WO2011110772A2 - Echangeur de chaleur - Google Patents

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WO2011110772A2
WO2011110772A2 PCT/FR2011/050425 FR2011050425W WO2011110772A2 WO 2011110772 A2 WO2011110772 A2 WO 2011110772A2 FR 2011050425 W FR2011050425 W FR 2011050425W WO 2011110772 A2 WO2011110772 A2 WO 2011110772A2
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liquid
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extension
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PCT/FR2011/050425
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WO2011110772A3 (fr
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Frédéric Crayssac
Fabrice Del Corso
Marc Wagner
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L'Air Liquide, Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F25J5/005—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger in a reboiler-condenser, e.g. within a column
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0273—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple holes
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    • F25J2250/04—Down-flowing type boiler-condenser, i.e. with evaporation of a falling liquid film
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers

Definitions

  • the present invention relates to the vaporization of a liquid by heat exchange with a second fluid by means of a heat exchanger of the vertical plate type. It applies in particular to air distillation plants.
  • the liquid oxygen which is in the bottom of the low pressure column is vaporized by heat exchange with the nitrogen gas taken at the top of the medium pressure column.
  • the temperature difference inks the oxygen and the 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 be as low as possible, in order to minimize the costs associated with the compression of the air to be treated injected into the medium-pressure column.
  • phase-change exchangers consist of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact members with a large exchange surface.
  • These exchangers consist of plates between which are inserted waves or fins, thus forming a stack of "passages” vaporization and "passages” condensation.
  • waves such as straight waves, perforated or “serrated” waves.
  • each vaporizer is conventionally carried out according to the principle described in the document FR-A-2547898: the supply of vaporization passages is by the top of the condensation passages. The oxygen then passes through a row of holes that ensure its primary distribution in the vaporization passages. It then flows through a horizontal generator waveband which ensures a so-called secondary distribution (distribution of the liquid within a passage, between the channels formed by a wave).
  • the liquid oxygen that is vaporized contains impurities in dissolved form.
  • the main impurities are nitrous oxide (N 2 0), carbon dioxide (CO 2), hydrocarbons (C2, C3, ).
  • these impurities can be deposited in the vaporization passages, either in solid form or in the form liquid. It is important to control industrially the formation of these solid or liquid deposits to avoid any risk of explosion.
  • the flow of liquid per channel, or per meter of perimeter to be wetted, is one of the important parameters for the formation of deposits. Indeed, when the liquid flow per channel is insufficient to wet the wall, there is formation of dry spray deposits.
  • the quality of this liquid distribution depends on a good design and a good dimensioning of the dispenser.
  • EP-A-0797065 discloses a vaporizer according to the preamble of claim 1.
  • the liquid enters the passages through openings in a plane and then falls on bars comprising slots to ensure that the liquid flows against the walls of the passages.
  • a primary distribution of the liquid is obtained by passing it through holes located at the bottom of a pool of liquid located above the channels.
  • a so-called secondary distribution (distribution in each passage) is generally obtained by a waveband with horizontal generator and partial shift.
  • the problem to be solved is therefore to ensure a good primary distribution between the passages, while reducing the risk of distribution defects due to solid impurities possibly present in the liquid.
  • the solution of the invention relates to a heat exchanger for vaporizing a liquid by heat exchange with a fluid, comprising: a body comprising an assembly of separation plates parallel to a determined direction and defining between them a multitude of passages; and
  • a retention tank intended to receive said liquid having a bottom substantially orthogonal to said determined direction, said bottom comprising closure elements and primary distribution elements pierced with holes, adapted to and designed for dispensing said liquid from said tank retention in some of said passages;
  • each of said primary distribution elements protrudes into said retention tank and each of said holes forms an orifice in said projection and on at least
  • said extension preferably 100%, said bottom, with the exception of said projections, develops in a plane and said orifices are situated at a distance of at least two, preferably at least three millimeters, from said plane according to said determined direction.
  • Two to three millimeters represent the minimum distance that makes it possible to fully reduce the risk of clogging. There is no proper distance. This depends on the shape of the retention tank. It is necessary that the orifices are in the pool of liquid and that the primary distribution elements do not prevent the free flow of liquid in this pool. It is necessary in particular that the bath keeps the same level (no creation of "cascade" of liquid in the holding tank).
  • the liquid in question can be of any kind. In a particular embodiment, it is liquid oxygen resulting from a distillation. This oxygen is usually very pure.
  • the fluid can be of any kind. According to a particular mode, it is nitrogen derived from a distillation. It is usually gaseous before the heat exchange operation. The liquid is heated and vaporizes partially or totally. The fluid cools and condenses partially or totally.
