FR2780772A1 - Echangeur de chaleur a plaques pour une installation de cristallisation et procede de cristallisation - Google Patents

Abstract

L'échangeur de chaleur à plaques (3) comporte une pluralité d'éléments d'échange de chaleur (6) entre un premier et un second fluides d'échange, constitués chacun par un empilement de plaques ondulées (7) entre lesquelles sont ménagées des canaux de circulation du premier et du second fluides d'échange, suivant une direction générale correspondant à la direction longitudinale des plaques (7). Les éléments d'échange (6) sont disposés de manière adjacente les uns par rapport aux autres, dans une première direction transversale parallèle aux plaques et dans une seconde direction transversale perpendiculaire aux plaques, de façon à être juxtaposés suivant toute leur longueur. Les éléments d'échange comportent à leurs extrémités longitudinales des moyens de distribution et de guidage (14 14', 17ba', 17ca', 17ad', 17bd', 17cd', 17dd'; 18a, 18b, 18c, 18d, 18'a, 18'b, 18'c, 18'd, 18"a, 18"b, 18"c, 18"d; 19, 19'; 20, 20') du premier et du second fluides, tel que le premier et le second fluides circulent à contre-courant dans chacun des éléments (6) et suivant toute la longueur de chacun des éléments (6), successivement. L'échangeur de chaleur à plaques (3) peut être utilisé en particulier pour obtenir des cristaux purifiés et calibrés d'une substance chimique contenue dans une solution aqueuse.

Description

L'invention concerne un échangeur de chaleur à plaques qui peut être

utilisé en particulier dans une installation de cristallisation et un procédé de

cristallisation mettant en oeuvre l'échangeur de chaleur.

Dans l'industrie chimique, pour la production de substances sous forme de cristaux ou de particules calibrées, il peut être nécessaire de réali- ser la cristallisation de la substance contenue dans une solution aqueuse. Il

en est ainsi en particulier dans le cas de la production de l'acide téréphtali-

que (TA) et de l'acide téréphtalique purifié (PTA).

A l'issue d'une élaboration chimique, on obtient une solution aqueuse

renfermant en suspension des cristaux de la substance. Ces cristaux ren-

ferment des impuretés et leurs dimensions se situent, pour une grande par-

tie d'entre eux, en dehors des tailles de cristaux voulues dans le produit fini.

Il est donc nécessaire de réaliser la purification et la cristallisation de la substance, de manière à obtenir des cristaux ou particules calibrées de

dimensions parfaitement déterminées et ne contenant que des teneurs rési-

duelles très faibles d'impuretés.

Pour cela, en particulier dans le cas de l'acide téréphtalique, on porte la solution de départ à une température élevée de dissolution des cristaux

de la substance, on introduit la solution homogène obtenue à haute tempé-

rature dans un réacteur chimique réalisant la séparation des impuretés et on

refroidit la solution homogène purifiée, de manière à obtenir une cristallisa-

tion de la substance sous forme de cristaux ou particules parfaitement cali-

brées. La solution homogène à une température de l'ordre de 300 C sous une. pression de 200 bars, qui a été purifiée dans le réacteur chimique, subit plusieurs détentes et refroidissements dans des réservoirs successifs. Dans le dernier récipient, on obtient la substance à l'état purifié et cristallisé, avec une taille de cristaux déterminée, en suspension dans de l'eau. Il suffit alors

d'assurer la séparation des cristaux et de l'eau.

La solution de départ renfermant les cristaux non purifiés est chauffée par passages successifs dans des échangeurs de chaleur, dans lesquels le chauffage de la solution est assuré par la vapeur récupérée dans chacun

des réservoirs de détente de la solution purifiée. En sortie du dernier échan-

geur, on obtient une solution homogène dans laquelle les cristaux renfer-

mant les impuretés sont dissous, cette solution étant à une haute tempéra-

ture, de l'ordre de 300 C.

Une telle installation de purification et de cristallisation, qui nécessite lI'utilisation de réservoirs de détente successifs, par exemple quatre réser- voirs, d'échangeurs de chaleur associés aux réservoirs de détente et de

conduites de liaison entre les différents éléments de l'installation, est com-

plexe et coûteuse quant aux investissements nécessaires pour sa construc-

tion et aux frais d'exploitation.

Il serait donc souhaitable de disposer d'un procédé et d'un dispositif permettant de réaliser la dissolution des cristaux et la mise en température

de la solution avant son entrée dans le réacteur chimique ainsi que le refroi-

dissement de la solution à la sortie du réacteur chimique et la cristallisation de la substance sous forme de cristaux d'une taille requise, par circulation en continu de la solution de départ et de la solution récupérée à la sortie du

réacteur chimique, dans un seul échangeur de chaleur.

Cependant, le processus de cristallisation de la substance sous forme de particules calibrées nécessite une vitesse de circulation très lente de la solution purifiée dans l'échangeur de chaleur, cette vitesse pouvant être de I'ordre de 0,5 à 1 m/s et une très grande longueur de parcours de la solution

de départ et de la solution purifiée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur.

Du fait de la très faible vitesse de circulation de la solution dans

l'échangeur de chaleur, il existe des risques importants de dépôt des cris-

taux formés ou présents dans la solution et de colmatage des canaux de

I'échangeur de chaleur.

