EP0130122B1 - Dispositif pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide et installation de distillation d'air comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide et installation de distillation d'air comprenant un tel dispositif Download PDF

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EP0130122B1
EP0130122B1 EP84401284A EP84401284A EP0130122B1 EP 0130122 B1 EP0130122 B1 EP 0130122B1 EP 84401284 A EP84401284 A EP 84401284A EP 84401284 A EP84401284 A EP 84401284A EP 0130122 B1 EP0130122 B1 EP 0130122B1
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EP0130122A1 (fr
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Pierre Petit
Maurice Grenier
Jean-François Deschamps
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger intended for the vaporization of a liquid by heat exchange with a second fluid, as defined in the preamble of claim 1. It applies in particular to installations for the distillation of l 'air.
  • the liquid oxygen which is in the bottom of the low pressure column is vaporized by heat exchange with the nitrogen gas taken off at the head of the medium pressure column.
  • the temperature difference between oxygen and nitrogen made necessary by the structure of the heat exchanger imposes the operating pressure of the medium pressure column. It is therefore desirable that this temperature difference is as small as possible, in order to minimize the expenses linked to the compression of the air to be treated injected into the medium pressure column.
  • a heat exchanger of the type comprising a parallelepiped body formed by an assembly of parallel vertical plates defining between them a multitude of flat passages, means for distributing the liquid in two stages in a first set of passages, provided at the upper end of each of these passages, and means for sending the second fluid into the remaining passages (FR-A-2 007 887).
  • the two distribution stages are obtained the first thanks to an oblique wave, the second thanks to holes.
  • a double distribution of the liquid comprising a final distribution by means of holes is also provided in FR-A-2 017 807.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger of the same type which is better suited to the actual operating conditions of air distillation installations.
  • the subject of the invention is a heat exchanger of the aforementioned type, characterized in that said distribution means comprise openings for predistribution of the liquid in the passages of said first assembly and over their entire length, these openings opening onto a lining for fine distribution of the liquid over the entire length of the same passages.
  • the invention also relates to an air separation installation by distillation, of the type comprising a first distillation column operating at a relatively high pressure, a second distillation column operating at a relatively low pressure, and a heat exchanger allowing to put the liquid oxygen in the tank of the second column in heat exchange relation with the nitrogen gas at the top of the first column, characterized in that the heat exchanger is as defined above, and in that that the installation comprises supply means for supplying liquid oxygen to said predistribution openings, and means for supplying gaseous nitrogen to said remaining passages.
  • FIG. 1 illustrates a possibility of installing an oxygen-nitrogen heat exchanger in an air distillation installation of the double column type.
  • This installation comprises a medium pressure column 1 at the bottom of which the air to be treated is injected, under a pressure of the order of 6 bars absolute.
  • the oxygen-enriched liquid which is collected in the tank of column 1 is sent under reflux in the middle of the height of a second column (not shown), called the low pressure column, which operates slightly above atmospheric pressure.
  • the nitrogen gas which is at the head of column 1 is brought into heat exchange relationship with the liquid oxygen collected in the bottom of the low pressure column; the resulting condensed nitrogen serves as reflux in column 1 and in the low pressure column, while the resulting vaporized oxygen is returned to the bottom of the low pressure column.
  • the heat exchanger 2 consists of a sealed envelope 3, the main height of which contains a set of parallel plates 4 of shape rectangular aluminum, with a length of the order of 1 to 1.5 m and a height of the order of 3 to 6 m, between which waves also made of aluminum are fixed by brazing.
  • the space located above the plates 4 contains a liquid oxygen bath 5 supplied by a line 6 coming from the tank of the low pressure column and provided with a pump (not shown).
  • the latter can be controlled by a regulator of the level of the bath 5, which is shown diagrammatically by a tube 6A for level measurement, or, as a variant, by a flow regulator.
  • a pipe 7 for returning oxygen vaporized above the bath 5 to the bottom of the low pressure column, resulting from the heat inputs at the pump and the pipes.
  • the set of plates 4 is supplied at its upper part with gaseous nitrogen by a horizontal feed box 8 which communicates by a pipe 9 with the head of the medium pressure column 1.
  • the evacuation of the condensed nitrogen takes place at the base of the plates 4 by a horizontal collecting box 10 which communicates by a pipe 11 with a guarded channel 12 disposed at the head of the column 1.
