Brevet FR2920866A1 — publié le 20090313

La présente invention est relative à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est classique d'utiliser des échangeurs à plaques brasées en aluminium pour des échangeurs cryogéniques. Pour les appareils de petites tailles, les coûts de fabrication sont élevés. Cette technologie est surtout adaptée pour du � sur mesure �, � sur-mesure � non justifié sur des appareils de petites tailles, où c'est le coût qui prime sur la performance de l'appareil. De même, le � sur-mesure � se traduit en général par des délais de io fabrication très longs. Ces échangeurs ont néanmoins l'avantage de permettre l'échange de chaleur entre plusieurs fluides. Selon l'invention, la ligne d'échange principale est constituée d'un ensemble d'échangeurs à plaques en acier inoxydable soudées standardisé, 15 qui peuvent être installés dans une boite froide contenant de la perlite sous vide ou conventionnelle. Chaque échangeur à plaque effectue un échange de chaleur entre au plus deux fluides. Les échangeurs de ce type (par exemple, fournis par les sociétés 20 Tranter Inc., Swep ou Alfa Laval) permettent l'échange de chaleur entre deux fluides, soit un fluide chaud et un fluide froid. Sur un générateur cryogénique d'azote, on a en général trois fluides : • un fluide chaud : air • deux fluides froids : azote et liquide riche vaporisé 25 Pour utiliser ces échangeurs, on va couper le flux d'air en deux (idéalement au prorata des débits de fluides froids ou encore de la charge thermique de chacun des fluides) de façon à faire l'échange global thermique dans deux échanges parallèles : • un échange Air / Azote 30 ^ un échange Air / Liquide riche vaporisé La répartition du débit d'air vers les deux échanges peut se faire à l'aide de vannes d'équilibrage, ou naturellement si les pertes de charges du circuit air dans les deux échanges sont équilibrées. 2 2920866 Ce découpage en deux du flux d'air n'a pas d'incidence sur les performances globales de l'échange, car le diagramme d'échange initial est quasiment parallèle, avec aucune sortie intermédiaire. Avec la bonne répartition du flux d'air, on peut faire deux échanges en parallèle qui ont 5 chacun un diagramme d'échange parallèle. Par ailleurs, la longueur de ces échangeurs est assez limitée (en général, inférieure à 1 m), ce qui est assez faible pour faire le gradient thermique d'environ 200°C entre le bout chaud et le bout froid de l'échange, sous un faible écart de température (AT moyen logarithmique entre 2 et io 10°C). Cela nécessite l'usage d'échangeurs multi-passes et/ou l'usage de plusieurs échangeurs en série pour assurer l'échange thermique. Selon un objet de l'invention, il est prévu une ligne d'échange, adaptée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air, comprenant 15 au moins deux assemblées d'échange, les assemblées étant connectés en parallèle, chaque assemblée comprenant au moins deux corps d'échange, de préférence au moins trois corps d'échange, connectés en série entre eux. Selon d'autres aspects facultatifs : - la ligne comprend des moyens pour envoyer le même fluide à 20 refroidir à chaque assemblée, de sorte que le fluide à refroidir traverse en série chaque corps d'échange de l'assemblée respective ; - la ligne comprend des moyens pour envoyer un premier fluide à réchauffer à une première des assemblées d'échange, de sorte que le premier fluide se réchauffe dans chaque corps d'échange de la première 25 assemblée et des moyens pour envoyer un deuxième fluide à réchauffer à une deuxième des assemblées d'échange, de sorte que le premier fluide se réchauffe dans chaque corps d'échange de la deuxième assemblée ; - la ligne d'échange comprend deux assemblées d'échange ; - chaque assemblée d'échange est alimentée par au plus deux 30 fluides, un à réchauffer et un à refroidir ; - les corps d'une assemblée sont alignés dans le sens de leur longueur; 3 2920866 - les corps d'une assemblée sont disposés avec leur longueur parallèle à celle des corps adjacents ; - les corps d'une assemblée sont disposés avec leur longueur parallèle à celle des corps adjacents et en quinconce ; 5 - chaque corps d'échange est un empilage de plaques rectangulaires (avec éventuellement les coins arrondis) ; - chaque corps d'échange est un empilage de plaques hexagonales irrégulières, des éléments de liaison étant placés de part et d'autre de chaque corps pour le relier au corps adjacent ; io - au moins un des corps d'échange est un échangeur standardisé, de préférence au moins deux des corps d'échange sont du même modèle. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une colonne de distillation ayant un condenseur de tête, une ligne d'échange telle que décrite ci-dessus, des moyens pour 15 envoyer de l'air comprimé et épuré à chacune des assemblées d'échange, des moyens pour soutirer de l'azote gazeux de la colonne, des moyens pour envoyer l'azote gazeux à une première assemblée d'échange, des moyens pour envoyer du liquide de cuve de la colonne au condenseur, des moyens pour prélever du liquide vaporisé du condenseur et des moyens pour 20 envoyer le liquide vaporisé à la deuxième assemblée. Selon d'autres objets de l'invention, il est prévu : - des moyens pour régler la quantité d'air envoyé aux assemblées d'échange ; - au moins deux corps d'échange, voire trois, d'une même 25 assemblée sont placés les uns au dessus des autres, de préférence sont tous les uns au dessus des autres. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. La Figure 1 représente une ligne d'échange selon l'invention, les Figures 2 à 5 représentent une assemblée d'échange adaptée à faire partie d'une ligne 30 d'échange selon l'invention et la Figure 6 représente un appareil de séparation d'air selon l'invention. Dans la Figure 1, une ligne d'échange thermique selon l'invention est constituée par deux assemblées d'échange, chacun comprenant trois corps 4 2920866 d'échange. De préférence, les six corps d'échange peuvent être identiques et sont des échangeurs standardisés du même modèle d'un seul fabricant. Chaque corps d'échange effectue un échange de chaleur entre seulement deux fluides. En usage, les corps d'échange 13A à 13C sont placés les uns 5 au dessus des autres, le 13C étant le plus bas et le 13A étant le plus haut. De même, en usage, les corps d'échange 11A à 11C sont placés les uns au dessus des autres, le 11C étant le plus bas et le 11A étant le plus haut. De l'air à refroidir 1 est divisé en deux à l'aide de deux vannes 7, 9 pour former deux débits 3, 5. Le débit 3 est envoyé à la première assemblée io constituée par les corps d'échange 11A, 11B, 11C connectés en série. Le débit 5 est envoyé à la première assemblée constituée par les corps d'échange 13A, 13B, 13C connectés en série. Un débit de liquide riche vaporisé 17 provenant du condenseur d'une simple colonne est envoyé aux corps 11C, 11B, 11A dans l'ordre pour être chauffé à la température 15 ambiante. Un débit d'azote 19 provenant de la même colonne est envoyé aux corps 13C, 13B, 13A. Une des assemblées ou les deux assemblées peuvent être remplacées par une assemblées telle qu'illustrées dans les Figures 2 à 5. Dans les Figures 2 et 3, l'entrée du corps d'échange est située sur la 20 longueur du corps. On peut donc envisager de disposer les corps avec leurs longueurs en quinconce telle qu'illustrée dans la Figure 2, reliés par des tubulures 31 perpendiculaires à l'axe de longueur des corps. En usage, le corps 13A est au dessus du corps 13C, et le corps 13B est au dessus du corps 13D. Sinon, comme dans la Figure 3, les longueurs sont parallèles les 25 unes aux autres, éventuellement avec des cales isolante 25, perpendiculaires à l'axe de longueur des corps, posée entre les corps 13. Les corps 13 sont reliés par des tubulures 31 perpendiculaires à l'axe de longueur des corps. Les corps sont placés, en usage, les uns au dessus des autres, le 13A étant le plus élevé et le 13 E le plus bas. 30 Le corps du bas 13 E est penché car il y a un risque d'avoir des gouttes d'air liquide en sortie. Dans la Figure 4 les corps 11 sont disposés comme dans la Figure 1. 5 2920866 La Figure 5 montre une disposition particulière adaptée aux corps ayant une section hexagonale irrégulière, telle que les MAXCHANGER �. Les corps 11A, 11B, 11C sont disposés les uns au-dessus des autres avec des éléments de liaison 21 qui comblent les vides de part et d'autre des 5 corps pour former un élément de section globalement rectangulaire coiffé de quatre entrée/sorties de fluides 23. Cet élément monolithique est particulièrement facile à installer et à supporter. Même si on a l'impression de compliquer l'arrangement avec ce type d'échangeurs, cela permet d'utiliser des échangeurs standards peu chers et io avec des délais de fabrication extrêmement courts : les échangeurs cryogéniques ne sont alors plus sur le chemin critique de réalisation de l'appareil de séparation d'air. La Figure 6 montre un appareil de séparation d'air pour produire de l'azote comprenant une ligne d'échange selon l'invention. La ligne illustrée 15 est celle des Figures 1 et 4 mais évidemment celles des Figures 2,3 et 5 auraient pu être incorporées de la même manière. L'air 3,5 provenant des deux groupes d'échangeurs est envoyé à la colonne 33. De l'azote 19 est soutiré en tête de colonne et envoyé au groupe13 et du liquide riche vaporisé 17 provenant du condenseur de tête 35 est envoyé au deuxième 20 groupe 11. 