On connaît des échangeurs de chaleur à plaques qui sont constitués par des empilements de plaques en tôle métallique, par exemple en acier

résistant à la corrosion, entre lesquelles on ménage des canaux de circula-

tion d'au moins deux fluides d'échange de chaleur. Les tôles sont formées de manière à comporter des ondulations suivant des parcours sinueux qui allongent le parcours des fluides d'échange à l'intérieur de l'échangeur à plaques et favorisent ainsi les échanges thermiques. En outre, ces parcours sinueux permettent d'obtenir un écoulement turbulent des fluides dans les canaux de l'échangeur de chaleur à plaques, même à une très faible vitesse

de circulation de ces fluides, et donc favorisent les échanges thermiques.

Les échangeurs à plaques peuvent donc apparaître comme adaptés au procédé de cristallisation de substances contenues dans une solution aqueuse. Cependant, il est nécessaire de prévoir des parcours d'échange entre les fluides de très grande longueur, de l'ordre de 20 à 300 m, de sorte

que les échangeurs de chaleur à plaques de conception habituelle compor-

tant de telles longueurs de parcours d'échange peuvent avoir des dimen-

sions considérables et en particulier une longueur du même ordre que la

longueur du parcours d'échange. De telles longueurs ne sont pas conceva-

bles, du fait du coût de fabrication des échangeurs de chaleur à plaques de très grande longueur, de leur encombrement excessif dans les installations de production chimique et des difficultés techniques pouvant apparaître lors

de leur utilisation et de leur entretien.

Dans d'autres domaines que la cristallisation, il peut être également

nécessaire de disposer d'échangeurs de chaleur à plaques ayant un par-

cours de circulation des fluides d'échange de très grande longueur, sans

que l'encombrement total de l'échangeur à plaques ne soit excessif.

Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur à plaques ayant un parcours de circulation avec échange de chaleur mutuel,

d'un premier et d'au moins un second fluide, de grande longueur, en particu-

lier pour une installation de cristallisation d'une substance contenue dans une solution liquide, par exemple aqueuse constituant l'un des fluides, cet échangeur de chaleur présentant un encombrement total raisonnable et des

conditions d'exploitation économiques.

Dans ce but, I'échangeur de chaleur à plaques suivant l'invention comporte une pluralité d'éléments d'échange de chaleur entre le premier et le second fluides constitués chacun par un empilement de plaques ondulées entre lesquelles sont ménagés des espaces de circulation du premier et du second fluide, suivant une direction générale correspondant à une direction

longitudinale des plaques, les éléments étant disposés de manière adja-

cente les uns par rapport aux autres dans une première direction transver-

sale parallèle aux plaques et dans une seconde direction transversale per-

pendiculaire aux plaques, de façon à être juxtaposés suivant toute leur lon-

gueur et comportant à leurs extrémités longitudinales des moyens de distri-

bution et de guidage du premier et du second fluides, tel que le premier et le

second fluides circulent à contre-courant dans chacun des éléments et sui-

vant toute la longueur de chacun des éléments, successivement. L'invention est également relative à un procédé de cristallisation

d'une substance contenue dans une solution, par passage dans un échan-

geur de chaleur à plaques.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, une installation de cristallisation comportant un échangeur de chaleur suivant l'invention, I'échangeur de chaleur et son procédé

d'utilisation pour la cristallisation d'une solution.

La figure 1 est une vue schématique d'une installation de cristallisa-

tion comportant un échangeur de chaleur à plaques suivant l'invention.

La figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'échangeur à pla-

ques suivant l'invention.

La figure 3 est une vue latérale suivant 3 de l'échangeur à plaques.

La figure 4 est une vue en bout suivant 4 de l'échangeur à plaques

représenté sur la figure 2.

La figure 5 est une vue en perspective d'une partie d'extrémité d'un

élément d'échange de l'échangeur à plaques.

La figure 6 est une vue en bout suivant 6 de la figure 5 de l'élément

d'échange de l'échangeur à plaques.

La figure 7 est une vue schématique de la partie frontale d'un échan-

geur à plaques suivant l'invention montrant la distribution et la circulation du

premier et du second fluides d'échange dans l'échangeur à plaques.

Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique une installa-

tion permettant de réaliser la purification et la cristallisation sous forme de cristaux calibrés d'une substance telle que l'acide téréphtalique contenue

dans une solution aqueuse.

L'installation, désignée de manière générale par le repère 1, com-

porte un réacteur chimique 2 permettant d'extraire les impuretés d'une substance chimique dans une solution homogène à haute température et un

échangeur de chaleur à plaques 3 suivant l'invention.

L'installation 1 est destinée à réaliser la purification et le calibrage des cristaux d'une substance contenue dans une solution aqueuse, à la suite d'un procédé de fabrication chimique. La substance se trouve sous la forme

de cristaux en suspension dans la solution de départ, ces cristaux renfer-

mant des impuretés et présentant des tailles se situant généralement en de-

hors de l'intervalle de tailles requises pour les cristaux du produit fini.

