Brevet FR2797371A1 — publié le 20010209

THERMOSIPHON PAR TUBE A PASSAGE DE COURANT DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne tous les équipements du type thermosiphon utilisés dans l'industrie pour des opérations d'évaporation, ou de distillation. Art antérieur et problème posé En référence à la figure 1, un type de thermosiphon, selon l'art antérieur, est utilisé avec un appareil d'exploitation, par exemple, une colonne de distillation 2. Un tel thermosiphon est constitué principalement d'un échangeur de chaleur 1, comme ceux du type tubes-calandre, dans lequel un fluide caloporteur apporte des calories au fluide à faire circuler, ce dernier étant également appelé fluide procédé . I1 se complète d'une jambe de retour, ou tuyauterie de retour, 3 placée dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur 1 et débouchant dans la partie inférieure de la colonne de distillation 2. Il se complète également d'une conduite de recirculation 4 débouchant dans la partie inférieure de l'échangeur de chaleur 1 et dans la partie la plus inférieure de la colonne de distillation 2. L'échangeur de chaleur 1 possède une entrée 5 et une sortie 6 du fluide caloporteur. Ce dernier peut être par exemple une vapeur saturante, de l'eau surchauffée, ou de l'huile. I1 circule dans la calandre, autour de tubes dans lesquels passe le fluide procédé à faire circuler. L'échange thermique entre le fluide caloporteur et le fluide procédé à chauffer et à faire circuler s'effectue par convection dans la calandre, par conduction à travers la paroi des tubes et par convection à l'intérieur des tubes. I1 existe également des thermosiphons pour lesquels le fluide procédé circule dans la calandre et le fluide caloporteur circule dans les tubes. Le fluide procédé provient du volume de rétention constitué par la partie inférieure de la colonne de distillation 2 et passe dans la canalisation de recirculation 4, traverse l'échangeur 1 qui lui apporte les calories nécessaires pour son échauffement et en général pour sa vaporisation partielle. La colonne de distillation 2 est alimentée par une canalisation d'alimentation 8, possède une sortie des concentrats 7 dans sa partie inférieure et une sortie des distillats 9 dans sa partie supérieure. Dans la partie supérieure des tubes de l'échangeur 1, l'écoulement devient diphasique, du fait de la vaporisation partielle du fluide. Le mélange liquide-gaz entre alors dans la colonne 2 par l'intermédiaire de la tuyauterie de retour 3. La phase liquide descend dans la partie inférieure de la colonne de distillation 2, tandis que la phase vapeur s'échappe par le haut de cette dernière, après passage éventuel à travers des éléments internes tels que des plateaux de distillation. La recirculation du fluide dans le thermosiphon s'effectue donc de manière naturelle. Elle est due à la différence de densité entre le liquide qui se trouve dans la partie inférieure de la colonne 2 et le mélange diphasique qui se trouve dans les tubes de l'échangeur 1. La force motrice est donc due à la perte de pression hydrostatique dans la partie inférieure de la colonne de distillation 2. Le point de fonctionnement est donné par l'égalité entre cette perte de pression hydrostatique et la somme des pertes de charges générées par le passage dans la conduite de recirculation 4, dans le faisceau tubulaire de l'échangeur 1 et dans la tuyauterie de retour 3. On note que ce type de thermosiphon peut présenter quelques phénomènes d'instabilités si le dimensionnement est mal adapté aux conditions opératoires . - instabilités statiques, dites de LEDINEGG, caractérisées par un changement brusque de point de fonctionnement ; - instabilités dynamiques liées à la propagation d'ondes de densité, suite à une perturbation de l'écoulement dans la conduite de recirculation ; et - instabilités liées à la présence de tubes en parallèle. Par ailleurs, la conduite de tels équipements (changement de point de consigne, démarrage) peut parfois s'avérer difficile (phases transitoires avec périodes d'instabilité, inertie du système assez importante, etc.). Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un type différent de thermosiphon d'inertie relativement faible et dimensionné de façon à éviter les problèmes d'instabilité mentionnés précédemment, ce qui facilite notablement la conduite de l'équipement. D'autre part, il est connu de chauffer de l'eau par un chauffage électrique constitué d'un (ou de plusieurs) tube métallique à l'intérieur duquel circule l'eau et dont la paroi est parcourue par un courant électrique. L'échauffement des parois de ces tubes ainsi appelés tubes à passage de courant produit de la chaleur par effet Joule dans toute la masse des parois du tube. Cette chaleur est donc transmise au fluide procédé à savoir l'eau. Un deuxième but de l'invention est d'utiliser un ou plusieurs tube (s) à passage de courant pour construire un dispositif à thermosiphon susceptible d'être industrialisé, notamment en constituant l'élément moteur de circulation d'un fluide procédé dans une installation industrielle, par exemple de distillation, d'évaporation ou d'autres traitements des fluides. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un thermosiphon pour la circulation d'un fluide corrosif dans une installation, constitué d'au moins un tube à passage de courant dans lequel circule le fluide, les caractéristiques du courant électrique circulant dans les parois du tube à passage de courant étant définies en fonction de la nature du fluide et du matériau en contact avec le fluide, de sorte que ledit matériau ne se corrode pas. On souligne que le courant électrique circulant dans les parois du tube à passage de courant peut être du type alternatif ou continu. Dans le but d'éviter la corrosion du ou des tubes à passage de courant, lorsqu'il est alternatif, c'est-à-dire lorsque le courant continu ne convient pas, la fréquence du courant doit être supérieure à une valeur dépendant du couple matériau/fluide. Dans une des réalisations du thermosiphon selon l'invention, le courant électrique est un courant triphasé distribué de manière à connecter chacune des deux extrémités du tube à passage de courant à une première phase reliée à la terre, les deux autres phases étant distribuées à deux points différents de la longueur du tube à passage de courant. Dans une autre réalisation de l'invention, le courant électrique est un courant monophasé. Dans une des réalisations avantageuses du thermosiphon selon l'invention, le (s) tube (s) à passage de courant a(ont) une forme hélicoïdale, de manière à entourer un volume de rétention du fluide en forme de colonne relié au(x) tube(s), d'une part, au moyen d'une conduite de recirculation dans sa partie inférieure et, d'autre part, au moyen d'une tuyauterie de retour dans sa partie supérieure. Pour améliorer l'efficacité du système, le thermosiphon comprend une pompe d'appoint pour forcer la circulation du fluide. Dans une des réalisations du thermosiphon selon l'invention, ce dernier comprend plusieurs tubes à passage de courant connectés hydrauliquement en parallèle. Dans ce cas, de préférence, ces tubes sont droits et verticaux. Dans le cas où le tube à passage de courant a une forme hélicoïdale, il est avantageux que celui-ci soit localisé autour de la partie inférieure du réservoir de rétention et autour de la conduite de recirculation. Dans le cas où le fluide procédé est de l'acide nitrique, il est avantageux que le (s) tube (s) à passage de courant soit (soient) en titane, le courant étant continu, ou alternatif à basse fréquence. Dans le cas où le fluide est de l'acide nitrique, le (s) tube (s) à passage de courant peut (peuvent) être également en acier inxoydable, la fréquence du courant étant supérieure ou égale à 500 hertz. I1 est également envisagé que le (s) tube (s) à passage de courant soit (soient) en zirconium en alimentant le tube à passage de courant en courant alternatif avec une fréquence supérieure ou égale à 100 hertz. Enfin, pour un effluent carbonaté, le au moins un tube à passage de courant est en acier inoxydable, la fréquence du courant étant supérieure ou égale à 50 hertz. Liste des figures L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la présente description, illustré de trois figures représentant respectivement - figure 1, déjà décrite, un thermosiphon selon l'art antérieur ; - figure 2, le thermosiphon selon l'invention ; et - figure 3, une variante du thermosiphon selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation En référence à la figure 2, le thermosiphon selon l'invention s'adapte à une même colonne de distillation 2 et fonctionnant de la même manière que celle décrite en regard de la figure 1, représentant l'art antérieur. Dans cette réalisation décrite, l'élément chauffant est donc un unique tube à passage de courant 10, en forme d'hélice, entourant la conduite de recirculation 14 et la colonne de distillation 