasés à plaques présentent des surfaces d'échange très grandes. Donc quand toute la surface est mouillée, le film liquide sera très fin et pour éviter une vaporisation à sec dans le bas des passages ou en cas de défaut de distribution, on fait couler du liquide en excès dans l'échangeur. Cet excès de liquide oblige en général à recycler du liquide au moyen d'une pompe. US-A-5699671 décrit un échangeur tubulaire disposé verticalement dans lequel l'azote gazeux se condense au contact de ces tubes. Ce dispositif est coûteux et ne conduit qu'à des surfaces d'échange relativement faibles. Un but de l'invention est de minimiser la recirculation du liquide à vaporiser et assurer la sécurité du fonctionnement et les performances optimales. Selon un objet de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur à plaques pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un autre fluide comprenant: - une pluralité de plaques métalliques verticales ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages principaux plats; - un moyen d'obturation constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques; - des moyens pour envoyer le liquide dans un premier ensemble de passages principaux; - des moyens pour envoyer le deuxième fluide dans les passages principaux restants; - des ondes d'échange placées, de préférence à génératrice verticale, entre les plaques constituant les passages principaux restants; caractérisé en ce que le premier ensemble de passages principaux comprend au moins un passage principal, soit plus étroit que les passages principaux restants et ne contenant ni d'ondes d'échange ni de passage auxiliaire soit contenant un ou plusieurs passage(s) auxiliaire(s) fermé(s) à l'intérieur du passage principal, les parois du (des) passage(s) auxiliaire(s) touchant les plaques définissant le passage principal. De préférence, tous les passages principaux du premier ensemble contiennent au moins un passage auxiliaire fermé. Ainsi le liquide envoyé dans le passage auxiliaire traverse l'échangeur sans contacter les plaques définissant les passages principaux. Il faut éviter dans la mesure du possible que le liquide circule entre l'extérieur du passage auxiliaire et les passages définis pas les plaques. Un moyen d'éviter ce problème consiste à former les passages auxiliaires dans un bloc de matériel (par exemple en aluminium, nickel ou cuivre). Si le bloc a substantiellement les dimensions d'un passage principal de liquide, le liquide ne pourra pas couler à l'extérieur des passages auxiliaires qui sont des trous cylindriques traversant le bloc. Idéalement, la largeur maximale d'un passage auxiliaire est supérieure à 50 % de la distance entre deux plaques adjacentes. Afin d'éviter l'accumulation d'impuretés, la surface intérieure du passage auxiliaire ou de chaque passage auxiliaire ne comprend que des surfaces courbes et éventuellement des convexités. L'absence de cavités dans les passages du premier ensemble (passages "liquide") n'a jamais été proposée dans l'art antérieur. Selon une variante, au moins un, et préférablement tous, des passages du premier ensemble de passages contiennent plusieurs passages auxiliaires constitués par une série de tubes cylindriques parallèles les uns aux autres et ayant chacun un diamètre au moins égal à 50 % de la séparation entre deux plaques adjacentes. Selon une autre variante, au moins un et préférablement tous les passages du premier ensemble de passages contiennent plusieurs passages auxiliaires constitués par des tubes ayant chacun une surface intérieure avec au moins trois convexités identiques et des surfaces courbes reliant les convexités. Les tubes adjacents peuvent être contigus ou pas. Préférablement, il y a des moyens pour diriger du liquide dans le ou chaque passage auxiliaire et/ou des moyens de distribution de liquide constitués par des ouvertures de prédistribution, ces ouvertures laissant tomber ce liquide sur un garnissage situé au-dessus des moyens pour diriger du liquide dans un ou chaque passage auxiliaire. Dans une variante, les moyens pour diriger le liquide dans les passages sont des pointes inclinées dont le bout se trouve en dessus de l'intérieur du passage (ou d'un passage) auxiliaire. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur peut être un échangeur principal qui sert à refroidir de l'air épuré à sa température de distillation, un sousrefroidisseur ou le vaporiseur-condenseur d'une double colonne. La présente invention sera maintenant décrite par rapport aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'un premier échangeur selon l'invention; - la figure 2 est une vue éclatée d'un passage principal à liquide dans un premier échangeur selon l'invention; la figure 3 est une section d'un passage principal à liquide dans un deuxième échangeur selon l'invention; - la figure 4 est une section prise sur la ligne A-A de la figure 3; - la figure 5 montre des vues de dessus des passages principaux de plusieurs échangeurs différents selon l'invention. La figure 1, un échangeur de chaleur 2 (voir description de figure 1 dans EP-A-0130122) comprend une série de plaques verticales parallèles en aluminium 20 qui définissent une multitude de passages plats destinés alternativement à un de deux débits de fluide, par exemple, un débit gazeux contenant 98 % d'azote à environ 5 bars et un débit liquide contenant 98 % d'oxygène à environ 1,5 bars. Evidemment les pressions et les puretés peuvent prendre d'autres valeurs. Le liquide rentre dans un premier ensemble de passages à travers une série de perforations dans une barre de distribution supérieure 27 (voir figure 2). Il tombe ensuite sur une onde 26 qui est une tôle d'aluminium non-perforée à génératrices horizontales (disposition dite hardware par rapport à l'écoulement d'oxygène liquide) et à décalage vertical partiel (le décalage vertical partiel n'est pas illustré pour ne pas surcharger le dessin) et qui assure la distribution fine du liquide. Le liquide tombe de l'onde 26 sur un larmier supérieur 25 constitué par une bande d'aluminium pliée avec une série de pointes