  • the separating plates are generally parallel and form the armature of the body of the exchanger. They define between them many flat passages, in that they are elongate in a given direction, or longitudinal direction, and in a direction orthogonal thereto. This determined direction is that taken on average by the fluids in the passages when the exchanger is in operation. In normal operation, it is the vertical. The fluids circulate on average vertically in the passages. It is only if we imagine the exchanger oriented differently, for example to transport or store, that this direction determined is no longer the vertical, but becomes an arbitrary direction. It will be roughly horizontal if the heat exchanger is lying on its side.
  • the liquid normally flows from top to bottom in some of the flat passages, which form a subset reserved for the liquid to be vaporized.
  • the fluid flows in other passages, normally from top to bottom as well, which form another subset.
  • the passages for the liquid or the fluid alternate, so as to maximize the heat exchange.
  • fluids circulate in all the passages.
  • the liquid is first admitted into a retention tank located above the body of the exchanger (in normal operation).
  • the bottom of this tray is approximately orthogonal to the determined direction, preferably perfectly orthogonal.
  • the bottom is obtained by the meeting of different elements, in the manner of a pavement.
  • These elements include holes pierced elements that serve for the primary distribution of liquid in the flat passages and closure elements, such as the bars that close the passages reserved for the fluid.
  • Separation plates are also generally part of these closure elements; their upper part may constitute a part of the bottom of the holding tank.
  • the primary liquid distribution elements are typically in the form of plates or bars and are generally located between the many separation plates.
  • the bottom has a certain extension orthogonal to the determined direction. It is a priori that of the group of plates of separation.
  • the primary distribution elements are pierced with numerous holes. These are preferably in the determined direction. They are usually cylindrical. They are usually regularly spaced on each bar. They define openings in their upper part through which the liquid enters from the retention tank towards a subset of flat passages.
  • the primary distribution elements form projections in the direction determined on the side of the retention tank. This makes it possible to raise (when the heat exchanger is in use position) the orifices relative to the remainder of the bottom of the holding tank. Thus, their corking is made much more difficult.
  • the advantage of such a configuration is that any solid particles present in the liquid are less likely to obstruct a given orifice. If they accumulate, they tend to do so at the bottom of the holding tank and not at a given orifice.
  • the solution of the invention is to raise a maximum of these orifices, at least 80%, that is to say to do it on 80%> of the extension of the bottom orthogonally to the determined direction.
  • This extension can be likened to a surface. Preferably, it is done over the entire surface of the bottom.
  • this can be done by sliding the primary distribution elements inwardly of the retention tank before brazing.
  • the invention may include one or more of the following features:
  • said primary distribution elements are plates. This shape makes it possible to slide the primary distribution elements easily before the soldering step during the manufacture of the evaporator.
  • the primary distribution elements are pierced with holes, each hole having at least one wall, and the one or more walls being formed in the body of the primary distribution element.
  • said extension, preferably all, said orifices have centers located in the same plane orthogonal to said determined direction. This has an advantage during manufacture, by simplifying the arrangement of the elements forming the body of the evaporator and the liquid retention tank. In addition, this makes it possible to have the same hydrostatic liquid pressure at the inlet of the holes and allows a good distribution.
  • the Oz axis is the vertical upward.
  • a minimum point corresponds to a local minimum of the function f.
  • the upper edge is then a continuous surface that has the properties of a roof vis-à-vis the rain.
  • said upper edge has a curved profile or bell-shaped or bevel.
  • said primary distribution elements comprise at least one notch intended to allow regular positioning, projecting inwardly of said retention tank, said primary distribution elements. This notch makes it possible to simplify the assembly of the parts, in particular by facilitating the alignment of the latter before soldering.
  • said primary distribution elements comprise an upper edge and two notches located on either side of said upper edge, said notches being intended to allow alignment of said distribution elements primary with said closure members, said alignment being achieved by contacting said notches and said closure elements with alignment members, preferably horizontal, so as to ensure that said upper edge protrudes a certain height by relative to said closure elements, said height being determined by the shape of said notches.
  • the retention tank is arranged so that the liquid arrives directly in the orifices of the primary distribution elements, without passing through other orifices, the orifice has a circular section.
  • said exchanger further comprises:
  • secondary distribution elements comprising at least one wave, preferably horizontal generatrices and partial vertical shift, adapted to and designed to perform a distribution, on the one hand, of said liquid in each passage of said first set of passages and, on the other hand, said fluid in each passage of said second set of passages; and
  • the invention also relates to an installation for separating air by distillation, comprising at least:
  • a heat exchanger adapted to and designed to at least partially vaporize the bottom liquid of said second column by heat exchange with the overhead gas of said first column or air;
  • Figure 1 shows a partial front view in section of an exchanger according to the invention.
  • the section passes through the axis of one of the holes 6a of the primary distribution elements 6 of the liquid.
  • the exchanger is shown in its operating position, that is to say vertical.
  • FIG. 2 represents an enlargement of one of the elements 6 of primary distribution of the liquid present in FIG.