La solution de départ est introduite, à une température qui peut être de l'ordre de 100 C, sous une haute pression de l'ordre de 200 bars, dans la

conduite d'entrée la d'un premier fluide d'échange dans l'échangeur à pla-

ques 3. La solution de départ circule dans les canaux réservés au premier fluide d'échange de l'échangeur à plaques 3, suivant toute la longueur de ces canaux, comme indiqué par la flèche dans la partie supérieure de

I'échangeur à plaques 3.

La solution récupérée à la sortie du réacteur chimique 2 est introduite dans les canaux de circulation du second fluide d'échange de l'échangeur à plaques 3, par la conduite ld d'entrée du second fluide d'échange dans

l'échangeur à plaques 3. La solution provenant du réacteur chimique 2 cir-

cule dans l'échangeur à plaques, suivant toute la longueur des canaux ré-

servés au second fluide d'échange, comme représenté par la flèche dans la

partie inférieure de l'échangeur à plaques 3.

Par échange de chaleur entre les fluides, la solution de départ est portée à une température de l'ordre de 300 C, sous la pression de 200 bars, les cristaux renfermant les impuretés de la solution de départ sont dissous progressivement dans la solution, si bien qu'à la sortie lc du premier fluide d'échange de l'échangeur à plaques 3, on obtient une solution homogène à une température de l'ordre de 300 C et qui est introduite dans le réacteur chimique 2. A l'intérieur du réacteur chimique 2, la solution homogène est

purifiée, de telle sorte que les impuretés contenues dans les cristaux de dé-

part sont séparées de la solution.

La solution homogène purifiée récupérée à 300 sous 200 bars à la sortie du réacteur chimique 2 est introduite dans la conduite 1 d d'entrée du

second fluide d'échange dans l'échangeur à plaques 3.

Par échange thermique avec la solution de départ qui circule à con-

tre-courant de la solution purifiée dans l'échangeur à plaques 3, on refroidit la solution homogène purifiée progressivement, de manière qu'il se forme dans cette solution des cristaux purs en suspension dans la solution

aqueuse dont la teneur en substance chimique diminue progressivement.

Lorsqu'on récupère la solution purifiée par la conduite de sortie du second fluide d'échange 1 b de l'échangeur à plaques 3, cette solution est en

fait constituée par de l'eau contenant en suspension des cristaux parfaite-

ment calibrés. La circulation à très faible vitesse de la solution purifiée à l'intérieur de l'échangeur à plaques 3 a permis de réaliser une cristallisation dans des conditions telles que les cristaux formés ont tous la taille requise

pour le produit fini ou se situent dans un intervalle de tailles très étroit.

En outre, I'écoulement de la solution homogène purifiée à l'intérieur

de l'échangeur de chaleur est un écoulement turbulent malgré la basse vi-

tesse de circulation dans l'échangeur de chaleur à plaques, en particulier du fait que les canaux de circulation de fluide sont délimités par des ondulations sinueuses des plaques de l'échangeur. On évite ainsi tout dépôt de cristaux

à l'intérieur des canaux de l'échangeur à plaques.

L'échangeur à plaques permet d'obtenir un très bon rendement des échanges thermiques, I'abaissement de la température de la solution entre

l'entrée la du premier fluide d'échange de l'échangeur à plaques 3 et la sor-

tie 1b du second fluide d'échange de l'échangeur à plaques étant inférieur à C. Pour réaliser les échanges de chaleur voulus dans l'échangeur de chaleur à plaques 3, il faut disposer d'un long parcours de circulation des fluides d'échange par exemple de l'ordre de 20 à 300 m. L'échangeur de

chaleur à plaques 3, représenté en particulier sur la figure 2, permet de réa-

liser un tel parcours de grande longueur des fluides sans nécessiter un sur-

dimensionnement de l'échangeur de chaleur.

L'échangeur de chaleur 3, représenté sur la figure 2, comporte une enveloppe externe 4 de forte épaisseur dans laquelle est disposé le faisceau de l'échangeur de chaleur à plaques.

Le faisceau 5 de l'échangeur à plaques est constitué par des élé-

ments d'échange 6 réalisés chacun sous la forme d'un empilement de pla-

ques 7 constituées de tôles en acier inoxydable ayant une longueur très su-

périeure à leur largeur. Par exemple, on peut utiliser des tôles ayant une largeur de l'ordre de 0,5 m et une longueur de l'ordre de 15 m. Les éléments 6 du faisceau 5 de l'échangeur de chaleur présentent sensiblement la forme

de parallélépipèdes ayant une section transversale carrée.

Le faisceau d'échange 5 comporte seize éléments d'échange 6 qui sont disposés les uns par rapport aux autres de manière adjacente, dans

une première direction transversale parallèle aux plaques (direction trans-

versale horizontale sur la figure 2) et dans une seconde direction transver-

sale perpendiculaire aux plaques (direction verticale sur la figure 2).

Les seize éléments d'échange 6 sont juxtaposés suivant toute leur longueur, à l'intérieur du faisceau 5 et séparés les uns des autres par des

espaces 8.

Les éléments d'échange 6 juxtaposés constituent quatre rangées ver-

ticales, respectivement désignées par les lettres a, b, c et d, et quatre ran-

gées horizontales désignées respectivement par les lettres a', b', c' et d' (fi-

gure 7).