2. Sa partie inférieure est reliée à la canalisation de recirculation 14 qui part de la partie la plus inférieure de la colonne de distillation 2. Sa partie supérieure est connectée à la tuyauterie de retour 13 qui pénètre à l'intérieur de la colonne 2. Ainsi, le tube à passage de courant 10 entoure le pied de la colonne 2 et la conduite de recirculation 14. Les concentrats s'évacuent par une sortie 7, placée dans la partie inférieure de la colonne 2. La vapeur s'échappe par un orifice 9 de la partie supérieure de la colonne 2, qui est également alimentée par une canalisation d'alimentation 8 arrivant, par exemple, dans la partie supérieure de cette colonne. Dans un autre mode de réalisation, la sortie 7 pourrait être piquée à un autre endroit (sur la tuyauterie 14 par exemple). Dans un autre mode de réalisation, la canalisation d'alimentation 8 peut être raccordée au niveau de la tuyauterie 14. Le tube à passage de courant 10 est représenté en hélice, mais peut être réalisé par un ou plusieurs tubes, de forme hélicoïdale ou droite, montés en parallèle et placés autour de la colonne et de la conduite 14. En effet, la figure 3 montre une deuxième réalisation possible du thermosiphon selon l'invention. L'unique tube à passage de courant 10 de la figure 2 est remplacé par plusieurs tubes droits 20, verticaux et montés en parallèle. Ces derniers sont alimentés chacun en courant électrique. La simple réalisation d'un thermosiphon tel que décrit dans les derniers paragraphes précédents, ne permet pas une industrialisation rentable d'un tel matériel. En effet, lors des essais réalisés avec de l'acide nitrique comme liquide procédé et avec un matériau et un courant non spécialement adaptés au traitement de l'acide nitrique (acier inoxydable et courant continu, par exemple), des signes de corrosion ont été mis en évidence. Une campagne d'essais a donc été effectuée pour rechercher une solution technique acceptable en éliminant ou en diminuant significativement la corrosion. A cet effet, un dispositif d'essai a été conçu et utilisé lors de différentes séries d'essais dans des conditions de fonctionnement différentes. En effet, plusieurs matériaux ont été testés, dont l'acier inoxydable, le zirconium et le titane. Les conditions électriques ont également été testées, notamment des courants alternatifs de différentes fréquences et continus. On signale, en effet, que le potentiel, entre le métal de l'équipement et le fluide procédé (potentiel responsable du phénomène de corrosion) diminue lorsque la fréquence du courant augmente. Aux termes des essais en courant continu, en milieu nitrique, avec de l'acier inoxydable 308 L, il a été constaté une forte oxydation. Les essais sur le zirconium ont permis de mettre en évidence également une forte corrosion, toutefois, moins importante que pour l'acier inoxydable. Des essais avec le titane, dans les mêmes conditions que celles précédemment énumérées, c'est-à-dire avec du courant continu, ont révélé une très faible corrosion. Des essais en courant alternatif et en milieu nitrique ont également été effectués pour déterminer la fréquence minimale permettant d'obtenir une corrosion du même ordre que celle obtenue hors tension, mais aussi pour déterminer la fréquence minimale en fonction de l'acidité de la solution. Par exemple, dans le cas de l'acier inoxydable, en faisant varier les fréquences de 0 à 5 000 hertz, on constate que la vitesse de corrosion décroît fortement avec l'augmentation de la fréquence et qu'à partir de 500 hertz, la vitesse de corrosion est de l'ordre de la vitesse de corrosion hors tension. L'influence de l'acidité sur le potentiel métal-solution a été analysée. L'acide nitrique utilisé pour ces essais avait une concentration de 1,5 N à 12,7 N. Une corrosion maximale a été constatée dans la plage de 3,4 N à 5,3 N d'acidité. Lors des essais à 50 hertz sur le zirconium, il a été constaté une corrosion environ cent fois plus faible qu'en courant continu. Enfin, des essais en milieu carbonaté avec de l'acier inoxydable ont révélé une très faible corrosion et aucun dégagement gazeux en courant alternatif, de fréquence supérieure ou égale à 50 hertz, alors qu'une faible corrosion avec dégagement gazeux est observée en courant continu. Le milieu basique carbonaté utilisé était un mélange de Na2C03, NaHC03, NaN03, avec un pH de 9,68. L'alimentation électrique du tube à passage de courant 10 peut se faire en triphasé ou en monophasé. Dans le cas