  • the exchanger 1 is composed of an assembly of parallel vertical plates 3 separated by bars 6, 9 which clog the passages.
  • the plates 3 are parallel to the determined direction 11 which is here to be vertical. They define between them a multitude of flat passages 4 reserved for liquid oxygen and passages 5 reserved for nitrogen gas.
  • the passages of each of types 4 and 5 alternate. The whole is limited by external walls 10.
  • the elements 3, 6, 9 form the bottom 2a of a holding tank 2 for containing the liquid.
  • the bars 6 are elements designed to achieve the primary distribution of the liquid in the passages 4. They have holes 6a regularly spaced. These holes 6a form orifices 6b on the upper edge of the bars 6. These orifices 6b are at a given height h of the remainder of the bottom 2a composed by the upper parts of the elements 9 and 3. This height is about three millimeters.
  • the elements 6 protrude 6f in the holding tank 2, about three millimeters in the vertical direction.
  • the passages also include secondary distribution elements 7 for distributing oxygen and nitrogen within each of their respective passages.
  • the passages also include waves 8 for creating a film of liquid on their surface.
  • the elements 7 are waves of non-perforated aluminum sheet with horizontal generators (so-called “hard way” arrangement, or “difficult passage”, with respect to the flow of liquid oxygen).
  • horizontal generators so-called "hard way” arrangement, or "difficult passage", with respect to the flow of liquid oxygen.
  • each horizontal or pseudo-horizontal facet of the waves is provided with a punctured (not illustrated) shifted upwards by a quarter of a wave pitch.
  • the width of the punctured measured along a generatrix of the wave, is of the same order as the distance separating each of them from two adjacent punctures located on the same facet.
  • the liquid oxygen passes through the holes 6a placed above the lining 7, at a flow rate defined by the passage section of the latter and by the height of the liquid above the orifices 6b.
  • the holes 6a thus ensure a rough predistribution, or primary distribution, of the liquid oxygen on the passages 4.
  • the liquid oxygen thus predistributed leaves on the waves 7, which ensure a fine distribution, or secondary distribution, over the entire horizontal extension of each passage 4.
  • the liquid oxygen thus approaches lower waves to vertical generatrices 8 by dripping in a perfectly uniform manner on all the walls of the passages which are affected to it, that is to say by forming on these walls a continuous film descending.
  • the nitrogen gas reaches the exchanger through distribution waves (not shown), then flows down the passages 5. In doing so, it progressively gives up heat to the liquid oxygen which is in the adjacent passages 4, so that the oxygen vaporizes and that, simultaneously, the nitrogen condenses.
  • Nitrogen also passes through elements 7 and 8 similar to those of passages 4.
  • FIG 2 there is an enlargement in perspective cavaliere a primary distribution element 6 of the liquid oxygen.
  • This is a plate, or bar, intended for partly to close the top a passage 4 located below the element 6.
  • the element 6 is pierced with holes 6a cylindrical, vertical, regularly spaced, for passing the liquid oxygen from the retention tank to a passage 4. Two of them have been represented.
  • the holes 6a form orifices 6b on the upper edge 6c of the element 6.
  • Element 6 has an upper edge 6c having a bell-shaped profile.
  • f is for example a polynomial in y or a tangent function.
  • the surface and the function f are continuous.
  • the surface has no local minimum outside its edge 6g.
  • the orifices can be considered as part or not of the surface, their edges then constituting, or not, edges of the surface. The criterion according to which the surface must not have a local minimum outside its edges remains valid in both cases.
  • the element 6 has two notches 6d and 6e for aligning with the other elements included in the paving forming the bottom 2a of the retention tray 2. All these elements are based on a beam or a bulge orthogonal to the determined direction 11.
  • the two notches form a recess of a height h equal to about three millimeters, ensuring that the element 6 makes a projection 6f of the same height in the in the retention tank 2 (in the direction Oz).

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Abstract

Echangeur de chaleur (1) pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un fluide, comprenant : un corps comprenant un assemblage de plaques de séparation (3) parallèles à une direction déterminée (11) et définissant entre elles une multitude de passages (4, 5); et un bac de rétention (2) destiné à recevoir ledit liquide, comportant un fond (2a) sensiblement orthogonal à ladite direction déterminée (11), ledit fond (2a) comprenant des éléments de fermeture (9, 3) et des éléments de distribution primaire (6) percés de trous (6a), aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention (2) dans certains desdits passages (4); caractérisé en ce que, ledit fond (2a) possédant une certaine extension (E) orthogonalement à ladite direction déterminée (11), sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, chacun desdits éléments de distribution primaire (6) forme une saillie (6f) dans ledit bac de rétention (2) et chacun desdits trous (6a) forme un orifice (6b) dans ladite saillie (6f).