Chaque élément d'échange est disposé dans une rangée verticale ou colonne et dans une rangée horizontale qui définissent sa position dans un réseau à mailles carrées. On désignera un élément d'échange quelconque de l'ensemble d'éléments d'échange par la référence 6 suivie de l'indication

de la colonne et de la rangée horizontale dans lesquelles se trouve cet élé-

ment. Par exemple, I'élément situé dans l'angle du faisceau dans la pre-

mière colonne a et dans la rangée horizontale a' inférieure sera désigné par

6aa'.

En se reportant aux figures 2 et 3, ainsi qu'aux figures 5 et 6, on voit

que chacune des éléments 6, de forme générale parallélépipédique, com-

porte une enveloppe externe 9 constituée par des tôles assemblées entre elles sous la forme d'un boîtier parallélépipédique dans lequel sont montées et fixées, dans des dispositions parallèles, les plaques 7 de l'élément

d'échange de l'échangeur à plaques constituées par des tôles dont la lon-

gueur correspond à la longueur d'un élément d'échange et à la longueur to-

tale du faisceau. Les tôles 7 comportent des ondulations ayant un parcours

sinueux dans une direction globalement longitudinale.

Comme il est visible sur les figures 5 et 6, chaque élément d'échange de chaleur 6 comporte, dans ses parties d'extrémités, une cloison médiane

parallèle à deux côtés du boîtier parallélépipédique 9.

Les tôles 7 sont fixées suivant toute leur longueur sur les parois laté-

rales du boîtier 9 et, à leurs extrémités, sur la cloison médiane 10. Les tôles

7 sont ainsi maintenues dans des dispositions parallèles entre elles, de ma-

nière que des canaux de circulation de fluide 11 soient ménagés entre deux

tôles 7 successives et superposées.

Comme il est visible sur la figure 5, le boîtier 9 des éléments d'échange 6 comporte, fixées dans le prolongement de la paroi supérieure et de la paroi inférieure du boîtier, deux plaques épaisses 12 et 12' assurant le maintien en superposition avec un espacement 8 des boîtiers de deux

éléments d'échange adjacents. Les plaques épaisses 12 et 12' sont égale-

ment débordantes sur les côtés latéraux du boîtier 9, de manière à assurer

un espacement entre les boîtiers des éléments d'échange de chaleur dispo-

sés suivant des rangées verticales ou colonnes adjacentes.

Les canaux 11 de circulation des fluides d'échange de chacun des éléments d'échange 6 débouchent, à chacune des extrémités longitudinales de l'élément d'échange, dans une chambre de distribution de fluide d'un

collecteur, par une face d'extrémité plane 13 ou 13' de l'empilement de pla-

ques 7 et du boîtier 9. Les parties d'extrémité des plaques 7 présentent des bords dirigés angulairement et symétriquement par rapport à la direction longitudinale des plaques, de telle sorte que les faces planes 13 et 13' de

I'empilement font entre elles un angle dièdre supérieur à 90 .

Les chambres de collecteur dans lesquelles débouchent les canaux de circulation 11 sont divisées en deux compartiments, au niveau de chacun des éléments d'échange, par un prolongement vers l'extérieur de la cloison

médiane 10 de l'empilement. L'un des compartiments, dans lequel un pre-

mier ensemble de canaux 11 débouche, par la face 13 de l'empilement, as-

sure la distribution ou la récupération d'un premier fluide d'échange et l'autre compartiment, dans lequel débouche un second ensemble de canaux 11 de circulation, par la face 13' de l'empilement, assure la distribution ou la récu- pération d'un second fluide d'échange. L'inclinaison des faces 13 et 13'

permet d'éliminer ou de réduire les zones de stagnation du fluide.

Comme il est visible sur la figure 6, I'extrémité d'un canal 11 sur deux dans la direction transversale perpendiculaire aux plaques 7 est obturée, suivant la face 13 et suivant la face 13' de l'empilement, les canaux obturés suivant la face 13 étant intercalés entre deux canaux obturés suivant la face

13' et vice-versa. De cette manière, des canaux 11 successifs dans la direc-

tion transversale perpendiculaire aux plaques 7 sont parcourus alternative-

ment par le premier et par le second fluides, les extrémités longitudinales de chacun des canaux 11 débouchant dans deux compartiments de collecteurs de distribution d'un même fluide étant soit toutes deux fermées, soit toutes

deux ouvertes.

De cette manière, on assure une circulation d'un premier fluide sui-

vant toute la longueur de l'élément d'échange, dans un premier sens, à I'intérieur d'un premier ensemble de canaux 11 de l'élément d'échange et la circulation dans un second sens, suivant la longueur de l'élément

d'échange, d'un second fluide d'échange, dans un second ensemble de ca-

naux 11 intercalés chacun entre deux canaux du premier ensemble. Les canaux 11 délimités chacun entre deux plaques 7 de l'échangeur à plaques ne sont séparés en deux parties par la cloison 10 qu'au voisinage de leurs extrémités o l'on assure la distribution ou la récupération des fluides d'échange. Les fluides d'échange circulent ensuite, suivant la longueur de l'élément d'échange, dans toute la largeur des canaux 11, entre les parois

latérales du boîtier 9 de l'élément d'échange.

