Brevet FR2957142A1 — publié le 20110909

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 las 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 le document FR-A-2547898 : l'alimentation des passages 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 au sein d'un passage, entre les canaux formés par une onde). 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. Le débit de liquide par canal, ou par mètre de périmètre à mouiller, est un des paramètres importants pour la formation de dépôts. 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 d'un bon 15 dimensionnement du distributeur. Une distribution primaire du liquide (répartition entre passages) est obtenue en le faisant passer par des trous localisés au fond d'une piscine de liquide située au dessus des canaux. Une distribution dite secondaire (répartition dans chaque passage) est en général 20 obtenue par une bande d'onde à génératrice horizontale et à décalage partiel. Malheureusement, la présence d'impuretés dans le liquide crée un risque de bouchage total ou partiel des trous permettant la distribution primaire. I1 peut en résulter d'importants défauts de distribution du liquide entre les passages et entre les canaux. 25 Le problème à résoudre est dès lors d'assurer une bonne distribution primaire entre les passages, tout en réduisant le risque de défauts de distribution dus aux impuretés solides éventuellement présentes dans le liquide. A cette fin, la solution de l'invention porte sur un échangeur de chaleur pour 30 vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un fluide, comprenant : - un corps comprenant un assemblage de plaques de séparation parallèles à une direction déterminée et définissant entre elles une multitude de passages ; et - un bac de rétention destiné à recevoir ledit liquide comportant un fond sensiblement orthogonal à ladite direction déterminée, ledit fond comprenant des éléments de fermeture 35 et des éléments de distribution primaire percés de trous, aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention dans certains desdits passages ; caractérisé en ce que, ledit fond possédant une certaine extension orthogonalement à ladite direction déterminée, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, chacun desdits éléments de distribution primaire forme une saillie dans ledit bac de rétention et chacun desdits trous forme un orifice dans ladite saillie. Le liquide dont il est question peut être de toute nature. Selon un mode particulier, il s'agit d'oxygène liquide résultant d'une distillation. Cet oxygène est en général très pur. Le fluide peut être de toute nature. Selon un mode particulier, il s'agit d'azote issu d'une distillation. Il est en général gazeux avant l'opération d'échange de chaleur. Le liquide est chauffé et se vaporise partiellement ou totalement. Le fluide se refroidit et se condense partiellement ou totalement. Les plaques de séparation sont en général parallèles et forment l'armature du corps de l'échangeur. Elles définissent entre elles de nombreux passages plats, en ce sens qu'ils sont allongés selon une direction déterminée, ou direction longitudinale, et dans une direction orthogonale à celle-ci. Cette direction déterminée est celle prise en moyenne par les fluides dans les passages lorsque l'échangeur est en fonctionnement. En fonctionnement normal, il s'agit de la verticale. Les fluides circulent en moyenne verticalement dans les passages. C'est seulement si on imagine l'échangeur orienté différemment, par exemple pour le transporter ou l'entreposer, que cette direction déterminée n'est plus la verticale, mais devient une direction arbitraire. Elle sera à peu près horizontale si l'échangeur est couché sur le côté. Le liquide circule normalement du haut vers le bas dans certains des passages plats, qui forment un sous-ensemble réservé au liquide destiné à être vaporisé. Le fluide circule dans d'autres passages, normalement du haut vers le bas également, qui forment un autre sous-ensemble. En général, les passages pour le liquide ou le fluide alternent, de façon à maximiser l'échange thermique. En principe, des fluides circulent dans la totalité des passages. Le liquide est d'abord admis dans un bac de rétention situé au dessus du corps de l'échangeur (en fonctionnement normal). Le fond de ce bac est à peu près orthogonal à la direction déterminée, de préférence parfaitement