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.