On va maintenant décrire l'ensemble des collecteurs permettant

d'assurer la circulation de deux fluides d'échange dans l'échangeur de cha-

leur à plaques 3, de telle sorte qu'à l'intérieur de chacun des éléments d'échange 6, le premier et le second fluides d'échange circulent dans des sens inverses suivant la longueur de l'élément d'échange et que chacun des fluides d'échange parcourt successivement, suivant toute leur longueur,

chacun des éléments d'échange 6.

Les différents collecteurs de l'échangeur de chaleur seront décrits en particulier en se référant aux figures 2, 3 et 4. Les collecteurs sont constitués par des enveloppes en tôle de forme sensiblement semicylindrique disposées suivant la direction des rangées verticales ou colonnes d'éléments d'échange, fermées à leurs extrémités par

des parois de fermeture complémentaires et fixées suivant un contour sen-

siblement rectangulaire ou carré sur les parois ou la cloison médiane des

boîtiers des éléments d'échange, aux extrémités longitudinales de ces élé-

ments. Un premier et un second collecteurs 14, 14' permettent d'assurer

l'entrée et la sortie du premier et du second fluides d'échange dans le fais-

ceau de l'échangeur de chaleur, par une face d'extrémité du faisceau de l'échangeur de chaleur qui sera désignée comme face d'entrée de

l'échangeur de chaleur et qui est située sur la droite sur les figures 2 et 3.

Le premier collecteur 14, par lequel est assurée l'entrée du premier fluide d'échange et la sortie du second fluide d'échange, est fixé suivant le contour de l'extrémité du boîtier de l'élément d'échange 6aa' disposé dans l'angle inférieur gauche du faisceau de l'échangeur de chaleur. Le collecteur présente un contour ouvert de forme carrée qui est fixé suivant le contour de l'extrémité du boîtier de l'élément d'échange 6aa' et un volume interne qui est séparé en deux demi- compartiments par le prolongement vers l'extérieur

de la cloison 10 de la partie d'extrémité de l'élément d'échange 6aa'.

Dans un premier compartiment du collecteur 14 débouche une con-

duite 15 d'amenée du premier fluide d'échange dans le faisceau de

l'échangeur de chaleur.

Dans le second compartiment du collecteur 14 débouche une con-

duite 16 de sortie du second fluide d'échange. Les conduites 15 et 16 tra-

versent l'enveloppe externe 4 de l'échangeur de chaleur dans une même direction parallèle à la direction axiale de l'enveloppe 4. La conduite 16 comporte deux parties coudées, de manière à être décalée vers la partie

centrale axiale de l'échangeur de chaleur, par rapport à la conduite 15.

Un second collecteur 14' ayant une forme identique à la forme du collecteur 14 est fixé sur la partie d'extrémité du boîtier de l'élément d'échange 6da' située du côté de la face d'entrée du faisceau 5 de

l'échangeur de chaleur. Le collecteur 14' comporte deux compartiments.

Dans un premier compartiment du collecteur 14', débouche une conduite 15' de sortie du premier fluide d'échange et dans le second compartiment du collecteur 14' débouche une conduite 16' d'entrée du second fluide d'échange. De même que les conduites 15 et 16, les conduites 15' et 16'

traversent l'enveloppe externe 4 de l'échangeur de chaleur dans une direc-

tion axiale.

Sur la figure 4, on a représenté la disposition des brides de raccor-

dement des conduites 15, 16, 15' et 16' par rapport au fond bombé de I'enveloppe 4 de l'échangeur de chaleur. Les quatre brides de raccordement des conduites d'arrivée et de sortie des fluides d'échange sont situées d'un même côté de l'enveloppe 4 et dans des zones voisines, ce qui facilite la

construction du circuit de fluide de l'installation de cristallisation.

L'échangeur de chaleur comporte de plus six collecteurs délimitant chacun un compartiment de sortie ou d'entrée de l'un des fluides d'échange rapporté suivant une face d'extrémité d'un élément d'échange, au niveau de

la face d'entrée de l'échangeur de chaleur.

Quatre collecteurs sont disposés aux extrémités d'éléments d'échange de la rangée horizontale supérieure d'. Ces collecteurs seront désignés par les références donnant la position des éléments d'échange auxquels ils sont associés, ces collecteurs 17ad', 17bd', 17cd' et 17dd' étant associés respectivement aux éléments d'échange 6ad', 6bd', 6cd' et 6dd' de

la rangée supérieure horizontale d'. Ces collecteurs délimitent des compar-

timents de distribution ou de récupération du premier fluide d'échange.

De même, deux collecteurs 17ba' et 17ca' sont disposés dans la ran-

gée inférieure horizontale a', au niveau de compartiments d'entrée ou de

sortie du second fluide dans les éléments d'échange 6ca' et 6ba'.

Quatre collecteurs 18a, 18b, 18c et 18d comportant un contour ouvert de forme rectangulaire sont fixés chacun sur les parties d'extrémité de la face d'entrée de deux éléments d'échange superposés dans une rangée a,

b, c ou d verticale d'éléments d'échange.

Les collecteurs 18a, 18b, 18c et 18d, qui sont séparés chacun en deux compartiments par les cloisons 10 des éléments d'échange assurent la transmission du premier et du second fluides d'échange entre les parties

d'extrémité du côté de la face d'entrée des deux éléments d'échange super-

posés suivant lesquelles ils sont placés.

