FR2891901A1 - METHOD FOR VAPORIZATION AND / OR CONDENSATION IN A HEAT EXCHANGER - Google Patents
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Abstract
Dans ce procédé de vaporisation et/ou de condensation d'au moins un fluide dans un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins un tube (3) et d'au moins une onde pliée (17), l'onde et le tube étant de préférence brasés l'un avec l'autre, un fluide circule à l'intérieur d'au moins un tube, et un autre fluide circule autour de l'onde (17).L'invention vise également une installation de séparation d'un mélange de fluides par distillation cryogénique, comprenant au moins un échangeur de chaleur opérant selon un tel procédé.In this method of vaporization and / or condensation of at least one fluid in a heat exchanger consisting of a stack of at least one tube (3) and at least one folded wave (17), the wave and the tube being preferably brazed with each other, a fluid circulates inside at least one tube, and another fluid circulates around the wave (17) .The invention also relates to an installation for separating a mixture of fluids by cryogenic distillation, comprising at least one heat exchanger operating according to such a method.
Description
2891901 La présente invention est relative à un procédé de vaporisation etThe present invention relates to a method of vaporization and
éventuellement de condensation de fluide dans un échangeur de chaleur et à une installation de séparation d'un mélange de fluides par distillation cryogénique comprenant au moins un échangeur de chaleur opérant selon un tel procédé. En particulier elle concerne un procédé de vaporisation et éventuellement de condensation de gaz de l'air dans une installation de séparation de gaz de l'air par distillation cryogénique. Depuis très longtemps, les unités de séparation des gaz de l'air utilisent des io échangeurs à plaques en aluminium brasés pour les fonctions de rebouilleurs/condenseurs des colonnes à distiller, notamment le rebouilleur/condenseur de la double colonne avec de l'azote en condensation et de l'oxygène en vaporisation. Deux principes de fonctionnement de ces rebouilleurs/condenseurs ont été 15 proposés : en thermosiphon : c'est la solution la plus ancienne avec deux variantes : 1) Le corps du vaporiseur peut être disposé verticalement et complètement (ou partiellement) immergé dans un bain d'oxygène liquide. Cet oxygène liquide rentre en bas du vaporiseur est réchauffé jusqu'à son point de bulle puis est 20 vaporisé partiellement. Le taux de recirculation (débit de liquide en excès en sortie sur débit vaporisé) est très élevé pouvant aller de 5 à 100. Les dimensions des corps peuvent être de l'ordre de 1220 mm de largeur x 1200 mm d'empilage x 2000 mm de longueur. Un des inconvénients est que même si l'écart minimal dans l'échangeur peut être faible (0.3-0.4 C), l'écart apparent (écart entre la 25 température de l'azote qui rentre dans le rebouilleur condenseur et la température de l'oxygène vaporisé) reste élevé (1.2-1.6 C) à cause de la hauteur hydrostatique de liquide qui augmente la pression du dit liquide en bas de l'échangeur et donc sa température de vaporisation. On pourrait penser qu'il est possible de diminuer la hauteur hydrostatique en n'immergeant pas complètement le vaporiseur mais 30 on diminuerait alors la recirculation. Or il est dangereux de fonctionner à recirculation nulle (ou faible) car en vaporisant intégralement l'oxygène liquide (globalement ou localement), on atteint la limite de solubilité de 2 2891901 certains constituants lourds (hydrocarbures par exemple) dans la dernière goutte de liquide à vaporiser. Ces constituants lourds risquent de se déposer et d'entraîner une explosion dans le vaporiseur et la combustion de l'aluminium. 2) Le corps du vaporiseur est disposé horizontalement et complètement (ou 5 partiellement) immergé dans un bain d'oxygène liquide. Le fonctionnement est identique à celui du vaporiseur installé verticalement. En diminuant la hauteur hydrostatique, on améliore le fonctionnement côté oxygène. Par contre la conception des passages azote n'est pas évidente. Soit on limite la longueur du corps de l'échangeur (le corps est cubique) et on utilise le même plan de passage io que pour les corps verticaux, soit on garde la même longueur de corps (2000 mm voire plus) alors on est obligé de faire circuler l'azote horizontalement (sinon les distributeurs prendraient toute la hauteur du corps) à courant croisé ce qui entraîne une dissymétrie de chauffage qui peut pénaliser la performance ainsi que des défauts d'évacuation de l'azote liquide (la gravité l'entraînant vers le bas des is passages) qui pénalise aussi localement le coefficient d'échange. - en film : solution plus récente décrite notamment dans US-A-4599097. Le liquide est distribué sur des plaques verticales. La pression hydrostatique ne pénalise plus alors l'échange et on peut obtenir des écarts faibles (inférieurs à 1 C). Cependant si l'on veut assurer un excès de liquide en sortie de l'échangeur 20 pour éviter la vaporisation à sec et le dépôt de constituants lourds, une pompe est nécessaire. Autrement, le fonctionnement est potentiellement dangereux pour les même raisons que les rebouilleurs/condenseurs. EP-A-1008826 propose un vaporiseur à film dans lequel l'échangeur comprend des passages définis par des plaques parallèles. Les passages de 25 vaporisation de liquide contiennent des passages auxiliaires ne comprenant que des surfaces courbes, par exemple des tubes cylindriques. Par ailleurs, deux types de conception existent : rebouilleur/condenseur à l'intérieur d'une colonne ou d'une virole ou vaporiseur dit extérieur, décrit par exemple dans US-A5333683. optionally condensing fluid in a heat exchanger and an installation for separating a mixture of fluids by cryogenic distillation comprising at least one heat exchanger operating according to such a method. In particular, it relates to a method of vaporization and possibly condensation of air gas in an installation for separating air gases by cryogenic distillation. Air separation units have for a very long time used brazed aluminum plate heat exchangers for the reboiler / condenser functions of the distillation columns, in particular the double-column reboiler / condenser with nitrogen in it. condensation and oxygen spraying. Two principles of operation of these reboilers / condensers have been proposed: thermosiphon: this is the oldest solution with two variants: 1) The body of the vaporizer can be arranged vertically and completely (or partially) immersed in a bath of water. liquid oxygen. This liquid oxygen enters the bottom of the vaporizer is warmed to its bubble point and then vaporized partially. The recirculation rate (excess flow of liquid