  • On the box 10 is stuck a pipe 13 for discharging incondensable rare gases.
  • a pipe 14 connects the tank of the low pressure column to the space located in the casing 3 below the plates 4. This pipe penetrates vertically into this space through the bottom point of the casing 3, and its upper end is surmounted by a conical deflector 15. From the bottom of the casing 3 also leaves a pipe 16 intended to return to the bottom of the low pressure column the excess liquid oxygen.
  • the casing 3 has a parallelepiped shape.
  • the plates 4 define a multitude of passages intended alternately for the flow of oxygen (passages 17) and for the flow of nitrogen (passages 18). Over most of their height, the passages 17 and 18 each contain a wave 19 consisting of a corrugated perforated aluminum sheet with vertical generators.
  • the waves 19 of the nitrogen passages end, above and below, before the waves 19 of the oxygen passages.
  • these waves of the passages 18 are extended by oblique waves of nitrogen collection (not shown) which lead to the inlet of the manifold 10.
  • these same waves 19 are extended by oblique waves 20 of nitrogen distribution which open at the outlet of the feed box 8.
  • the nitrogen passages 18 are closed by horizontal bars 21.
  • each nitrogen passage comprises a liquid oxygen tank 22 containing a vertical wave 23 of perforated aluminum sheet, with vertical generators, the thickness and pitch of which are clearly greater than those of waves 19.
  • the waves 23 have only a function of spacers between the plates 4, so as to allow the assembly of the exchanger by a single brazing operation.
  • the tanks 22 are open upwards to communicate with the liquid oxygen bath 5.
  • the waves 19 of the oxygen passages 17 extend downwards to the lower end of the plates 4, so that these passages are open down.
  • These waves extend upwards to the upper edge of the bars 21, then are extended by a lining 24.
  • the latter consists of a wave of the "serrated " type which is illustrated in more detail in FIG. 6.
  • the wave 24 is an unperforated aluminum sheet with horizontal generators (so-called "hard way” arrangement with respect to the flow of liquid oxygen).
  • each horizontal or pseudo-horizontal facet 25 of the wave 24 is provided with a puncture 26 offset upwards by a quarter of a wave step.
  • the width of the punctures 26, measured along a generatrix of the wave, is of the same order as the distance which separates each of them from the two adjacent punctures situated on the same facet 25.
  • each plate 4 comprises, above the lining 24, a horizontal row of holes 27 arranged at regular intervals over the entire length of the exchanger, the holes of the successive plates being arranged at the same height but in a staggered arrangement. As a variant, these holes could moreover be provided only in every second plate.
  • the oxygen passages are closed by horizontal bars 28, arranged at the upper end of the plates 4. To avoid the risk of obstruction of certain holes 27 by waves 23, these are interrupted for a short height at the level of said holes.
  • the regulating device of the pump for supplying the exchanger 2 with liquid oxygen maintains above the plates 4 a level of the bath 5 sufficient to overcome the various pressure drops which oppose the flow of oxygen.
  • the height of liquid oxygen above the plates 4 is for example of the order of 20 cm.
  • Liquid oxygen fills the reservoirs 22 and passes through the holes 27, at a flow rate defined by the passage section of the latter and by the height of liquid which overcomes it. As this height is constant in steady state, the flow of liquid oxygen is that supplied by the pump for raising this liquid.
  • the holes 27 therefore ensure a rough predistribution of the liquid oxygen along the passages 17-, and the liquid oxygen thus pre-distributed reaches the lining 24, which ensures a fine distribution over the entire length of each passage 17
  • Liquid oxygen thus approaches waves 19 by flowing in a perfectly uniform manner over all the walls (waves 19 and plates 4) of the passages which are assigned to it, that is to say by forming on these walls a continuous descending film.
  • the nitrogen gas arrives in the exchanger through the box 8 and the distribution waves 20, then flows down along the passages 18. In so doing, it gradually gives off heat to the oxygen. liquid which is in the adjacent passages 17, so that the oxygen vaporizes and that, simultaneously, the nitrogen condenses.
  • the condensed nitrogen is collected in the box 10 and flows in the pipe 11 as far as the channel 12.
  • this liquid overflows from the channel and falls into reflux in the medium pressure column after a portion has been withdrawn through a pipe 11A to ensure the reflux of the low pressure column. This creates suction in the passages 17, which ensures the circulation of nitrogen.