De même, sur la face du faisceau d'échange 5 opposée à la face d'entrée sont placées deux rangées de collecteurs 18'a, 18'b, 18'c et 18'd et 18"a, 18"b, 18"c et 18"d, analogues aux collecteurs 18a, 18b, 18c et 18d, et assurant chacun la jonction des parties d'extrémité du côté de la face de

sortie du faisceau, de deux éléments d'échange superposés dans la direc-

tion verticale dans une colonne a, b, c ou d d'éléments d'échange.

Enfin, des collecteurs en forme de portion de cylindre sont disposés de manière à recouvrir deux compartiments de distribution d'un même fluide de deux éléments d'échange adjacents, pour les mettre en communication,

du côté de la face d'entrée du faisceau de l'échangeur de chaleur.

Un premier de ces collecteurs 19 situé dans la rangée horizontale

inférieure a d'éléments d'échange met en communication deux comparti-

ments de distribution du premier fluide d'échange. Deux autres collecteurs19' sont disposés dans la rangée supérieure d' d'éléments d'échange et mettent en communication deux compartiments de distribution du second

fluide d'échange.

Enfin, deux conduites 20 mettent en communication, dans la rangée

supérieure horizontale d' d'éléments d'échange, respectivement, les collec-

teurs 17ad' et 17bd' et les collecteurs 17cd' et 17dd' de distribution du pre-

mier fluide d'échange.

Une conduite 20' met en communication, dans la rangée inférieure horizontale d'éléments d'échange a' le collecteur 17ba' et le collecteur 17ca'

de distribution du second fluide d'échange.

De manière à expliquer le fonctionnement de l'échangeur de chaleur

et le parcours de circulation du premier et du second fluides dans l'échan-

geur de chaleur, on va se reporter à la figure 7 sur laquelle on a représenté de manière schématique la face d'entrée du faisceau 5 de l'échangeur de chaleur.

Sur la face d'entrée, on a tracé, sous la forme de rectangles juxtapo-

* sés, les faces d'extrémités des compartiments d'entrée et de sortie du pre-

mier ou du second fluides. Dans les rectangles représentant les faces d'extrémités assurant l'entrée ou la sortie du premier fluide dans un élément d'échange, on a indiqué le chiffre I et dans les rectangles représentant les faces d'extrémités assurant l'entrée ou la sortie du second fluide d'échange, on a indiqué le chiffre Il. On a également indiqué, à l'intérieur de chacun des rectangles, de façon symbolique, le sens de circulation du fluide dans l'élément d'échange. La circulation dans le sens aller, c'est-à-dire dans le sens allant de la face d'entrée vers la face de sortie du faisceau d'échange, est indiquée par un cercle et la circulation dans le sens retour, c'est-à-dire dans le sens allant de la face de sortie vers la face d'entrée du faisceau d'échange, est indiquée par un cercle à l'intérieur duquel est tracée une croix. Les rectangles comportant un cercle représentent donc des faces

d'extrémité de compartiments d'entrée du premier ou du second fluide sui-

vant l'indication portée dans le rectangle et les rectangles comportant un cercle dans lequel est tracée une croix représentent donc des faces d'extrémité de compartiments de sortie du premier ou du second fluide

d'échange.

Les deux compartiments du collecteur 14 de l'élément d'échange 6aa' situé dans l'angle inférieur gauche sur la figure 7 et les deux compartiments du collecteur 14' de l'élément d'échange 6ad' situé dans l'angle inférieur droit de la face d'entrée du faisceau d'échange assurent respectivement I'entrée du premier fluide et la sortie du second fluide et l'entrée du second

fluide et la sortie du premier fluide.

On a également représenté sur la figure 7, de manière schématique, les conduites de liaison 20 et 20' et les collecteurs 19 et 19' assurant le transfert des fluides entre des éléments d'échange situés dans une même

rangée horizontale.

On va maintenant décrire la circulation des fluides dans le faisceau

d'échange de l'échangeur à plaques, en se reportant en particulier aux figu-

res 2 et7. Le premier fluide d'échange est amené dans le compartiment réservé au premier fluide du collecteur 14 disposé à l'extrémité de l'élément d'échange 6aa'. Le premier fluide d'échange est distribué dans les espaces de circulation 11 qui lui sont réservés entre les plaques 7 puis circule à I'intérieur de l'élément d'échange 6aa' dans le sens aller. A la sortie de l'élément d'échange 6aa', le fluide d'échange est transféré par le collecteur 18'a dans la partie d'extrémité côté face de sortie du compartiment réservé

au premier fluide de l'élément d'échange 6ab' superposé à l'élément 6aa;.

Le premier fluide d'échange circule alors dans le sens retour à l'intérieur de

I'élément 6ab'.

Du fait de la présence des collecteurs 18a et 18"a, le premier fluide

circule ensuite successivement, dans les sens aller et retour, dans les élé-

ments supérieurs 6ac' et 6ad' de la colonne d'éléments d'échange a. Le premier fluide est ensuite transféré du collecteur 17ad' au collecteur 17bd'

par une conduite 20.