30 6 REVENDICATIONS 1. Ligne d'échange, adaptée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air, comprenant au moins deux assemblées d'échange (11, 13), les assemblées étant connectés en parallèle, chaque assemblée comprenant au moins deux corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11D, 13A, 13B, 13C), de préférence au moins trois corps d'échange, connectés en série entre eux. io 2. Ligne d'échange selon la revendication 1 comprenant des moyens (3, 5, 7, 9) pour envoyer le même fluide à refroidir à chaque assemblée (11, 13), de sorte que le fluide à refroidir traverse en série chaque corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11 D, 13A, 13B, 13C) de l'assemblée respective,. 15 3. Ligne d'échange selon la revendication 1 ou 2 comprenant des moyens pour envoyer un premier fluide à réchauffer (17) à une première des assemblées d'échange (11), de sorte que le premier fluide se réchauffe dans chaque corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11D) de la première assemblée et des moyens pour envoyer un deuxième fluide (19) à réchauffer à une 20 deuxième des assemblées d'échange (13), de sorte que le premier fluide se réchauffe dans chaque corps d'échange de la deuxième assemblée(13A, 13B, 13C). 4. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédentes 25 comprenant deux assemblées d'échange (11, 13). 5. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les corps (11A, 11B, 11C, 11D, 13A, 13B, 13C) d'une assemblée sont alignés dans le sens de leur longueur. 6. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédente dans laquelle les corps (11A, 11B, 11C, 13A, 13B, 13C) d'une assemblée sont disposés avec leur longueur parallèle à celle des corps adjacents. 7 2920866 7. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédente dans laquelle les corps d'une assemblée (11A, 11B, 11C, 13A, 13B, 13C) sont disposés avec leur longueur parallèle à celle des corps adjacents et en 5 quinconce. 8. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédente dans laquelle chaque corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11 D, 13A, 13B, 13C) est un empilage de plaques rectangulaires (avec éventuellement les coins io arrondis). 9. Ligne d'échange selon l'une des revendications 1 à 7 dans laquelle chaque corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11D, 13A, 13B, 13C) est un empilage de plaques hexagonales irrégulières, des éléments de liaison étant 15 placés de part et d'autre de chaque corps pour le relier au corps adjacent. 10. Ligne d'échange selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un des corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11D, 13A, 13B, 13C) est un échangeur standardisé, de préférence dans lequel au moins 20 deux des corps d'échange sont du même modèle. 11. Appareil de séparation d'air comprenant une colonne de distillation (33) ayant un condenseur de tête (35), une ligne d'échange (11, 13) telle que revendiquée dans l'une des revendications 1 à 10, des moyens (3, 5, 7, 25 9) pour envoyer de l'air comprimé et épuré à chacune des assemblées d'échange, des moyens pour soutirer de l'azote gazeux (17) de la colonne, des moyens pour envoyer l'azote gazeux à une première assemblée (11) d'échange, des moyens pour envoyer du liquide de cuve de la colonne au condenseur, des moyens pour prélever du liquide vaporisé (19) du 30 condenseur et des moyens pour envoyer le liquide vaporisé à la deuxième assemblée (13). 8 2920866 12. Appareil selon la revendication 11 comprenant des moyens (7, 9) pour régler la quantité d'air envoyé aux assemblées d'échange. 13. Appareil selon la revendication 11 ou 12 dans lequel au moins 5 deux corps d'échange (11A, 11B, 11C, 11 D, 13A, 13B, 13C) d'une même assemblée sont placés les uns au dessus des autres, de préférence sont tous les uns au dessus des autres.