  • the liquid oxygen flow rate is adjusted so as to guarantee an excess of liquid oxygen over the entire height of the plates 4.
  • a total vaporization of the oxygen in a region of the passages 17 would lead to this location at a concentration of acetylene dissolved in liquid oxygen, which could cause a local explosion.
  • this risk of explosion it would also result in a drop in performance of the exchanger by neutralization of the non-wetted surface. This risk is limited thanks to the high efficiency of the fine distribution provided by the lining 24.
  • the bars 21 which limit the upper passages 18 are arranged at the upper end of the plates 4, like the bars 28.
  • the holes 27 are eliminated and replaced by vertical holes 29 drilled at regular intervals in the bars 28, all along these.
  • the liquid oxygen in the bath 5 flows through the holes 29, at a flow rate corresponding to that of the pump for raising the liquid oxygen, and is thus predistributed over the entire length of the passages 17; these liquids then fall onto the lining 24 located just below (this lining has been shown very schematically in FIG. 3).
  • the lining 24 ensures a uniform fine distribution of the liquid oxygen over the entire length of the passages 17, and this liquid then flows along the waves 19 and the corresponding walls 4.
  • the heat exchange between oxygen and nitrogen begins during the passage of liquid oxygen through the linings 24, which are at the same level as the nitrogen gas distribution waves.
  • the holes 29 of the bars 28 instead of being of a constant diameter over the entire height of these bars, can have a diameter widened in the greater part of their height by a counterbore 29A made from the bottom.
  • FIG. 5 shows that similar holes can also be obtained by perforating the upper core 30 of U-shaped profiles constituting the bars 28.
  • the advantage of these two embodiments lies in the fact that the useful part of the holes 29, which defines the liquid oxygen passage section is short and therefore less subject to the appearance of blockages or undesirable vaporization.
  • the vaporized oxygen is evacuated from below at the same time as the excess liquid oxygen.
  • the vaporized oxygen is free to escape both from the top and from the bottom.
  • the exchanger of FIG. 6 is identical to that of FIG. 2 from the bottom of the plates 4 to the level of the upper edge of the bars 21 which limit the nitrogen passages 18 above.
  • each plate 4 has a horizontal row of holes 31. Above these, the plates 4 extend over a significant height, up to a level higher than that of the surface free from the liquid oxygen bath 5.
  • waves - spacers 32 with vertical generators similar to the waves 23 of FIG. 2.
  • a free space 33 is provided at the holes 31, above the waves 19, and this space is overcome, from bottom to top by the lining 24 previously described, by a bar 28 with holes 29 similar to those of FIG. 3, and by a wave-spacer 34 similar to waves 32 but with horizontal generatrices .
  • the bath 5 is fed laterally by a feed box 35 located above the box 8 and opening into the spaces occupied by the waves 34.
  • the bars 36 which close on this side the oxygen passages 17 extend upwards only up to the level of the upper edge of the bars 28.
  • the nitrogen circuit is conventional. It can therefore be replaced by other known types of nitrogen circuits, in particular by those described in patent FR-A-2431 103 of the applicant.
  • one or more heat exchangers according to the invention can be installed inside a double air distillation column whose low pressure column is superimposed on the medium pressure column.

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Description

  • La présente invention est relative à un échangeur de chaleur destiné à la vaporisation d'un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide, tel que défini dans la préambule de la revendication 1. Elle s'applique en particulier aux installations de distillation de l'air.
  • Dans les installations de distillation de l'air du type à double colonne, l'oxygène liquide qui se trouve en cuve de la colonne basse pression est vaporisé par échange de chaleur avec l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne pression. Pour une pression de fonctionnement donnée de la colonne basse pression, l'écart de température entre l'oxygène et l'azote rendu nécessaire par la structure de l'échangeur de chaleur impose la pression de fonctionnement de la colonne moyenne pression. Il est donc souhaitable que cet écart de température soit le plus faible possible, afin de minimiser les dépenses liées à la compression de l'air à traiter injecté dans la colonne moyenne pression.
  • Pour atteindre ce but, on a proposé d'alimenter l'échangeur de chaleur en oxygène liquide par le haut, en assurant le ruissellement de ce liquide le long de tubes de grande longueur (jusqu'à 6 m environ).