Le premier fluide circule ensuite successivement dans tous les élé-

ments superposés de la colonne d'éléments d'échange b, en étant renvoyé d'un élément d'échange à un autre par les collecteurs 18, 18' et 18" situés

sur les faces d'entrée et de sortie du faisceau d'échange.

25. Lorsqu'il est parvenu à la sortie de l'élément d'échange 6ba', le pre-

mier fluide est transféré par le collecteur 19 dans le compartiment d'entrée de l'élément d'échange 6ca', pour circuler successivement dans un sens et dans l'autre dans chacun des éléments d'échange de la colonne c

d'éléments d'échange.

A la sortie de l'élément 6cd', le premier fluide est transféré par une conduite 20 dans le compartiment d'entrée du premier fluide de l'élément

d'échange 6dd' délimité par le collecteur 17dd'.

Le fluide d'échange parcourt ensuite, successivement dans un sens et dans l'autre, les éléments d'échange de la colonne d d'éléments d'échange pour parvenir dans le compartiment de sortie du collecteur 14'

communiquant avec la conduite 15'.

On pourrait de même expliquer à partir de la figure 2 et de la figure 7 la circulation du second fluide d'échange, depuis la conduite d'entrée 16' jusqu'à la conduite de sortie 16 en montrant que le second fluide d'échange, comme le premier fluide d'échange, parcourt successivement chacun des éléments d'échange dans des sens de circulation alternés, la circulation d'un fluide dans un élément d'échange étant réalisée à contre-courant par rapport

à la circulation de l'autre fluide d'échange.

On voit clairement, sur la figure 7, qu'on obtient ainsi une circulation du premier et du second fluides d'échange à contre-courant dans tout le faisceau du générateur de vapeur, suivant un parcours de circulation dont la longueur est égale à la longueur d'un élément d'échange multiplié par le nombre total d'éléments d'échange, c'est-à-dire par seize, dans le cas du

mode de réalisation qui a été décrit.

On peut ainsi réaliser des installations compactes et de structure rela-

tivement simple permettant de réaliser des réactions physiques ou chimi-

ques par échange de chaleur entre des fluides circulant à faible vitesse sui-

vant des parcours de très grande longueur.

Malgré une très faible vitesse de circulation à l'intérieur des canaux de l'échangeur à plaques, on obtient un écoulement turbulent des fluides d'échange, ce qui permet d'éviter le dépôt de cristaux dans les canaux de circulation de fluide dans le cas o l'on réalise, à l'intérieur de l'échangeur à plaques, une dissolution d'une solution de départ contenant des cristaux et constituant le premier fluide d'échange et la cristallisation d'une substance

sous forme de cristaux calibrés, dans une solution purifiée constituant le se-

cond fluide d'échange dans l'échangeur de chaleur.

Le dispositif suivant l'invention est donc parfaitement adapté à la réa-

lisation d'un procédé de cristallisation d'une substance chimique.

On peut en particulier réaliser, en utilisant un échangeur de chaleur à plaques tel que celui de l'invention, la cristallisation de produits tels que le paraxylène ou le diméthyl naphtalène ou encore d'acides carboxyliques aromatiques et d'anhydrides tels qu'en particulier l'acide téréphtalique ou l'acide isophtalique, éventuellement sous forme purifiée, I'acide trimellitique,

l'anhydride trimellitique, I'acide naphtalène dicarboxylique, I'acide diphé-

nyldicarboxylique, I'acide pyromellitique ou l'anhydride pyromellitique et

l'acide oxybisbenzoïque.

L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.

C'est ainsi qu'on peut utiliser des éléments d'échange constitués par des empilements de plaques ayant des formes différentes de celles qui ont

été décrites, par exemple parallélépipédiques à section rectangulaire.

Ces éléments d'échange peuvent être disposés de manière adjacente suivant des rangées ayant une première direction et disposées elles- mêmes

de manière adjacente dans une seconde direction perpendiculaire à la pre-

mière. Ces éléments d'échange peuvent être placés de manière adjacente,

suivant une disposition générale différente de celle qui a été décrite.

Les collecteurs et éléments de liaison entre les parties d'extrémité

des éléments d'échange peuvent également présenter des formes différen-

tes de celles qui ont été décrites.

Enfin, I'échangeur de chaleur à plaques suivant l'invention peut être utilisé dans d'autres applications que la cristallisation de produits de

l'industrie chimique.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1.- Echangeur de chaleur à plaques ayant un parcours de circulation

avec échange de chaleur mutuel, d'un premier et d'au moins un second flui-

des, de grande longueur, en particulier pour une installation de cristallisation d'une substance contenue dans une solution liquide, par exemple aqueuse, constituant l'un du premier et du second fluides, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité d'éléments d'échange de chaleur (6) entre le premier

et le second fluides constitués chacun par un empilement de plaques ondu-

lées (7) entre lesquelles sont ménagés des espaces de circulation du pre-

mier et du second fluides, appelés canaux (11), suivant une direction géné-

rale correspondant à une direction longitudinale des plaques, les éléments (6) étant disposés de manière adjacente les uns par rapport aux autres dans une première direction transversale parallèle aux plaques (7) et dans une seconde direction transversale perpendiculaire aux plaques (7), de façon à être juxtaposés suivant toute leur longueur et comportant, à leurs extrémités longitudinales, des moyens de distribution et de guidage (14, 14'; 17ba', 17ca', 17ad', 17bd', 17cd', 17dd'; 18a,18b, 18c, 18d, 18'a, 18'b, 18'c, 18'd, 18"a, 18"b, 18"c, 18"d; 19, 19'; 20, 20') du premier et du second fluides,

tels que le premier et le second fluides circulent à contre-courant dans cha-

cun des éléments (6) et, suivant toute la longueur de chacun des éléments

(6), successivement.

