Brevet FR2817952A1 — publié le 20020614

La présente invention est relative à un vaporiseur-condenseur, du type comprenant un empilement de plaques parallèles en aluminium ou en cuivre, de barres de fermeture et d'ondes-entretoises, qui définissent une première série de passages pour un fluide à vaporiser alimenté en source)), et au moins une seconde série de passages pour au moins un fluide de chauffage. L'invention s'applique en particulier aux vaporiseurs-condenseurs principaux des appareils de distillation d'air. Ces vaporiseurs-condenseurs vaporisent l'oxygène liquide sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages voisins des passages dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression. C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes. Les installations de séparation cryogénique de l'air du type à double colonne comportent un compresseur d'air dont la consommation énergétique est conditionnée notamment par la différence de température existant entre l'oxygène vaporisé dans la colonne basse pression et l'azote présent sous forme condensée dans la colonne moyenne pression. Cet écart de température est lui-même lié à la différence de pression entre les deux colonnes. Une réduction de cette différence de température permet d'améliorer considérablement la consommation énergétique du compresseur d'air, celui-ci devant alors fournir de l'air sous une pression plus faible que dans le cas où la différence de température est plus élevée. Pour parvenir à ce résultat, il faut obtenir des échanges de chaleur aussi bons que possible à l'intérieur du vaporiseur-condenseur, autrement dit obtenir dans ses différentes parties des coefficients de transfert de chaleur élevés. Cette optimisation des coefficients de transfert de chaleur a conduit à la conception de vaporiseurs-condenseurs relativement complexes, car les fluides qui les traversent ne se trouvent pas dans le même état physique à tous les niveaux de l'appareil. En particulier, l'oxygène se trouve à l'état entièrement liquide dans la partie inférieure du vaporiseur-condenseur, puis voit sa proportion de vapeur progressivement augmenter au fur et à mesure de son ascension dans l'appareil par effet thermosiphon sous l'effet de son réchauffement par l'azote gazeux. On a ainsi imaginé de jouer sur la configuration des ondes-entretoises garnissant les passages où circule l'oxygène. Le document US-A-4,700, 771, par exemple, propose de ménager deux zones de configurations très différentes réparties sur la hauteur de chaque passage de vaporisation de l'oxygène. La première zone, située dans la partie inférieure du passage, renferme des ondes dont la configuration permet de privilégier les échanges de chaleur par convection, de manière à amener rapidement le liquide à sa température de saturation, quitte à provoquer dans cette zone d'importantes pertes de charge. A cet effet, on emploie des ondes présentant une importante surface d'échange et définissant des couloirs de faible section pour le passage de l'oxygène. Une deuxième zone, située au-dessus de la précédente, contient des ondes définissant des couloirs de section nettement plus large, voire pas d'ondes du tout, de manière à provoquer de faibles pertes de charge, et ainsi à ne pas gêner l'ascension des bulles d'oxygène gazeux qui y sont générées. Cette génération de bulles est accentuée par un état de surface rugueux ou poreux des ondes et/ou des parois du vaporiseur-condenseur avec lesquelles l'oxygène est en contact. La première zone d'échange de chaleur par convection peut elle-même être divisée en plusieurs sous-zones imposant chacune des pertes de charge différentes à l'oxygène liquide, ces pertes de charge tendant à diminuer du bas en haut de la première zone. La demande de brevet (n'de dépôt du projet BFF 99/0136) au nom du Demandeur décrit un vaporiseur-condenseur d'un type analogue à ceux qui viennent d'être décrits, dans lequel on optimise les échanges thermiques à l'intérieur des passages où a lieu la vaporisation du liquide en leur conférant une section qui augmente de bas en haut. On propose également de jouer sur les orientations des écoulements du fluide, en imposant au liquide circulant dans la zone inférieure du passage un parcours transversal, voire en zigzag, par rapport à l'orientation générale du passage. Le but de l'invention est proposer une configuration de vaporiseur-condenseur du type précédemment décrit procurant des transferts thermiques entre le fluide à vaporiser et le fluide de chauffage encore améliorés par rapport aux vaporiseurs-condenseurs connus. A cet effet, l'invention a pour objet un vaporiseur-condenseur, du type comprenant un empilement de plaques parallèles, de barres de fermeture et éventuellement d'ondes-entretoises, qui définissent une première série de passages pour un fluide à vaporiser alimenté en source, et une seconde série de passages contigus aux premiers pour au moins un fluide de chauffage dudit fluide à vaporiser, caractérisé en ce que lesdits passages de la première série sont divisés en trois zones successives, du bas vers le haut du vaporiseur-condenseur : - une première zone configurée de manière à privilégier les échanges thermiques par convection ; - une deuxième zone configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition nucléée ; - une troisième zone configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition convective. Dans un exemple d'un tel vaporiseur-condenseur : - ladite première zone est garnie par des ondes d'échange thermique d'une densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) ; - ladite deuxième zone comporte des surfaces d'échange thermique traitées de manière à y promouvoir la nucléation des bulles de fluide ; - ladite troisième zone est garnie par des ondes d'échanges thermique de densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) et inférieure ou égale à la densité des ondes d'échange thermique utilisées dans la première zone et, éventuellement, dans la deuxième zone. Ladite première zone peut être garnie par des ondes d'échange thermiques du type à décalage partiel. Les ondes y ont, par exemple, une densité de 14 à 30 fpi (5,5 à 11,8 ondes/cm). En variante, on peut y utiliser un garnissage en mousse métallique. Ladite deuxième zone peut être garnie par des ondes d'échange thermique d'une densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) et inférieure à la densité des ondes de ladite première zone. Ladite deuxième zone peut aussi ne pas comporter d'ondes d'échange thermique, et être éventuellement garnie par une mousse métallique. Ladite troisième zone peut être garnie par des ondes d'échange thermique du type ondes droites perforées à 5% et d'une densité de 10 à 14 fpi (3,9 à 5,5 ondes/cm). Dans un exemple de tel vaporiseur-condenseur : - ladite première zone représente 1/3 environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur - ladite deuxième zone représente 1/6 environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur ; - ladite troisième zone représente la moitié environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur. Un vaporiseur-condenseur selon l'invention peut comporter dans la seconde série de passages, face à la deuxième zone de la première série de passages, des moyens permettant d'augmenter localement la différence de température entre le fluide à vaporiser et le fluide de chauffage. Lesdits moyens peuvent être constitués par des moyens de mise sous pression du fluide de chauffage, ou par des moyens pour faire circuler dans la seconde série de passages, face à ladite deuxième zone de la première série de passages, un fluide de chauffage différent de celui circulant face aux première et troisième zones de la première série de passages. L'invention a également pour objet une installation de distillation d'air du type comportant une colonne ou partie de colonne dans la cuve de laquelle on recueille un liquide riche en oxygène à vaporiser et un vaporiseurcondenseur installé dans ladite cuve, caractérisée en ce que ledit vaporiseurcondenseur est du type précédemment décrit. Ledit fluide de chauffage peut être de l'azote, qui peut être remplacé par de l'air face à la deuxième zone de la première série de passages. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à diviser les passages du vaporiseur-condenseur dans lesquels a lieu la vaporisation du fluide en trois zones, disposées dans cet ordre de bas en haut de l'appareil : - une première zone où le fluide est normalement à l'état liquide, et où on privilégie l'intensité des échanges thermiques avec le fluide de réchauffage circulant dans les passages voisins, de manière à amener rapidement le fluide à vaporiser à sa température de saturation ; les transferts par convection sont ici fortement recherchés, - une deuxième zone où on s'attache à privilégier la nucléation des bulles de gaz au sein du fluide ; - une troisième zone où on privilégie à nouveau les échanges thermiques et les transferts par convection, tout en veillant à ne pas provoquer des pertes de charge trop importantes au sein du fluide qui est alors, au moins en grande partie, à l'état gazeux. L'invention sera mieux comprise à lecture de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique annexée, qui représente schématiquement un passage d'un vaporiseur-condenseur selon l'invention, dans lequel circule de l'oxygène à l'état liquide et gazeux. Pour plus de détails concernant la conception d'ensemble du vaporiseur-condenseur selon l'invention appliqué à la distillation d'air, on pourra se reporter de manière non limitative à la demande (indiquer ici le no de dépôt de BFF 99/0136) déjà citée. Un passage 1 dans lequel circule l'oxygène de bas en haut par effet thermosiphon, d'abord à l'état purement liquide puis à l'état mixte liquide-gazeux est représenté sur la figure unique. Le vaporiseur-condenseur dans lequel est compris le passage 1 (et les autres passages dédiés à la vaporisation de l'oxygène) est à peu près totalement immergé dans l'oxygène liquide rassemblé dans la cuve de la colonne basse pression d'un appareil de distillation d'air. Le passage 1 est donc alimenté en source en oxygène liquide. Cet oxygène liquide pénètre d'abord dans une première zone 2 du passage 1 pour y être réchauffé par l'azote circulant dans les passages contigus du vaporiseur-condenseur. Dans cette première zone 2, on privilégie les échanges thermiques par convection et on confère aux matériaux qui la constituent une configuration maximisant ce type d'échanges. Typiquement, cette première zone 2 est garnie par des ondes d'échange thermique présentant une forte surface d'échange sans cependant procurer des