  • Des performances remarquables ont ainsi été obtenues du point de vue de l'échange de chaleur, mais ceci au prix de sérieuses difficultés technologiques. En effet, notamment lorsque des débits d'oxygène importants doivent être traités, il se pose des problèmes de réalisation d'une multitude de longs tubes résistant à la pression extérieure de l'azote, ainsi que d'autres problèmes liés à la présence de plaques d'extrémité en acier inoxydable de forte épaisseur.
  • On connaît par ailleurs, dans un domaine technique voisin, un échangeur de chaleur du type comprenant un corps parallélépipédique formé d'un assemblage de plaques verticales parallèles définissant entre elles une multitude de passages plats, des moyens de distribution du liquide en deux étapes dans un premier ensemble de passages, prévus à l'extrémité supérieure de chacun de ces passages, et des moyens pour envoyer le deuxième fluide dans les passages restants (FR-A-2 007 887). Dans ce document, les deux étapes de distribution sont obtenues la première grâce à une onde oblique, la seconde grâce à des trous. Une double distribution du liquide comprenant une distribution finale au moyen de trous est également prévue dans le FR-A-2 017 807.
  • L'invention a pour but de fournir un échangeur de chaleur du même type qui soit mieux adapté aux conditions réelles de fonctionnement des installations de distillation d'air.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens de distribution comprennent des ouvertures de prédistribution du liquide dans les passages dudit premier ensemble et sur toute leur longeur, ces ouvertures débouchant sur un garnissage de distribution fine du liquide sur toute la longeur des mêmes passages.
  • L'invention a encore pour objet une installation de séparation d'air par distillation, du type comprenant une première colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement élevée, une deuxième colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement faible, et un échangeur de chaleur permettant de mettre l'oxygène liquide de cuve de la deuxième colonne en relation d'échange thermique avec l'azote gazeux de tête de la première colonne, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est tel que défini ci-dessus, et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation pour fournir l'oxygène liquide auxdites ouvertures de prédistribution, et des moyens d'alimentation en azote gazeux desdits passages restants.
  • Plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés. Sur ces dessins:
    • - la figure 1 est un schéma partiel d'une installation de distillation d'air conforme à l'invention;
    • - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective, avec arrachement, d'un échangeur de chaleur équipant l'installation de la figure 1.
    • - la figure 3 est une vue analogue d'une variante de l'échangeur de chaleur de la figure 2;
    • - les figures 4 et 5 représentent respectivement en perspective deux variantes d'un détail de l'échangeur de la figure 3; et
    • - la figure 6 est une vue partielle en perspective, avec arrachements, d'un autre échangeur de chaleur conforme à l'invention.
  • Dans les différents modes de réalisation qui vont être décrits ci-dessous, on désignera par les mêmes références les éléments identiques ou correspondants.
  • La figure 1 illustre une possibilité d'implantation d'un échangeur de chaleur oxygène-azote dans une installation de distillation d'air du type à double colonne. Cette installation comprend une colonne moyenne pression 1 au bas de laquelle est injecté l'air à traiter, sous une pression de l'ordre de 6 bars absolus. Le liquide enrichi en oxygène qui est recueilli en cuve de la colonne 1 est envoyé en reflux au milieu de la hauteur d'une deuxième colonne (non représentée), dite colonne basse pression, qui fonctionne légèrement au-dessus de la pression atmosphérique. L'azote gazeux qui se trouve en tête de la colonne 1 est mis en relation d'échange de chaleur avec l'oxygène liquide recueilli en cuve de la colonne basse pression; l'azote condensé résultant sert de reflux dans la colonne 1 et dans la colonne basse pression, tandis que l'oxygène vaporisé résultant est renvoyé au bas de la colonne basse pression.
  • L'échange de chaleur entre l'oxygène et l'azote s'opère dans un échangeur 2 qui est monté au-dessus de la colonne 1, tandis que la colonne basse pression est juxtaposée à cette dernière.
  • L'échangeur 2 est constitué d'une enveloppe étanche 3 dont l'essentiel de la hauteur contient un ensemble de plaques parallèles 4 de forme rectangulaire en aluminium, d'une longeur de l'ordre de 1 à 1,5 m et d'une hauteur de l'ordre de 3 à 6 m, entre lesquelles des ondes également en aluminium sont fixées par brasage.