2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments d'échange de chaleur (6) présente une forme générale

parallélépipédique à base carrée ou rectangulaire et sont disposés de ma-

nière adjacente, suivant des rangées (a, b, c, d, a', b', c', d') ayant une pre-

mière direction et disposées elles-mêmes de manière adjacente dans une

seconde direction perpendiculaire à la première.

3.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de distribution et de guidage du premier et du second fluides d'échange comportent des collecteurs (18a,18b, 18c, 18d, 18'a, 18'b, 18'c, 18'd, 18"a, 18"b, 18"c, 18"d; 17ba', 17ca', 17ad', 17bd', 17cd', 17dd'); 14, 14'; 19, 19'; 17ba', 17ca', 17ad', 17bd', 17cd', 17dd') fixés suivant des parties d'extrémité longitudinales des éléments d'échange de chaleur (6), pour assurer le passage du premier et du second fluides d'échange entre les

parties d'extrémité d'éléments d'échange de chaleur (6) adjacents.

4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'une partie au moins des collecteurs (14, 14'; 18a, 18b, 18c, 18d, 18'a, 18'b, 18'c, 18'd, 18"a, 18"b, 18"c, 18"d) comporte des parois de sépa-

ration (10) en deux compartiments pour la distribution du premier et du se-

cond fluides d'échange, respectivement.

5.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendica-

tions 3 et 4, caractérisé par le fait que les moyens de distribution et de gui-

dage du premier et du second fluides comportent de plus des conduites (20, ') de jonction entre deux collecteurs de distribution et de réception de l'un

du premier et du second fluides d'échange.

6.- Procédé de cristallisation d'une substance chimique contenue

dans une solution liquide, par exemple aqueuse, sous forme de cristaux pu-

rifiés et calibrés, dans un échangeur de chaleur à plaques selon l'une quel-

conque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait:

- qu'on fait circuler, dans les canaux (11) de l'échangeur de chaleur à plaques (3) réservés à un premier fluide d'échange thermique, une première

solution aqueuse renfermant en suspension des cristaux non calibrés ren-

fermant des impuretés, - qu'on chauffe la première solution aqueuse par échange thermique dans l'échangeur de chaleur à plaques (3) avec un second fluide d'échange à une température de dissolution des cristaux non calibrés pour obtenir une première solution homogène renfermant des impuretés,

- qu'on introduit la première solution homogène renfermant des impu-

retés dans un réacteur chimique (2), - qu'on sépare les impuretés de la première solution homogène dans

le réacteur chimique (2) pour obtenir une seconde solution homogène puri-

fiée, - qu'on fait circuler la seconde solution homogène purifiée dans les canaux (11) de l'échangeur à plaques (3) réservés au second fluide d'échange, et - qu'on récupère, à la sortie (lb) du second fluide d'échange de

l'échangeur de chaleur à plaques (3) de l'eau et des cristaux purifiés et cali-

brés.

7.- Procédé de cristallisation suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on fait circuler la première solution aqueuse et la seconde solu- tion homogène purifiée dans les canaux (11) de l'échangeur de chaleur à

plaques (3) à une vitesse comprise entre 0,5 et 1 m/s.

8.- Procédé de cristallisation suivant l'une quelconque des revendica-

tions 6 et 7, caractérisé par le fait qu'on fait circuler la première et la se-

conde solutions aqueuses dans les canaux (11) de l'échangeur de chaleur,

suivant un parcours d'échange d'une longueur comprise entre 20 et 300 m.

9.- Procédé de cristallisation suivant l'une quelconque des revendica-

tions 6, 7 et 8, caractérisé par le fait qu'on maintient la première solution aqueuse et la seconde solution aqueuse, à l'intérieur des canaux (11) de I'échangeur de chaleur à plaques et dans le réacteur chimique (2), à une

haute pression de l'ordre de 200 bars.

10.- Procédé de cristallisation suivant l'une quelconque des revendi-

cations 6 à 9, caractérisé par le fait qu'on chauffe la première solution

aqueuse à une température de dissolution des cristaux renfermant des im-

puretés, de l'ordre de 300 C, avant de l'introduire dans le réacteur chimique (2).

11.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, ca-

ractérisé par le fait que la substance chimique est l'une des substances sui-

vantes: le paraxylène ou le diméthyl naphtalène ou encore d'acides car-

boxyliques aromatiques et d'anhydrides tels qu'en particulier l'acide téré-

phtalique ou l'acide isophtalique, éventuellement sous forme purifiée, I'acide trimellitique, I'anhydride trimellitique, I'acide naphtalène dicarboxylique,

l'acide diphényldicarboxylique, I'acide pyromellitique ou l'anhydride pyromel-

litique et l'acide oxybisbenzoïque.