Brevet FR2929389A1 — publié le 20091002

L'invention se rattache au secteur technique des échangeurs de chaleur. Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur pour installation de traitement par oxydation hydrothermale, et plus généralement pour tout type d'installation fonctionnant à haute pression dans un milieu corrosif. On sait que de nombreuses industries, notamment les industries chimiques, doivent traiter les eaux usées de leurs unités de production, avant d'être rejetées en milieu naturel, afin de répondre aux normes environnementales en vigueur. On sait, par ailleurs, que les déchets domestiques et industriels continuent à poser des problèmes après avoir été collectés et traités. En effet, après dépollution, il reste souvent des matières organiques, telles que des boues résiduelles après le traitement des eaux usées. Le traitement de ces déchets peut, avantageusement, être effectué par le procédé d'oxydation hydrothermale. On rappelle, d'une manière parfaitement connue pour un homme du métier, que ce type de procédé correspond à un terme générique de minéralisation de la matière organique, qu'elle convertit exclusivement en gaz carbonique et en eau. Un tel procédé est donc particulièrement adapté au traitement des déchets liquides qui sont, soit trop concentrés pour être dégradés biologiquement, soit trop dilués pour être incinérés efficacement. Les installations, pour la mise en oeuvre de ce type de procédé, mettent en oeuvre, par exemple, différents échangeurs de chaleur montés en relation avec un réacteur. A titre indicatif nullement limitatif, les effluents à traiter peuvent être préchauffés dans deux échangeurs. Dans l'un de ces échangeurs, l'effluent passe dans un faisceau de tubes pour être chauffé par la circulation dans une calandre des effluents sortant du réacteur. Dans le deuxième échangeur, avant son entrée dans le réacteur, l'effluent est monté en température et régulé par circulation d'huile dans la calandre. Après passage dans la calandre du premier échangeur, l'effluent traité est ramené à une température ambiante dans un troisième échangeur par circulation d'eau dans la calandre. Il apparaît toutefois qu'avec ce type de procédé, se pose le problème important de la corrosion du réacteur et des échangeurs thermiques. Le choix du matériau de l'échangeur, notamment des parties en contact avec l'effluent, s'avère particulièrement important. La conception géométrique des échangeurs de chaleur actuellement utilisés, notamment dans ce type d'installation, ne donne pas totalement satisfaction. En effet, ces échangeurs ont une calandre tubulaire, de forme générale linéaire, à l'intérieur de laquelle est monté un faisceau de tubes. Ce type de géométrie linéaire génère des problèmes de dilatation différentielle nécessitant l'installation de compensateurs, par exemple sous forme de soufflets montés sur la calandre et d'un coût élevé. On note également des pertes de charges importantes dans la calandre. Enfin, l'encombrement général est très important étant donné que le diamètre peut être de l'ordre de 400 mm et la longueur de 10 mètres nécessitant l'utilisation de plaques tubulaires et d'organes de bridage pour supporter la pression. Pour favoriser l'échange, il est par ailleurs nécessaire de disposer, à l'intérieur de la calandre, des chicanes. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle. Le problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser 10 une nouvelle géométrie d'échangeur de chaleur avec, pour objectif, de supprimer ou, à tout le moins, de diminuer, d'une manière significative, la corrosion et de réaliser un échange à contre courant avec peu de pertes de charge. 15 Pour résoudre un tel problème, il a été conçu et mis au point un échangeur de chaleur pour installation de traitement pour oxydation hydrothermale, qui présente une calandre tubulaire de type hélicoïdale recevant intérieurement et coaxialement au moins un tube pour la circulation d'un liquide à contre courant d'un autre liquide circulant dans 20 ladite calandre, les matériaux utilisés pour la réalisation de la calandre et/ou du ou des tubes étant sélectionnés pour une tenue à la corrosion. A partir de cette conception de base, selon une première forme de réalisation, la calandre est composée d'un serpentin à l'intérieur duquel est 25 monté, coaxialement, un faisceau de plusieurs tubes. La coaxialité entre la calandre et le faisceau des tubes, est assurée par des organes espaceurs.5 Le serpentin est assujetti à un châssis support sous forme de profilés verticaux monté à l'intérieur dudit serpentin. Dans une deuxième forme de réalisation, la calandre est composée de 5 plusieurs serpentins disposés, d'une manière concentrique, chaque serpentin recevant coaxialement un tube. Dans la première forme de réalisation, les extrémités de chaque serpentin sont reliées à une plaque tubulaire. Dans la deuxième forme de réalisation, les extrémités du serpentin sont reliées à un collecteur. Quelle que soit la forme de réalisation, pour résoudre le problème 15 posé, notamment de la corrosion, le matériau est du titane, notamment sélectionné parmi ceux du grade 3. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective montrant le montage parallèle et d'une manière symétrique de deux échangeurs conformes à la forme de réalisation illustrée figure 1 ; 25 - la figure 3 est une vue en perspective d'un échangeur selon une deuxième forme de réalisation ; 10 - la figure 4 est une vue en coupe, à une échelle plus importante, du serpentin, selon la forme de réalisation illustrée aux figures 1 et 2; - la figure 5 est une vue en perspective d'un collecteur dans le cas d'un échangeur conforme au mode d'exécution illustré figure 3. Selon une caractéristique à la base de l'invention, l'échangeur de chaleur présente une calandre tubulaire (C), de type hélicoïdal, recevant intérieurement et coaxialement au moins un tube pour la circulation d'un liquide à contre courant d'un autre liquide circulant dans ladite calandre. Il en résulte que l'échange à contre courant s'effectue avec un minimum de pertes de charge, sans nécessiter l'utilisation de chicanes. A partir de cette forme géométrique de type hélicoïdal, plusieurs formes de réalisation peuvent être envisagées. A la figure 1, la calandre (C) est composée d'un serpentin (1), à l'intérieur duquel, est monté coaxialement un faisceau de tubes (2). La coaxialité entre la calandre (C) et le faisceau de tubes (2) est assurée par des organes espaceurs (3). Dans la forme de réalisation illustrée figure 4, un feuillard (4) entoure les tubes (2) sur les organes espaceurs (3) en étant maintenu, par exemple, par des points de soudure. De même, les organes espaceurs (3) peuvent être reliés entre eux par un tirant cintré au diamètre moyen de la calandre. La fonction de ce tirant est, notamment, d'éviter le glissement des organes espaceurs sur les tubes (2) lors de l'introduction dans la calandre (C). Le serpentin (1) est assujetti à un châssis sous forme, par exemple, de profilés verticaux (5) disposés à l'intérieur du serpentin et accouplés aux différentes spires (la) de ce dernier par tout moyen connu et approprié. Les extrémités (lb) et (lc) du serpentin (1) sont composées de plaques tubulaires (6a) et de brides (6b) pour l'entrée et la sortie du faisceau et de la calandre. Dans cette forme de réalisation, il est possible et avantageux de réaliser un ensemble échangeur composé de deux serpentins tels que décrits et illustrés précédemment, destinés à être accouplés en parallèle, de manière symétrique au niveau des extrémités (lb) et (1c) (figure 2). Cette forme géométrique d'échangeur de chaleur, sous forme d'un seul serpentin, est particulièrement adaptée dans le cadre de faibles pressions dans la calandre, par exemple de l'ordre de 30 bars et de pressions plus élevées dans le faisceau de l'ordre de 160 bars. Comme indiqué et illustré, le diamètre de la calandre permet d'utiliser un faisceau de plusieurs tubes (5 ou 6 par exemple). La dilatation différentielle est assurée par le jeu existant entre le faisceau de tubes et la calandre. L'encombrement au sol est très réduit pour une puissance d'échange importante. Dans la forme de réalisation illustrée figure 3, la calandre (C) est composée de plusieurs serpentins (7), (8), (9), ..., disposés d'une manière concentrique. Chaque serpentin (7), (8), (9), ..., reçoit, coaxialement, un tube. Comme la réalisation précédente, les différents serpentins (7), (8), (9), ..., sont assujettis à un châssis support (10) présentant, notamment, des profilés verticaux (l0a) accouplés à chacun des serpentins (7), (8), (9), ..., en faisant office d'éléments entretoises. Dans cette forme de réalisation, l'extrémité libre des différents serpentins (7), (8), (9), ..., est connectée aux collecteurs (11) et (12) de conception spécifique, comme il ressort d'un exemple illustré figure 5. L'entrée du produit dans le faisceau se fait au travers d'une bride (11c) puis dans le collecteur (11) pour alimenter des tubes faisceau (1la). Sur la même extrémité, le produit circulant à contre courant dans des tubes calandre (12a) ressort par un collecteur (12), puis par une bride (12c). La sortie faisceau et l'entrée calandre fonctionnent de façon symétrique à l'autre extrémité de l'échangeur. En outre, deux échangeurs de conception symétrique peuvent être accouplés en parallèle et ainsi doubler la puissance d'échange. On observe que cette forme de réalisation autorise des pressions d'utilisation plus élevées. La calandre peut être de diamètre réduit et de faible épaisseur, tout en permettant, comme indiqué, des pressions et des températures d'utilisation élevées. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, compte tenu d'une application avantageuse de ce type d'échangeur, pour installation de traitement par oxydation hydrothermale, il est apparu important de sélectionner les différents matériaux constitutifs, notamment de la calandre et des tubes, pour résoudre le problème posé de la corrosion, notamment en considérant la présence d'oxygène à haute pression et à haute température. Des essais, à titre confidentiel, ont démontré que l'utilisation de titane, notamment pour les parties en contact avec les fluides, s'avère intéressant, en observant qu'un homme du métier n'est pas incité à utiliser ce type de matériau dans le cadre d'un échangeur de forme générale hélicoïdal, eu égard à la difficulté de mettre en forme ce type de matériau. Avantageusement, le titane sélectionné est un titane de grade 3, c'est- à-dire un titane non allié, avec de bonnes caractéristiques mécaniques de ductilité limitée et d'excellente soudabilité, avec une excellente résistance à la corrosion en environnement très oxydant. Les collecteurs d'extrémité peuvent être réalisés en titane de grade 2, compte tenu d'un bon équilibre en ductilité, soudabilité à froid, avec également une excellente résistance à la corrosion en environnement très oxydant. A noter que lorsque les échangeurs sont destinés à refroidir ou à réchauffer le fluide, avec une circulation d'eau ou d'huile à l'intérieur des calandres, il est possible d'utiliser certains types d'aciers inoxydables adaptés aux conditions de fonctionnement et compatibles avec le titane, pour éviter les phénomènes de corrosion galvanique. Des essais ont démontré que l'inox nuance X2CrNi 18-09 donne de bons résultats. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne et on rappelle : la réduction du diamètre de calandre autorisant de plus grandes pressions d'utilisation ; aucun soufflet de dilatation ; encombrement réduit ; circulation des fluides à contre courant ; diminution des pertes de charges ; réduction d'encrassement par une vitesse de commande des fluides importante ; l'application de ce type d'échangeur dans l'installation du traitement des déchets par oxydation hydrothermale.