  • L'espace situé au-dessus des plaques 4 renferme un bain d'oxygène liquide 5 alimenté par une conduite 6 provenant de la cuve de la colonne basse pression et munie d'une pompe (non représentée). Cette dernière peut être commandée par un régulateur du niveau du bain 5, que l'on a schématisé par un tube 6A de mesure de niveau, ou, en variante, par un régulateur de débit. Au sommet de l'échangeur 2 est prévue une conduite 7 de renvoi au bas de la colonne basse pression de l'oxygène vaporisé au-dessus du bain 5, résultant des entrées de chaleur au niveau de la pompe et des tuyauteries.
  • L'ensemble de plaques 4 est alimenté à sa partie supérieure en azote gazeux par une boîte d'alimentation horizontale 8 qui communique par une conduite 9 avec la tête de la colonne moyenne pression 1. L'évacuation de l'azote condensé s'effectue à la base des plaques 4 par une boîte collectrice horizontale 10 qui communique par une conduite 11 avec une rigole gardée 12 disposée en tête de la colonne 1. Sur la boîte 10 est piqué un tuyau 13 d'évacuation des gaz rares incondensables.
  • Une conduite 14 relie la cuve de la colonne basse pression à l'espace situé dans l'enveloppe 3 au-dessous des plaques 4. Cette conduite pénètre verticalement dans cet espace par le point bas de l'enveloppe 3, et son extrémité supérieure est surmontée d'un déflecteur conique 15. Du fond de l'enveloppe 3 part également une conduite 16 destinée à ramener en cuve de la colonne basse pression l'oxygène liquide en excès.
  • La structure de la partie active de l'échangeur 2, c'est-à-dire de l'ensemble de plaques 4, va maintenant être décrite en regard de la figure 2.
  • Dans cette région de l'échangeur, l'enveloppe 3 a une forme parallélépipédique. Les plaques 4 définissent une multitude de passages destinés alternativement à l'écoulement de l'oxygène (passages 17) et à l'écoulement de l'azote (passages 18). Sur la majeure partie de leur hauteur, les passages 17 et 18 contiennent chacun une onde 19 constituée d'une tôle d'aluminium perforée ondulée à génératrices verticales.
  • Les ondes 19 des passages d'azote se terminent, en haut comme en bas, avant les ondes 19 des passages d'oxygène. En bas des plaques 4, ces ondes des passages 18 sont prolongées par des ondes obliques de collection d'azote (non représentées) qui aboutissent à l'entrée de la boîte collectrice 10. A leur extrémité supérieure, ces mêmes ondes 19 sont prolongées par des ondes obliques 20 de distribution d'azote qui débouchent à la sortie de la boîte d'alimentation 8. Au-dessus des ondes 20, les passages 18 d'azote sont fermés par des barres horizontales 21.
  • Des barres analogues ferment l'extrémité inférieure des passages d'azote au-dessous des zones de collection de l'azote. Au-dessus des barres 21, chaque passage d'azote comporte un réservoir d'oxygène liquide 22 contenant une onde verticale 23 en tôle d'aluminium perforée, à génératrices verticales, dont l'épaisseur et le pas sont nettement supérieurs à ceux des ondes 19. Les ondes 23 ont uniquement une fonction d'entretoises entre les plaques 4, de façon à permettre l'assemblage de l'échangeur par une unique opération de brasage. Les réservoirs 22 sont ouverts vers le haut pour communiquer avec le bain d'oxygène liquide 5. Les ondes 19 des passages d'oxygène 17 s'étendent vers le bas jusqu'à l'extrémité inférieure des plaques 4, de sorte que ces passages sont ouverts vers le bas. Ces ondes s'étendent vers le haut jusqu'au bord supérieur des barres 21, puis sont prolongées par un garnissage 24. Ce dernier est constitué par une onde du type «serrated" qui est illustrée plus en détail sur la figure 6.
  • Comme on le voit sur cette figure 6, l'onde 24 est une tôle d'aluminium non perforée à génératrices horizontales (disposition dite en «hard way» par rapport à l'écoulement de l'oxygène liquide). A intervalles réguliers, chaque facette horizontale ou pseudo-horizontale 25 de l'onde 24 est pourvue d'un crevé 26 décalé vers le haut d'un quart de pas d'onde. La largeur des crevés 26, mesurée le long d'une génératrice de l'onde, est du même ordre que la distance qui sépare chacun d'eux des deux crevés adjacents situés sur la même facette 25.