Description

Echangeur de chaleur
La présente invention est relative à la vaporisation d'un liquide par échange de chaleur avec un deuxième fluide au moyen d'un échangeur de chaleur du type à plaques verticales. 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 encre 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.
La technologie couramment utilisée pour ces échangeurs à changement de phase est celle des échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des organes très compacts offrant une grande surface d'échange. Ces échangeurs sont constitués de plaques entre lesquelles sont insérées des ondes ou ailettes, formant ainsi un empilage de « passages » vaporisation et de « passages » condensation. Il existe différents types d'ondes comme les ondes droites, perforées ou à décalage partiel (« serrated »).
Dans le cas des vaporiseurs fonctionnant en mode vaporisation en film descendant, une partie de l'appareil est consacrée à la distribution du liquide dans les passages vaporisation et entre les canaux de l'onde d'échange.
Cette distribution propre à chaque vaporiseur s'effectue classiquement selon le principe décrit dans le document FR-A-2547898 : l'alimentation des passages vaporisation se fait par le haut des passages condensation. L'oxygène passe ensuite à travers une rangée de trous qui assurent sa distribution primaire dans les passages vaporisation. Il s'écoule ensuite à travers une bande d'ondes à génératrice horizontale qui assure une distribution plus fine dite secondaire (répartition du liquide au sein d'un passage, entre les canaux formés par une onde).
L'oxygène liquide qui est vaporisé contient des impuretés sous forme dissoutes. Les principales impuretés sont le protoxyde d'azote (N20), le dioxyde de carbone (C02), des hydrocarbures (C2, C3, ...). Suivant les conditions opératoires, ces impuretés peuvent se déposer dans les passages de vaporisation, soit sous forme solide, soit sous forme liquide. Il est important de maîtriser industriellement la formation de ces dépôts solides ou liquides pour éviter tout risque d'explosion.
Le débit de liquide par canal, ou par mètre de périmètre à mouiller, est un des paramètres importants pour la formation de dépôts. En effet, lorsque le débit de liquide par canal est insuffisant pour mouiller la paroi, il y a formation de dépôts par vaporisation à sec.
Dans ce type de vaporiseur (à film), la distribution de l'oxygène liquide joue un rôle essentiel sur son fonctionnement (performance et sécurité). Il est donc nécessaire d'assurer en toutes circonstances, une bonne distribution liquide à l'intérieur de chaque canal. Pour cela la distribution liquide doit être suffisamment uniforme entre canaux. Une distribution de liquide non uniforme peut entraîner un mauvais mouillage des ondes notamment dans la partie basse de l'échangeur et par conséquent, la formation de dépôts par vaporisation à sec. La difficulté est d'assurer un débit de liquide équivalent dans tous les canaux vu le nombre de canaux par passage et par corps (550 canaux/passage, 55 000 canaux/corps).
La qualité de cette distribution liquide dépend d'une bonne conception et d'un bon dimensionnement du distributeur.
EP-A-0797065 décrit un vaporiseur selon le préambule de la revendication 1. Pour le vaporiseur décrit, le liquide pénètre dans les passages à travers des ouvertures dans un plan et tombe ensuite sur des barres comprenant des fentes pour s'assurer que le liquide coule contre les parois des passages.
Une distribution primaire du liquide (répartition entre passages) est obtenue en le faisant passer par des trous localisés au fond d'une piscine de liquide située au dessus des canaux. Une distribution dite secondaire (répartition dans chaque passage) est en général obtenue par une bande d'onde à génératrice horizontale et à décalage partiel.
Malheureusement, la présence d'impuretés dans le liquide crée un risque de bouchage total ou partiel des trous permettant la distribution primaire. Il peut en résulter d'importants défauts de distribution du liquide entre les passages et entre les canaux.
Le problème à résoudre est dès lors d'assurer une bonne distribution primaire entre les passages, tout en réduisant le risque de défauts de distribution dus aux impuretés solides éventuellement présentes dans le liquide.
A cette fin, la solution de l'invention porte sur un échangeur de chaleur pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un fluide, comprenant : - un corps comprenant un assemblage de plaques de séparation parallèles à une direction déterminée et définissant entre elles une multitude de passages ; et
- un bac de rétention destiné à recevoir ledit liquide comportant un fond sensiblement orthogonal à ladite direction déterminée, ledit fond comprenant des éléments de fermeture et des éléments de distribution primaire percés de trous, aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention dans certains desdits passages ;
ledit fond possédant une certaine extension orthogonalement à ladite direction déterminée, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, chacun desdits éléments de distribution primaire forme une saillie dans ledit bac de rétention et chacun desdits trous forme un orifice dans ladite saillie et sur au moins
80% de ladite extension, de préférence 100%, ledit fond, à l'exception desdites saillies, se développe selon un plan et lesdits orifices sont situées à une distance d'au moins deux, de préférence d'au moins trois millimètres dudit plan selon ladite direction déterminée.
