[0001] La présente invention a pour objet un échangeur vaporiseur-condenseur du type à bain
et un procédé d'échange thermique dans un échangeur du type à bain.
[0002] De façon plus précise, l'invention concerne un échangeur vaporiseur-condenseur du
type à bain entre un premier fluide à vaporiser et un deuxième fluide à condenser
ainsi que l'utilisation de ce type d'échange thermique. Par vaporisation, on entend
une vaporisation partielle ou totale et par condensation, on entend une condensation
partielle ou totale.
[0003] Cette disposition est utilisée notamment, mais non exclusivement, dans les installations
de distillation de l'air du type à double colonne où, par exemple, l'oxygène liquide
qui se trouve en cuve de la colonne basse pression est vaporisé dans un vaporiseur
à bain par échange de chaleur avec l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne
pression.
[0004] Le fonctionnement des échangeurs à bain impose de par ses caractéristiques propres
des limitations quant à la hauteur d'échange entre le premier et le deuxième fluide
ou quant à l'écart de température entre le fluide primaire et le fluide secondaire.
[0005] On comprendra mieux ce problème en se référant aux figures 1 et 2 annexées qui représentent
d'une part un exemple de schéma fonctionnel d'un échangeur à bain et d'autre part
un exemple de diagramme d'échange thermique entre le fluide primaire et le fluide
secondaire.
[0006] Sur la figure 1, on a représenté de façon simplifiée la cuve externe 10 de l'échangeur
à bain à l'intérieur de laquelle est contenu un ensemble de passages 12 pour le deuxième
fluide "chaud" F2 qui entre à la partie supérieure de ces passages en 14 et en ressort
à la partie inférieure en 16. En ce qui concerne le premier fluide "froid" F1 à vaporiser,
il est contenu dans l'enceinte externe 10 et circule par thermosiphon de l'extrémité
inférieure 12a des passages pour le deuxième fluide F2 jusqu'à son extrémité supérieure
12b, la hauteur de cette zone d'échange thermique étant égale à h.
[0007] Comme le montre mieux le diagramme de la figure 2, le premier fluide F1 à l'entrée
de la zone d'échange est à une température T
1,1 et à une pression P
1,1. Cette température T
1,1 et cette pression P
1,1 correspondent à un état de sous-refroidissement, c'est-à-dire à une température inférieure
à la température de bulle T
b1 du fluide F1 à la pression P
1,1 en raison de la pression hydrostatique due à la hauteur de fluide F1 liquide. C'est
ce que l'on va représenter sur ce diagramme. On notera T
b la température (de bulle) à laquelle apparaît la première bulle de gaz dans le fluide
F1 au cours de l'échange thermique (à pression intermédiaire entre P
1,1 et P
1,2). On comprend que l'énergie utilisée pour amener le fluide primaire à la température
de bulle T
b est de l'énergie "perdue" pour obtenir la vaporisation du premier liquide. Sur cette
figure 2, on a également représenté le deuxième fluide F2 avec sa température d'entrée
dans la zone d'échange 12 qui est égale à T
2,1 et sa température de sortie égale à T
2,2. On voit que le phénomène de sous-refroidissement entraîne un "effet de pincement"
dans les échanges thermiques entre les deux fluides.
[0008] En outre, l'effet de thermosiphon qui permet la circulation du premier fluide F1,
est rendu possible par la formation des bulles du premier fluide. Si la hauteur dans
l'échangeur correspondant à la phase de "désousrefroidissement" est trop importante,
l'effet de thermosiphon sera insuffisant.
[0009] On comprend que plus la hauteur h de la zone d'échange thermique est importante,
plus l'effet de la pression hydrostatique sur le premier fluide à l'entrée de la zone
d'échange sera important et donc plus la zone de sous-refroidissement devra l'être
également. Pour permettre l'entretien de l'effet de thermosiphon assurant la circulation
du premier fluide, le phénomène de "pincement" doit donc être limité. Dans les installations
d'échange thermique du type à bain, cette hauteur est donc limitée à 2,5 mètres.