  • En revenant à la figure 2, chaque plaque 4 comporte, au-dessus du garnissage 24, une rangée horizontale de trous 27 disposés à intervalle régulier sur toute la longueur de l'échangeur, les trous des plaques successives étant disposés à la même hauteur mais en quinconce. En variante, ces trous pourraient d'ailleurs être prévus seulement dans une plaque sur deux. Juste au-dessus de ces trous, les passages d'oxygène sont fermés par des barres horizontales 28, disposées à l'extrémité supérieure des plaques 4. Pour éviter le risque d'obstruction de certains trous 27 par des ondes 23, celles-ci sont interrompues sur une courte hauteur au niveau desdits trous.
  • En fonctionnement, le dispositif de régulation de la pompe d'alimentation de l'échangeur 2 en oxygène liquide maintient au-dessus des plaques 4 un niveau du bain 5 suffisant pour vaincre les diverses pertes de charge qui s'opposent à l'écoulement de l'oxygène. La hauteur d'oxygène liquide au-dessus des plaques 4 est par exemple de l'ordre de 20 cm.
  • L'oxygène liquide remplit les réservoirs 22 et passe par les trous 27, à un débit défini par la section de passage de ces derniers et par la hauteur de liquide qui le surmonte. Comme cette hauteur est constante en régime établi, le débit d'oxygène liquide est celui fourni par la pompe de remontée de ce liquide. Les trous 27 assurent donc une prédistribution grossière de l'oxygène liquide tout le long des passages 17-, et l'oxygène liquide ainsi pré-distribué parvient sur le garnissage 24, lequel en assure une distribution fine sur toute la longueur de chaque passage 17. L'oxygène liquide aborde ainsi les ondes 19 en ruisselant de façon parfaitement uniforme sur toutes les parois (ondes 19 et plaques 4) des passages qui lui sont affectés, c'est-à-dire en formant sur ces parois un film continu descendant.
  • En même temps, l'azote gazeux parvient dans l'échangeur par la boîte 8 et les ondes de distribution 20, puis s'écoule vers le bas le long des passages 18. Ce faisant, il cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se trouve dans les passages adjacents 17, de sorte que l'oxygène se vaporise et que, simultanément, l'azote se condense.
  • L'azote condensé est recueilli dans la boîte 10 et s'écoule dans la conduite 11 jusque dans la rigole 12. Lorsque la hauteur d'azote liquide dans la conduite 11 est suffisante pour vaincre la pression qui règne dans la colonne moyenne pression 1, ce liquide déborde de la rigole et tombe en reflux dans la colonne moyenne pression après qu'une partie ait été prélevée par une conduite 11A pour assurer le reflux de la colonne basse pression. Il se crée ainsi une aspiration dans les passages 17, ce qui assure la circulation de l'azote.
  • Le débit d'oxygène liquide est réglé de façon à garantir un excès d'oxygène liquide sur toute la hauteur des plaques 4. En effet, une vaporisation totale de l'oxygène dans une région des passages 17 conduirait à cet emplacement à une concentration de l'acétylène dissous dans l'oxygène liquide, ce qui pourrait provoquer une explosion locale. Indépendamment de ce risque d'explosion, il en résulterait aussi une baisse de performance de l'échangeur par neutralisation de la surface non mouillée. Ce risque est limitée grâce à la grande efficacité de la distribution fine assurée par le garnissage 24. Cependant, par sécurité, on préfère travailler avec un excès d'oxygène liquide, généralement du même ordre que le débit d'oxygène vaporisé.
  • Par conséquent, un mélange diphasique oxygène gazeux-oxygène liquide sort par l'extrémité inférieure des passages 17; ce mélange se sépare dans la partie inférieure de l'enveloppe 3, les phases liquide et vapeur retournant respectivement à la cuve de la colonne basse pression par les conduites 16 et 14.
  • La demanderesse a constaté qu'un tel échangeur peut fonctionner de façon parfaitement fiable avec un écart de température très faible, de l'ordre de 0,5°C, entre l'azote et l'oxygène, ce qui permet par conséquent de comprimer l'air entrant dans l'installation de distillation dans des conditions très économiques.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 2, on voit que la distribution de l'oxygène liquide est entièrement réalisée lorsque le fluide arrive dans la zone d'échange de chaleur avec l'azote. Dans la variante de la figure 3, au contraire, l'oxygène est mis en relation d'échange thermique avec l'azote dès le début de l'opération de distribution fine.
