Brevet FR2938904A1 — publié le 20100528

La présente invention est relative à la vaporisation d'un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide au moyen d'un échangeur de chaleur du type à plaques verticales. Elle s'applique en particulier aux installations de distillation de l'air. Dans les installations de distillation de l'air du type à double colonne, l'oxygène liquide qui se trouve en cuve de la colonne basse pression est vaporisé par échange de chaleur avec l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne pression. Pour une pression de fonctionnement donnée de la colonne basse pression, l'écart de température encre l'oxygène et l'azote rendu nécessaire par la structure de l'échangeur de chaleur impose la pression de fonctionnement de la colonne moyenne pression il est donc souhaitable que cet écart de température soit le plus faible possible, afin de minimiser les dépenses liées à la compression de l'air à traiter injecté dans la colonne moyenne pression. La technologie couramment utilisée pour ces échangeurs à changement de phase est celle des échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des organes très compacts offrant une grande surface d'échange. Ces échangeurs sont constitués de plaques entre lesquelles sont insérées des ondes ou ailettes, formant ainsi un empilage de � passages � vaporisation et de � passages � condensation. Il existe différents types d'ondes comme les ondes droites, perforées ou à décalage partiel (� serrated �). Dans le cas des vaporiseurs fonctionnant en mode vaporisation en film descendant, une partie de l'appareil est consacrée à la distribution du liquide dans les passages vaporisation et entre les canaux de l'onde d'échange. Cette distribution propre à chaque vaporiseur s'effectue classiquement selon le principe décrit dans FR-A-2547898: l'alimentation des passages de vaporisation se fait par le haut des passages condensation. L'oxygène passe ensuite à travers une rangée de trous qui assurent sa distribution primaire dans les passages vaporisation. Il s'écoule ensuite à travers une bande d'ondes à génératrice horizontale qui assure une distribution plus fine dite secondaire (répartition du liquide entre canaux). L'oxygène liquide qui est vaporisé contient des impuretés sous forme dissoutes. Les principales impuretés sont le protoxyde d'azote (N2O), le dioxyde de carbone (CO2), des hydrocarbures (C2, C3, ...). Suivant les conditions opératoires, ces impuretés peuvent se déposer dans les passages de vaporisation (soit sous forme solide, soit sous forme liquide). Il est important de maîtriser industriellement la formation de ces dépôts solides ou liquides pour éviter tout risque d'explosion. Un des paramètres importants à la formation de dépôts, est le débit de liquide par canal (ou exprimé par mètre de périmètre à mouiller). En effet, lorsque le débit de liquide par canal est insuffisant pour mouiller la paroi, il y a formation de dépôts par vaporisation à sec. Dans ce type de vaporiseur (à film), la distribution de l'oxygène liquide joue un rôle essentiel sur son fonctionnement (performance et sécurité). Il est donc nécessaire d'assurer en toutes circonstances, une bonne distribution liquide à l'intérieur de chaque canal. Pour cela la distribution liquide doit être suffisamment uniforme entre canaux. Une distribution de liquide non uniforme peut entraîner un mauvais mouillage des ondes notamment dans la partie basse de l'échangeur et par conséquent, la formation de dépôts par vaporisation à sec. La difficulté est d'assurer un débit de liquide équivalent dans tous les canaux vu le nombre de canaux par passage et par corps (550 canaux/passage, 55 000 canaux/corps). La qualité de cette distribution liquide dépend d'une bonne conception et dimensionnement du distributeur. La distribution dite secondaire (répartition du liquide entre canaux) utilise une bande d'onde à génératrice horizontale et à décalage partiel. La disposition de cette onde à l'intérieur de chaque passage de vaporisation présente deux défauts : • Existence de part et d'autre du passage, de deux orifices (espaces libres) 31 dus au profil des barres latérales utilisées (Figure 1A) . • Possibilité de jeu 31 au niveau de la jonction entre deux tapis d'onde. En effet, plusieurs bandes d'onde peuvent être placées côte à côte afin de couvrir la totalité de la largeur du passage (Figure 2) Ces défauts entraînent des passages préférentiels du liquide au niveau de cette bande à génératrice horizontale (�hardway�), engendrant une suralimentation liquide des canaux se situant juste en dessous mais surtout, une sous-alimentation liquide des canaux en périphérie de ces derniers. On voit à la Figure 1A une partie de l'échangeur selon l'art antérieur vu de dessus. La barre 7 a un profilé en