Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur industriels. Elle concerne plus spécifiquement la surveillance de l'encrassement (appelé aussi encrassage) à l'intérieur de ces échangeurs. L'invention concerne également les sondes permettant d'exercer cette surveillance, et les procédés de détection de l'encrassement à l'aide de sondes appropriées. Plus particulièrement l'invention concerne la surveillance de l'encrassement d'un échangeur de chaleur tubulaire de type échangeur de chaleur à calandre et tubes comprenant des tubes en graphite et ou à base de graphite. L'invention vise plus spécifiquement un tel échangeur, dans lequel le fluide circulant à l'extérieur des tubes précités subit un changement de phase, à savoir qu'il est admis à l'état vapeur et est évacué à l'état majoritairement liquide. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés dans des installations pour concentrer l'acide phosphorique.

Etat de la technique

L'encrassement (en anglais « fouling ») de tuyauteries dans lesquels circule un fluide est un phénomène bien connu. Il est lié au dépôt indésirable de matière à partir dudit fluide ; cette matière se dépose sur les parois internes des tuyaux. Ce dépôt montre souvent une structure en couches successives. Il modifie les conditions d'échange thermique entre le fluide et le tube. Il finit par rétrécir le diamètre interne du tube ; ainsi il modifie des conditions d'écoulement hydrodynamique du tube et possiblement de tout le système de tuyauterie dont le tube fait partie : pour garantir un débit constant la vitesse d'écoulement doit être augmentée, ce qui peut conduire à certains endroits du système de tuyauterie à des phénomènes de turbulence, voire de cavitation. Alternativement, à vitesse d'écoulement constante, l'efficacité du tube en tant que moyen d'acheminement et/ou échangeur thermique diminue. De même, la dégradation de l'échange thermique due au dépôt indésirable de matière nécessite une modification du régime de fonctionnement du système de tuyauterie. Ainsi, le système de tuyauterie peut être forcé à fonctionner dans des conditions pour lesquelles il n'a pas été dimensionné, ou il doit opérer dans des conditions de fonctionnement qui ne remplissent plus la fonction pour laquelle il a été dimensionné. Par ailleurs, la couche déposée, due à la modification des conditions d'écoulement dans le tube, peut spontanément relarguer des particules de matière déposée qui est entraînée par le fluide, et qui peut poser des problèmes dans le système de fluide : elle est susceptible d'obstruer des filtres, des orifices, des buses, ou de contaminer le fluide. Ce relargage peut être lié à l'érosion de la couche, à l'écaillage, aux contraintes internes dans la couche déposée et à l'interface entre cette couche et le tube, ou encore à une rupture spontanée liée à un effet externe (coup, vibration, dilatation thermique).

La couche déposée peut évoluer dans le temps, non seulement en épaisseur mais encore par transformation de sa structure chimique, par exemple sous l'effet de la température du fluide transporté.

D'une manière générale, l'encrassage des tubes d'un échangeur industriel représente un facteur de coût : l'efficacité du tube, en termes de débit et d'échange thermique, diminue ; les intervalles de maintenance de l'échangeur doivent tenir compte de l'encrassement ; et enfin un encrassement non détecté peut causer un dommage irréversible pour l'équipement. Dans les échangeurs de chaleur pour la concentration d'acide phosphorique, visés par l'invention, l'encrassement des tubes nécessite l'arrêt complet de l'échangeur pour maintenance ou réparation.

L'encrassement des échangeurs thermiques utilisés dans ces unités de concentration d'acide phosphorique est un phénomène bien connu. Ces échangeurs de chaleur sont en général du type « échangeur de chaleur à calandre et tubes » (« shell and tubes » en anglais) et comprennent plusieurs centaines (voire plus d'un millier) de tubes droits et parallèles en graphite et ou à base de graphite à l'intérieur desquels circule l'acide phosphorique. Au sens de l'invention, un tube en graphite, ou à base de graphite, désigne un tube comprenant des zones ou des domaines graphitiques. Ces tubes peuvent être fabriqués notamment par usinage de blocs de graphite industriel, ces blocs ayant subi avantageusement une cuisson à une température supérieure à 2500°C, de préférence supérieure à 2700°C, par exemple voisine de 3000°C. Ils peuvent aussi être fabriqués par extrusion, suivie d'un traitement thermique tel qu'explicité ci-dessus. De tels tubes sont disponibles sous la marque GRAPHILOR®. Entre les tubes précités circule un fluide caloporteur, typiquement de l'eau sous forme liquide et/ou vapeur, lequel est confiné dans le volume intérieur formé par la calandre précitée. Dans ces tubes en graphite, il se forme au cours du temps un dépôt qui se transforme progressivement en gypse, un composé insoluble et très difficile à enlever. Un procédé typique de maintenance pour enlever ce dépôt implique l'arrêt de l'installation et le rinçage des tubes avec une solution chaude d'acide sulfurique à 5% : ce procédé fonctionne bien pour des couches assez minces, mais devient plus difficile pour des couches épaisses. En effet, les couches de gypse tendent à gonfler sous l'effet de l'acide sulfurique, et cela peut engendrer des tensions internes importants dans les tuyauteries, avec un risque de fissuration voire de rupture. Chaque arrêt de l'échangeur engendre une perte de production. Selon une tendance générale en matière de maintenance préventive, on souhaiterait pouvoir effectuer les opérations de maintenance lorsqu'elles sont nécessaires au lieu de les effectuer à des intervalles réguliers, car la maintenance à des intervalles réguliers peut conduire à une opération de maintenance qui est trop tardive, mais aussi à une opération de maintenance trop précoce. Pour pouvoir faire de la maintenance prédictive il faudrait pouvoir détecter l'état d'encrassement d'un tube : cela permet la prise de décision quant à l'opportunité d'une opération de maintenance.