d'une industrialisation du thermosiphon pour le traitement d'effluents contenant de l'acide nitrique, l'emploi de l'acier inoxydable impose une fréquence élevée, supérieure ou égale à 500 hertz. L'emploi de zirconium impose une fréquence supérieure ou égale à 100 hertz. L'emploi de titane autorise un fonctionnement en courant continu ou en courant alternatif de basse fréquence (50 hertz, par exemple). Le tube à passage de courant 10 est mis sous une tension électrique de l'ordre de 5 volts par mètre. Dans la réalisation décrite à la figure 2, on utilise un courant distribué entre trois phases avec un montage en couplage en triangle. Les deux extrémités 15 et 16 du tube à passage de courant 10 sont connectées à une même phase, les deux autres phases 17 et 18 sont connectées à d'autres endroits de la longueur du tube, par exemple respectivement aux premier et deuxième tiers de la longueur de ce tube à passage de courant 10. La première phase connectée aux extrémités 15 et 16 peut être reliée à la terre. Pour faciliter le démarrage de la circulation du fluide, il est possible de forcer cette dernière au moyen d'une pompe d'appoint. Le dimensionnement d'un thermosiphon à industrialiser est effectué à l'aide d'un modèle développé spécifiquement et validé sur un prototype échelle 1. Ce modèle permet de déterminer le ou les point (s) de fonctionnement avec les paramètres de fonctionnement choisis en fonction des conditions opératoires fixées par l'utilisateur, et d'étudier le comportement dynamique de l'équipement en terme de stabilité. Les différents phénomènes majeurs modélisés sont les suivants. - Phénomènes thermiques : évaluation des transferts thermiques entre la paroi interne du(des) tube (s) à passage de courant et le fluide de procédé selon les caractéristiques de l'écoulement. - Phénomènes hydrodynamiques : calcul des pertes de pression dans le pied de colonne, dans les différents tubes chauffés ou non, et aux diverses singularités (les pertes de pression par accélération, par friction et par gravité sont prises en compte). - Phénomènes thermodynamiques : calcul des équilibres liquide-vapeur en tout point de l'équipement, à l'aide d'un modèle thermodynamique correctement choisi en fonction du fluide procédé considéré. L'écoulement diphasique est décrit pas un modèle à deux fluides (ou encore homogène avec glissement) représentant la différence de vitesse entre la vapeur et le liquide dans une section droite de tube. Trois zones de fonctionnement sont définies dans l'équipement : liquide monophasique, fluide en ébullition sous-refroidie, et fluide saturé (ébullition nucléée). On peut alors déterminer la géométrie optimale de l'équipement en fonction de conditions opératoires données. Les points suivants sont en particulier vérifiés. - Stabilité hydrodynamique la réponse simulée à une perturbation sur une variable d'entrée permet d'évaluer la stabilité de l'équipement si la réponse présente des oscillations divergentes, le procédé est instable ; si la réponse présente des oscillations entretenues ou amorties, le procédé est stable mais très proche de la zone d'instabilité ; si la réponse ne présente aucune oscillation, le procédé est stable. - Non-stratification : dans le cas de tubes à passage de courant hélicoïdaux, l'écoulement diphasique ne doit pas être stratifié (critère sur le nombre de Froude). - Non-inversion de film (critère sur la vitesse de vapeur). - Non-ébullition en film (critère sur la température de paroi). - Non-assèchement (critère sur le flux de chaleur) . Le modèle est appliqué au prototype suivant, avec une solution aqueuse d'acide nitrique à 5 moi/1. Ses principales caractéristiques géométriques sont les suivantes . - diamètre du tube à passage de courant 66,9/73 mm ; - longueur du tube à passage de courant déployé : 8 m, - diamètre d'enroulement de l'hélice : 1 m ; - hauteur entre le bas de la jambe de recirculation et la jambe de retour : 5,2 m. Un tel prototype mono-tubulaire peut avoir une puissance de 100 kW. La technique du tube à passage de courant appliquée au tube 10 et sa forme hélicoïdale apportent les avantages suivants. - L'équipement est compact. - Les tensions de courant requises dans ce tube sont faibles. - Compte tenu de la stabilité du courant électrique distribué, on obtient une stabilité de la densité de flux imposée à la paroi du tube. - Les problèmes de chaudronnerie et d'instrumentation sont réduits au minimum. Le thermosiphon utilisant un tube