Deux à trois millimètres représentent la distance minimale qui permet d'obtenir pleinement la réduction du risque de bouchage. Il n'y a pas à proprement parler de distance maximale. Celle-ci est fonction de la forme du bac de rétention. Il faut que les orifices soient dans la piscine de liquide et que les éléments de distribution primaire n'empêchent pas la libre circulation du liquide dans cette piscine. Il faut en particulier que le bain garde le même niveau (pas de création de « cascade » de liquide dans le bac de rétention).
Le liquide dont il est question peut être de toute nature. Selon un mode particulier, il s'agit d'oxygène liquide résultant d'une distillation. Cet oxygène est en général très pur. Le fluide peut être de toute nature. Selon un mode particulier, il s'agit d'azote issu d'une distillation. Il est en général gazeux avant l'opération d'échange de chaleur. Le liquide est chauffé et se vaporise partiellement ou totalement. Le fluide se refroidit et se condense partiellement ou totalement.
Les plaques de séparation sont en général parallèles et forment l'armature du corps de l'échangeur. Elles définissent entre elles de nombreux passages plats, en ce sens qu'ils sont allongés selon une direction déterminée, ou direction longitudinale, et dans une direction orthogonale à celle-ci. Cette direction déterminée est celle prise en moyenne par les fluides dans les passages lorsque l'échangeur est en fonctionnement. En fonctionnement normal, il s'agit de la verticale. Les fluides circulent en moyenne verticalement dans les passages. C'est seulement si on imagine l'échangeur orienté différemment, par exemple pour le transporter ou l'entreposer, que cette direction déterminée n'est plus la verticale, mais devient une direction arbitraire. Elle sera à peu près horizontale si l'échangeur est couché sur le côté.
Le liquide circule normalement du haut vers le bas dans certains des passages plats, qui forment un sous-ensemble réservé au liquide destiné à être vaporisé. Le fluide circule dans d'autres passages, normalement du haut vers le bas également, qui forment un autre sous-ensemble. En général, les passages pour le liquide ou le fluide alternent, de façon à maximiser l'échange thermique. En principe, des fluides circulent dans la totalité des passages.
Le liquide est d'abord admis dans un bac de rétention situé au dessus du corps de l'échangeur (en fonctionnement normal). Le fond de ce bac est à peu près orthogonal à la direction déterminée, de préférence parfaitement orthogonal. Le fond est obtenu par la réunion de différents éléments, à la manière d'un pavage. Ces éléments comprennent des éléments percés de trous qui servent à la distribution primaire du liquide dans les passages plats et des éléments de fermeture, tels que les barres qui ferment les passages réservés au fluide. Les plaques de séparation font aussi, en général, partie de ces éléments de fermeture ; leur partie supérieure peut constituer une partie du fond du bac de rétention.
Les éléments de distribution primaire du liquide ont typiquement la forme de plaques ou de barres et sont en général situés entre les nombreuses plaques de séparation. Le fond possède une certaine extension orthogonalement à la direction déterminée. C'est a priori celle du groupe de plaques de séparation.
Les éléments de distribution primaire sont percés de nombreux trous. Ceux-ci sont de préférence selon la direction déterminée. Ils sont en général cylindriques. Ils sont le plus souvent régulièrement espacés sur chaque barre. Ils définissent dans leur partie supérieure des orifices par lesquels le liquide entre depuis le bac de rétention vers un sous-ensemble de passages plats.
Sur au moins 80% de l'extension du fond, de préférence la totalité, les éléments de distribution primaire forment des saillies dans la direction déterminée du côté du bac de rétention. Ceci permet de surélever (lorsque l'échangeur est en position d'usage) les orifices par rapport au reste du fond du bac de rétention. Ainsi, on rend leur bouchage beaucoup plus difficile. L'avantage d'une telle configuration est que d'éventuelles particules solides présentes dans le liquide ont moins de chance d'obstruer un orifice donné. Si elles s'accumulent, elles ont tendance à le faire au fond du bac de rétention et non au niveau d'un orifice donné. La solution de l'invention est de surélever un maximum de ces orifices, au moins 80%, c'est-à-dire de le faire sur 80%> de l'extension du fond orthogonalement à la direction déterminée. Cette extension peut être assimilée à une surface. De préférence, on le fait sur toute la surface du fond.
En pratique, cela peut être réalisé en faisant coulisser les éléments de distribution primaire vers l'intérieur du bac de rétention avant le brasage.
Ce qui importe surtout est qu'un orifice soit surélevé localement, c'est-à-dire par rapport aux éléments de fermeture qui l'environnent.
