WO2009063146A1 - Echangeur de chaleur et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique incorporant un tel échangeur - Google Patents

Echangeur de chaleur et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique incorporant un tel échangeur Download PDF

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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and apparatus for separating air by cryogenic distillation incorporating such an exchanger.
  • a heat exchanger constituted by a first heat exchanger portion, a second heat exchanger portion, means for sending a first fluid to the second heat exchanger portion for heat exchanger. to cool therein, means for sending the first cooled fluid of the second heat exchanger portion to the first heat exchanger portion for cooling therein, means for withdrawing the cooled first fluid from the first portion of the heat exchanger; heat exchanger, means for sending a second fluid to the first heat exchanger portion, and then to the second heat exchanger portion, the axes of the first and second portions have substantially parallel maximum dimensions, one to the other and characterized in that the maximum dimension of the first portion is less than the maximum dimension of the second portion.
  • the first and second portions have a maximum dimension which differs by not more than 50%, preferably not more than 25%, or even more than 10%; the first and second portions are plate and fin exchangers;
  • the first and second portions are interconnected by an auxiliary plate and fin exchanger, preferably so that the first and second portions and the auxiliary exchanger form a U-shaped body.
  • an apparatus for air separation by cryogenic distillation comprising a simple separation column having a main axis and a circular section with radius R, an exchanger according to one of the preceding claims in wherein the first fluid is air and the first portion is connected to the air inlet of the column, the second fluid is nitrogen and the first portion is connected to a nitrogen outlet of the column, at least a part of the first and / or second portion being located in an area having the same main axis as the column and a radius at most equal to R + 2 m, preferably at most equal to R + 1 m, or even at most equal to R.
  • first and / or the second portion is situated in a zone with radius at most equal to R, the first and second portions juxtaposing the end of the column where the means for sending the nitrogen of the column are connected; the second portion;
  • the first and / or second portions are entirely in the radius zone at most equal to R;
  • the first portion comprises the head condenser adapted to at least partially condense the nitrogen coming from the column and / or a dephlegmator;
  • the apparatus comprises means for sending a bottom liquid from the single column to the first portion to vaporize it at least partially, and means for sending vaporized tank liquid from the first portion to the second portion to reheat it;
  • At least one of the first and second portions (E1, E2) is contiguous with the column;
  • the apparatus comprises a cold box, the column and the first and second portions being contained in the cold box, so that in use, the first and second portions are above the column; - At least one of the first and second portions is suspended from the wall which serves, in use, the ceiling of the cold box;
  • the apparatus comprises means for sending the air to be cooled are connected to a first end of the first portion, the second end of the first portion being connected to a first end of the second portion to allow the transfer of air to cool, the first end of the first portion is in the area having the same major axis as the column and having a radius equal to at most R + 0.50 m, preferably less than R;
  • the apparatus comprises a head condenser independent of the first and second portions of the heat exchanger;
  • the first and second portions have a maximum dimension parallel to the axis of the column.
  • a distillation column can be surmounted by an exchange line cumulating the roles of nitrogen condensation and cooling air d 'food.
  • the exchange line comprises a vaporization-condensation part (to ensure the reflux of the distillation column) and a more conventional gas-gas heat exchange part. This is placed above the column to be distilled, for reasons of gravity flow.
  • the overall height of the column and the heat exchanger is relatively large, which poses difficulties in order to fit the cold box into a 40-foot container (about 12 m long).
  • the present invention aims to minimize the length of the exchanger, without increasing the cross section of the exchanger, and without reducing the fluid velocities in the passages and therefore the exchange coefficients, at a more affordable price.
  • Figure 1 shows an air separation apparatus according to the invention.
  • Figures 2 and 3 show heat exchangers adapted to be installed in an air separation apparatus according to the invention.
  • An air distillation column C is surmounted by a two-part exchanger that performs the functions of the head condenser and the exchange line of a conventional apparatus. From a heat-optimized heat exchanger (and therefore the cheapest), that is to say, very long (for example about 6 m), but with a weak section, it is proposed to fold the exchanger on itself as shown in Figure 1.
  • Folding it can save about half its length, or 3 m in the example.
  • the first exchange body E1 is fixed on the column, 1 possibly by a connecting piece according to the materials used. It has the vaporization-condensation part at the bottom, and at the top part of the classical gas-gas exchange function.
  • the second body E2 oriented with the hot end downwards, comprises the second part of the conventional gas-gas exchange function of the exchange line of an air separation apparatus.
  • the compressed and purified air 3 is sent to the second body E2 where it cools. Then it is sent from the cold end of the second body E2 to the hot end of the first body E1 by the pipe 5.
  • the cooled air 7 is sent to the column C.