output on vaporized flow) is very high, ranging from 5 to 100. The dimensions of the bodies can be of the order of 1220 mm wide x 1200 mm stacking x 2000 mm length. One of the disadvantages is that even if the minimum gap in the exchanger can be small (0.3-0.4 C), the apparent difference (difference between the temperature of the nitrogen that enters the reboiler condenser and the temperature of the vaporized oxygen) remains high (1.2-1.6 C) because of the hydrostatic liquid height which increases the pressure of said liquid at the bottom of the exchanger and therefore its vaporization temperature. It may be thought that it is possible to reduce the hydrostatic head by not completely immersing the vaporizer, but the recirculation would be reduced. However it is dangerous to operate with zero (or low) recirculation because by vaporizing liquid oxygen (globally or locally), the solubility limit of certain heavy constituents (hydrocarbons for example) in the last drop of liquid is reached. to spray. These heavy constituents may settle and cause an explosion in the vaporizer and combustion of aluminum. 2) The body of the vaporizer is disposed horizontally and completely (or partially) immersed in a bath of liquid oxygen. The operation is identical to that of the vertically installed vaporizer. By decreasing the hydrostatic head, the oxygen side operation is improved. On the other hand, the design of the nitrogen passages is not obvious. Either we limit the length of the body of the heat exchanger (the body is cubic) and we use the same plane of passage io as for the vertical bodies, or we keep the same length of body (2000 mm or more) then we are obliged to circulate the nitrogen horizontally (otherwise the dispensers would take the whole height of the body) with crossed current which causes a dissymmetry of heating which can penalize the performance as well as defects of evacuation of the liquid nitrogen (the gravity the driving down the passages) which also locally penalizes the exchange coefficient. - In film: more recent solution described in particular in US-A-4599097. The liquid is distributed on vertical plates. The hydrostatic pressure no longer penalizes the exchange and small differences (less than 1 C) can be obtained. However, if it is desired to ensure an excess of liquid at the outlet of the exchanger 20 to avoid dry vaporization and the deposition of heavy constituents, a pump is necessary. Otherwise, operation is potentially dangerous for the same reasons as reboilers / condensers. EP-A-1008826 proposes a film vaporizer in which the exchanger comprises passages defined by parallel plates. The liquid vaporization passages contain auxiliary passages comprising only curved surfaces, for example cylindrical tubes. Moreover, two types of design exist: reboiler / condenser inside a column or a shell or external vaporizer, described for example in US-A5333683.
30 L'objet de l'invention est de proposer un procédé de condensation et/ou vaporisation utilisant un échangeur de chaleur qui pallie les défauts de l'art 3 2891901 antérieur et plus généralement un procédé d'échange de chaleur alternatif à celui réalisé dans un échangeur à plaques en aluminium brasé, dérivé de la technologie actuellement utilisée dans les radiateurs automobiles. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de vaporisation et 5 éventuellement de condensation d'au moins un fluide dans un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins un tube et d'au moins une onde pliée, l'onde et le tube étant de préférence brasés l'un avec l'autre, et dans lequel un fluide, éventuellement à condenser, circule à l'intérieur d'au moins un tube et un autre fluide à vaporiser circule dans des canaux générés par des ondes. io Le procédé selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le pliage des ondes est sensiblement parallèle à l'axe des tubes ; - les tubes et ondes sont en aluminium, pur ou allié ; - les tubes et ondes sont en alliage à base de cuivre ; 15 les tubes et ondes sont en alliage à base de fer ; - les tubes sont oblongs et/ou aplatis ; - une partie de la surface d'échange soit à l'intérieur des tubes ; - le tube a des canaux parallèles à l'intérieur comprenant des deux parois plates parallèles et des parois internes reliés aux deux parois plates et définissant 20 les canaux parallèles ; - la surface d'échange à l'intérieur des tubes est obtenue par pliage, par extrusion ou par des inserts de préférences brasés par exemple des ondes ; et - les ondes sont perforées, droites, serrated et/ou à persiennes. Alternativement, on pourrait imaginer que la vaporisation se réalise dans les 25 tubes et l'invention aurait alors pour objet un procédé de vaporisation et éventuellement de condensation d'au moins un fluide dans un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins un tube et d'au moins une onde pliée, l'onde et le tube étant de préférence brasés l'un avec l'autre, et dans lequel 4 2891901 un fluide, à vaporiser, circule à l'intérieur d'au moins un tube et un autre fluide éventuellement à vaporiser circule dans des canaux générés par des ondes. L'invention vise plus particulièrement un procédé de vaporisation d'au moins un liquide dérivé de l'air et éventuellement de condensation d'au moins un gaz 5 dérivé de l'air, ou qui est de l'air, tel que décrit précédemment. L'invention vise également un procédé de vaporisation d'au moins un liquide ayant comme composant principal du méthane et/ou du monoxyde de carbone et/ou de l'hydrogène, et éventuellement de condensation d'au moins un gaz ayant comme composant principal du méthane et/ou du monoxyde de carbone et/ou de io l'hydrogène, tel que décrit précédemment. L'invention vise enfin une installation de séparation d'un mélange de fluide par distillation cryogénique dans au moins une colonne ayant au moins un échangeur de chaleur opérant selon un procédé d'échange de chaleur dans un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins un tube et d'au 15 moins une onde pliée, l'onde et le tube étant de préférence brasés l'un avec l'autre, et dans lequel un fluide circule à l'intérieur d'au moins un tube et un autre fluide circule autour de l'onde, l'un se réchauffant alors que l'autre se refroidit. . De préférence, au moins l'un des échangeurs de chaleur d'une telle installation et de l'un des types ci-dessous : 20 i) un vaporiseur-condenseur permettant la vaporisation d'un liquide par échange de chaleur avec un gaz qui se condense à l'intérieur ou à l'extérieur d'une colonne de distillation ou ; ii) un sous-refroidisseur ou ; iii) un réchauffeur d'un gaz de régénération d'une unité d'épuration utilisée 25 pour épurer le mélange à distiller ou ; iv) un déphlegmateur ou ; v) un échangeur de chaleur ayant des