Par ailleurs, selon des modes de réalisation particuliers, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
lesdits éléments de distribution primaire sont des plaques. Cette forme permet de faire coulisser facilement les éléments de distribution primaire avant l'étape de brasage lors de la fabrication de l'évaporateur.
lequel les éléments de distribution primaire sont percés de trous, chaque trou ayant au moins une paroi, et la ou les parois étant formées dan le corps de l'élément de distribution primaire.
sur au moins 80%> de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits orifices ont des centres situés dans un même plan orthogonal à ladite direction déterminée. Ceci présente un avantage lors de la fabrication, en simplifiant l'agencement des éléments formant le corps de l'évaporateur et le bac de rétention du liquide. En outre, ceci permet d'avoir la même pression hydrostatique de liquide à l'entrée des trous et permet une bonne distribution.
sur au moins 80%> de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comprennent un bord supérieur constituant une surface qui, dans un repère d'espace O, Ox, Oy, Oz, où Oz est ladite direction déterminée orientée dudit corps vers ledit bac de rétention, peut se définir par une équation de la forme z = f (x,y), f étant une fonction continue, ladite surface ayant un ou plusieurs bords et tous ses points minimum sur lesdits bords. En position normale de fonctionnement, l'axe Oz est la verticale orientée vers le haut. Un point minimum correspond à un minimum local de la fonction f. Le bord supérieur est alors une surface continue qui a les propriétés d'un toit vis-à-vis de la pluie. En l'absence de minimum local situé en dehors du bord de la surface du toit, il ne peut pas y avoir accumulation de pluie sur le toit ou, de manière analogue, de particules solides sur le bord supérieur de l'élément de distribution primaire. Le risque de bouchage, déjà diminué par la surélévation des orifices, est encore réduit de ce fait. Il est à noter que, si les orifices n'étaient pas surélevés, cette propriété du profil ne réduirait pas le risque de bouchage.
sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, ledit bord supérieur présente un profil bombé ou en forme de cloche ou en biseau. Ces profils possèdent la propriété décrite ci-avant (forme de toit de construction) et sont simples à réaliser. Ils permettent d'éviter que les particules solides s'accumulent sur les bords supérieurs des éléments de distribution primaire, réduisant ainsi le risque de bouchage des trous assurant la distribution primaire du liquide.
- le centre de l'orifice est au point maximal du bord supérieur
sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comportent au moins une encoche destinée à permettre un positionnement régulier, en saillie vers l'intérieur dudit bac de rétention, desdits éléments de distribution primaire. Cette encoche permet de simplifier l'assemblage des pièces, notamment en facilitant l'alignement de celles-ci avant brasage.
sur au moins 80%> de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire comprennent un bord supérieur et deux encoches situées de part et d'autre dudit bord supérieur, lesdites encoches étant destinées à permettre un alignement desdits éléments de distribution primaire avec lesdits éléments de fermeture, ledit alignement étant obtenu par mise en contact desdites encoches et desdits éléments de fermeture avec des éléments d'alignement, de préférence horizontaux, de manière à garantir que ledit bord supérieur fasse une saillie d'une certaine hauteur par rapport aux dits éléments de fermeture, ladite hauteur étant déterminée par la forme desdites encoches.
- le bac de rétention est agencé de sorte que le liquide arrive directement dans les orifices des éléments de distribution primaire, sans passer par d'autres orifices, l'orifice a une section circulaire.
les trous traversent les éléments de distribution primaire et ont un axe parallèle à la direction déterminée, cet axe passant au centre de l'élément de distribution primaire. - ledit échangeur comprend en outre :
. des éléments de distribution secondaire comportant au moins une onde, de préférence à génératrices horizontales et à décalage vertical partiel, aptes à et conçus pour réaliser une distribution, d'une part, dudit liquide dans chaque passage dudit premier ensemble de passages et, d'autre part, dudit fluide dans chaque passage dudit second ensemble de passages ; et
. des ondes à génératrices verticales, situées dans lesdits passages en dessous desdits moyens de distribution secondaire.
L'invention concerne également une installation de séparation d'air par distillation, comprenant au moins :
- une première colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression déterminée ;
- une deuxième colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression plus faible que ladite pression déterminée ; et
- un échangeur de chaleur apte à et conçu pour vaporiser au moins partiellement le liquide de cuve de ladite deuxième colonne par échange thermique avec le gaz de tête de ladite première colonne ou de l'air ;
caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur est tel que décrit ci-dessus.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci- après, faite en référence aux figures, parmi lesquelles :
la figure 1 représente une vue partielle, de face, en coupe d'un échangeur conforme à l'invention. La coupe passe par l' axe d'un des trous 6a des éléments de distribution primaire 6 du liquide. L'échangeur est représenté dans sa position en fonctionnement, c'est-à-dire vertical.
la figure 2 représente un agrandissement d'un des éléments 6 de distribution primaire du liquide présents dans la figure 1.