orthogonal. Le fond est obtenu par la réunion de différents éléments, à la manière d'un pavage. Ces éléments comprennent des éléments percés de trous qui servent à la distribution primaire du liquide dans les passages plats et des éléments de fermeture, tels que les barres qui ferment les passages réservés au fluide. Les plaques de séparation font aussi, en général, partie de ces éléments de fermeture ; leur partie supérieure peut constituer une partie du fond du bac de rétention. Les éléments de distribution primaire du liquide ont typiquement la forme de plaques ou de barres et sont en général situés entre les nombreuses plaques de séparation. Le fond possède une certaine extension orthogonalement à la direction déterminée. C'est a priori celle du groupe de plaques de séparation. Les éléments de distribution primaire sont percés de nombreux trous. Ceux-ci sont de préférence selon la direction déterminée. Ils sont en général cylindriques. Ils sont le plus souvent régulièrement espacés sur chaque barre. Ils définissent dans leur partie supérieure des orifices par lesquels le liquide entre depuis le bac de rétention vers un sous-ensemble de passages plats. Sur au moins 80% de l'extension du fond, de préférence la totalité, les éléments de distribution primaire forment des saillies dans la direction déterminée du côté du bac de rétention. Ceci permet de surélever (lorsque l'échangeur est en position d'usage) les orifices par rapport au reste du fond du bac de rétention. Ainsi, on rend leur bouchage beaucoup plus difficile. L'avantage d'une telle configuration est que d'éventuelles particules solides présentes dans le liquide ont moins de chance d'obstruer un orifice donné. Si elles s'accumulent, elles ont tendance à le faire au fond du bac de rétention et non au niveau d'un orifice donné. La solution de l'invention est de surélever un maximum de ces orifices, au moins 80%, c'est-à-dire de le faire sur 80% de l'extension du fond orthogonalement à la direction déterminée. Cette extension peut être assimilée à une surface. De préférence, on le fait sur toute la surface du fond. En pratique, cela peut être réalisé en faisant coulisser les éléments de distribution primaire vers l'intérieur du bac de rétention avant le brasage. Ce qui importe surtout est qu'un orifice soit surélevé localement, c'est-à-dire par 30 rapport aux éléments de fermeture qui l'environnent. Par ailleurs, selon des modes de réalisation particuliers, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 35 - lesdits éléments de distribution primaire sont des plaques. Cette forme permet de faire coulisser facilement les éléments de distribution primaire avant l'étape de brasage lors de la fabrication de l'évaporateur.25 - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence 100%, ledit fond, à l'exception desdites saillies, se développe selon un plan et lesdits orifices sont situées à une distance d'au moins deux, de préférence au moins trois millimètres dudit plan selon ladite direction déterminée. Deux à trois millimètres représentent la distance minimale qui permet d'obtenir pleinement la réduction du risque de bouchage. Il n'y a pas à proprement parler de distance maximale. Celle-ci est fonction de la forme du bac de rétention. Il faut que les orifices soient dans la piscine de liquide et que les éléments de distribution primaire n'empêchent pas la libre circulation du liquide dans cette piscine. Il faut en particulier que le bain garde le même niveau (pas de création de « cascade » de liquide dans le bac de rétention). - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits orifices ont des centres situés dans un même plan orthogonal à ladite direction déterminée. Ceci présente un avantage lors de la fabrication, en simplifiant l'agencement des éléments formant le corps de l'évaporateur et le bac de rétention du liquide. En outre, ceci permet d'avoir la même pression hydrostatique de liquide à l'entrée des trous et permet une bonne distribution. - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comprennent un bord supérieur constituant une surface qui, dans un repère d'espace O, Ox, Oy, Oz, où Oz est ladite direction déterminée orientée dudit corps vers ledit bac de rétention, peut se définir par une équation de la forme z = f (x,y), f étant une fonction continue, ladite surface ayant un ou plusieurs bords et tous ses points minimum sur