passages permettant le refroidissement du mélange à distiller à une température cryogénique ou ; vi) un échangeur de refroidissement d'un inter-étage d'un compresseur du 30 mélange à distiller ou d'un produit de la distillation.The object of the invention is to provide a method of condensation and / or vaporization using a heat exchanger which overcomes the defects of the prior art 2891901 and more generally a method of heat exchange alternative to that carried out in a brazed aluminum plate heat exchanger, derived from the technology currently used in automotive radiators. For this purpose, the subject of the invention is a method of vaporizing and possibly condensing at least one fluid in a heat exchanger consisting of a stack of at least one tube and at least one folded wave, the wave and the tube being preferably brazed with each other, and in which a fluid, possibly to be condensed, circulates inside at least one tube and another fluid to be vaporized circulates in generated channels by waves. The method according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics: the folding of the waves is substantially parallel to the axis of the tubes; the tubes and waves are made of aluminum, pure or alloyed; the tubes and waves are made of copper alloy; The tubes and waves are made of iron-based alloy; the tubes are oblong and / or flattened; a portion of the exchange surface is inside the tubes; the tube has parallel channels inside comprising two parallel flat walls and inner walls connected to the two flat walls and defining the parallel channels; - The exchange surface inside the tubes is obtained by folding, extrusion or brazed preference inserts for example waves; and the waves are perforated, straight, serrated and / or louvered. Alternatively, one could imagine that the vaporization is carried out in the tubes and the invention would then relate to a method of vaporization and possibly condensation of at least one fluid in a heat exchanger consisting of a stack of at least a tube and at least one folded wave, the wave and the tube being preferably brazed to each other, and wherein a fluid, to vaporize, circulates within at least one tube and another fluid possibly to be vaporized circulates in channels generated by waves. The invention more particularly relates to a method of vaporization of at least one liquid derived from air and optionally of condensation of at least one gas 5 derived from air, or which is air, as previously described. . The invention also relates to a method of vaporization of at least one liquid having, as main component, methane and / or carbon monoxide and / or hydrogen, and optionally of condensation of at least one gas whose main component is methane and / or carbon monoxide and / or hydrogen as previously described. The invention finally relates to an installation for separating a fluid mixture by cryogenic distillation in at least one column having at least one heat exchanger operating according to a heat exchange method in a heat exchanger consisting of a stack of at least one tube and at least one folded wave, the wave and the tube being preferably brazed with each other, and wherein a fluid circulates within at least one tube and another fluid circulates around the wave, one warming while the other is cooling. . Preferably, at least one of the heat exchangers of such an installation and one of the following types: i) a vaporizer-condenser allowing the vaporization of a liquid by heat exchange with a gas which condenses on the inside or outside of a distillation column or; ii) a subcooler or; iii) a regeneration gas heater of a purification unit used to purify the mixture to be distilled or; iv) a dephlegmator or; v) a heat exchanger having passages for cooling the mixture to be distilled at a cryogenic temperature or; vi) a cooling exchanger of an inter-stage of a compressor of the mixture to be distilled or a product of the distillation.
5 2891901 M Les avantages d'une telle solution sont multiples : 1) La production des échangeurs pourra bénéficier des infrastructures disponibles pour la production de radiateurs automobiles permettant une diminution très substantielle du coût et délais de fabrication de ces échangeurs.The advantages of such a solution are numerous: 1) The production of the exchangers will be able to benefit from the infrastructures available for the production of automobile radiators allowing a very substantial reduction in the cost and time of manufacture of these exchangers.
5 Aujourd'hui, il faut plusieurs mois pour concevoir et fabriquer des corps en aluminium brasés. En utilisant la technologie des radiateurs automobiles, une fois définies des tailles standards, la fabrication ne nécessitera que quelques jours. 2) Cette technologie permettra aussi d'offrir d'autres alternatives au niveau des matériaux. Certes, l'aluminium restera une possibilité mais des échangeurs lo en cuivre/bronze ou en aciers inoxydables seront possibles à réaliser. Du même coup, en s'affranchissant du risque de combustion de l'aluminium (en utilisant par exemple des alliages à base de cuivre), l'utilisation de rebouilleurs, condenseur à film est rendue plus sure. 3) En utilisant la technologie classique des échangeurs à plaques en 15 aluminium brasé, lorsque l'on cherche à les mettre dans la virole circulaire d'une colonne à distiller, la section utile (zone d'échange) n'occupe qu'environ 50 % de la section de la colonne ; en utilisant cette technologie de type radiateur , on n'a plus besoin de mettre les boîtes et collecteurs à la même altitude que les corps d'échanges. Ceux-ci peuvent être placés avantageusement au-dessus et 20 au-dessous des échangeurs. 4) En ne brasant plus des corps de grande dimension et en utilisant des alliages à base de cuivre, on ne risque plus d'avoir des affaissements d'ondes ni de risque de combustion de l'aluminium car le matériau est beaucoup plus résistant et ne dégageant pas d'énergie en cas de combustion, on peut donc 25 réduire considérablement l'épaisseur des ondes côté vaporisation (jusqu'à 50 pm). Néanmoins, même si la technologie des radiateurs automobiles peut être utilisée, certaines adaptations sont nécessaires pour la rendre encore plus intéressante pour un usage en rebouilleur/condenseur : 30 1) Remplacement du courant-croisé par du contre-courant dans le cas d'une vaporisation en thermosiphon : 6 2891901 Les collecteurs sont placés verticalement dans un radiateur d'automobile. Dans un rebouilleur-condenseur de type thermosiphon, dans lequel le sens du fluide en condensation dans les tubes est à contre-courant du sens du fluide se vaporisant dans les canaux générés par les ondes, du fait de la condensation 5 dans les tubes, on placera le collecteur gaz en haut et le collecteur liquide en bas, de manière à faciliter l'écoulement par gravité du liquide. 