Brevet FR3066265A1 — publié le 20181116

La présente invention est relative à un appareil d'échange de chaleur comprenant plusieurs corps d'échange, pour effectuer un échange de chaleur indirect entre un débit gazeux dont une partie est envoyée à chacun des corps d'échange et au moins un autre débit de fluide. Elle concerne également un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique incorporant un tel appareil d'échange de chaleur et un procédé de fabrication d'un tel appareil d'échange de chaleur. Dans un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, l'air doit être refroidi à la température à laquelle s'effectue la distillation. Ce refroidissement a lieu généralement dans un échangeur de chaleur principal composé d'une série de corps d'échange de chaleur. Chaque corps est constitué par un échangeur à plaques d'aluminium brasées, séparées par des ailettes en aluminium. Chaque corps permet de refroidir une partie de l'air d'alimentation destiné à la distillation par échange de chaleur indirect avec au moins un fluide produit par la distillation, ce qui permet d'évacuer ce fluide à une température proche de l'ambiante. Fréquemment, chacun des gaz provenant de et destiné à la distillation est divisé par n, n étant le nombre de corps d'échange et les n parties du gaz sont envoyés à chacun des corps, soit pour se refroidir dans le cas de l'air gazeux, soit pour se réchauffer dans le cas des gaz produits par la distillation. Au moins un corps d'échange peut servir à vaporiser un produit liquide de la distillation. Habituellement, certains corps d'échange sont dédiés à l'échange de chaleur entre fluides dont au moins un à une pression élevée. D'autres corps d'échange ne reçoivent que des fluides dont la pression ne dépasse pas un seuil. Ceci permet de réduire le coût global de l'échangeur de chaleur, puisque les corps d'échange servant à échanger de la chaleur entre fluides à plus basse pression sont moins robustes. 3066265 2 Généralement les corps d'échange sont tous reliés à des collecteurs et des distributeurs de fluides. Un premier distributeur relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un premier fluide à refroidir. Un premier collecteur, relié à chacun des corps d'échange, récupère les n parties d'un premier fluide 5 refroidies. Un deuxième distributeur est relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un deuxième fluide à réchauffer. Un deuxième collecteur est relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du deuxième fluide réchauffées. Puisque les n corps d'échange sont constitués par des assemblages de 10 plaques en aluminium brasées séparées par des ailettes en aluminium, les collecteurs et les distributeurs sont également en aluminium. Les collecteurs et les distributeurs sont raccordés aux corps d'échange par soudage d'aluminium une fois les corps d'échange livrés sur le site où l'appareil d'échange de chaleur doit être définitivement installé. 15 Il est connu de EP1008828 d'utiliser un corps d'échange en aluminium sur lequel est disposé un demi-cylindre en acier pour recueillir ou distribuer les fluides à réchauffer ou à refroidir. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil d'échange de chaleur indirect entre au moins deux fluides comprenant n corps d'échange, n étant 20 supérieur ou égal à 2, de préférence supérieur à 3, un premier distributeur relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un premier fluide à refroidir, un premier collecteur relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du premier fluide refroidies, un deuxième distributeur relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un deuxième fluide à réchauffer, 25 un deuxième collecteur relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du deuxième fluide réchauffées, les n corps d'échange sont constitués par des assemblages de plaques en aluminium brasées séparées par des ailettes en aluminium caractérisé en ce que le deuxième distributeur est en acier inoxydable ou acier carbone, le deuxième distributeur en acier étant relié à chaque corps 30 d'échange à travers un moyen de connexion pouvant être une jonction mixte. 3066265 3 Un collecteur est un dispositif qui reçoit, en usage, des débits de fluides de plusieurs sources et les réunit pour en faire un seul débit. Un distributeur est un dispositif qui divise, en usage un seul débit de fluides en plusieurs débits à envoyer à des corps d'échange différents. 