[0010] Un autre inconvénient présent dans ce type d'échangeur à bain est que le "phénomène
de pincement" décrit précédemment oblige à prévoir une différence de température entre
la température d'entrée T
1,1 du fluide froid F1 à vaporiser et la température T
2,2 du fluide chaud F2 supérieure à environ 1,2°C pour permettre le fonctionnement de
l'échangeur par thermosiphon en raison de "l'effet de pincement". Or, on comprend
que l'augmentation de cet écart de température augmente les irréversibilités thermodynamiques,
et, par voie de conséquence, diminue le rendement énergétique de l'ensemble de l'installation.
Par exemple, dans le cas de la distillation des gaz de l'air à l'aide d'une double
colonne, la pression de la colonne dite moyenne pression et, par voie de conséquence,
la pression du compresseur d'air d'alimentation, doivent être augmentées, ce qui augmente
la consommation d'énergie de l'ensemble de l'installation.
[0011] Il existe donc un réel besoin de disposer d'échangeurs vaporiseur-condenseur du type
à bain ou de procédés d'échange thermique dans une installation du type à bain qui
permettent soit d'augmenter la hauteur verticale d'échange thermique pour diminuer
l'encombrement au sol de l'installation, soit de diminuer l'écart de température entre
le premier fluide et le deuxième fluide, soit encore de permettre une combinaison
de ces deux caractéristiques de l'échangeur vaporiseur-condenseur.
[0012] Pour atteindre ce but selon l'invention, l'échangeur vaporiseur-condenseur du type
à bain entre un premier fluide (F1) à vaporiser et un deuxième fluide (F2) à condenser,
ledit échangeur présentant une pression minimale de sortie P
mS dudit premier fluide pour permettre le fonctionnement de l'installation dans laquelle
ledit échangeur est monté, comprend :
des moyens pour définir une pluralité de passages d'échange thermique entre les deux
fluides pour faire circuler ledit deuxième fluide, ledit deuxième fluide ayant une
température T2,2 à la sortie desdits passages,
des moyens formant enceinte contenant les moyens formant passage pour faire circuler
par thermosiphon ledit premier fluide entre lesdits passages du bas vers le haut sur
une hauteur h, ledit premier fluide ayant une température d'entrée T1,1 avec T1,1 < T2,2, ledit premier fluide vaporisé ayant une pression de sortie P1,2,
des moyens pour donner à la pression d'entrée P1,1 dudit premier fluide une valeur telle que la pression P1,2 soit supérieure à ladite pression minimale PmS et des moyens pour qu'au moins une des deux conditions suivantes soit remplie :
la hauteur h des passages d'échange thermique est au moins égale à 2,5 m ; et
la température T2,2 dudit deuxième fluide est inférieure à T1,1 + 1,2°C.
[0013] On a mis en évidence en effet que, si on augmente la pression de sortie du premier
fluide, on modifie l'effet de pincement, ce qui autorise soit à augmenter la hauteur
h d'échange thermique, soit à diminuer l'écart de température entre les deux fluides.
[0014] Selon un deuxième aspect de l'invention, le procédé de vaporisation d'un premier
fluide à l'aide d'un échangeur vaporiseur-condenseur à bain comprend les étapes suivantes
:
- on fait circuler un deuxième fluide (F2) dans des passages verticaux d'échange, ledit
deuxième fluide ayant une température de sortie T2,2 ;
- on fait circuler de bas en haut sur une hauteur h par thermosiphon ledit premier fluide
entre lesdits passages d'échange thermique, ledit premier fluide ayant une température
d'entrée T1,1 (T, < T2,2), la fraction vaporisée dudit premier fluide ayant une pression de sortie P1,2 ;
- on donne à ladite pression P1,2 une valeur supérieure à la pression minimale de sortie de la fraction vaporisée du
premier fluide nécessaire pour permettre le fonctionnement de l'installation dans
laquelle est monté ledit échangeur ; et
- on choisit la hauteur h des passages d'échange thermique et la température T2,2 dudit deuxième fluide de telle manière qu'au moins une des deux conditions suivantes
soit remplie :
- la hauteur h desdits passages d'échange thermique est au moins égale à 2,5 m ; et
- la température T2,2 dudit deuxième fluide est inférieure à T1,1 + 1,2°C.