  • the nitrogen head 9 is sent to the cold end of the first body E1 where it partially condenses by heat exchange with the rich liquid of the column vessel (pipe not illustrated).
  • Nitrogen gas from the first body E1 is sent through line 11 to the cold end of the second body E2 where it heats up.
  • the two bodies E1, E2 can have identical or different lengths, depending on the arrangement of the inlet and outlet heads of the fluids. An inverted U configuration is thus obtained.
  • E1 is shorter than E2. If possible, we try to play on the width of the plates and the stack so as to have the heat exchanger in the shade or in the extension of the column (section of the exchanger folded close to the section of the column), to minimize the section of the cold box.
  • the two bodies can be: • physically independent with pipe-type connections, for example using “cannon” taps (Figure 2)
  • the body E1 of Figure 3 is shorter than the body E2.
  • the exchanger composed of at least two bodies may be located entirely in the zone with radius R. Otherwise, at least one of the two bodies E1 and E2 may extend along the wall of column C.

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Abstract

Un échangeur de chaleur est constitué par une première portion d' échangeur de chaleur (El ), une deuxième portion d' échangeur de chaleur (E2), des moyens (3) pour envoyer un premier fluide à la deuxième portion d' échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens (5) pour envoyer le premier fluide refroidi de la deuxième portion d' échangeur de chaleur à la première portion d' échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens (7) pour soutirer le premier fluide refroidi de la première portion d' échangeur de chaleur, des moyens (9) pour envoyer un deuxième fluide à la première portion d' échangeur de chaleur, et ensuite à la deuxième portion d' échangeur de chaleur, les axes des première et deuxième portions ont des dimensions maximales substantiellement parallèles l'une à l'autre et la dimension maximale de la première portion est inférieure à la dimension maximale de la deuxième portion.

Description

Echangeur de chaleur et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique incorporant un tel echangeur
La présente invention concerne un echangeur de chaleur et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique incorporant un tel echangeur.
Dans le cas d'un appareil à simple colonne (tel qu'un générateur d'azote) utilisant un echangeur comprenant une partie vaporisation/condensation, installé au-dessus de la colonne à distiller, on se propose de réduire la hauteur globale de la boite froide, pour qu'elle puisse rentrer dans un conteneur de 40 pieds de long, et ainsi bénéficier d'un coût de transport compétitif.
Il est déjà connu de DE-A-2822774 de placer une colonne de séparation d'air à l'intérieur d'un conteneur.
Selon l'invention, il est prévu un echangeur de chaleur constitué par une première portion d'échangeur de chaleur, une deuxième portion d'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un premier fluide à la deuxième portion d'échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens pour envoyer le premier fluide refroidi de la deuxième portion d'échangeur de chaleur à la première portion d'échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens pour soutirer le premier fluide refroidi de la première portion d'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un deuxième fluide à la première portion d'échangeur de chaleur, et ensuite à la deuxième portion d'échangeur de chaleur, les axes des première et deuxième portions ont des dimensions maximales substantiellement parallèles l'une à l'autre et caractérisé en ce que la dimension maximale de la première portion est inférieure à la dimension maximale de la deuxième portion.
Selon d'autres aspects facultatifs :
- la première et la deuxième portions ont une dimension maximale qui diffère d'au plus 50 %, de préférence au plus 25 %, voire au plus 10 % ; - les première et deuxième portions sont des échangeurs à plaques et à ailettes ;
- les première et deuxième portions sont reliées entre elles par un echangeur à plaques et à ailettes auxiliaire, de préférence de sorte que les première et deuxième portions et l'échangeur auxiliaire forment un corps en forme de U.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une simple colonne de séparation ayant un axe principal et une section circulaire à rayon R, un échangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier fluide est de l'air et la première portion est reliée à l'entrée d'air de la colonne , le deuxième fluide est de l'azote et la première portion est reliée à une sortie d'azote de la colonne, au moins une partie de la première et/ou la deuxième portion étant située dans une zone ayant le même axe principal que la colonne et un rayon au plus égal à R + 2 m, de préférence au plus égal à R + 1 m, voire au plus égal à R.