U, étant composé de deux couches, dont celle de l'extérieur a une section rectangulaire alors que celle à l'intérieur a un bord sinusoïdal. Dans la Figure 1B on voit la même partie de l'échangeur vue de face. L'onde à génératrice horizontale 1 se trouve entre deux plaques 35 définissant 10 un passage d'échangeur qui est fermé par une barre 7. Les jeux 31 entre les ondes et les barres sont également indiqués à la Figure 2 pour un échangeur selon l'art antérieur. Selon l'invention, la barre est de préférence composée de deux couches mais la couche intérieure a des découpes 33 ou des aplatis selon la forme de la barre 15 7où le profil en U est supprimé, ce qui permet aux ondes 1,3 de s'encastrer dans la barre 7. Selon un objet de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide comprenant un corps parallélépipédique formé d'un assemblage de plaques verticales parallèles 20 définissant entre elles une multitude de passages plats et des barres latérales fermant les passages vers l'extérieur, des moyens pour envoyer le liquide dans un premier ensemble de passages et le deuxième fluide dans les passages restants , un garnissage pour distribuer le liquide à l'extrémité supérieure des passages dudit premier ensemble, sur toute la longueur horizontale de ceux-ci, par une distribution 25 fine sur toute la longueur de ces passages, caractérisé en ce qu'au moins une des barres latérales a un profil bombé sur la plupart de sa longueur et un profil plat sur une partie de sa longueur et en ce que un bord du garnissage juxtapose la partie de sa longueur où le profil est plat. Selon d'autre objets facultatifs : 30 - le garnissage s'encastre dans au moins une des barres latérales - le garnissage est constitué par au moins deux ondes ayant une forme et une dimension d'ondulation substantiellement identiques et à génératrices horizontales et éventuellement à décalage vertical partiel, les au moins deux ondes se juxtaposant, de préférence de sorte que les bords des ondulations se rejoignent parfaitement, sans laisser de jeu entre les ondes. - les deux ondes s'interpénètrent. - les deux ondes ont au moins une découpe et en ce que les découpes des deux ondes s'épousent et éventuellement a) chaque onde a une découpe en forme de L, de sorte que pour une onde, une partie supérieure de l'onde a une largeur I moins large que le reste de l'onde qui a une largeur L et pour l'autre onde, une partie inférieure a la largeur I et est moins large que le reste de l'onde qui a une largeur L, où la somme de I et L est égale à la largeur totale des passages ou b) la découpe dans chaque onde a une forme de ziguezague. - au moins deux ondes, de préférence au moins trois ondes, sont superposées, chaque onde ayant une largeur supérieure à la moitié de la largeur totale des passages et inférieure à la largeur totale des passages, de sorte que les ondes se chevauchent. - les ondes sont attachées ensemble par des agrafes, des clavettes de blocage et/ou des ressorts. - les ondes s'encastrent et/ou s'emboîtent. Eventuellement des ondes à génératrices verticales disposées en dessous du garnissage. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation, du type comprenant une première colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement élevée, une deuxième colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement faible, et un échangeur de chaleur permettant de mettre le liquide de cuve de la deuxième colonne en relation d'échange thermique avec le gaz de tête de la première colonne, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur tel que défini ci-dessus et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation pour fournir le liquide de cuve à l'échangeur et des moyens d'alimentation en gaz des passages de l'échangeur. Des installations de séparation d'air de ce genre correspondent pour la partie connue à un appareil de séparation dit à double colonne, bien connu d'oeuvres classiques tels que 'Tieftemperaturtechnik ' ou 'Industrial Gas Handbook ' de Kerry. Ceci permet au bord de l'onde 1, qui est lui-même plat, de juxtaposer, sur toute sa surface, la surface de la barre, comme l'on voit dans les Figures 3A et 3B.. La solution proposée vise à supprimer ou à réduire fortement les espaces libres existants dans la zone de l'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�) actuellement utilisée. Pour cela, on propose de supprimer le profil de la barre latérale sur la hauteur de l'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�) (voir figure 7). De plus, on veillera à ce que les jonctions entre les tapis d'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�) soient mises bout à bout à défaut d'utiliser une seule bande d'onde sur toute la largeur du passage. Des essais à l'azote liquide sur deux petites maquettes