L'encrassement des échangeurs de chaleur à tubes en graphite, à l'intérieur desquels s'écoule de l'acide phosphorique, est donc un phénomène éminemment indésirable. Or, il ne peut malheureusement pas être détecté facilement, dans l'état de la technique actuel.

Il existe des méthodes indirectes : on peut détecter par des mesures locales de pression une perte de charge dans le système, mais cela ne permet pas facilement de localiser l'endroit du tube qui s'est rétréci. On peut également détecter par des mesures locales de la température un changement dans la différence de température entre deux points du tube, ce qui indique une baisse de l'échange thermique dans le tube ; pour bien localiser l'endroit du tube qui s'est rétréci il faut un nombre important de sondes thermiques.

Ces méthodes fonctionnent assez correctement. Leur inconvénient majeur est le fait que les sondes sont externes au système : à ce titre elles sont habituellement ajoutées à l'installation par l'exploitant de l'installation, qui se charge aussi de l'instrumentation et de la surveillance. A ce titre, les sondes peuvent être omises, ou bien rester déconnectées par l'exploitant à l'issue d'opérations de maintenance, ou encore être volées. Par ailleurs les seuils de détection et de génération d'alertes peuvent être réglés (ou déréglés) par l'exploitant.

Il serait donc souhaitable de disposer d'un échangeur de chaleur, destiné à l'écoulement d'acide phosphorique à l'intérieur de tubes en graphite, qui est pourvu d'un dispositif fiable et simple pour détecter l'état d'encrassement des tubes. Il serait plus particulièrement souhaitable que ce dispositif de détection de l'encrassement montre une bonne reproductibilité et fiabilité, sans dérive significative du signal dans le temps, et que ce dispositif utilise des sondes d'encrassement intégrées auxdits tubes en graphite à surveiller. Par ailleurs, il existe un besoin pour un procédé permettant le montage d'un échangeur de chaleur, dont au moins un des tubes en graphite est muni d'un dispositif de détection de l'encrassement. L'invention vise à proposer un tel procédé de montage, qui est satisfaisant en termes d'étanchéité globale de l'échangeur. WO-A-2007/099240 décrit un échangeur thermique, équipé d'un dispositif d'évaluation de son état d'encrassement. Ce dispositif peut être placé à différents endroits de l'échangeur. De façon typique il est interposé entre, d'une part, la plaque située en extrémité d'empilement et, d'autre part, le bâti de l'échangeur ou bien une plaque supplémentaire de type factice. Les solutions décrites dans ce document ne sont pas applicables à un échangeur tubulaire tel que celui visé par l'invention.

WO-A-2009/153323 divulgue un procédé pour la détection et/ou la mesure de l'encrassement dans des échangeurs. On place une résistance au niveau d'une paroi de cet échangeur et on soumet cette résistance à deux niveaux de puissance successifs. Ce document traite plus spécifiquement de l'aspect électrique de cette détection et ne délivre pas d'informations structurelles détaillées, quant aux échangeurs susceptibles d'être contrôlés par ce procédé. Là encore, l'enseignement de cet état de la technique ne peut pas être transposé de manière simple à un échangeur visé par la présente invention.