[0015] On comprend que ce procédé permet d'améliorer les caractéristiques de l'échangeur
à bain comme cela a été déjà exposé en liaison avec la définition précédente de l'échangeur
à bain conforme à l'invention.
[0016] Selon un mode préféré de mise en oeuvre, la pression de sortie du premier fluide
P
1,2 est de l'ordre de 4 bars absolus ou supérieure.
[0017] Selon une autre caractéristique, de préférence, la hauteur des passages d'échange
thermique entre les deux fluides est au moins égale à 3 m.
[0018] De préférence, les passages d'échange thermique entre les deux fluides sont limités
par des plaques parallèles, celles-ci pouvant être du type à ailettes brasées.
[0019] Selon une variante de mise en oeuvre, les passages peuvent être constitués par des
tubes.
[0020] Selon un premier mode de mise en oeuvre, les moyens formant enceinte comprennent
une unique enceinte contenant lesdits passages d'échange thermique et dans laquelle
le premier fluide circule par thermosiphon.
[0021] Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, les moyens formant enceinte comprennent
une première enceinte définissant un volume inférieur d'entrée du premier fluide et
un volume supérieur de sortie du premier fluide et une deuxième enceinte raccordée
respectivement aux volumes supérieur et inférieur, cette deuxième enceinte pouvant
se réduire à une tuyauterie.
[0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture
de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés
à titre d'exemple non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur
lesquelles :
la figure 1, déjà décrite, est une vue simplifiée d'un échangeur à bain connu ;
la figure 2, déjà décrire, montre le diagramme d'échange thermique de l'échangeur
à bain de la figure 1 ;
la figure 3 montre un premier exemple de réalisation d'un échangeur à bain conforme
à l'invention utilisé dans la distillation de l'air ;
la figure 4 est un diagramme d'échange thermique de fonctionnement de l'échangeur
à bain de la figure 3 ;
la figure 5 montre une variante de réalisation de l'échangeur à bain selon l'invention
; et
la figure 6 montre la courbe de variation du sous-refroidissement en fonction de la
pression du liquide, pour une hauteur hydrostatique de 1 mètre.
[0023] En se référant tout d'abord aux figures 3 et 4, on va décrire un premier mode de
réalisation de l'échangeur à bain selon l'invention. Dans la description qui suit,
on va plus particulièrement considérer le cas où le fluide froid à vaporiser est de
l'oxygène liquide et où le fluide chaud est de l'azote gazeux, ce qui est par exemple
le cas lors de la distillation cryogénique des gaz de l'air avec un schéma du type
double colonne. Cependant, il va de soi que la présente invention peut être appliquée
à l'échange thermique entre deux autres fluides par exemple à la séparation cryogénique
de gaz de synthèse tel que le méthane, le monoxyde de carbone, l'hydrogène ...
[0024] En se référant tout d'abord aux figures 3 et 4, on va décrire un premier mode de
réalisation de l'échangeur à bain. On a représenté l'enceinte externe 20 contenant
le premier fluide F1 qui est dans l'exemple considéré de l'oxygène pur. A la partie
supérieure de l'enceinte 20, on trouve l'interface 22 entre le premier fluide F1 sous
forme liquide et le fluide F1 sous forme de vapeur récupérée à la partie supérieure
de l'enceinte. A l'intérieur de cette enceinte, on trouve un module d'échange thermique
24 qui définit de façon connue en soi des passages 26 pour le deuxième fluide "chaud"
F2 qui dans l'exemple considéré est de l'azote pur, ces passages s'étendent entre
une boîte d'entrée 28 raccordée à la conduite d'entrée 30 et une boîte de sortie 32
raccordée à la conduite de sortie 34. Ces passages, comme cela est connu, peuvent
être constitués par des tubes ou encore par des plaques parallèles définissant le
circuit du deuxième fluide. Ces passages peuvent être verticaux comme cela est représenté
sur la figure 3, horizontaux ou obliques. Le module d'échange thermique 24 définit
également des passages verticaux pour la circulation du premier fluide F1, c'est-à-dire
de l'oxygène.