  • Pour cela, les barres 21 qui limitent supérieurement les passages 18 sont disposées à l'extrémité supérieure des plaques 4, comme les barres 28. De plus, les trous 27 sont supprimés et remplacés par des trous verticaux 29 percés à intervalles réguliers dans les barres 28, tout le long de celles-ci.
  • Dans cette variante, l'oxygène liquide du bain 5 s'écoule par les trous 29, à un débit correspondant à celui de la pompe de remontée de l'oxygène liquide, et est ainsi prédistribué sur toute la longueur des passages 17; ces liquides tombent alors sur le garnissage 24 situé juste au-dessous (ce garnissage a été représenté très schématiquement sur la figure 3). Comme précédemment, le garnissage 24 assure une distribution fine uniforme de l'oxygène liquide sur toute la longueur des passages 17, et ce liquide ruisselle ensuite le long des ondes 19 et des parois 4 correspondantes. L'échange de chaleur entre l'oxygène et l'azote commence pendant le passage de l'oxygène liquide à travers les garnissages 24, lesquels se trouvent au même niveau que les ondes 20 de distribution de l'azote gazeux.
  • Comme illustré à la figure 4, les trous 29 des barres 28, au lieu d'être d'un diamètre constant sur toute la hauteur de ces barres, peuvent avoir un diamètre élargi dans la plus grande partie de leur hauteur par un contre-alésage 29A réalisé à partir du bas.
  • La figure 5 montre que des trous analogues peuvent également être obtenus par perforation de l'âme supérieure 30 de profilés en U constituant les barres 28. L'avantage de ces deux réalisations réside dans le fait que la partie utile des trous 29, qui définit la section de passage de l'oxygène liquide, est de courte longueur et donc moins sujette à l'apparition de bouchages ou de vaporisation indésirable.
  • Dans les échangeurs de chaleur des figures 2 et 3, l'oxygène vaporisé s'évacue par le bas en même temps que l'oxygène liquide en excès. Dans le mode de réalisation de la figure 6, au contraire, l'oxygène vaporisé est libre de s'évacuer à la fois par le haut et par le bas.
  • L'échangeur de la figure 6 est identique à celui de la figure 2 du bas des plaques 4 jusqu'au niveau du bord supérieur des barres 21 qui limitent supérieurement les passages d'azote 18.
  • Juste au-dessus de ces barres 21, chaque plaque 4 comporte une rangée horizontale de trous 31. Au-dessus de ceux-ci, les plaques 4 s'étendent sur une hauteur importante, jusqu'à un niveau supérieur à celui de la surface libre du bain 5 d'oxygène liquide. Dans les intervalles situés au-dessus des barres 21 sont disposées des ondes - entretoises 32 à génératrices verticales analogues aux ondes 23 de la figure 2. Dans les intervalles restants, un espace libre 33 est prévu au niveau des trous 31, au-dessus des ondes 19, et cet espace est surmonté, de bas en haut par le garnissage 24 précédemment décrit, par une barre 28 à trous 29 analogue à celles de la figure 3, et par une onde-entretoise 34 analogue aux ondes 32 mais à génératrices horizontales.
  • L'alimentation du bain 5 s'effectue latéralement par une boîte d'alimentation 35 située au-dessus de la boîte 8 et débouchant dans les espaces occupés par les ondes 34. Pour cela, les barres 36 qui ferment de ce côté les passages 17 d'oxygène ne s'étendent vers le haut que jusqu'au niveau du bord supérieur des barres 28.
  • En fonctionnement, on maintient dans la boîte 35 un niveau d'oxygène liquide constant approprié. Le bain 5 surmonte les barres 28 et, comme à la figure 1, l'oxygène liquide s'écoule par les trous 29 dans le garnissage 24, qui le distribue uniformément de façon fine, puis ruisselle dans les passages 17 en échange de chaleur avec l'azote contenu dans les passages 18. L'oxygène vaporisé peut s'évacuer soit vers le bas, comme précédemment, soit vers le haut en passant par les trous 31 et les espaces contenant les ondes 32, comme indiqué par des flèches sur la figure 6.
  • Dans ce mode de réalisation, on peut également, en variante, fermer les passages 17 à leur extrémité inférieure et recueillir l'oxygène liquide au moyen d'une onde oblique de collection et d'une boîte collectrice horizontale reliée par une conduite au bain d'oxygène liquide situé en cuve de la colonne basse pression. Dans ce cas, la totalité de l'oxygène vaporisé sort de l'échangeur par le haut, de la façon décrite ci-dessus.