lesdits bords. En position normale de fonctionnement, l'axe Oz est la verticale orientée vers le haut. Un point minimum correspond à un minimum local de la fonction f. Le bord supérieur est alors une surface continue qui a les propriétés d'un toit vis-à-vis de la pluie. En l'absence de minimum local situé en dehors du bord de la surface du toit, il ne peut pas y avoir accumulation de pluie sur le toit ou, de manière analogue, de particules solides sur le bord supérieur de l'élément de distribution primaire. Le risque de bouchage, déjà diminué par la surélévation des orifices, est encore réduit de ce fait. Il est à noter que, si les orifices n'étaient pas surélevés, cette propriété du profil ne réduirait pas le risque de bouchage. - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, ledit bord supérieur présente un profil bombé ou en forme de cloche ou en biseau. Ces profils possèdent la propriété décrite ci-avant (forme de toit de construction) et sont simples à réaliser. Ils permettent d'éviter que les particules solides s'accumulent sur les bords supérieurs des éléments de distribution primaire, réduisant ainsi le risque de bouchage des trous assurant la distribution primaire du liquide. - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comportent au moins une encoche destinée à permettre un positionnement régulier, en saillie vers l'intérieur dudit bac de rétention, desdits éléments de distribution primaire. Cette encoche permet de simplifier l'assemblage des pièces, notamment en facilitant l'alignement de celles-ci avant brasage. - sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comprennent un bord supérieur et deux encoches situées de part et d'autre dudit bord supérieur, lesdites encoches étant destinées à permettre un alignement desdits éléments de distribution primaire avec lesdits éléments de fermeture, ledit alignement étant obtenu par mise en contact desdites encoches et desdits éléments de fermeture avec des éléments d'alignement, de préférence horizontaux, de manière à garantir que ledit bord supérieur fasse une saillie d'une certaine hauteur par rapport aux dits éléments de fermeture, ladite hauteur étant déterminée par la forme desdites encoches. - ledit échangeur comprend en outre : . des éléments de distribution secondaire comportant au moins une onde, de préférence à génératrices horizontales et à décalage vertical partiel, aptes à et conçus pour réaliser une distribution, d'une part, dudit liquide dans chaque passage dudit premier ensemble de passages et, d'autre part, dudit fluide dans chaque passage dudit second ensemble de passages ; et . des ondes à génératrices verticales, situées dans lesdits passages en dessous desdits moyens de distribution secondaire. L'invention concerne également une installation de séparation d'air par distillation, 30 comprenant au moins : - une première colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression déterminée ; - une deuxième colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression plus faible que ladite pression déterminée ; et 35 - un échangeur de chaleur apte à et conçu pour vaporiser au moins partiellement le liquide de cuve de ladite deuxième colonne par échange thermique avec le gaz de tête de ladite première colonne ou de l'air ; caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur est tel que décrit ci-dessus. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, parmi lesquelles : - la figure 1 représente une vue partielle, de face, en coupe d'un échangeur conforme à l'invention. La coupe passe par l'axe d'un des trous 6a des éléments de distribution primaire 6 du liquide. L'échangeur est représenté dans sa position en fonctionnement, c'est-à-dire vertical. - la figure 2 représente un agrandissement d'un des éléments 6 de distribution primaire du liquide présents dans la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté une coupe verticale d'un échangeur conforme à l'invention. Les traits en pointillés signifient que la vue est partielle; l'échangeur se poursuit au-delà des ces traits. L'échangeur 1 est composé d'un assemblage de plaques verticales parallèles 3 séparées par des barres 6, 9 qui bouchent les passages. Les plaques 3 sont parallèles à la direction déterminée 11 qui se trouve ici être la verticale. Elles définissent entre elles une multitude de passages plats 4 réservés à de l'oxygène liquide et