2) Remplacement du courant-croisé par du co-courant dans le cas d'une vaporisation en film Dans ce cas, le sens du fluide en condensation dans les tubes est à co-courant io du sens du fluide se vaporisant dans les canaux générés par les ondes et un dispositif d'alimentation du liquide à vaporiser doit être ajouté en haut des ondes. 3) Dans un radiateur, on refroidit souvent de l'eau dans les tubes contre de l'air dans les ondes. Comme le coefficient d'échange côté air est nettement plus faible que côté eau (au moins un facteur 10), on augmente la surface d'échange 15 côté air grâce aux ondes. Dans le cas de la vaporisation/condensation, les coefficients d'échange des deux côtés sont du même ordre de grandeur. On a donc intérêt à avoir des surfaces d'échange similaires d'où la solution qui consiste à avoir de la surface supplémentaire à l'intérieur des tubes : inserts, ondes brasées (ou non), pliages, extrusion... (brevet US 6241012). 20 4) Une telle structure pourrait aussi fonctionner en déphlegmateur. Enfin, l'utilisation d'échangeurs dérivés de la technologie de radiateur automobile dans la séparation des gaz par distillation cryogénique, ne se limite pas aux vaporiseurs-condenseurs, qui vaporisent un fluide par échange de chaleur avec un autre fluide qui se condense, mais peut aussi être utilisée pour : 25 - les réchauffeurs de gaz de régénération des unités d'épuration ; les sous-refroidisseurs ; - échangeurs principaux, notamment pour vaporiser sous pression de l'oxygène gazeux dans des tubes en alliage à base de cuivre vis à vis d'air qui se condense ; 30 - les échangeurs de refroidissement inter-étage des compresseurs.Today, it takes several months to design and manufacture brazed aluminum bodies. By using automotive radiator technology, once defined standard sizes, manufacturing will only take a few days. 2) This technology will also offer other alternatives in terms of materials. Admittedly, aluminum will remain a possibility but lo copper / bronze or stainless steel exchangers will be possible to achieve. At the same time, by avoiding the risk of burning aluminum (using for example copper-based alloys), the use of reboilers, film condenser is made safer. 3) Using the conventional technology of brazed aluminum plate heat exchangers, when one seeks to put them in the circular shell of a distillation column, the useful section (exchange zone) occupies only about 50% of the section of the column; using this type of radiator technology, we no longer need to put the boxes and collectors at the same altitude as the exchange bodies. These can be advantageously placed above and below the exchangers. 4) By no longer brazing large bodies and using copper-based alloys, there is no longer a risk of sagging or risk of burning aluminum because the material is much more resistant and since it does not give off energy in the event of combustion, the thickness of the waves on the vaporisation side (up to 50 μm) can be considerably reduced. Nevertheless, even if automotive radiator technology can be used, some adaptations are necessary to make it even more interesting for reboiler / condenser use: 1) Cross-current replacement by countercurrent in the case of a vaporization in thermosyphon: 6 2891901 The collectors are placed vertically in a car radiator. In a thermosiphon reboiler-condenser, in which the direction of the condensing fluid in the tubes is counter-current to the direction of the fluid vaporizing in the channels generated by the waves, because of the condensation in the tubes, place the gas manifold at the top and the liquid collector at the bottom, so as to facilitate the gravity flow of the liquid. 2) Replacement of the cross-current by co-current in the case of a film vaporization In this case, the direction of the condensing fluid in the tubes is co-current of the direction of the fluid vaporizing in the generated channels by the waves and a device for supplying the liquid to be vaporized must be added at the top of the waves. 3) In a radiator, water is often cooled in the tubes against air in the waves. Since the air-side exchange coefficient is significantly lower than the water side (at least a factor of 10), the air-side exchange surface is increased by the waves. In the case of vaporization / condensation, the exchange coefficients of both sides are of the same order of magnitude. It is therefore advantageous to have similar exchange surfaces hence the solution of having additional surface inside the tubes: inserts, brazed waves (or not), bends, extrusion ... (US Patent 6241012). 4) Such a structure could also work as a dephlegmator. Finally, the use of exchangers derived from automotive radiator technology in cryogenic distillation gas separation, is not limited to vaporizers-condensers, which vaporize a fluid by heat exchange with another fluid that condenses, but can also be used for: - the regeneration gas heaters of the purification units; subcoolers; - Main exchangers, in particular for vaporizing oxygen gas under pressure in air-conductive copper-based alloy tubes; The interstage cooling exchangers of the compressors.
7 2891901 Des modes particuliers de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue de face en élévation d'un échangeur de chaleur d'un premier type selon l'invention ; 5 - la Figure 2 est une vue en perspective schématique d'un échangeur de chaleur pour la mise en ceuvre du procédé conforme à l'invention ; - la Figure 3 est une vue en perspective, à plus grande échelle et selon la même direction, d'une partie de l'échangeur représenté sur la Figure 1, selon un premier mode de réalisation ; io - la Figure 4 est une vue en perspective représentant un tronçon de tube de l'échangeur de la Figure 2, selon un deuxième mode de réalisation ; - la Figure 5 est une vue en coupe, dans un plan vertical, d'un empilement de tubes et d'ondes d'un échangeur de chaleur selon un troisième mode de réalisation; et 15 - les Figures 6 et 7 sont des vues schématiques, respectivement de dessus et de face, d'un rebouilleur-condenseur d'une installation selon l'invention, qui contient des échangeurs d'un deuxième type, analogue au premier représenté sur les Figures 1 et 2. Sur la Figure 1 , on a représenté schématiquement un échangeur de chaleur 20 1, de structure analogue à celle des échangeurs utilisés dans les circuits de refroidissement de véhicules automobiles. Pour la commodité de la description qui va suivre, les Figures 1 à 5 seront orientées suivant le repère orthogonal X, Y, Z, dans lequel : - les axes X et Z définissent le plan vertical de la Figure 1 et les directions 25 principales dans lesquelles s'étend l'échangeur 1, l'axe X étant supposé