Optionnellement :
- une partie de la première et/ou la deuxième portion est située dans une zone à rayon au plus égal à R, les première et deuxième portions juxtaposant l'extrémité de la colonne où sont connectés les moyens pour envoyer l'azote de la colonne à la deuxième portion ;
- les première et/ou deuxième portions se trouve(nt) entièrement dans la zone à rayon au plus égal à R ; - la première portion comprend le condenseur de tête adapté pour condenser au moins partiellement l'azote provenant de la colonne et/ou un déphlegmateur ;
- l'appareil comprend des moyens pour envoyer un liquide de cuve de la simple colonne à la première portion pour le vaporiser au moins partiellement, et des moyens pour envoyer du liquide de cuve vaporisé de la première portion à la deuxième portion pour le réchauffer ;
- au moins une des première et deuxième portions (E1 , E2) est contiguë à la colonne ;
- la longueur totale de la colonne et les première et deuxième portions dans l'axe de la colonne ne dépasse pas 12 m ;
- l'appareil comprend une boîte froide, la colonne et les première et deuxième portions étant contenues dans la boîte froide, de sorte qu'en usage, les première et deuxième portions se trouvent au-dessus de la colonne ; - au moins une des première et deuxième portions est suspendue de la paroi qui sert, en usage, de plafond de la boîte froide ;
- l'appareil comprend des moyens pour envoyer l'air à refroidir sont reliés à une première extrémité de la première portion, la deuxième extrémité de la première portion étant reliée à une première extrémité de la deuxième portion pour permettre le transfert d'air à refroidir, la première extrémité de la première portion est dans la zone ayant le même axe principal que la colonne et ayant un rayon égal à au plus R + 0,50 m, de préférence inférieur à R ;
- l'appareil comprend un condenseur de tête indépendant de la première et deuxième portions de l'échangeur de chaleur ;
- les première et deuxième portions ont une dimension maximale parallèle à l'axe de la colonne.
Selon l'invention, il est également proposé d'améliorer la mise en oeuvre de l'idée d'intégrer la fonction « vaporisation-condensation » dans l'échangeur principal, tout en permettant de faire rentrer la boite froide dans un container maritime de 40 pieds de long.
L'intérêt de l'invention est de le faire :
• sans dégradation des performances de distillation
• sans dégradation du volume de l'échangeur Dans FR-A-2895069, il est décrit qu'une colonne de distillation peut être surmontée d'une ligne d'échange cumulant les rôles de condensation d'azote et de refroidissement d'air d'alimentation. La ligne d'échange comporte une partie vaporisation-condensation (pour assurer le reflux de la colonne à distiller) et une partie plus classique d'échange thermique gaz-gaz. Celle-ci est placée au dessus de la colonne à distiller, pour des raisons de flux gravitaire.
De ce fait, la hauteur globale de la colonne et de l'échangeur thermique est relativement grande, ce qui pose des difficultés si l'on veut faire rentrer la boite froide dans un conteneur de 40 pieds (environ 12 m de long).
Si on réduit fortement le nombre de plateaux ou de modules de distillation, pour réduire la hauteur de la colonne, ceci conduit à une baisse de performance de l'appareil. Il est difficilement envisageable de trouver des internes de distillation beaucoup plus performants que ceux existants pour réduire la hauteur de la colonne de distillation (quitte à augmenter le diamètre) tout en maintenant les performances de distillation.
La présente invention vise à minimiser la longueur de l'échangeur, sans augmenter la section de l'échangeur, et sans diminuer les vitesses des fluides dans les passages et donc les coefficients d'échanges, à prix plus abordable.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. La figure 1 représente un appareil de séparation d'air selon l'invention.
Les figures 2 et 3 représentent des échangeurs à chaleur adaptés à être installés dans un appareil de séparation d'air selon l'invention.
Une colonne de distillation d'air C est surmonté par un échangeur en deux parties qui performe les fonctions du condenseur de tête et de la ligne d'échanger d'un appareil classique. A partir d'un échangeur optimisé thermiquement (et donc le moins cher), c'est à dire, très long (par exemple environ 6 m), mais avec une section faible, il est proposé de replier l'échangeur sur lui-même, comme indiqué sur la figure 1.
Le fait de le replier permet de gagner environ la moitié de sa longueur, soit 3 m dans l'exemple.
Le premier corps d'échange E1 est fixé sur la colonne, 1 éventuellement par une pièce de liaison en fonction des matériaux utilisés. Il comporte en bas la partie vaporisation-condensation, et en haut une partie de la fonction classique d'échange gaz-gaz.
Le second corps E2, orienté avec le bout chaud vers le bas, comprend la seconde partie de la fonction classique d'échange gaz-gaz de la ligne d'échange d'un appareil de séparation d'air.
Ainsi l'air comprimé et épuré 3 est envoyé au second corps E2 où il se refroidit. Ensuite il est envoyé du bout froid du second corps E2 au bout chaud du premier corps E1 par la conduite 5. L'air refroidi 7 est envoyé à la colonne C. L'azote de tête 9 est envoyé au bout froid du premier corps E1 où il se condense partiellement par échange de chaleur avec le liquide riche de la cuve de la colonne (conduite non-illustrée).