de passages 5 réservés à de l'azote gazeux. Les passages de chacun des types 4 et 5 alternent. Le tout est limité par des parois externes 10. Les éléments 3, 6, 9 forment le fond 2a d'un bac de rétention 2 destiné à contenir le liquide. Les barres 6 sont des éléments conçus pour réaliser la distribution primaire du liquide dans les passages 4. Elles présentent des trous 6a régulièrement espacés. Ces trous 6a forment des orifices 6b sur le bord supérieur des barres 6. Ces orifices 6b sont à une hauteur h donnée du reste du fond 2a composé par les parties supérieures des éléments 9 et 3. Cette hauteur est d'environ trois millimètres. Les éléments 6 font une saillie 6f dans le bac de rétention 2, d'environ trois millimètres dans le sens vertical. Ceci est obtenu en décalant les éléments 6 par rapport aux autres éléments 3 et 9 constituant le fond 2a du bac de rétention 2. Lors de la fabrication, le brasage de ces éléments les fige dans cette position. Les passages comportent par ailleurs des éléments de distribution secondaire 7 destinés à distribuer l'oxygène et l'azote dans au sein de chacun de leurs passages respectifs. Les passages comprennent aussi des ondes 8 destinées à créer un film de liquide à leur surface. Les éléments 7 sont des ondes en tôle d'aluminium non perforée à génératrices horizontales (disposition dite en "hard way", ou «passage difficile », par rapport à l'écoulement de l'oxygène liquide). A intervalles réguliers, chaque facette horizontale ou pseudo-horizontale des ondes 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 crevés adjacents situés sur la même facette. L'oxygène liquide passe par les trous 6a placés au-dessus du garnissage 7, à un débit défini par la section de passage de ces derniers et par la hauteur de liquide au dessus des orifices 6b. Les trous 6a assurent donc une prédistribution grossière, ou distribution primaire, de l'oxygène liquide sur les passages 4. L'oxygène liquide ainsi prédistribué part sur les ondes 7, lesquelles en assurent une distribution fine, ou distribution secondaire, sur toute l'extension horizontale de chaque passage 4. L'oxygène liquide aborde ainsi des ondes inférieures à génératrices verticales 8 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 (non représentées), puis s'écoule vers le bas le long des passages 5. Ce faisant, il cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se trouve dans les passages adjacents 4, de sorte que l'oxygène se vaporise et que, simultanément, l'azote se condense. L'azote passe aussi par des éléments 7 et 8 analogues à ceux des passages 4. Sur la figure 2, on voit un agrandissement en perspective cavalière d'un élément 6 de distribution primaire de l'oxygène liquide. C'est une plaque, ou barre, destinée d'une part à fermer partiellement le haut un passage 4 situé en dessous de l'élément 6. En effet, l'élément 6 est percé de trous 6a cylindriques, verticaux, régulièrement espacés, destinés à laisser passer l'oxygène liquide depuis le bac de rétention vers un passage 4. On en a représenté deux. Les trous 6a forment des orifices 6b sur le bord supérieur 6c de l'élément 6. L'élément 6 possède un bord supérieur 6c présentant un profil en forme de cloche. Dans le repère d'espace R, orthonormé, matérialisé par une origine O et des axes Ox, Oy et Oz, ce dernier étant vertical orienté vers le haut, le bord supérieur est une surface en forme de toit, qui peut se mettre en équation sous la forme z = f (x,y). En l'espèce, f est par exemple un polynôme en y ou une fonction tangente. La surface et la fonction f sont continues. La surface ne présente pas de minimum local en dehors de son bord 6g. On peut considérer les orifices comme faisant partie, ou non, de la surface, leurs bords constituant alors, ou non, des bords de la surface. Le critère selon lequel la surface ne doit pas présenter de minimum local en dehors de ses bords reste valable dans les deux cas. L'élément 6 possède deux encoches 6d et 6e permettant de l'aligner avec les autres éléments compris dans le pavage formant le fond 2a du bac de rétention 2. Tous ces éléments s'appuient sur une poutre ou un renflement orthogonal à la direction déterminée 11. Les deux encoches forment un décrochement d'une hauteur h égale à trois millimètres environ, assurant que l'élément 6 fait une saillie 6f de la même hauteur dans le dans le bac de rétention 2 (dans le sens Oz).10 