horizontal, et l'axe Z étant supposé vertical ; et - l'axe Y est l'axe horizontal transversal. L'échangeur représenté sur la Figure 1 comprend essentiellement d'une part un empilement de tubes allongés 3, espacés et parallèles entre eux, et s'étendant 8 2891901 horizontalement suivant l'axe X, et d'autre part des ailettes oblongues pliées (non visibles sur la Figure 1 ), agencées dans les intervalles compris entre deux tubes 3 consécutifs. Les tubes 3 sont reliés, à l'une de leurs extrémités, à une colonne de 5 distribution 5, et à leur autre extrémité à une colonne collectrice 7. Les deux colonnes 5, 7 sont formées de conduites tubulaires verticales en communication de fluide avec chacun des tubes 3. De manière préférentielle, les tubes 3 sont brasés sur les colonnes 5, 7 qui ont été préalablement formées pour permettre aux tubes 3 de s'emboîter dans les dites colonnes. Ces colonnes ne sont pas io forcément de forme cylindrique. Il peut s'agir d'une plaque tubulaire emboutie pour permettre l'emboîtement des tubes sur laquelle auront été de manière préférentielle brasés les tubes et sur laquelle une boîte typiquement de forme demi-cylindrique sera attachée par exemple par soudage après l'opération de brasage.Particular embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a front elevational view of a heat exchanger of a first type according to the invention; ; Figure 2 is a schematic perspective view of a heat exchanger for carrying out the process according to the invention; - Figure 3 is a perspective view, on a larger scale and in the same direction, of a portion of the exchanger shown in Figure 1, according to a first embodiment; Figure 4 is a perspective view showing a tube section of the exchanger of Figure 2, according to a second embodiment; - Figure 5 is a sectional view, in a vertical plane, of a stack of tubes and waves of a heat exchanger according to a third embodiment; and FIGS. 6 and 7 are diagrammatic views, respectively from above and from the front, of a reboiler-condenser of an installation according to the invention, which contains exchangers of a second type, similar to the first shown on FIG. Figures 1 and 2. In Figure 1, there is shown schematically a heat exchanger 20 1 structure similar to that of the exchangers used in the cooling circuits of motor vehicles. For the convenience of the following description, FIGS. 1 to 5 will be oriented according to the orthogonal coordinate system X, Y, Z, in which: the X and Z axes define the vertical plane of FIG. 1 and the principal directions in FIG. which extends the exchanger 1, the X axis being assumed horizontal, and the Z axis being assumed vertical; and - the Y axis is the transverse horizontal axis. The exchanger shown in FIG. 1 essentially comprises on the one hand a stack of elongated tubes 3, spaced apart and parallel to one another, and extending horizontally along the axis X, and on the other hand folded oblong fins ( not visible in Figure 1), arranged in the intervals between two consecutive tubes 3. The tubes 3 are connected, at one of their ends, to a distribution column 5, and at their other end to a collecting column 7. The two columns 5, 7 are formed of vertical tubular conduits in fluid communication with each of the tubes 3. Preferably, the tubes 3 are brazed on the columns 5, 7 which have been previously formed to allow the tubes 3 to fit into said columns. These columns are not necessarily of cylindrical shape. It may be a tubular plate stamped to allow the tubes to be interlocked on which the tubes will have been preferably brazed and on which a box of typically half-cylindrical shape will be attached for example by welding after the operation of brazing.
15 La colonne de distribution 5 est équipée, dans une partie supérieure, d'un raccord 9 d'entrée de fluide permettant d'alimenter l'échangeur 1 en un premier fluide. La colonne collectrice 7 est pourvue, de façon correspondante, dans une partie inférieure, d'un raccord de sortie 11 assurant l'évacuation du premier fluide 20 de l'échangeur 1. Les raccords 9, 11 ont été représentés de façon schématique sur la Figure 2. Comme celui de la Figure 1, l'échangeur représenté sur la Figure 2 comprend essentiellement d'une part un empilement de tubes allongés 3, 25 espacés et parallèles entre eux, et d'autre part des ailettes oblongues pliées (non visibles sur la Figure 2 ), agencées dans les intervalles compris entre deux tubes 3 consécutifs. Or dans le cas de l'invention, les tubes allongés 3 s'étendent verticalement suivant l'axe Z et la direction d'ondulation ou de pliage des ailettes 17 de la Figure 2 est parallèle à l'axe longitudinal des tubes 3, c'est-à-dire l'axe 30 Y ; 9 2891901 Les tubes 3 sont reliés, à leur extrémité supérieure, à une colonne de distribution 5, et à leur autre extrémité à une colonne collectrice 7. Les deux colonnes 5, 7 sont formées de conduites tubulaires verticales placées horizontalement et en communication de fluide avec chacun des tubes 3. De 5 manière préférentielle, les tubes 3 sont brasés sur les colonnes 5, 7 qui ont été préalablement formées pour permettre aux tubes 3 de s'emboîter dans les dites colonnes. Ces colonnes ne sont pas forcément de forme cylindrique. Il peut s'agir d'une plaque tubulaire emboutie pour permettre l'emboîtement des tubes sur laquelle auront été de manière préférentielle brasés les tubes et sur laquelle une io boîte typiquement de forme demi-cylindrique sera attachée par exemple par soudage après l'opération de brasage. La colonne de distribution 7 est équipée, à gauche, d'un raccord 11 d'entrée permettant d'alimenter l'échangeur 1 en un premier fluide sous forme gazeuse. Le raccord s'étend perpendiculairement à l'axe de la colonne de distribution et à 15 l'axe des tubes. Ce raccord pourrait néanmoins s `étendre dans une autre direction, par exemple selon l'axe Z ou éventuellement Y. La colonne collectrice 5 est pourvue, de façon correspondante, dans une partie inférieure, d'un raccord de sortie 9 assurant l'évacuation du premier fluide de l'échangeur 1. Le raccord s'étend perpendiculairement à l'axe de la colonne de 20 distribution et à l'axe des tubes. Ce raccord pourrait néanmoins s `étendre dans une autre direction, par exemple selon l'axe Z ou éventuellement Y. Les raccords 9, 11 ont été représentés de façon schématique sur la Figure 2. Dans le cas d'une vaporisation en thermosiphon, un fluide à vaporiser (un 25 deuxième fluide) circule au travers de l'ailette 17, selon une direction verticale ascendante (c'est-à-dire qu'on fait circuler le fluide à vaporiser dans les canaux générés par les ondes), et on fait circuler un fluide de température plus élevée (premier fluide), à l'intérieur des tubes 3 selon une direction verticale descendante.The distribution