5 De préférence, chaque corps d'échange comprend une première extrémité et une extrémité opposée à la première extrémité, les deux extrémités étant séparées par quatre parois latérales. Le premier distributeur est rattaché à la première extrémité et le premier collecteur à l'extrémité opposée. 10 Le deuxième collecteur est rattaché à la première extrémité et le deuxième distributeur à l'extrémité opposée. Le troisième collecteur est rattaché à la première extrémité et le troisième distributeur à l'extrémité opposée. En usage, l'appareil d'échange de chaleur est disposé à l'intérieur d'une 15 enceinte isolée qui contient le deuxième distributeur et les n moyens de connexion. La première extrémité opère à une température plus élevée que l'extrémité opposée, qui opère de préférence à une température cryogénique. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - chaque collecteur et chaque distributeur est constitué par une conduite 20 cylindrique reliée à chacun des n corps - au moins un des premier et deuxième distributeurs et/ou le premier collecteur est en aluminium - l'appareil comprend au moins un troisième distributeur relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un troisième fluide à réchauffer et 25 au moins un troisième collecteur relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du troisième fluide réchauffées - le troisième fluide est riche en oxygène - la conduite du deuxième distributeur a un plus grand diamètre que la conduite du troisième distributeur, le deuxième distributeur étant en acier 30 inoxydable ou en acier carbone et le troisième distributeur étant en aluminium 3066265 4 - l'appareil est conçu pour échanger de la chaleur entre fluides dont la pression maximale est inférieure à 15 bars abs, voire à 10 bars abs - au moins le premier distributeur est en acier inoxydable ou acier carbone 5 - au moins le premier distributeur est en aluminium - au moins le deuxième collecteur est en acier carbone ou en acier inoxydable - au moins le deuxième collecteur est en aluminium - le premier collecteur est en acier carbone ou en acier inoxydable 10 - le premier collecteur est en aluminium. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un appareil d'échange de chaleur tel que décrit ci-dessus ainsi qu'un système de colonnes de distillation, des moyens pour envoyer de l'air épuré en eau et en dioxyde de carbone au premier 15 distributeur, des moyens pour envoyer de l'air épuré et refroidi du premier collecteur au système de colonnes, des moyens pour envoyer de l'azote gazeux du système de colonnes au deuxième distributeur et des moyens pour envoyer de l'azote gazeux réchauffé du deuxième collecteur à l'extérieur de l'appareil de séparation d'air. 20 De préférence, en opération le deuxième distributeur est disposé en dessous des corps d'échange. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans lequel on envoie de l'air épuré à refroidir à un appareil d'échange de chaleur tel que décrit ci-dessus, l'air à refroidir étant envoyé au premier 25 distributeur, on envoie de l'air du premier collecteur vers un système de colonnes de distillation, on sépare l'air dans le système de colonne de distillation par distillation cryogénique, on produit au moins un gaz enrichi en azote du système de colonnes, on envoie le gaz enrichi en azote au deuxième distributeur et on sort le gaz enrichi en azote réchauffé du deuxième collecteur. 30 De préférence aucun fluide circulant dans l'appareil d'échange de chaleur n'a une pression égale ou supérieure à 15 bars abs, voire à 10 bars abs. 3066265 5 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'un appareil d'échange de chaleur tel que décrit ci-dessus dans lequel on fabrique le deuxième collecteur à un premier site, on connecte les n jonctions mixtes au deuxième collecteur à un premier site et on envoie le deuxième collecteur muni de 5 ses jonctions mixtes à un deuxième site pour être relié aux corps d'échange de chaleur. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. La Figure 1 montre un appareil d'échange de chaleur selon l'invention. L'appareil comprend trois corps d'échange A, B, C, chacun effectuant un échange 10 entre les mêmes fluides. Les corps A, B, C sont sensiblement identiques et sont composés chacun d'un empilement de plaques en aluminium brasées, séparées par des ailettes en aluminium pour former une série de passages. Le premier distributeur E est un élément cylindrique relié à trois conduites 1A, 1B, 10, chacune desquelles est connectée à un corps différent pour y apporter 15 l'air à refroidir. L'air refroidi est recueilli dans le premier collecteur E'. De l'azote basse pression provenant d'une colonne basse pression d'un système de colonnes de distillation d'un appareil de séparation d'air arrive par le deuxième distributeur K et est envoyé aux trois corps A, B, C. L'azote réchauffé est recueilli par les conduites 3A, 3B, 30 et envoyé au 20 deuxième collecteur K'. Le troisième distributeur J, de diamètre inférieur à celui du deuxième distributeur K amène de l'oxygène gazeux basse pression aux corps et l'oxygène réchauffé est recueilli dans le troisième collecteur M. Les corps sont maintenus en place par une structure H. L'air rentre par le haut des corps d'échange et sort refroidi par le bas. Les 25 fluides provenant de la distillation sont envoyés en bas des corps et sortent réchauffés par le haut. Le deuxième distributeur K est en acier inoxydable ou en acier carbone et les conduites reliant le deuxième distributeur aux corps comprennent des moyens de connexion JA, JB, JC tels que des jonctions mixtes. 30 3066265 6 Il est également possible de déposer une couche de matériau par projection thermique sur une extrémité d'une conduite pour permettre la connexion par soudage à une autre extrémité de conduite, une conduite étant reliée à un corps et l'autre au distributeur. Le premier distributeur E, le deuxième collecteur K' ou le 5 premier collecteur E' peuvent être en acier carbone, en acier inoxydable ou en aluminium. Aucun fluide dans un corps d'échange A, B, C n'est à une pression égale ou supérieure à 15 bars abs, voire à 10 bars abs. La figure représente schématiquement les conduites qui évidemment ne 10 traversent pas les corps d'échange mais sont reliées à une pluralité de passages de chaque corps d'échangeur. La Figure 2 montre un appareil d'échange de chaleur selon l'invention. L'appareil comprend trois corps d'échange A, B, C, chacun effectuant un échange entre les mêmes fluides. Les corps A, B, C sont sensiblement identiques et sont 15 composés chacun d'un empilement de plaques en aluminium brasées, séparées par des ailettes en aluminium pour former une série de passages. Le premier distributeur E est un élément cylindrique relié à trois conduites, 1A, 1B, 10, chacune desquelles est connectée à un corps différent pour y apporter l'air à refroidir. L'air refroidi est recueilli dans le premier collecteur E'. De l'azote 20 basse pression provenant d'une colonne basse pression d'un système de colonnes de distillation d'un appareil de séparation d'air arrive par le deuxième distributeur K et est envoyé aux trois corps A, B, C. L'azote réchauffé est recueilli par les conduites 3A, 3B, 30 et envoyé au deuxième collecteur K'. Le troisième distributeur L, de diamètre inférieur à celui du deuxième distributeur K amène de 25 l'oxygène gazeux basse pression aux corps et l'oxygène réchauffé est recueilli dans le troisième collecteur L'après être réchauffé dans les conduites 5A, 5B, 50 reliées à l'échangeur. Les corps sont maintenus en place par une structure H. L'air rentre par le haut des corps d'échange et sort refroidi par le bas. Les 30 fluides provenant de la distillation sont envoyés en bas des corps et sortent réchauffés par le haut. 3066265 7 Le deuxième distributeur K est en acier inoxydable ou en acier carbone et les conduites reliant le deuxième distributeur aux corps comprennent des moyens de connexion tels que des jonctions mixtes. Il est également possible de déposer une couche de matériau par projection thermique sur une extrémité d'une conduite 5 pour permettre la connexion par soudage à une autre extrémité de conduite, une conduite étant reliée à un corps et l'autre au distributeur. Le premier distributeur, le deuxième collecteur ou le premier collecteur peuvent être en acier carbone, en acier inoxydable ou en aluminium. Aucun fluide dans un corps d'échange A, B, C n'est à une pression égale ou 10 supérieure à 15 bars abs, voire à 10 bars abs. Pour construire l'appareil de séparation d'air, on fabrique le deuxième collecteur à un premier site, on connecte les n moyens de connexions, par exemple des jonctions mixtes au deuxième collecteur à un premier site et on envoie le deuxième collecteur muni de ses moyens de connexions à un deuxième 15 site pour être relié aux corps d'échange de chaleur. Sur ce deuxième site, le deuxième collecteur est relié aux corps d'échange et de préférence l'appareil d'échange de chaleur est relié au système de colonnes de l'appareil de distillation. Evidemment les corps d'échange disposés pour former une ligne peuvent être disposés deux par deux autour d'un collecteur central ou autrement. 