US 4,024,751 concerne un échangeur de chaleur tubulaire, dont au moins un tube est entouré d'un élément de chauffage, notamment de type à résistance électrique, lui-même recouvert d'un isolant. En service, de l'eau et un hydrocarbure circulent respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de chaque tube, afin d'être mis en échange de chaleur. Puis on mesure une température, dite de référence, correspondant à un endroit du tube distant de l'élément de chauffage. On active ensuite cet élément de chauffage, de manière à appliquer une quantité de chaleur prédéterminée sur la paroi du tube. Après avoir désactivé cet élément de chauffage on note l'évolution de la température, dite variable, du tube dans la zone de celui-ci entourée par l'élément de chauffage. La valeur de la durée, dite de retour, nécessaire pour que la température variable soit à nouveau égale à la température de référence, donne à l'opérateur une indication concernant le degré d'encrassement de la paroi du tube. Ce dernier document n'est pas un point de départ prometteur, pour résoudre les problèmes techniques présentés ci-dessus, spécifiques à un échangeur comprenant des tubes en graphite pour l'écoulement d'acide phosphorique. En effet, dans US 4,024,751 , on fait s'écouler l'eau, en tant que fluide service, à l'intérieur des tubes. Par ailleurs, ce document prévoit de faire s'écouler les fluides selon une direction horizontale. Enfin il ne donne pas de détails constructifs significatifs, concernant le montage et le démontage de cet élément de chauffage au sein de l'installation industrielle. Par conséquent, l'enseignement de ce document ne peut pas être transposé de manière simple à un échangeur de chaleur, tel que spécifiquement visé par l'invention.

WO 2014/184421 a trait à un ensemble d'échange de chaleur, comprenant un échangeur primaire et un échangeur secondaire. L'encrassement est contrôlé dans l'échangeur secondaire, ce qui donne des indications sur l'encrassement existant dans l'échangeur primaire. Ce document mentionne que, pour la détection d'un encrassement interne, respectivement externe, on fait appel à un capteur situé en face interne, respectivement externe, du tube. Ce document ne permet pas de répondre à un des buts de l'invention, à savoir la détection d'un encrassement interne au moyen d'un capteur situé en face externe du tube

US 2014/0177673 a pour objet un procédé et un dispositif en vue de l'estimation de l'encrassement dans un échangeur de chaleur. Ce document prévoit de réaliser une dérivation, sous forme d'un conduit placé latéralement par rapport à l'échangeur. Ce conduit est associé à un capteur qui inclut un élément chauffant, ainsi que deux capteurs de température distants. En service, lorsque l'élément chauffant est activé, on compare la différence entre les températures mesurées par les capteurs. Lorsque cette valeur mesurée s'éloigne d'une valeur de référence, pour laquelle aucun encrassement n'est présent, cela signifie que la paroi du conduit est recouverte d'une couche d'encrassement. Ce dispositif présente un inconvénient majeur, en ce qu'il implique de réaliser un conduit supplémentaire, externe à l'échangeur proprement dit.

Objets de l'invention

Ainsi un premier objet de l'invention est un échangeur thermique comprenant :

une enceinte possédant une calandre périphérique délimitant un volume intérieur, - une pluralité de tubes en graphite, disposés dans ledit volume intérieur, chaque tube comprenant une paroi périphérique,

- des moyens d'entrée d'acide phosphorique dans lesdits tubes,

- des moyens de sortie d'acide phosphorique hors desdits tubes,

- des moyens d'entrée d'un second fluide dans ledit volume intérieur vers la périphérie extérieure des tubes,

- des moyens de sortie du second fluide hors dudit volume intérieur,

ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'au moins un tube est équipé d'au moins un organe de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant

- un corps disposé sur la face externe de cette paroi, - une résistance électrique s'étendant dans le corps,

- des moyens de mesure permettant de mesurer la température de la résistance électrique.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention : a) le corps de l'organe de contrôle est un collier entourant au moins partiellement la face externe de la paroi du tube. b) le collier est entouré d'un manchon isolant propre à éviter une déperdition substantielle de chaleur à l'opposé de la paroi du tube. c) l'enceinte comprend au moins une plaque d'extrémité, laquelle est percée d'orifices axiaux destinés au passage des tubes, ainsi que d'au moins un canal auxiliaire reliant l'extérieur et un orifice axial occupé par un tube équipé d'un organe de contrôle de l'encrassement, cet organe de contrôle étant équipé d'une gaine renfermant au moins un fil fonctionnel dudit organe, cette gaine s'étendant dans le canal auxiliaire. d) plusieurs tubes sont équipés d'un organe de contrôle de l'encrassement, en particulier entre deux et huit tubes, notamment entre quatre et six tubes. e) la longueur de chaque tube est comprise entre 1 et 9 mètres, notamment entre 3 et 9 mètres. f) le diamètre extérieur de chaque tube est compris entre 45 et 55 millimètres, notamment entre 50 et 52 millimètres. g) le diamètre intérieur de chaque tube est compris entre 35 et 45 millimètres, notamment entre 37 et 39 millimètres. h) la longueur dite de sécurité séparant le sommet du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité de l'organe de contrôle de l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0,5 et 2 mètres. i) l'axe principal de chaque tube en graphite forme, avec la verticale, un angle inférieur à 5°, notamment inférieur à 2°. Ces caractéristiques additionnelles (a) à (i) peuvent être mises en œuvre individuellement ou selon toutes combinaisons techniquement compatibles.