de distribution liquide ont permis de différencier visuellement la répartition du liquide en sortie de l'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�). La première maquette est équipée de deux barres latérales classiques ( avec profil bombé) et la deuxième est équipée de deux barres latérales dont les espaces vides ont été comblés avec de l'aluminium afin d'obtenir un profil plat. Le débit d'azote liquide est d'environ de 0.7 I/h/canal, ce qui est légèrement inférieur aux débits classiquement utilisés. Les observations sont les suivantes : • Maquette, barres avec profil bombé selon l'art antérieur : la majorité du débit s'écoule à travers les orifices libres des barres latérales (Figure 4A). • Maquette, barres obstrués avec profil plat selon l'invention : le débit semble être uniforme et un niveau de liquide (illustré en noir) est observé au dessus de l'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�) (Figure 4B). En faisant l'hypothèse que les trous dus aux barres latérales profilées engendrent une sous-alimentation liquide sur un espace de 20 mm de largeur, cela correspond à 2*20 soit 40 mm pour un passage de 1 mètre soit, 4% de canaux sous-alimentés. A cela, il faut ajouter d'autres canaux s'il existe un jeu entre les tapis d'onde à décalage partiel (�serrated�) à génératrice horizontale (�hardway�). L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, où la Figure 3A représente une partie de l'échangeur selon l'invention vue de dessus ,toutes les Figures à partir de la Figure 3B, sauf la Figure 12B, représentent une découpe d'un échangeur selon l'invention vu de face et la Figure 12B représente un garnissage de l'échangeur selon l'invention vu de côté. Dans la Figure 5, un échangeur est composé d'un assemblage de plaques verticales parallèles séparées par des barres 5,7 qui bouchent les passages. Les plaques définissent entre elles une multitude de passages plats. Pour distribuer de l'oxygène liquide dans un appareil de séparation d'air, un garnissage est placé en haut des passages, constitué par une première et une deuxième onde 1,3, chaque onde étant une tôle d'aluminium non perforée à génératrices horizontales (disposition dite en "hard way" par rapport à l'écoulement de l'oxygène liquide). A intervalles réguliers, chaque facette horizontale ou pseudo-horizontale 25 des onde 1,3 est pourvue d'un crevé (non-illustré) décalé vers le haut d'un quart de pas d'onde La largeur des crevés, mesurée le long d'une génératrice de l'onde, est du même ordre que la distance qui sépare chacun d'eux des deux crevé adjacents situés sur la même facette . L'oxygène liquide passe par des trous placés au-dessus du garnissage, à un débit défini par la section de passage de ces derniers et par la hauteur de liquide qui le surmonte. Les trous assurent donc une prédistribution grossière de l'oxygène liquide tout le long des passages, et l'oxygène liquide ainsi pré-distribué part sur les ondes 1,3, lesquelles en assure une distribution fine sur toute la longueur de chaque passage. L'oxygène liquide aborde ainsi des ondes inférieures à génératrice verticale 9 en ruisselant de façon parfaitement uniforme sur toutes les parois des passages qui lui sont affectés, c'est-à-dire en formant sur ces parois un film continu descendant. En même temps, l'azote gazeux parvient dans l'échangeur par des ondes de distribution, puis s'écoule vers le bas le long d'autres passages. Ce faisant, il cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se trouve dans les passages adjacents (non-illustrés), de sorte que l'oxygène se vaporise et que, simultanément, l'azote se condense. Les deux ondes 1,3 devraient avoir la même configuration en termes de formes et de dimensions et être déposées de sorte que leurs bords se juxtaposent parfaitement pour éviter des fuites de liquide. Il n'est pas possible actuellement de fabriquer des ondes suffisamment longues pour couvrir toute la largeur de l'échangeur. Ainsi il est nécessaire d'utiliser deux ondes 1,3. Les barres 7 sont formées avec des découpes de sorte que l'onde 1 rentre dans une ouverture dans la barre à gauche et l'onde 3 rentre dans une ouverture dans la barre à droite. Pour ceci il faut que la longueur totale du garnissage formé par les ondes soit supérieure à la distance entre les deux bords intérieurs des barres. Les ondes à génératrice horizontale (�hardway�) 1,3 sont en butée les unes contre les autres , mais comme il faut un jeu au niveau de chaque barre de côté 7 pour permettre un réglage entre tolérances des ondes et tolérances des barres , il y a un risque que les ondes bougent en cours de brasage. Comme on voit à la Figure 6, les ondes peuvent être attachées l'une à l'autre, par des clavettes de blocage des pièces 11 attachées à la barre supérieure 5. La Figure 