à passage de courant présente les avantages suivants. - L'amorçage du thermosiphon, lors du démarrage, est grandement facilité. - La possibilité de travailler avec un échangeur mono-tubulaire fait disparaître les problèmes d'instabilité liés aux tubes en parallèle. - La régulation du chauffage est très simple, contrairement au cas du chauffage par vapeur qui nécessite des systèmes de contrôle très évolués. - L'inertie de l'ensemble est très faible et les temps de réponse sont réduits. - Les circuits de chauffage secondaire sont éliminés. - La production d'eau surchauffée, ou de vapeur est désormais inutile pour l'application en question. - I1 s'adapte à une très grande gamme de densités de flux thermique et de température. - On peut contrôler, de manière précise, les températures mises en jeu (ceci est avantageux dans le cas de produits thermosensibles). - La résistance au transfert thermique est supprimée du côté du caloporteur (transfert dans la couche limite du caloporteur et encrassement de la tuyauterie) du fait du remplacement du fluide caloporteur par l'électricité. Par ailleurs, les essais ont montré que la technologie de l'invention et un dimensionnement adapté permettent d'éviter les phénomènes d'instabilité. REVENDICATIONS 1. Thermosiphon pour la circulation d'un fluide corrosif dans une installation, constitué d'au moins un tube à passage de courant (10, 20) dans lequel circule le fluide, les caractéristiques du courant électrique circulant dans les parois du tube à passage de courant (10, 20) étant définies en fonction de la nature du fluide et du matériau en contact avec le fluide, de sorte que ledit matériau ne se corrode pas. 2. Thermosiphon selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant utilisé est alternatif et a une fréquence supérieure à un seuil, dépendant du matériau et du fluide procédé. 3. Thermosiphon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant électrique alternatif est un courant triphasé distribué de manière à connecter chacune des deux extrémités du tube à passage de courant (10) à une première phase reliée à la terre, les deux autres phases étant distribuées à deux points différents de la longueur du tube de passage de courant (10). 4. Thermosiphon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant électrique alternatif est un courant monophasé. 5. Thermosiphon selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un tube à passage de courant (10) a une forme hélicoïdale, de manière à entourer un volume de rétention du fluide en forme de colonne (2), relié à au moins un tube à passage de courant (10), d'une part, au moyen d'une conduite de recirculation (14) dans sa partie inférieure et, d'autre part, au moyen d'une tuyauterie de retour (13) dans sa partie supérieure. 6. Thermosiphon selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe d'appoint pour forcer la circulation du fluide. 7. Thermosiphon selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes à passage de courant (20) connectés hydrauliquement en parallèle. 8. Thermosiphon selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tubes à passage de courant (20) sont droits et verticaux. 9. Thermosiphon selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube à passage de courant (10) à forme hélicoïdale est localisé autour de la partie inférieure du réservoir de rétention et autour de la conduite de recirculation (14). 10. Thermosiphon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le au moins un tube à passage de courant (10, 20) est en acier inoxydable et la fréquence du courant est supérieure ou égale à 500 hertz, le fluide étant un effluent contenant de l'acide nitrique. 11. Thermosiphon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le au moins un tube à passage de courant (10, 20) est en zirconium dans le cas où le thermosiphon est utilisé pour traiter un effluent contenant de l'acide nitrique et que la fréquence est supérieure ou égale à 100 hertz. 12. Thermosiphon selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un tube à passage de courant (10, 20) est en titane, le courant électrique étant alternatif de basse fréquence ou continu, le fluide étant un effluent contenant de l'acide nitrique. 13. Thermosiphon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le au moins un tube à passage de courant (10, 20) est en acier inoxydable et que la fréquence du courant est supérieure ou égale à 50 hertz, le fluide étant un effluent carbonaté.