Un autre objet de l'invention est un procédé de contrôle de l'encrassement d'un échangeur thermique comprenant

une enceinte possédant une calandre périphérique délimitant un volume intérieur et

une pluralité de tubes en graphite s'étendant dans ledit volume intérieur (V), chaque tube comprenant une paroi périphérique, procédé dans lequel

- on admet de l'acide phosphorique dans les tubes et on évacue l'acide phosphorique hors des tubes;

- on fait circuler un second fluide dans ledit volume intérieur (V), à la périphérie extérieure des tubes, à contre-courant de l'acide phosphorique,

ledit procédé étant caractérisé en ce que

- on dispose, sur la face externe de la paroi d'au moins un tube, le corps d'un organe de contrôle de l'encrassement, cet organe de contrôle comprenant en outre

> une résistance électrique s'étendant dans le corps

> des moyens de mesure, permettant de mesurer la température de la résistance électrique

- on alimente électriquement la résistance électrique,

- on réalise au moins une courbe, dite instantanée, chaque courbe instantanée montrant l'évolution en fonction du temps de la température de la résistance,

- on compare la ou chaque courbe instantanée avec au moins une courbe de référence.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention : j) la courbe de référence montre l'évolution en fonction du temps de la température de la résistance, pour un tube dont l'encrassement présente une épaisseur seuil connue. k) on fait s'écouler l'acide phosphorique dans les tubes à une température sensiblement constante en fonction du temps, au moins au voisinage de l'organe de contrôle.

I) on fait s'écouler l'acide phosphorique selon une direction sensiblement verticale, du bas vers le haut. m) on place l'organe de contrôle de l'encrassement de sorte que la longueur dite de sécurité, séparant le sommet du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité de l'organe de contrôle de l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0,5 et 2 mètres. n) on provoque une condensation au moins partielle du second fluide durant son trajet dans le volume intérieur.

Ces caractéristiques additionnelles (j) à (n) peuvent être mises en œuvre individuellement ou selon toutes combinaisons techniquement compatibles. Encore autre objet de l'invention est un procédé de montage d'un échangeur de chaleur tel que ci-dessus, dans lequel :

- on fixe une extrémité de chaque tube équipé de son organe de contrôle de l'encrassement dans l'orifice axial aménagé dans la plaque d'extrémité de l'enceinte,

- on aménage le canal auxiliaire dans la plaque et on fait passer la gaine dudit organe de contrôle à travers ledit canal auxiliaire,

- on rebouche ledit canal auxiliaire.

Le rebouchage dudit canal auxiliaire peut se faire à l'aide d'un ciment approprié. Encore un autre objet de l'invention est un tube d'échange thermique en graphite appartenant à l'échangeur tel que ci-dessus, ce tube étant équipé d'au moins un organe de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant un corps disposé sur la face externe de cette paroi, une résistance électrique s'étendant dans le corps, des moyens de mesure, permettant de mesurer la température de la résistance électrique.

Encore un autre objet de l'invention est une installation de concentration d'acide phosphorique comprenant au moins un échangeur de chaleur tel que ci-dessus.

La Demanderesse s'est rendu compte que le problème présenté ci-dessus peut être résolu en intégrant au moins un organe de contrôle de l'encrassement, de type sonde active, dans au moins un des éléments tubulaires en graphite de l'échangeur de chaleur à surveiller. Une sonde est dite active parce qu'elle mesure la réponse de la perturbation qu'elle a elle-même générée.

Plus précisément, la sonde dite active peut provoquer localement une perturbation thermique contrôlée (avantageusement un échauffement contrôlé et/ou l'émission d'une quantité d'énergie prédéterminée). Il est par ailleurs prévu un moyen qui mesure ensuite la conséquence locale de cette perturbation contrôlée ou la réponse à cette perturbation contrôlée.

Ainsi, la sonde active comprend au moins un moyen d'émission d'une certaine quantité d'énergie thermique. Dans un mode de réalisation ladite sonde active comprend un moyen pour chauffer rapidement une zone superficielle dudit élément tubulaire, pour créer dans ladite zone superficielle une différence de température déterminée, et/ou pour dissiper dans ladite zone superficielle une quantité d'énergie prédéterminée.

Le système selon l'invention comprend également au moins un moyen de mesure de réchauffement provoqué par ladite émission d'énergie. Dans un mode de réalisation, ce moyen de mesure est un thermocouple, positionné de manière adaptée pour recueillir un signal exploitable. Il peut être inséré dans un orifice aménagé à cet effet dans une zone superficielle dudit élément tubulaire.

Avantageusement la sonde active présente un collier qui se fixe autour de la surface externe de l'élément tubulaire, de manière à couvrir au moins un segment de ladite surface externe. Ladite sonde active peut être connectée à au moins un moyen de mesure de la température.