triangulaires 29 formant un angle de 135 % avec l'axe dirigé vers une des plaques d'un passage principal. Le bout de chaque pointe se trouve au-dessus d'une pointe d'un larmier inférieur 24, identique au premier mais dont les pointes sont orientées vers l'autre plaque du passage principal. Les bouts de la série de pointes du deuxième larmier se trouvent chacun juste à l'intérieur d'un passage auxiliaire constitué par un tube en aluminium 23 placé à l'intérieur d'un passage principal. Les tubes sont placés côte à côte. Dans la variante des figures 3 et 4 ils sont espacés les uns des autres. Le gaz rentre dans l'échangeur au moyen d'une tuyauterie 9 soudée au milieu d'une tête 8 (parfois appelée "boîte" ou en anglais "headline") semi- cylindrique. Seuls les passages à gaz contiennent chacune une onde 21 constituée d'une tôle d'aluminium perforée ondulée à génératrices verticales ("easyway"). La figure 5a) montre le cas o les passages de liquide sont plus étroits que les passages gaz et ne contiennent ni d'ondes d'échange ni de passages auxiliaires. La distance entre plaques adjacentes varie entre 2,5 mm et les deux-tiers de la séparation entre plaques des passages à gaz. Dans la variante de la figure 5b) correspondant à la figure 2 les passages auxiliaires de liquide sont formés par des tubes contigus 23 en aluminium. Dans les passages à gaz on trouve les ondes à génératrices verticales classiques. Dans la figure 5c) les passages à liquide contiennent chacun deux tôles d'aluminium 30,31 identiques. Chaque tôle comprend une série de sections semi cylindriques jointes aux bouts de façon à former une ligne courbée. Ces deux tôles sont décalées afin de former un seul passage auxiliaire entre les deux. Dans la figure 5d) les passages sont des tubes non-contigus ayant une section en forme de feuilles de trèfle. Dans chaque cas, le ou les passage auxiliaire ne comprend que des surfaces courbes ou des convexités empêchant ainsi l'accumulation d'impuretés dans les passages. 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. Revendications 1. Echangeur de chaleur (2) à plaques (20) pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un autre fluide comprenant: - une pluralité de plaques métalliques verticales (20) ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages principaux plats; - un moyen d'obturation constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques; - des moyens (6) pour envoyer le liquide dans un premier ensemble de passages principaux; - des moyens (9) pour envoyer le deuxième fluide dans les passages principaux restants; - des ondes d'échange (21), de préférence à génératrice verticale, placées entre les plaques constituant les passages principaux restants; caractérisé en ce que le premier ensemble de passages principaux comprend au moins un passage principal soit plus étroit que les passages principaux restants et ne contenant ni d'ondes d'échange ni de passage auxiliaire soit contenant un ou plusieurs passage(s) auxiliaire(s) fermé(s) (23) à l'intérieur du passage principal, les parois du (des) passage(s) auxiliaire(s) touchant les plaques définissant le passage principal. 2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel tous les passages principaux du premier ensemble contiennent au moins un passage auxiliaire fermé (23). 3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la largeur maximale d'un passage auxiliaire est supérieure à 50 % de la distance entre deux plaques adjacentes. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la surface intérieure du ou de chaque passage auxiliaire (23) ne comprend que des surfaces courbes et éventuellement des convexités. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 dans lequel au moins un, et préférablement tous, des passages du premier ensemble de passages contiennent plusieurs passages auxiliaires constitués par une série de tubes cylindriques (23) parallèles les uns aux autres et ayant chacun un diamètre au moins égal à 50 % de la séparation entre deux plaques adjacentes. 6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel au moins un et préférablement tous les passages du premier ensemble de passages contiennent plusieurs passages auxiliaires constitués par des tubes (50) ayant chacun une surface intérieure avec au moins trois convexités identiques et des surfaces courbes reliant les convexités. 7. Echangeur selon la revendication 5 ou 6 dans lequel les tubes adjacents (23, 50) sont contigus. 8. Echangeur selon la revendication 5 ou 6 dans lequel les tubes adjacents (23, 50) ne sont pas contigus. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens (24, 25) pour diriger du liquide dans le ou chaque passage auxiliaire. 10. Echangeur selon la revendication 9 comprenant des moyens de distribution de liquide constitués par des ouvertures de prédistribution, ces ouvertures laissant tomber ce liquide sur un garnissage (26) situé au-dessus des moyens (24, 25) pour diriger du liquide dans un ou chaque passage auxiliaire. 11. Echangeur selon l'une des revendications 9 ou 10 dans lequel les moyens (24, 25) pour diriger le liquide dans les passages sont des pointes inclinées dont le bout se trouve en dessus de l'intérieur du passage (ou d'un passage) auxiliaire. 12. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel les passages auxiliaires sont formés dans un bloc de matériel placé dans le passage principal et ayant substantiellement les mêmes dimensions que celui-ci. 13. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins un échangeur de chaleur (2) selon l'une des revendications précédentes. 14. Appareil selon la revendication 13 dans lequel l'échangeur de chaleur (2) est un échangeur principal qui sert à refroidir de l'air épuré à sa température de distillation. 15. Appareil selon la revendication 13 ou 14 dans lequel l'échangeur de chaleur (2) est un sous-refroidisseur. 16. Appareil selon la revendication 13, 14 ou 15 comprenant une première colonne alimentée par de l'air et reliée thermiquement à une deuxième colonne au moyen d'un échangeur de chaleur (2) selon l'une des revendications 1 à 12.