column 5 is equipped, in an upper part, with a fluid inlet connector 9 for supplying the exchanger 1 with a first fluid. The collecting column 7 is correspondingly provided, in a lower part, with an outlet connection 11 ensuring the evacuation of the first fluid 20 from the exchanger 1. The connections 9, 11 have been schematically represented on the Figure 2. Like that of Figure 1, the exchanger shown in Figure 2 essentially comprises firstly a stack of elongate tubes 3, 25 spaced and parallel to each other, and second oblong elbows folded (not visible in Figure 2), arranged in the intervals between two consecutive tubes 3. However, in the case of the invention, the elongate tubes 3 extend vertically along the Z axis and the direction of waviness or folding of the fins 17 of FIG. 2 is parallel to the longitudinal axis of the tubes 3, c that is, the Y axis; The tubes 3 are connected, at their upper end, to a distribution column 5, and at their other end to a collecting column 7. The two columns 5, 7 are formed of vertical tubular conduits placed horizontally and in fluid communication. with each of the tubes 3. Preferably, the tubes 3 are brazed to the columns 5, 7 which have been previously formed to allow the tubes 3 to fit into said columns. These columns are not necessarily cylindrical. It can be a stamped tubular plate to allow the tubes to be interlocked on which the tubes have preferably been brazed and on which a box of typically half-cylindrical shape will be attached for example by welding after the operation. brazing. The distribution column 7 is equipped, on the left, with an inlet connector 11 making it possible to supply the exchanger 1 with a first fluid in gaseous form. The connector extends perpendicularly to the axis of the distribution column and to the axis of the tubes. This connection could nevertheless extend in another direction, for example along the Z axis or possibly Y. The collecting column 5 is correspondingly provided, in a lower part, with an outlet connection 9 ensuring the evacuation. of the first fluid of the exchanger 1. The connection extends perpendicularly to the axis of the distribution column and to the axis of the tubes. This connection could nevertheless extend in another direction, for example along the Z axis or possibly Y. The connections 9, 11 have been shown schematically in FIG. 2. In the case of a thermosiphon vaporization, a spray fluid (a second fluid) flows through fin 17 in an upward vertical direction (i.e., the fluid to be vaporized is circulated through the channels generated by the waves), and a fluid of higher temperature (first fluid) is circulated inside the tubes 3 in a downward vertical direction.
30 Dans le cas d'une vaporisation en film, un fluide éventuellement à condenser circule au travers de l'ailette 17, selon une direction verticale 2891901 descendante (c'est-à-dire qu'on fait circuler le fluide éventuellement à condenser dans les canaux générés par les ondes), et on fait circuler un fluide de température plus faible à vaporiser, à l'intérieur des tubes 3 selon une direction verticale descendante.In the case of a film vaporization, a fluid possibly to be condensed circulates through the fin 17, in a downward vertical direction 2891901 (that is to say that the fluid possibly to be condensed is circulated in the channels generated by the waves), and circulating a lower temperature fluid to vaporize, inside the tubes 3 in a downward vertical direction.
5 Sur la Figure 3, on a représenté un tronçon d'une partie de l'échangeur 1 de la Figure 1, constituée de deux tubes 3 consécutifs, et d'une ailette ondulée 17 ménagée entre ces deux tubes. Comme cela est apparent sur cette Figure, les tubes 3 ont une section courante, dans le plan vertical XY, de forme allongée transversalement, suivant io l'axe X, de sorte qu'ils possèdent chacun deux faces opposées sensiblement planes et parallèles. En d'autres termes, les tubes 3 ont une section oblongue suivant l'axe transversal X, et de forme aplatie. L'ailette 17 est ondulée selon une direction d'ondulation ou de pliage Y, perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes 3. L'ailette 17 est fixée aux tubes 3, de préférence par brasage, au niveau de ses sommets 19. Cette opération de brasage peut être concomitante au brasage des tubes 3 sur les colonnes 5,7. Les ailettes 17 peuvent être de tout type adapté, par exemple de l'un parmi les types suivants, couramment utilisés dans les échangeurs de chaleur à plaques, à savoir : les ailettes perforées, droites, serrated (à décalage partiel), herringbone (en zigzag) et à persiennes. Les ailettes 17 peuvent avoir, en section dans le plan YZ, une forme sinusoïdale, en créneau, ou triangulaire, ou encore présenter tout autre type adapté de motif géométrique. Le diamètre hydraulique des canaux formés par les ailettes 17 est 25 typiquement entre 100 pm et 10 mm. Ces ailettes peuvent être en tôles pleines, en tôles perforées, en métal fritté ou tout autre structure métallique (mousse, ...). Les tubes 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisés en aluminium pur ou allié. En variante, les tubes 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisées en alliage à 30 base de cuivre.In Figure 3, there is shown a portion of a portion of the exchanger 1 of Figure 1, consisting of two consecutive tubes 3, and a corrugated fin 17 formed between these two tubes. As is apparent from this Figure, the tubes 3 have a running section, in the vertical plane XY, of elongated shape transversely along the X axis, so that they each have two substantially planar and parallel opposite faces. In other words, the tubes 3 have an oblong section along the transverse axis X, and of flattened shape. The fin 17 is corrugated in a direction of corrugation or folding Y, perpendicular to the longitudinal axis of the tubes 3. The fin 17 is fixed to the tubes 3, preferably by soldering, at its vertices 19. This brazing operation may be concomitant with the brazing of the tubes 3 on the columns 5.7. The fins 17 may be of any suitable type, for example one of the following types, commonly used in plate heat exchangers, namely: perforated, straight, serrated (partially offset), herringbone (in zigzag) and shutters. The fins 17 may have, in section in the YZ plane, a sinusoidal, crenellated or triangular shape, or may have any other suitable type of geometric pattern. The hydraulic diameter of the channels formed by the fins 17 is typically between 100 μm and 10 mm. These fins may be of solid sheets, perforated sheets, sintered metal or any other metal structure (foam, ...). The tubes 3 and the fins 17 may be made of pure aluminum or alloyed. Alternatively, the tubes 3 and the fins 17 may be made of copper base alloy.