L'échangeur de chaleur de l'invention comprend une pluralité (et typiquement un grand nombre, par exemple plusieurs centaines ou plus d'un millier) de tubes, encore appelés éléments tubulaires, qui sont typiquement identiques entre eux, ainsi qu'au moins un élément tubulaire (typiquement identique aux autres, sauf pour ce qui suit) qui comprend sur sa paroi externe ou dans sa paroi externe au moins une sonde active capable de provoquer localement une perturbation thermique, et au moins un moyen pour mesurer ladite perturbation thermique.

Dans un mode de réalisation de cet échangeur, ledit élément tubulaire s'étend entre deux plaques frontales parallèles, encore dénommées plaques tubulaires, et chaque extrémité dudit élément tubulaire est insérée dans un orifice aménagé dans l'une des deux plaques tubulaires. L'une de ces plaques tubulaires est fixe, l'autre peut être mobile.

L'installation de la sonde active sur la face externe de la paroi de l'élément tubulaire est avantageuse. En effet, elle évite un contact direct entre la sonde et l'acide phosphorique qui circule à l'intérieur de l'élément tubulaire. Or, un tel contact n'est pas souhaitable pour des raisons liées à la corrosion, à la difficulté d'assurer une insertion étanche de la sonde dans le canal de l'élément tubulaire, et à la possible perturbation des conditions d'écoulement hydrodynamique de cet acide phosphorique par la sonde elle-même. Le terme « sur » la face externe signifie tout d'abord que le corps de l'organe de contrôle, par exemple réalisé sous forme d'un collier, peut être fixé contre cette face externe, qui est alors lisse, ou encore dans un renfoncement ménagé dans cette face externe. Ce corps peut également être placé à proximité immédiate de cette face externe, sans toutefois être en contact direct avec celle-ci.

Ledit échangeur de chaleur peut être intégré dans une installation industrielle de concentration d'acide phosphorique.

Il est du mérite de la Demanderesse d'avoir mis au point un organe de contrôle de l'encrassement, qui est adapté à un échangeur de chaleur de type calandre et tubes. La Demanderesse a constaté avec surprise qu'un tel organe d'encrassement, disposé au voisinage de la paroi extérieure du tube, est capable de détecter cet encrassement présent contre la paroi intérieure de ce tube. Cela est d'autant plus surprenant que les tubes en graphite, utilisés dans l'échangeur conforme à l'invention, possèdent une épaisseur significative, de l'ordre de 5 à 10 millimètres. Une telle gamme d'épaisseur est nécessaire pour résister aux contraintes spécifiques d'un échangeur conforme à l'invention, notamment en termes de pression.

De plus il est avantageux de positionner cet échangeur dans une zone où l'acide phosphorique, circulant dans les tubes, présente la température la plus élevée. En effet, la couche d'encrassement possède une épaisseur maximale dans cette zone, en particulier liée au fait que l'élévation en température de l'acide phosphorique conduit à un dépôt significatif de gypse.

Il est également du mérite de la Demanderesse d'avoir mis au point un procédé de montage d'un échangeur, dont au moins un tube est équipé d'un organe de contrôle de l'encrassement. Ce procédé de montage, conforme à l'invention, est simple à mettre à œuvre pour un opérateur, dans la mesure où il fait appel à un nombre limité d'étapes. Par ailleurs chaque tube, équipé d'un organe respectif de contrôle de l'encrassement, peut être mis en place en préservant l'étanchéité globale de l'échangeur. Enfin le fait d'intégrer un ou plusieurs tubes, munis d'un tel organe de contrôle, n'induit pas de modification significative de la structure globale de l'échangeur. En particulier, cette intégration ne génère aucune fragilité mécanique substantielle, ni aucune perte d'étanchéité.

De manière générale, le fait de pouvoir contrôler l'encrassement de tubes en graphite, dans lesquels s'écoule l'acide phosphorique, est tout particulièrement avantageux. Lors de la mise en œuvre de l'échangeur on admet le fluide service, typiquement la vapeur d'eau, à une température initiale prédéterminée, par exemple voisine de 135°C. Au fur et à mesure de l'écoulement de l'acide phosphorique, il se forme une couche interne d'encrassement, qui oblige l'opérateur à augmenter la température de ce fluide service, afin de continuer à garantir un échange de chaleur satisfaisant. Or, cette augmentation de la température du fluide service contribue, à son tour, à accélérer encore davantage la vitesse de formation de cette couche. Lorsque cette couche atteint une épaisseur indésirable, il est nécessaire d'arrêter l'échangeur et de procéder à une opération de maintenance.

Dans la technique actuelle, la température de la vapeur d'eau est augmentée de manière prédéterminée, de sorte que la maintenance est réalisée au terme d'une durée de mise en œuvre prédéfinie, typiquement voisine de 120 heures. Or, dans un premier cas, cette dernière valeur peut être trop élevée, à savoir qu'on observe un bouchage intempestif des tubes avant la fin de la durée prédéfinie de mise en œuvre.