pertes de charge trop élevées, telles que des ondes à décalage partiel (dites ondes serrated))), ou des ondes droites perforées ou non, ou des ondes de type herringbone définissant des couloirs nombreux et étroits pour le passage de l'oxygène liquide. Une densité de au moins 10 fpi (10 ondes par pouce de largeur soit 3,9 ondes par cm) est conseillée, préférentiellement de 14 à 30 fpi (5,5 à 11,8 ondes/cm). A titre d'exemple, on peut utiliser des ondes serrated de 26 fpi (10,2 ondes par cm) décalées tous les 1/8 de pouce (3,18 mm). Dans cette première zone 2, on vise avant tout à obtenir un réchauffement rapide de l'oxygène liquide, de façon à le porter à sa température de saturation. Cette première zone peut s'étendre sur environ 1/3 de la hauteur totale du vaporiseur-condenseur, par exemple sur une hauteur de 40 cm pour un vaporiseur-condenseur de 1,20 m de haut, dimension qui est classique pour les appareils de séparation d'air. En variante, les ondes d'échange thermique pourraient être remplacées par un garnissage en mousse métallique ou un matériau tel que l'aluminium. L'oxygène montant dans le passage 1 pénètre ensuite dans une deuxième zone 3 où on cherche à favoriser un phénomène d'ébullition nucléée par formation de bulles d'oxygène gazeux sur les parois se trouvant dans le passage 1. A cet effet, on ménage sur ces parois des porosités et/ou des micro-reliefs qui ont pour effet de multiplier les sites d'amorçage possibles pour la formation des bulles. Ces porosités ou micro-reliefs peuvent être ménagés aussi bien sur les parois des plaques de l'échangeur délimitant le passage 1 que sur les parois des ondes d'échange thermique qui garnissent cette deuxième zone 3 du passage 1 ou sur les parois de tout autre matériau garnissant la deuxième zone 3. A cet égard, une mousse métallique (en aluminium par exemple) peut être utilisée comme matériau de garnissage. Là encore, on peut utiliser des ondes d'échange thermique d'une densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm), mais de préférence inférieure à la densité des ondes présentes dans la première zone 2. En effet, plus encore que dans la première zone 2, il importe de limiter les pertes de charge du fluide afin de ne pas gêner l'ascension du mélange oxygène liquide-oxygène gazeux présent. Il est également envisageable de se passer d'ondes d'échange thermique dans cette deuxième zone 3, si le traitement de la surface des plaques du vaporiseur-condenseur s'avère suffisant. Comme les éléments à surface spécialement traitée pour favoriser l'ébullition nucléée coûtent cher, il est important de minimiser autant que possible la hauteur de cette deuxième zone 3. Elle peut, par exemple, s'étendre sur environ 1/6 de la hauteur totale du vaporiseur-condenseur, soit sur une hauteur de 20 cm pour un vaporiseur-condenseur de 1,20 m de hauteur. (donner un exemple de traitement de surface adapté). En plus ou à la place du traitement des surfaces d'échange thermique qui a été décrit, on peut utiliser, pour favoriser la nucléation, des moyens permettant d'augmenter la différence de température entre le mélange oxygène liquide-oxygène gazeux et le fluide qui le réchauffe en traversant les passages contigus au passage 1. Ces moyens peuvent consister en des moyens localisés de mise sous pression de l'azote circulant dans ces passages, ou de remplacement local de l'azote par un autre fluide susceptible d'amener plus de calories à l'oxygène, tel que de l'air. L'oxygène sous forme liquide et gazeuse montant dans le passage 1 pénètre enfin dans une troisième zone 4 où on cherche à nouveau à favoriser les échanges thermiques avec le fluide traversant les passages contigus. On y vise à se trouver dans un régime d'ébullition convective. Il n'est pas nécessaire d'y prévoir des surfaces d'échange spécialement traitées. pour initier la formation des bulles. Les bulles d'oxygène gazeux présentes croissent en taille sous l'effet des transferts thermiques jusqu'à avoir un diamètre à peu près égal à la largeur des couloirs définis par les ondes d'échange thermique présentes dans cette troisième zone 4. Les parois des ondes et des plaques sont couvertes d'une couche d'oxygène liquide à travers laquelle s'effectuent les échanges thermiques. Son épaisseur dépend surtout des conditions d'écoulement du mélange oxygène liquide-oxygène gazeux. Les échanges thermiques sont d'autant plus favorisés que la vitesse du fluide est élevée. Il est donc important de limiter autant que possible les pertes de charge de l'oxygène lors de son ascension dans cette troisième zone 4. A cet effet pour obtenir un compromis satisfaisant entre faibles pertes de charge et bons transferts thermiques, on peut conseiller de garnir cette troisième zone avec des ondes droites, éventuellement perforées, d'une densité supérieure à 10 fpi (3,9 ondes/cm), mais inférieure ou égale à la densité des ondes utilisées dans la première (2) et, éventuellement, la deuxième (3) zone du passage 1. Des ondes droites perforées à 5% et d'une densité de 10 à 14 fpi (3,9 à 5,5 ondes/cm) seraient cohérentes avec les exemples précédemment donnés. Les ondes serrated ne sont ici pas recommandées en raison des pertes de charge assez importantes qu'elles généreraient. Cette troisième zone 4 peut représenter environ la moitié de la hauteur totale du passage, soit 60 cm pour