  • Dans chaque mode de réalisation de l'échangeur suivant l'invention, le circuit d'azote est classique. On peut donc le remplacer par d'autres types connus de circuits d'azote, notamment par ceux décrits dans le brevet FR-A-2431 103 de la demanderesse.
  • Par ailleurs, un ou plusieurs échangeurs de chaleur suivant l'invention peuvent être installés à l'intérieur d'une double colonne de distillation d'air dont la colonne basse pression est superposée à la colonne moyenne pression.

Claims (16)

1. Echangeur de chaleur pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide, du type comprenant un corps parallélépipédique formé d'un assemblage de plaques verticales parallèles (4) définissant entre elles une multitude de passages plats (17, 18), des moyens de distribution du liquide en deux étapes dans un premier ensemble de passages (17), prévus à l'extrémité supérieure de chacun de ces passages, et des moyens pour envoyer le deuxième fluide dans les passages restants (18), caractérisé en ce que lesdits moyens de distribution comprennent des ouvertures (27; 29, 29A) de prédistribution du liquide dans les passages (17) dudit premier ensemble et sur toute leur longueur, ces ouvertures débouchant sur un garnissage (24) de distribution fine du liquide sur toute la longueur des mêmes passages (17).
2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ouvertures (27; 29, 29A) comprennent une rangée horizontale de trous.
3. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de retenue (21, 28) pour former un bain de liquide (5) au-dessus desdites ouvertures.
4. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de retenue comprennent des barres (21) limitant les passages (18) dudit deuxième ensemble à leur extrémité supérieure, à une certaine distance de l'extrémité supérieure des plaques verticales (4), lesdites ouvertures (27) étant percées dans les plaques au-dessus de ces barres.
5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de retenue comprennent des barres (28) limitant les passages (17) dudit premier ensemble à leur extrémité supérieure, lesdites ouvertures (29, 29A) étant ménagées verticalement dans ces barres.
6. Echangeur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chaque ouverture (29, 29A) est constituée par un trou contre-alésé.
7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chaque barre (28) est un profilé en U ouvert vers le bas et comportant dans son âme (30) une série de trous (29).
8. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (31) pour faire communiquer une région des passages (17) dudit premier ensemble situé.e au-dessous du garnissage de distribution fine (24) avec un espace libre situé au-dessus du bain (5).
9. Echangeur de chaleur suivant les revendications 5 et 8 prises ensemble, caractérisé en ce que les plaques (4) s'étendent jusqu'au-dessus du niveau du bain (5), en ce que des barres supplémentaires (21) limitent vers le haut les passages (18) dudit deuxième ensemble, et en ce que lesdits moyens de communication comprennent des ouvertures (31) ménagées dans les plaques (4) au-dessus de ces barres supplémentaires et au-dessous du garnissage de distribution fine (24).
10. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le garnissage (24) est constitué par une onde à génératrices horizontales et à décalage vertical partiel.
11. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le garnissage de distribution fine (24) est disposé au même niveau qu'un dispositif (20) de répartition du deuxième fluide dans les passages (18) dudit deuxième ensemble.
12. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le garnissage de distribution fine (24) est disposé entièrement au-dessus d'un dispositif (20) de répartition du deuxième fluide dans les passages (18) dudit deuxième ensemble.
13. Installation de séparation d'air par distillation, du type comprenant une première colonne de distillation (1) fonctionnant sous une pression relativement élevée, une deuxième colonne de distillation fonctionnant sous une pression relativement faible, et un échangeur de chaleur (2) permettant de mettre l'oxygène liquide de cuve de la deuxième colonne en relation d'échange thermique avec l'azote gazeux de tête de la première colonne, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 12, et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation (6, 6A; 35) pour fournir l'oxygène liquide auxdites ouvertures de prédistribution (27; 29, 29A), et des moyens (8) d'alimentation en azote gazeux desdits passages restants (18).
14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation (6, 6A; 35) comprennent des moyens pour créer un bain (5) d'oxygène liquide au sommet de l'échangeur (2).
15. Installation suivant la revendication 14, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation (6, 6A; 35) comprennent des moyens (6A) de régulation du niveau dudit bain.
16. Installation suivant l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce que les ouvertures (27; 29, 29A) sont adaptées pour fournir un excès d'oxygène liquide du même ordre que le débit de liquide vaporisé.
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