L'azote gazeux provenant du premier corps E1 est envoyé par la conduite 11 au bout froid du deuxième corps E2 où il se réchauffe. Les deux corps E1 , E2 peuvent avoir des longueurs identiques ou différentes, en fonction de l'arrangement des têtes de d'entrées et de sorties des fluides. On obtient ainsi une configuration en U inversé. Selon l'invention, E1 est plus courte que E2. Dans la mesure du possible, on essaie de jouer sur la largeur des plaques et l'empilage de façon à avoir l'échangeur dans l'ombre ou dans le prolongement de la colonne (section de l'échangeur replié proche de la section de la colonne), afin de minimiser la section de la boite froide.
Les deux corps peuvent être : • physiquement indépendants avec des liaisons de type tuyauteries, par exemple en utilisant des piquages « canon » (Figure 2)
• intégrés dans un seul équipement, en utilisant des plaques avec un découpe spécifique, qui permettent d'avoir « le virage » intégré à l'échangeur (Figure 3). La solution proposée permet :
• d'utiliser un dimensionnement compact de l'échangeur (donc à un prix « compétitif »), tout en réduisant sa longueur
• de conserver les performances de distillation pour la colonne
• de réduire la taille globale de la boite froide, la permettant de rentrer dans un container de 12 m de long pour le transport, réduisant fortement le coût d'un transport maritime.
Selon l'invention, le corps E1 de la Figure 3 est plus courte que le corps E2.
L'échangeur composé d'au moins deux corps peut être situé entièrement dans la zone à rayon R. Sinon, au moins un des deux corps E1 et E2 peuvent s'étendre le long de la paroi de la colonne C.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur de chaleur constitué par une première portion d'échangeur de chaleur (E1 ), une deuxième portion d'échangeur de chaleur (E2), des moyens (1 ) pour envoyer un premier fluide à la deuxième portion d'échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens (5) pour envoyer le premier fluide refroidi de la deuxième portion d'échangeur de chaleur à la première portion d'échangeur de chaleur pour s'y refroidir, des moyens (7) pour soutirer le premier fluide refroidi de la première portion d'échangeur de chaleur, des moyens (9, 1 1 ) pour envoyer un deuxième fluide à la première portion d'échangeur de chaleur, et ensuite à la deuxième portion d'échangeur de chaleur, les axes des première et deuxième portions ont des dimensions maximales substantiellement parallèles l'une à l'autre et caractérisé en ce que la dimension maximale de la première portion est inférieure à la dimension maximale de la deuxième portion.
2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel la première et la deuxième portions (E1 , E2) ont une dimension maximale qui diffère d'au plus 50 %, de préférence au plus 25 %, voire au plus 10 %.
3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les première et deuxième portions (E1 , E2) sont des échangeurs à plaques et à ailettes.
4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième portions (E1 , E2) sont reliées entre elles par un echangeur à plaques et à ailettes auxiliaire (E3), de préférence de sorte que les première et deuxième portions et l'échangeur auxiliaire forment un corps en forme de U.
5. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une simple colonne de séparation (C) ayant un axe principal et une section circulaire à rayon R, un echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier fluide est de l'air et la première portion (E1 ) est reliée à l'entrée d'air de la colonne , le deuxième fluide est de l'azote et la première portion est reliée à une sortie d'azote de la colonne, au moins une partie de la première et/ou la deuxième portion étant située dans une zone (Z) ayant le même axe principal que la colonne et un rayon au plus égal à R + 2 m, de préférence au plus égal à R + 1 m, voire au plus égal à R.
6. Appareil selon la revendication 5 dans lequel une partie de la première et/ou la deuxième portion (E1 , E2) est située dans une zone à rayon au plus égal à R, les première et deuxième portions juxtaposant l'extrémité de la colonne où sont connectés les moyens pour envoyer l'azote de la colonne à la deuxième portion.
7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel les première et/ou deuxième portions (E1 , E2) se trouve(nt) entièrement dans la zone à rayon au plus égal à R.
8. Appareil selon la revendication 5, 6 ou 7 dans lequel la première portion (E1) comprend le condenseur de tête adapté pour condenser au moins partiellement l'azote provenant de la colonne et/ou un déphlegmateur.
9. Appareil selon l'une des revendications 5 à 8 comprenant des moyens pour envoyer un liquide de cuve de la simple colonne (C) à la première portion (E1 ) pour le vaporiser au moins partiellement, et des moyens pour envoyer du liquide de cuve vaporisé de la première portion à la deuxième portion pour le réchauffer.
10. Appareil selon l'une des revendications 5 à 9 dans lequel la première portion (E1 ) se trouve entièrement dans la zone à rayon au plus égal à R et au moins une partie de la deuxième portion (E2) se trouve en dehors de la zone à rayon au plus égal à R.
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