En revanche, il peut arriver que la couche d'encrassement se forme moins rapidement que prévu. Dans ce second cas, l'augmentation de la température de la vapeur d'eau est donc plus rapide que nécessaire. En d'autres termes, il aurait été possible d'admettre la vapeur d'eau à des températures plus basses, ce qui aurait permis de réduire la vitesse de formation de la couche d'encrassement. Par conséquent, la maintenance précitée est réalisée de manière prématurée, ce qui est désavantageux en termes économiques.

Conformément à l'invention, on peut contrôler sensiblement en temps réel l'épaisseur de la couche d'encrassement. De la sorte, la température de la vapeur d'eau est augmentée de façon appropriée, en fonction de cette valeur d'épaisseur mesurée, et non pas de manière prédéfinie comme dans l'art antérieur. Par conséquent, si les conditions de service sont plus sévères que prévu, l'invention permet d'alerter l'opérateur afin d'éviter un bouchage précoce des tubes. En revanche, si ces conditions sont moins sévères, la vapeur d'eau est réchauffée de manière moins rapide que prévu, ce qui permet de réduire la vitesse de formation de la couche d'encrassement et, de ce fait, d'augmenter significativement le temps de service avant maintenance.

Figures

Les figures 1 à 6 illustrent des modes de réalisation de l'invention. Les figures 1 a à 1f montrent une section verticale à travers un échangeur de chaleur selon l'invention ; pour simplifier la figure on ne montre qu'un seul tube 2 pris entre deux plaques tubulaires 3,4 ; ces figures illustrent un mode de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 2 montre de manière schématique une vue en perspective d'un tube 2 selon l'invention avec l'organe de contrôle de l'encrassement 5 sous la forme d'un collier qui entoure au moins partiellement la circonférence du tube.

La figure 3 est une vue en coupe longitudinale, illustrant de manière plus détaillée les éléments constitutifs de l'organe de contrôle 5.

La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un tube 2 selon l'invention avec une courbe qui représente de manière schématique le transfert thermique le long des différents milieux.

La figure 5 est un schéma électrique du collier, appartenant à l'organe de contrôle de l'encrassement,

La figure 6 représente plusieurs courbes, illustrant la variation de la température de la résistance intégrée dans ce collier, pour plusieurs états d'encrassement de l'échangeur.

Les signes de référence suivants sont utilisés sur les figures :

1 Echangeur de chaleur 51 Collier

2 Tube graphite ou à base de graphite L51 Longueur de 51

2' Face externe de 2 51 ' Surface active 51

2" Face interne de 2 51 B Extrémité de 51

3 Première plaque tubulaire (fixe) 52 Résistance

4 Deuxième plaque tubulaire 53 Thermocouple

(coulissante)

5 Organe de contrôle d'encrassement 54 Bornes d'alimentation de 52

6 Gaine 55 Fils alimentation 52

7 Zone d'encollage 1 ^ere extrémité tube 58 Manchon

8 Zone d'encollage trou 2 ^eme plaque E Couche d'encrassement

9 Zone d'encollage 2 ^eme extrémité tube F1 Ecoulement d'acide phosphorique

10 Zone d'encollage trou 1 ^ere plaque F2 Ecoulement du second fluide

11 Canal auxiliaire S2 Sommet du tube 2

12 Orifice LS Longueur de sécurité

13 Chemise pour trou 2 ^eme plaque CO Courbe

14 Chemise pour trou 1 ^ere plaque C1 Courbe

15 Bouchon d'étanchéité C2 Courbe

16 Paroi externe C3 Courbe

17 Bride Dint Diamètre intérieur de 2

Dext Diamètre extérieur de 2

Description détaillée

Nous entendons ici, par « tube » ou « élément tubulaire », un élément de construction disposant d'au moins un canal à l'intérieur duquel peut circuler un liquide lorsque ledit élément tubulaire est utilisé conformément à sa destination.

La figure 1 illustre un échangeur de chaleur conforme à l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 1. Cet échangeur comprend tout d'abord, de façon connue en soi, une enceinte formée par des plaques tubulaires 3, 4 d'extrémité, ainsi que par une enveloppe périphérique formant paroi externe, ou calandre 16.

Cet échangeur, utilisé dans des installations de l'industrie chimique, comprend typiquement une pluralité de tubes 2 droits parallèles en graphite ou à base de graphite, lesquels sont reçus dans l'enceinte. Typiquement il s'agit de plusieurs centaines ou plus d'un millier de tubes en graphite ou à base de graphite. Ces échangeurs de type « tubes and shell » sont connus en tant que tels. Ils comprennent la calandre précitée 16 (« shell ») et ladite pluralité de tubes 2 droits et parallèles.