Sur la figure 1, on a représenté une coupe verticale d'un échangeur conforme à l'invention. Les traits en pointillés signifient que la vue est partielle; l'échangeur se poursuit au-delà des ces traits.
L'échangeur 1 est composé d'un assemblage de plaques verticales parallèles 3 séparées par des barres 6, 9 qui bouchent les passages. Les plaques 3 sont parallèles à la direction déterminée 11 qui se trouve ici être la verticale. Elles définissent entre elles une multitude de passages plats 4 réservés à de l'oxygène liquide et de passages 5 réservés à de l'azote gazeux. Les passages de chacun des types 4 et 5 alternent. Le tout est limité par des parois externes 10.
Les éléments 3, 6, 9 forment le fond 2a d'un bac de rétention 2 destiné à contenir le liquide. Les barres 6 sont des éléments conçus pour réaliser la distribution primaire du liquide dans les passages 4. Elles présentent des trous 6a régulièrement espacés. Ces trous 6a forment des orifices 6b sur le bord supérieur des barres 6. Ces orifices 6b sont à une hauteur h donnée du reste du fond 2a composé par les parties supérieures des éléments 9 et 3. Cette hauteur est d'environ trois millimètres. Les éléments 6 font une saillie 6f dans le bac de rétention 2, d'environ trois millimètres dans le sens vertical.
Ceci est obtenu en décalant les éléments 6 par rapport aux autres éléments 3 et 9 constituant le fond 2a du bac de rétention 2. Lors de la fabrication, le brasage de ces éléments les fige dans cette position.
Les passages comportent par ailleurs des éléments de distribution secondaire 7 destinés à distribuer l'oxygène et l'azote dans au sein de chacun de leurs passages respectifs. Les passages comprennent aussi des ondes 8 destinées à créer un film de liquide à leur surface.
Les éléments 7 sont des ondes en tôle d'aluminium non perforée à génératrices horizontales (disposition dite en "hard way", ou « passage difficile », par rapport à l'écoulement de l'oxygène liquide). A intervalles réguliers, chaque facette horizontale ou pseudo-horizontale des ondes est pourvue d'un crevé (non-illustré) décalé vers le haut d'un quart de pas d'onde. La largeur des crevés, 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.
L'oxygène liquide passe par les trous 6a placés au-dessus du garnissage 7, à un débit défini par la section de passage de ces derniers et par la hauteur de liquide au dessus des orifices 6b. Les trous 6a assurent donc une prédistribution grossière, ou distribution primaire, de l'oxygène liquide sur les passages 4. L'oxygène liquide ainsi prédistribué part sur les ondes 7, lesquelles en assurent une distribution fine, ou distribution secondaire, sur toute l'extension horizontale de chaque passage 4. L'oxygène liquide aborde ainsi des ondes inférieures à génératrices verticales 8 en ruisselant de façon parfaitement uniforme sur toutes les parois 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 des ondes de distribution (non représentées), puis s'écoule vers le bas le long des passages 5. Ce faisant, il cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se trouve dans les passages adjacents 4, de sorte que l'oxygène se vaporise et que, simultanément, l'azote se condense.
L'azote passe aussi par des éléments 7 et 8 analogues à ceux des passages 4.
Sur la figure 2, on voit un agrandissement en perspective cavalière d'un élément 6 de distribution primaire de l'oxygène liquide. C'est une plaque, ou barre, destinée d'une part à fermer partiellement le haut un passage 4 situé en dessous de l'élément 6. En effet, l'élément 6 est percé de trous 6a cylindriques, verticaux, régulièrement espacés, destinés à laisser passer l'oxygène liquide depuis le bac de rétention vers un passage 4. On en a représenté deux. Les trous 6a forment des orifices 6b sur le bord supérieur 6c de l'élément 6.
L'élément 6 possède un bord supérieur 6c présentant un profil en forme de cloche. Dans le repère d'espace R, orthonormé, matérialisé par une origine O et des axes Ox, Oy et Oz, ce dernier étant vertical orienté vers le haut, le bord supérieur est une surface en forme de toit, qui peut se mettre en équation sous la forme z = f (x,y). En l'espèce, f est par exemple un polynôme en y ou une fonction tangente. La surface et la fonction f sont continues. La surface ne présente pas de minimum local en dehors de son bord 6g. On peut considérer les orifices comme faisant partie, ou non, de la surface, leurs bords constituant alors, ou non, des bords de la surface. Le critère selon lequel la surface ne doit pas présenter de minimum local en dehors de ses bords reste valable dans les deux cas.
L'élément 6 possède deux encoches 6d et 6e permettant de l'aligner avec les autres éléments compris dans le pavage formant le fond 2a du bac de rétention 2. Tous ces éléments s'appuient sur une poutre ou un renflement orthogonal à la direction déterminée 11. Les deux encoches forment un décrochement d'une hauteur h égale à trois millimètres environ, assurant que l'élément 6 fait une saillie 6f de la même hauteur dans le dans le bac de rétention 2 (dans le sens Oz).