[0025] Comme on l'a déjà indiqué, dans ce type d'échangeur à bain, le fluide à vaporiser
F1 circule par thermosiphon dans les passages d'échange thermique verticaux. Le fluide
F1 présente à son entrée, c'est-à-dire à l'extrémité inférieure 24a du module d'échange,
une température T
1,1 et une pression P
1,1, et une température T
1,2 et une pression P
1,2 à l'extrémité supérieure 24b du module d'échange. On appelle h la hauteur totale
du module d'échange, c'est-à-dire la longueur de circulation du premier fluide entre
l'extrémité d'entrée 24a et l'extrémité de sortie 24b.
[0026] Le deuxième fluide, qui est de l'azote gazeux dans l'exemple considéré, entre à la
température T
2,1 par la conduite 30 et sort du module d'échange sous forme liquide à la température
T
2,2.
[0027] Sur la figure 4, on a représenté l'échange thermique entre le fluide F1 (oxygène
pur) et le fluide F2 (azote pur). La courbe A, sensiblement verticale du fait que
le fluide F2 est de l'azote pur, montre l'évolution de ce fluide entre son entrée
et sa sortie du module d'échange. La courbe B montre l'évolution du premier fluide
(oxygène pur). Elle comporte une première partie B1 correspondant au "désousrefroidissement"
de l'oxygène et une partie B2 de vaporisation partielle de l'oxygène à partir de la
température de bulle Tb de l'oxygène.
[0028] Comme on l'a déjà expliqué, en augmentant la pression de sortie P
1,2 du premier fluide, on peut diminuer "l'effet de pincement" ce qui permet d'augmenter
la hauteur h d'échange et/ou de diminuer l'écart de température T
2,2-T
1,1.
[0029] Dans le cas de la distillation cryogénique des gaz de l'air avec un schéma du type
double colonne, la pression P
1,2 de sortie du premier fluide (oxygène) dépend de la pression en sortie de l'installation
complète contenant l'échangeur à bain en prenant en compte la perte de charge due
à l'appareillage entre la sortie de l'échangeur et la sortie de l'installation complète.
Si la sortie de l'installation est à la pression atmosphérique, la pression à la sortie
de l'échangeur à bain est de l'ordre de 1,3 bars absolus.
[0030] Il va de soi que pour augmenter la pression de sortie P
1,2 du premier fluide, il est nécessaire d'augmenter la pression du fluide chaud F2 et
par voie de conséquence la pression du gaz à l'entrée de l'installation (par exemple
de l'air).
[0031] Si l'on admet une pression P
1,2 de 4 bars absolus, on peut construire un échangeur à bain dont la hauteur h du module
d'échange est égale à 3 ou 4 mètres, en conservant un écart de température de l'ordre
de 1,2°C.
[0032] Avec la même pression de sortie de 4 bars absolus et en maintenant une hauteur h
de 2 mètres, on peut ramener l'écart de température à 0,4 ou 0,5°C.
[0033] Sur la figure 5, on a représenté une variante de réalisation de l'échangeur à bain.
[0034] L'échangeur comprend une enceinte principale 40 dans laquelle est monté le module
d'échange 42. L'enceinte 40 définit également une chambre inférieure d'entrée 44 du
premier fluide et une chambre supérieure 46 de sortie du premier fluide avec un prélèvement
48 du premier fluide vaporisé. L'échangeur comprend également une enceinte 50 de recirculation
du premier fluide à l'état essentiellement liquide qui est raccordée aux chambres
supérieure et inférieure par des conduites 52 et 54. Cette enceinte pourrait se réduire
à une simple tuyauterie.
[0035] Sur la figure 6, on a représenté les variations ΔTb du sous-refroidissement induit
par une hauteur hydrostatique de 1 m en fonction de la pression P pour l'oxygène pur
(courbe I) et pour le méthane pur (courbe II). On voit que plus la pression (P) est
élevée, plus l'effet de sous-refroidissement est faible. Ces courbes permettent de
mieux comprendre l'effet favorable de l'augmentation de la pression du premier fluide
sur "l'effet de pincement". En effet, plus la pression de sortie P
1,2 est élevée, plus on pourra augmenter la hauteur h d'échange, c'est-à-dire la pression
hydrostatique (P
1,2-P
1,1) tout en conservant la même variation du sous-refroidissement ΔTb.