11 2891901 En autre variante, les tubes 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisées en alliage à base de fer. L'échangeur 1 de la Figure 2 comporte des ailettes 17 orientées non plus selon l'axe X mais selon l'axe Z.In another variant, the tubes 3 and the fins 17 may be made of iron-based alloy. The exchanger 1 of FIG. 2 comprises fins 17 oriented no longer along the X axis but along the Z axis.
5 Dans l'exemple de la Figure 4, le volume intérieur délimité par chaque tube est divisé en deux longitudinalement. Pour cela, le tube 103 a sa face supérieure découpée suivant une ligne longitudinale médiane, les deux bords 21, 22 séparés par cette ligne étant rabattus vers l'intérieur du tube et soudés sur la paroi inférieure. Les bandes ainsi rabattues sont jointives et forment une double paroi io de séparation entre les deux compartiments longitudinaux 103A, 103B ainsi définis. Ces compartiments sont appelés canaux. Le soudage des bords 21, 22 sur la paroi inférieure peut par exemple être réalisée au laser. Un échangeur de chaleur constitué à partir de tubes de ce type est 15 susceptible de mieux résister à la pression du fluide circulant dans les canaux 103A, 103B car de dimension plus réduite que le tube 3. Une telle conception peut être utilisée pour générer un nombre de canaux supérieur à 2. Accessoirement, un échangeur de chaleur constitué à partir de tubes de ce type est susceptible de fonctionner avec trois fluides différents, l'un circulant 20 autour des ailettes, un autre circulant dans l'un 103A des canaux, et le dernier circulant dans l'autre 1038 des canaux. Dans les deux canaux 103A, 103B, on peut ainsi faire circuler deux fluides différents entre lesquels se produit un échange de chaleur, de sorte qu'une partie de la surface d'échange, qui est obtenue par le pliage des bords 21, 22, se trouve à l'intérieur du tube 103. Sur la Figure 5, on a illustré une autre forme de réalisation d'un empilement de tubes et d'ailettes, adaptées pour la mise en ceuvre du procédé conforme à l'invention. Dans cet empilement, les tubes 203 sont également des tubes de section allongée transversalement, à faces opposées planes et parallèles. Leur volume 12 2891901 intérieur est cependant divisé en une pluralité de canaux longitudinaux 203A parallèles, séparés par des parois planes 23 parallèles entre elles, ici verticales. Le diamètre hydraulique de ces canaux est typiquement entre 100 pm et 10 mm. Les parois 23 peuvent être venues de matière avec les parois extérieures du 5 tube 203, par exemple par extrusion, ou encore être constituées d'inserts, de préférence brasés. Ces inserts peuvent être très similaires aux ailettes 17. Dans l'exemple représenté, chaque couche de tubes est constituée de deux tubes parallèles adjacents agencés dans un même plan. Ainsi, une partie de la surface d'échange se trouve à l'intérieur des tubes io 203. Eventuellement, une paroi 204 entoure les tubes 203 et les ailettes 17 de manière à rendre l'échangeur étanche vis-à-vis de son environnement. Cette paroi peut être brasée sur les tubes 203 ou simplement cerclée autour des tubes 203.In the example of Figure 4, the interior volume delimited by each tube is divided in two longitudinally. For this, the tube 103 has its upper face cut along a median longitudinal line, the two edges 21, 22 separated by this line being folded towards the inside of the tube and welded to the bottom wall. The strips thus folded are contiguous and form a double wall separation io between the two longitudinal compartments 103A, 103B thus defined. These compartments are called channels. The welding of the edges 21, 22 on the bottom wall can for example be performed by laser. A heat exchanger formed from tubes of this type is likely to withstand the pressure of the fluid flowing in the channels 103A, 103B because of smaller size than the tube 3. Such a design can be used to generate a number more than 2. Also, a heat exchanger formed from such tubes is capable of operating with three different fluids, one circulating around the fins, another flowing in one of the channels 103A, and the last flowing in the other 1038 channels. In the two channels 103A, 103B, it is thus possible to circulate two different fluids between which heat exchange occurs, so that a part of the exchange surface, which is obtained by folding the edges 21, 22, is located inside the tube 103. In Figure 5, there is illustrated another embodiment of a stack of tubes and fins, adapted for the implementation of the method according to the invention. In this stack, the tubes 203 are also cross-sectionally elongate tubes with opposite flat and parallel faces. Their internal volume, however, is divided into a plurality of parallel longitudinal channels 203A, separated by plane walls 23 parallel to each other, here vertical. The hydraulic diameter of these channels is typically between 100 μm and 10 mm. The walls 23 may be integral with the outer walls of the tube 203, for example by extrusion, or may consist of inserts, preferably brazed. These inserts may be very similar to the fins 17. In the example shown, each layer of tubes consists of two adjacent parallel tubes arranged in the same plane. Thus, a portion of the exchange surface is located inside the tubes 203. Optionally, a wall 204 surrounds the tubes 203 and the fins 17 so as to make the heat exchanger vis-à-vis its environment . This wall can be brazed on the tubes 203 or simply circled around the tubes 203.
15 Dans la forme de réalisation de la Figure 5, et contrairement à la forme de réalisation de la Figure 3, le fluide à vaporiser qui circule autour de l'onde 17, circule de façon parallèle aux fluides à condenser circulant dans les tubes 203. De préférence, les fluides à condenser d'une part, et le fluide à vaporiser d'autre part, seront mis en circulation dans des sens contraires.In the embodiment of FIG. 5, and contrary to the embodiment of FIG. 3, the fluid to be vaporized circulating around the wave 17 circulates in parallel with the fluids to be condensed circulating in the tubes 203. Preferably, the fluids to be condensed on the one hand, and the fluid to vaporize on the other hand, will be circulated in opposite directions.