De préférence, ces tubes 2 sont en graphite et ou à base de graphite. Leur longueur L2 est typiquement comprise entre 1 et 9 mètres, notamment entre 3 et 9 mètres. Dans un mode préféré de l'invention, cet échangeur est disposé de manière à ce que les tubes 2 soient orientés de manière sensiblement verticale, à savoir que leur axe principal forme, avec la verticale, un angle inférieur à 5°, notamment inférieur à 2°. Cet agencement présente des avantages qui seront explicités ci-dessous.

On note par ailleurs Dlnt et Dext les diamètres respectivement intérieur et extérieur de chaque tube 2, lesquels sont mesurés à l'état non encrassé du tube. Le diamètre intérieur Dlnt est typiquement compris entre 35 et 45 millimètres, notamment entre 37 et 39 millimètres; dans un mode de réalisation il est de 38,1 millimètres. Le diamètre extérieur Dext est typiquement compris entre 45 et 55 millimètres, notamment entre 50 et 52 millimètres; dans un mode de réalisation il est de 50,8 millimètres.

Ces tubes 2 sont tenus par les plaques dites plaques tubulaires 3, 4 dans lesquelles ils sont insérés. Chaque tube 2 est inséré dans un orifice 12b aménagé dans la première plaque tubulaire 3 et fixé, par exemple par collage, et chaque tube 2 est également inséré dans un orifice 12a aménagé dans la deuxième plaque tubulaire 4 et fixé, par exemple par collage. Lesdites première et deuxième plaques tubulaires 3, 4 peuvent être en graphite. L'échangeur comprend en outre des moyens d'entrée, dans les tubes, d'acide phosphorique en tant que premier fluide ou fluide procédé, des moyens de sortie de l'acide phosphorique hors des tubes, des moyens d'entrée d'un second fluide ou fluide service dans l'enceinte, vers la périphérie extérieure des tubes, ainsi que des moyens de sortie du second fluide hors de l'enveloppe. Ces différents moyens d'entrée et de sortie, de type connu, ne sont pas illustrés sur les figures. De manière préférée, le second fluide est de la vapeur d'eau.

Dans un mode de réalisation avantageux la première plaque tubulaire est une plaque fixe 3, c'est-à-dire qu'elle est fixée sur la tête non représentée de l'échangeur 1 , typiquement à l'aide d'une bride 17 de serrage. La deuxième plaque tubulaire 4 est avantageusement une plaque coulissante, c'est-à-dire mobile par rapport à la calandre 16. Chaque tube 2 est inséré dans l'orifice 12a aménagé dans cette plaque tubulaire 4 coulissante et fixé par collage. Selon l'invention au moins un tube 2 dudit échangeur de chaleur 1 est équipé d'un organe de contrôle de l'encrassement, désigné dans son ensemble par la référence 5. De préférence on choisit un tube proche de la paroi 16 externe de l'échangeur 1 , comme cela est montré sur la figure 1. Avantageusement on équipe ainsi plusieurs tubes 2, par exemple deux, trois, quatre ou cinq tubes 2.

Ledit organe de contrôle 5, qui est de type sonde active, est par exemple conforme à celui commercialisé par la société NéoTim à Albi (France), sous la référence « FP2C Conductivimètre Fil Chaud ». Comme montré notamment en figures 2 et 3, cet organe de contrôle comprend tout d'abord un corps réalisé sous forme d'un collier 51 , qui entoure au moins partiellement le tube 2, à savoir qu'il est disposé contre la face externe 2' de la paroi de ce tube. On note par ailleurs 2" la face interne de la paroi de ce tube.

Ce collier 51, qui est réalisé sous forme d'un élément plan et flexible, de type circuit intégré, comporte une résistance électrique 52, représentée de façon schématique sur la figure 3. En pratique la résistance électrique peut être réalisée, comme illustré à la figure 5, sous forme d'une piste métallique déposée sur le collier. Cette résistance 52 est associée à un ou plusieurs thermocouples 53, permettant de mesurer la température au voisinage directe de cette résistance. Deux bornes d'alimentation 54 sont prévues, avec toute la connectique nécessaire, pour pouvoir alimenter cette résistance depuis l'extérieur de l'échangeur. En outre les thermocouples sont associés à au moins une borne de sortie non représentée, permettant de transmettre le signal électrique délivré en service par ce thermocouple.