1. Echangeur vaporiseur-condenseur du type à bain entre un premier fluide (F1) à vaporiser
et un deuxième fluide (F2) à condenser, ledit échangeur présentant une pression minimale
de sortie P
mS dudit premier fluide pour permettre le fonctionnement de l'installation dans laquelle
ledit échangeur est monté, ledit échangeur comprenant :
des moyens (24) pour définir une pluralité de passages (26) d'échange thermique entre
les deux fluides pour faire circuler ledit deuxième fluide, ledit deuxième fluide
ayant une température T2,2 à la sortie desdits passages ;
des moyens formant enceinte (20) contenant les moyens formant passage (24) pour faire
circuler par thermosiphon ledit premier fluide entre lesdits passages du bas vers
le haut sur une hauteur h, ledit premier fluide ayant une température d'entrée T1,1 avec T1,1 < T2,2, ledit premier fluide vaporisé ayant une pression de sortie P1,2 ;
des moyens pour donner à la pression d'entrée P1,1 dudit premier fluide une valeur telle que la pression P1,2 soit supérieure à ladite pression minimale PmS et des moyens pour qu'au moins une des deux conditions suivantes soit remplie :
la hauteur h des passages d'échange thermique est au moins égale à 2,5 m ; et
la température T2,2 dudit deuxième fluide est inférieure à T1,1 + 1,2°C.
2. Echangeur vaporiseur-condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pression minimale PmS étant de l'ordre de 1,3 bars absolus, la pression de sortie P1,2 dudit premier fluide à vaporiser est de l'ordre de 4 bars absolus ou supérieure.
3. Echangeur vaporiseur-condenseur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la hauteur desdits passages, d'échange (26) est au moins égale à 3 mètres.
4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite température T2,2 du second fluide est comprise entre T1,1 + 1,2°C et T1,1 + 0,4°C.
5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits passages d'échange thermique (26) sont limités par des plaques parallèles.
6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites plaques parallèles sont du type à ailettes brasées.
7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits passages d'échange thermique (26) sont des tubes.
8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens formant enceinte comprennent une unique enceinte (20) contenant lesdits
passages d'échange thermique (26) et dans laquelle ledit premier fluide circule par
thermosiphon.
9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens formant enceinte comprennent une première enceinte (40) définissant
un volume inférieur d'entrée (44) du premier fluide et un volume supérieur de sortie
(46) du premier fluide et une deuxième enceinte (50) raccordée respectivement auxdits
volumes supérieur et inférieur.
10. Procédé de vaporisation d'un premier fluide (F1) à l'aide d'un échangeur vaporiseur-condenseur
à bain comprenant les étapes suivantes :
- on fait circuler un deuxième fluide (F2) dans des passages verticaux d'échange,
ledit deuxième fluide ayant une température de sortie T2,2 ;
- on fait circuler de bas en haut sur une hauteur h par thermosiphon ledit premier
fluide entre lesdits passages d'échange thermique, ledit premier fluide ayant une
température d'entrée T1,1 (T1,1 < T2,2), la fraction vaporisée dudit premier fluide ayant une pression de sortie P1,2 ;
- on donne à ladite pression P1,2 une valeur supérieure à la pression minimale de sortie de la fraction vaporisée du
premier fluide nécessaire pour permettre le fonctionnement de l'installation dans
laquelle est monté ledit échangeur ; et
- on choisit la hauteur h des passages d'échange thermique et la température T2,2 dudit deuxième fluide de telle manière qu'au moins une des deux conditions suivantes
soit remplie :
- la hauteur h desdits passages d'échange thermique est au moins égale à 2,5 m ; et
- la température T2,2 dudit deuxième fluide est inférieure à T1,1 + 1,2°C.
11. Application de l'échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à la séparation
cryogénique des gaz de l'air.
12. Application de l'échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à la séparation
cryogénique de gaz de synthèse.