20 25 REVENDICATIONS1. Appareil d'échange de chaleur indirect entre au moins deux fluides comprenant n corps d'échange (A, B, C), n étant supérieur ou égal à 2, de préférence supérieur à 3, un premier distributeur (E) relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un premier fluide à refroidir, un premier collecteur (E') relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du premier fluide refroidies, un deuxième distributeur (K) relié à chacun des corps d'échange pour y envoyer une partie d'un deuxième fluide à réchauffer, un deuxième collecteur (K') relié à chacun des corps d'échange pour récupérer les n parties du deuxième fluide réchauffées, les n corps d'échange sont constitués par des assemblages de plaques en aluminium brasées séparées par des ailettes en aluminium caractérisé en ce que le deuxième distributeur (K) est en acier inoxydable ou acier carbone, le deuxième distributeur en acier étant relié à chaque corps d'échange à travers un moyen de connexion pouvant être une jonction mixte. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel chaque collecteur (E', K') et chaque distributeur (E, K) est constitué par une conduite cylindrique reliée à chacun des n corps. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel qu'au moins un des premier et deuxième collecteurs (E', K') et/ou le premier distributeur (E) est en aluminium. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3 comprenant au moins un troisième distributeur (L) relié à chacun des corps d'échange (A, B, C) pour y envoyer une partie d'un troisième fluide à réchauffer et au moins un troisième 3066265 9 collecteur (L') relié à chacun des corps d'échange (A, B, C) pour récupérer les n parties du troisième fluide réchauffées. 5. Appareil selon les revendications 2 et 4 dans lequel la conduite du 5 deuxième distributeur (K) a un plus grand diamètre que la conduite du troisième distributeur (L), la deuxième distributeur étant en acier inoxydable ou en acier carbone et le troisième distributeur étant en aluminium. 6. Appareil selon une des revendications précédentes conçu pour 10 échanger de la chaleur entre fluides dont la pression maximale est inférieure à 15 bars abs, voire à 10 bars abs. 7. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un appareil d'échange de chaleur selon l'une des revendications précédentes ainsi 15 qu'un système de colonnes de distillation, des moyens pour envoyer de l'air épuré en eau et en dioxyde de carbone au premier distributeur, des moyens pour envoyer de l'air épuré et refroidi du premier collecteur au système de colonnes, des moyens pour envoyer de l'azote gazeux du système de colonnes au deuxième distributeur et des moyens pour envoyer de l'azote gazeux réchauffé du deuxième 20 collecteur à l'extérieur de l'appareil de séparation d'air. 8. Appareil de séparation d'air selon la revendication 7 dans lequel en opération le deuxième distributeur (K) est disposé en dessous des corps d'échange. 25 9. Procédé de séparation d'air dans lequel on envoie de l'air épuré à refroidir à un appareil selon l'une des revendications 1 à 6, l'air à refroidir étant envoyé au premier distributeur (E ), on envoie de l'air du premier collecteur (E') vers un système de colonnes de distillation, on sépare l'air dans le système de 30 colonnes de distillation par distillation cryogénique, on produit au moins un gaz enrichi en azote du système de colonnes, on envoie le gaz enrichi en azote au 3066265 10 deuxième distributeur (K) et on sort le gaz enrichi en azote réchauffé du deuxième collecteur (K'). 10. Procédé de fabrication d'un appareil d'échange de chaleur selon l'une 5 des revendications 1 à 6 dans lequel on fabrique le deuxième collecteur (K) à un premier site, on connecte les n jonctions mixtes (JA, JB, JC) au deuxième collecteur à un premier site et on envoie le deuxième collecteur muni de ses jonctions mixtes à un deuxième site pour être relié aux corps (A, B, C) d'échange de chaleur. 10