Claims

Revendications
1. Echangeur de chaleur (1) pour vaporiser un liquide par échange de chaleur avec un fluide, comprenant :
- un corps comprenant un assemblage de plaques de séparation (3) parallèles à une direction déterminée (11) et définissant entre elles une multitude de passages (4, 5) ; et
- un bac de rétention (2) destiné à recevoir ledit liquide, comportant un fond (2a) sensiblement orthogonal à ladite direction déterminée (11), ledit fond (2a) comprenant des éléments de fermeture (9, 3) et des éléments de distribution primaire (6) percés de trous (6a), aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention (2) dans certains desdits passages (4) ;
ledit fond (2a) possédant une certaine extension (E) orthogonalement à ladite direction déterminée (11), sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, chacun desdits éléments de distribution primaire (6) forme une saillie (6f) dans ledit bac de rétention (2) et chacun desdits trous (6a) forme un orifice (6b) dans ladite saillie (6f).
caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, ledit fond, à l'exception desdites saillies (6f), se développe selon un plan et que lesdits orifices (6b) sont situés à une distance (h) d'au moins deux, de préférence au moins trois millimètres dudit plan selon ladite direction déterminée (11).
2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de distribution primaire (6) sont des plaques.
3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel les éléments de distribution primaire (6) sont percés de trous, chaque trou ayant au moins une paroi, et la ou les parois étant formées dan le corps de l'élément de distribution primaire.
4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits orifices (6b) ont des centres situés dans un même plan orthogonal à ladite direction déterminée (11).
5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, sur au moins 80% de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comprennent un bord supérieur (6c) constituant une surface qui, dans un repère (R) d'espace O, Ox, Oy, Oz, où Oz est ladite direction déterminée (11) orientée dudit corps vers ledit bac de rétention (2), peut se définir par une équation de la forme z = f (x,y), f étant une fonction continue, ladite surface ayant un ou plusieurs bords et tous ses points minimum sur lesdits bords.
6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que en ce que, sur au moins 80%) de ladite extension, de préférence la totalité, ledit bord supérieur (6c) présente un profil bombé ou en forme de cloche ou en biseau.
7. Echangeur selon la revendication 5 ou 6 dans lequel le centre de l'orifice (6b) est au point maximal du bord supérieur (6c).
8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, sur au moins 80%> de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comportent au moins une encoche (6d, 6e) destinée à permettre un positionnement régulier, en saillie vers l'intérieur dudit bac de rétention (2), desdits éléments de distribution primaire (6).
9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que, sur au moins 80%> de ladite extension, de préférence la totalité, lesdits éléments de distribution primaire (6) comprennent un bord supérieur (6c) et deux encoches (6d, 6e) situées de part et d'autre dudit bord supérieur (6c), lesdites encoches étant destinées à permettre un alignement desdits éléments de distribution primaire (6) avec lesdits éléments de fermeture (3, 9), ledit alignement étant obtenu par mise en contact desdites encoches (6d, 6e) et desdits éléments de fermeture (3, 9) avec des éléments d'alignement, de préférence horizontaux, de manière à garantir que ledit bord supérieur (6c) fasse une saillie (6f) d'une certaine hauteur (h) par rapport aux dits éléments de fermeture (3, 9), ladite hauteur (h) étant déterminée par la forme desdites encoches (6d, 6e).
10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le bac de rétention est agencé de sorte que le liquide arrive directement dans les orifices (6b) des éléments de distribution primaire, sans passer par d'autres orifices.
11. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'orifice (6b) a une section circulaire.
12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les trous traversent les éléments de distribution primaire et ont un axe parallèle à la direction déterminée, cet axe passant au centre de l'élément de distribution primaire.
13. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
des éléments de distribution secondaire (7) comportant au moins une onde, de préférence à génératrices orthogonales à ladite direction déterminée (11) et à décalage partiel selon ladite direction déterminée (11), aptes à et conçus pour réaliser une distribution, d'une part, dudit liquide dans certains desdits passage (4) et, d'autre part, dudit fluide dans certains desdits passages (5) ; et
des ondes (8) à génératrices selon ladite direction déterminée (11), situées dans lesdits passages (4, 5) en dessous desdits moyens de distribution secondaire (7).
14. Installation de séparation d'air par distillation, comprenant au moins :
une première colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression déterminée ;
- une deuxième colonne de distillation destinée à fonctionner sous une pression plus faible que ladite pression déterminée ; et - un échangeur de chaleur (1) apte à et conçu pour vaporiser au moins partiellement le liquide de cuve de ladite deuxième colonne par échange thermique avec le gaz de tête de ladite première colonne ou de l'air ;
caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur (1) est tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 13.
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