un vaporiseur-condenseur de 1,20 m de haut. A sa sortie de la troisième zone 4, l'oxygène gazeux émerge du vaporiseur-condenseur et monte vers la tête de la colonne basse pression, alors que l'oxygène liquide descend dans la cuve de cette même colonne. Il va de soi que les exemples qui ont été donnés ne sont pas limitatifs, et que d'autres configurations peuvent être imaginées. En particulier, on peut diviser chacune des zones précédemment décrites en plusieurs souszones présentant des surfaces d'échange configurées de manières différentes, pourvu que dans chacune de ces sous-zones on privilégie effectivement le phénomène auquel la zone correspondante est dédiée : échange convectif pour la première zone, ébullition nucléée pour la deuxième zone, ébullition convective pour la troisième zone. L'invention peut également être appliquée dans des vaporiseurscondenseurs traitant d'autres gaz que l'oxygène si les avantages qu'elle présente peuvent y être mis à profit. REVENDICATIONS 1. Vaporiseur-condenseur, du type comprenant un empilement de plaques parallèles, de barres de fermeture et éventuellement d'ondesentretoises, qui définissent une première série de passages (1) pour un fluide à vaporiser alimenté en source, et une seconde série de passages contigus aux premiers pour au moins un fluide de chauffage dudit fluide à vaporiser, caractérisé en ce que lesdits passages (1) de la première série sont divisés en trois zones successives, du bas vers le haut du vaporiseur-condenseur : - une première zone (2) configurée de manière à privilégier les échanges thermiques par convection ; - une deuxième zone (3) configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition nucléée ; - une troisième zone (4) configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition convective. 2. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que : -ladite première zone (2) est garnie par des ondes d'échange thermique d'une densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) ; - ladite deuxième zone (3) comporte des surfaces d'échange thermique traitées de manière à y promouvoir la nucléation des bulles de fluide ; - ladite troisième zone (4) est garnie par des ondes d'échanges thermique de densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) et inférieure ou égale à la densité des ondes d'échange thermique utilisées dans la première zone (2) et, éventuellement, dans la deuxième zone (3). 3. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première zone (2) est garnie par des ondes d'échange thermique du type à décalage partiel. 4. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites ondes ont une densité de 14 à 30 fpi (5,5 à11, 8 ondes/cm). 5. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première zone est garnie par une mousse métallique. 6. Vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite deuxième zone (3) est garnie par des ondes d'échange thermique d'une densité supérieure ou égale à 10 fpi (3,9 ondes/cm) et inférieure à la densité des ondes de ladite première zone (2). 7. Vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite deuxième zone (3) ne comporte pas d'ondes d'échange thermique. 8. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite deuxième zone (3) comporte un garnissage de mousse métallique. 9. Vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite troisième zone (4) est garnie par des ondes d'échange thermique du type ondes droites perforées à 5% et d'une densité de 10 à 14 fpi (3,9 à 5,5 ondes/cm). 10. Vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que : - ladite première zone (2) représente 1/3 environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur ; - ladite deuxième zone (3) représente 1/6 environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur ; - ladite troisième zone (4) représente la moitié environ de la hauteur totale dudit vaporiseur-condenseur. 11. Vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte dans la seconde série de passages, face à la deuxième zone (3) de la première série de passages, des moyens permettant d'augmenter localement la différence de température entre le fluide à vaporiser et le fluide de chauffage. 12. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des moyens de mise sous pression du fluide de chauffage. 13. Vaporiseur-condenseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des moyens pour faire circuler dans la seconde série de passages, face à ladite deuxième zone (3) de la première série de passages, un fluide de chauffage différent de celui circulant face aux première (2) et troisième (4) zones de la première série de passages. 14. Installation de distillation d'air du type comportant une colonne ou partie de colonne dans la cuve de laquelle on recueille un liquide riche en oxygène à vaporiser et un vaporiseur-condenseur installé dans ladite cuve, caractérisée en ce que ledit vaporiseur-condenseur est du type selon l'une des revendications 1 à 13. 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que ledit fluide de chauffage est de l'azote. 16. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que ledit vaporiseur-condenseur est du type selon la revendication 13 et en ce que ledit fluide de chauffage circulant dans la seconde série de passages face à la deuxième zone (3) de la première série de passages est de l'air.