7 montre l'agrafage des ondes entre elles par une agrafe 13. Dans la Figure 8, les deux ondes sont découpées dans l'épaisseur en zigue zague, de sorte que les deux découpes s'épousent parfaitement et il n'y a pas de jeu entre les ondes. Pour permettre une meilleure étanchéité, il est possible d'utiliser des ondes larges et de les chevaucher. Dans la Figure 5, on voit trois ondes superposées 1,3 et 17 dont les ondes 3 et 17 juxtaposent un bord de l'échangeur et l'onde 1 juxtapose l'autre. Chaque onde est constituée de deux ondulations et a la même largeur, égale à une valeur entre la moitié et la totale de la largeur totale des passages. De cette façon, les ondes se chevauchent formant une partie centrale ayant une épaisseur de six ondulations. Les ondes 1,3 peuvent être bloquées ensemble par des cales 21 posées entre les barres 5 et chaque onde, comme l'on voit à la Figure 6. Dans la Figure 11, on voit que les deux ondes 1,3 s'encastrent et s'emboîtent. Les Figures 12A et 12B montrent des détails de la Figure 7 où on voit que les agrafes 13 s'encastrent dans les découpes des ondes à décalage partiel. La Figure 13 représente des ondes 1,3 rattachés par des ressorts 23 qui s'encastrent dans plusieurs découpes de chaque onde à décalage partiel. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (2) pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide comprenant un corps parallélépipédique formé d'un assemblage de plaques verticales parallèles ( 4) définissant entre elles une multitude de passages plats (17,18) et des barres latérales (7) fermant les passages vers l'extérieur, des moyens pour envoyer le liquide dans un premier ensemble de passages (17) et le deuxième fluide dans les passages restants (18), un garnissage (1,3) pour distribuer le liquide à l'extrémité supérieure des passages (17) dudit premier ensemble, sur toute la longueur horizontale de ceux-ci, par une distribution fine sur toute la longueur de ces passages, caractérisé en ce qu'au moins une des barres latérales a un profil bombé sur la plupart de sa longueur et un profil plat sur une partie de sa longueur et en ce que un bord du garnissage juxtapose la partie de sa longueur où le profil est plat. 2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel le garnissage (1,3) s'encastre dans au moins une des barres latérales (7). 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le garnissage est constitué par au moins deux ondes (1,3) ayant une forme et une dimension d'ondulation substantiellement identique et à génératrices horizontales et éventuellement à décalage vertical partiel, les au moins deux ondes se juxtaposant, de préférence de sorte que les bords des ondulations se rejoignent parfaitement, sans laisser de jeu entre les ondes. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3 caractérisé en ce que les deux ondes (1,3) s'interpénètrent. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux ondes (1,3) ont au moins une découpe et en ce que les découpes des deux ondes s'épousent et éventuellement a) chaque onde a une découpe en forme de L, de sorte que pour une onde, une partie supérieure de l'onde a une largeur I moins large que le reste de l'onde qui a une largeur L et pour l'autre onde, une partie inférieure a la largeur 1 et est moinslarge que le reste de l'onde qui a une largeur L, où la somme de I et L est égale à la largeur totale des passages ou b) la découpe dans chaque onde a une forme de ziguezague. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins deux ondes (1,3), de préférence au moins trois ondes, sont superposées, chaque onde ayant une largeur supérieure à la moitié de la largeur totale des passages et inférieure à la largeur totale des passages, de sorte que les ondes se chevauchent. 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les ondes (1,3) sont attachées ensemble par des agrafes, des clavettes de blocage et/ou des ressorts (13,23). 8. Echangeur de chaleur suivant l'une revendications précédentes, caractérisé en ce que les ondes (1,3) s'encastrent et/ou s'emboîtent. 9. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendications précédentes comprenant des ondes à génératrices verticales disposées en dessous du garnissage. 10. Installation de séparation d'air par distillation, du type comprenant une première colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement élevée, une deuxième colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement faible, et un échangeur de chaleur permettant de mettre le liquide de cuve de la deuxième colonne en relation d'échange thermique avec le gaz de tête de la première colonne, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation pour fournir le liquide de cuve à l'échangeur et des moyens d'alimentation en gaz des passages de l'échangeur.