20 Sur les Figures 6 et 7, on a représenté schématiquement une partie de l'installation conforme à l'invention, qui comprend, à l'intérieur d'une virole 31 de forme générale cylindrique, une série d'échangeurs 301a-301n de même type, analogue à celui des Figures 1 et 2. Pour ces Figures, le repère orthogonal Xo, Yo, Zo représenté est défini de la 25 façon suivante : - l'axe Zo est l'axe vertical orienté de bas en haut ; - l'axe Xo est l'axe horizontal définissant avec l'axe Zo les plans principaux dans lesquels s'étendent les échangeurs 301 ; et -l'axe Yo est l'axe horizontal orthogonal à l'axe Xo.FIGS. 6 and 7 diagrammatically show part of the installation according to the invention, which comprises, inside a ferrule 31 of generally cylindrical shape, a series of heat exchangers 301a-301n of Same type, analogous to that of Figures 1 and 2. For these figures, the orthogonal coordinate system Xo, Yo, Zo shown is defined as follows: the axis Zo is the vertical axis oriented from bottom to top; the axis Xo is the horizontal axis defining with the axis Zo the principal planes in which the exchangers 301 extend; and the axis Yo is the horizontal axis orthogonal to the axis Xo.
13 2891901 Les échangeurs 301a-301n sont tous disposés parallèlement et centrés sur un plan diamétral de la virole cylindrique 31, comme cela est visible sur la Figure 6. La longueur de chaque échangeur 301a-n est ajustée à la longueur, suivant l'axe Xo, de la section verticale de la virole 31 sur l'axe Yo. C'est ainsi que la s longueur selon l'axe Xo des échangeurs 301a-301n croît vers l'axe central Zo de la virole cylindrique 31. Contrairement à l'orientation de l'échangeur 1 représenté sur la Figure 1, l'orientation des échangeurs 301a-n est telle que les colonnes de distribution 305a-n s'étendent horizontalement du côté supérieur de la virole 31, tandis que io les colonnes collectrices 307a-n s'étendent du côté inférieur de la virole 31, également horizontalement. Ainsi, les empilements de tubes 303 s'étendent entre les colonnes 305a-n, 307a-n, suivant l'axe vertical Z. Au-dessus des colonnes de distribution 305a-n est agencé un collecteur de gaz 41 prévu pour alimenter en gaz le groupe d'échangeurs 301 a-n. is L'installation représentée comprend d'autre part un collecteur de liquide 43, agencé sous les colonnes collectrices 307a-n, et prévu pour recueillir la phase liquide issue du groupe d'échangeurs 301 a-n. Les ailettes s'arrêtent avant les colonnes 307a-n et 305a-n de manière à permettre l'entrée et la sortie du fluide. La paroi externe telle que représentée sur 20 la Figure 5 (204) s'arrête sensiblement aux mêmes niveaux que les ailettes aussi de manière à permettre l'entrée et la sortie des fluides. Le procédé de vaporisation et de condensation qui a été décrit précédemment, ainsi que l'installation décrite en référence aux Figures 6 et 7, s'applique à la vaporisation d'au moins un liquide dérivé de l'air ou un liquide qui 25 est de l'air liquéfié et à la condensation d'au moins un gaz dérivé de l'air, ce gaz pouvant également être l'air lui-même. Le procédé et l'installation s'appliquent également à la vaporisation d'au moins un liquide ayant comme composant principal le méthane et/ou le monoxyde de carbone et/ou l'hydrogène, et à la condensation d'au moins un gaz 30 ayant comme composant principal le méthane et/ou le monoxyde de carbone et/ou l'hydrogène.The exchangers 301a-301n are all arranged parallel and centered on a diametral plane of the cylindrical shell 31, as can be seen in FIG. 6. The length of each exchanger 301a-n is adjusted to the length, along the axis Xo, of the vertical section of the shell 31 on the axis Yo. Thus, the length along the axis Xo of the exchangers 301a-301n increases towards the central axis Zo of the cylindrical shell 31. In contrast to the orientation of the exchanger 1 shown in FIG. Exchangers 301a-n are such that the distribution columns 305a-n extend horizontally on the upper side of the ferrule 31, while the collector columns 307a-n extend on the lower side of the ferrule 31, also horizontally. Thus, the stacks of tubes 303 extend between the columns 305a-n, 307a-n, along the vertical axis Z. Above the distribution columns 305a-n is arranged a gas collector 41 provided for supplying gas the group of exchangers 301 year. The depicted installation further comprises a liquid collector 43, arranged under the collector columns 307a-n, and provided to collect the liquid phase from the group of exchangers 301a-n. The fins stop before the columns 307a-n and 305a-n so as to allow entry and exit of the fluid. The outer wall as shown in FIG. 5 (204) substantially stops at the same levels as the fins also to allow entry and exit of the fluids. The vaporization and condensation process which has been described above, as well as the installation described with reference to FIGS. 6 and 7, applies to the vaporization of at least one liquid derived from air or a liquid which is liquefied air and the condensation of at least one gas derived from the air, this gas can also be the air itself. The method and the installation also apply to the vaporization of at least one liquid having as its main component methane and / or carbon monoxide and / or hydrogen, and the condensation of at least one gas. having as main component methane and / or carbon monoxide and / or hydrogen.
14 2891901 Un tel procédé peut s'appliquer à de nombreux types d'installations de séparation de mélange de fluides, fonctionnant par distillation cryogénique, dans au moins une colonne ayant un ou plusieurs échangeurs de chaleur, tels que décrit précédemment.Such a method can be applied to many types of fluid mixing separation facilities, operating by cryogenic distillation, in at least one column having one or more heat exchangers, as previously described.
5 L'installation peut notamment être : - un vaporiseur-condenseur permettant la vaporisation d'un liquide par échange de chaleur avec un gaz qui se condense à l'intérieur ou à l'extérieur d'une colonne de distillation, ou - un sous-refroidisseur, ou io - un réchauffeur d'un gaz de régénération d'une unité d'épuration utilisée pour épurer le mélange à distiller, ou - un déphlegmateur, ou - un échangeur de chaleur ayant des passages permettant le refroidissement du mélange àdistiller à une température cryogénique, ou 15 - un échangeur de refroidissement d'un inter-étage d'un compresseur du mélange à distiller ou d'un produit de la distillation. 15The installation can in particular be: a vaporizer-condenser for vaporizing a liquid by heat exchange with a gas that condenses inside or outside a distillation column, or -cooler, or io - a regeneration gas heater of a purification unit used to purify the mixture to be distilled, or - a dephlegmator, or - a heat exchanger having passages for cooling the mixture todistiller to a cryogenic temperature, or a cooling exchanger of an inter-stage of a compressor of the mixture to be distilled or a product of the distillation. 15
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