Revendications1. Echangeur de chaleur (1) pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un fluide, comprenant : - un corps comprenant un assemblage de plaques de séparation (3) parallèles à une direction déterminée (11) et définissant entre elles une multitude de passages (4, 5) ; et - un bac de rétention (2) destiné à recevoir ledit liquide, comportant un fond (2a) sensiblement orthogonal à ladite direction déterminée (11), ledit fond (2a) comprenant des éléments de fermeture (9, 3) et des éléments de distribution primaire (6) percés de trous (6a), aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention (2) dans certains desdits passages (4) ; caractérisé en ce que, ledit fond (2a) possédant une certaine extension (E) orthogonalement à ladite direction déterminée (11), sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, chacun desdits éléments de distribution primaire (6) forme une saillie (6f) dans ledit bac de rétention (2) et chacun desdits trous (6a) forme un orifice (6b) dans ladite saillie (6f). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de distribution primaire (6) sont des plaques. 3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, ledit fond, à l'exception desdites saillies (6f), se développe selon un plan et que lesdits orifices (6b) sont situés à une distance (h) d'au moins deux, de préférence au moins trois millimètres dudit plan selon ladite direction déterminée (11). 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits orifices (6b) ont des centres situés dans un même plan orthogonal à ladite direction déterminée (11). 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comprennent un bord supérieur (6c) constituant une surface qui, dans un repère (R) d'espace O, Ox, Oy, Oz, où Oz est ladite direction déterminée (11) orientée dudit corps vers ledit bac de rétention (2), peut se définirpar une équation de la forme z = f (x,y), f étant une fonction continue, ladite surface ayant un ou plusieurs bords et tous ses points minimum sur lesdits bords. 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, ledit bord supérieur (6c) présente un profil bombé ou en forme de cloche ou en biseau. 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comportent au moins une encoche (6d, 6e) destinée à permettre un positionnement régulier, en saillie vers l'intérieur dudit bac de rétention (2), desdits éléments de distribution primaire (6). 8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comprennent un bord supérieur (6c) et deux encoches (6d, 6e) situées de part et d'autre dudit bord supérieur (6c), lesdites encoches étant destinées à permettre un alignement desdits éléments de distribution primaire (6) avec lesdits éléments de fermeture (3, 9), ledit alignement étant obtenu par mise en contact desdites encoches (6d, 6e) et desdits éléments de fermeture (3, 9) avec des éléments d'alignement, de préférence horizontaux, de manière à garantir que ledit bord supérieur (6c) fasse une saillie (6f) d'une certaine hauteur (h) par rapport aux dits éléments de fermeture (3, 9), ladite hauteur (h) étant déterminée par la forme desdites encoches (6d, 6e). 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des éléments de distribution secondaire (7) comportant au moins une onde, de préférence à génératrices orthogonales à ladite direction déterminée (11) et à décalage partiel selon ladite direction déterminée (11), aptes à et conçus pour réaliser une distribution, d'une part, dudit liquide dans certains desdits passage (4) et, d'autre part, dudit fluide dans certains desdits passages (5) ; et - des ondes (8) à génératrices selon ladite direction déterminée (11), situées dans lesdits passages (4, 5) en dessous desdits moyens de distribution secondaire (7). 10. Installation de séparation d'air par distillation, comprenant au moins : - une première colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression déterminée ; 35 5- une deuxième colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression plus faible que ladite pression déterminée ; et - un échangeur de chaleur (1) apte à et conçu pour vaporiser au moins partiellement le liquide de cuve de ladite deuxième colonne par échange thermique avec le gaz de tête de ladite première colonne ou de l'air ; caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur (1) est tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 9. 10