L'organe de contrôle 5 est en outre équipé d'une gaine 6, dont la mise en place sera détaillée dans ce qui suit. Cette gaine 6 renferme au moins un fil fonctionnel de la sonde active, en particulier des fils 55 d'alimentation de la résistance, reliés électriquement aux bornes 54, ainsi qu'au moins un fil de signal, relié à la borne de sortie des thermocouples. Ces différents fils fonctionnels peuvent être distincts ou confondus. Cette gaine est mise en communication électrique avec une alarme non représentée, de tout type approprié, qui permet d'alerter l'opérateur en cas de dysfonctionnement, comme cela sera explicité dans ce qui suit. On note L51 la longueur de la surface de contact entre le collier et la paroi du tube 2, selon la direction principale de ce dernier. Cette longueur est par exemple comprise entre 0,02 et 0,1 mètres. De manière préférée, le collier 51 est prévu dans la partie supérieure du tube, à savoir celle où l'acide phosphorique circulant à l'intérieur de ce tube est le plus chaud. En effet, l'encrassement est maximal dans cette zone. On note LS la longueur dite de sécurité, séparant le sommet S2 du tube et l'extrémité inférieure 51 B du collier 51 , laquelle est opposée audit sommet. Cette longueur LS est par exemple comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres.

L'organe de contrôle 5 est entouré, sur ses faces frontales opposées ainsi que sur sa face extérieure, par un manchon 58 réalisé en un matériau thermiquement isolant. Ce manchon permet donc un transfert des calories anisotrope, depuis le collier en direction du tube. En d'autres termes, lorsque le collier est chauffé, cette chaleur se dissipe sensiblement en intégralité dans la paroi du tube 2.

Le procédé de mise en place d'un élément tubulaire pourvue d'une sonde active selon l'invention est illustré sur les figures 1a à 1f. Elles montrent de manière schématique un tube en graphite 2 destiné à s'insérer dans l'orifice 12b de la première plaque tubulaire 3 (plaque fixe) et dans l'orifice 12a de la deuxième plaque tubulaire 4 (plaque coulissante) ; ce tube 2 est situé en périphérie du faisceau de tubes, proche de la paroi externe 16 de l'échangeur de chaleur 1. Dans une première étape illustrée sur la figure 1 a on réalise un repérage, ou contrôle préalable. A cet effet on positionne le tube 2 au sein de la plaque tubulaire fixe 3, dans la position précise qu'il doit adopter en service. Les parois en regard du tube et des orifices des plaques 3 et 4 ne sont pas encollées. Ce repérage permet de vérifier si la gaine 6 dépasse hors de l'orifice 12a de la plaque tubulaire 4 coulissante, selon une distance appropriée pour la mise en œuvre des étapes ultérieures. Si cette distance n'est pas convenable, la position de cette gaine est modifiée de façon circonstanciée.

Dans une deuxième étape illustrée sur la figure 1 b on déplace ledit tube 2 à travers l'orifice 12a de la plaque tubulaire 4 coulissante, et on applique une colle appropriée sur une zone d'encollage 7 qui représente au moins une partie de la surface externe du tube qui dépasse de la dite plaque tubulaire coulissante, et on applique une colle appropriée sur une zone d'encollage 8 qui représente au moins une partie de la surface interne de l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3.

Dans une troisième étape illustrée sur la figure 1c on déplace ledit tube à travers l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3 et à travers l'orifice 12a de la plaque tubulaire coulissante 4, afin de bien étaler la colle sur les surfaces à coller.

Dans une quatrième étape illustrée sur la figure 1d on procède à la mise en place définitive du tube 2 dans les orifices 12a, 12b, et on récupère la gaine 6 dans un canal auxiliaire formé par un orifice latéral 11 aménagé dans la plaque tubulaire coulissante 4 et qui communique avec l'orifice 12a. A titre de variante cet orifice 11 peut être aménagé dans un sens axial. Son diamètre peut être de l'ordre de 10 mm. Dans une cinquième étape illustrée sur la figure 1 e, on insère une chemise 13,14, c'est-à- dire un insert tubulaire, respectivement dans l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3 et dans l'orifice 12a de la plaque tubulaire coulissante 4. Au moins une partie de la surface extérieure desdites chemises 13,14 est revêtue d'une colle appropriée. Dans une sixième étape illustrée sur la figure 1f on rebouche l'orifice latéral 11 par un ciment approprié formant un bouchon d'étanchéité 15.

En service on fait s'écouler les deux fluides selon les flèches F1 et F2, respectivement dans les tubes et autour de ces tubes, afin de mettre les fluides précités en échange de chaleur mutuel. Conformément à l'invention, on utilise l'échangeur selon l'invention en position « tubes verticaux » avec l'acide phosphorique, en tant que « fluide procédé », qui est réchauffé par le « fluide service ». On met en œuvre cet échangeur de manière à ce qu'au moins le l'acide phosphorique, avantageusement en phase liquide, subit un changement de température tel que la température en haut de l'échangeur soit plus élevée que la température en pied d'échangeur. De façon avantageuse le fluide service est de la vapeur d'eau, qui subit une condensation partielle au fur et à mesure qu'elle transfère sa chaleur à l'acide phosphorique. Du fait de réchauffement de l'acide phosphorique, l'encrassement du tube peut être rapide et considérable, en particulier dans la zone supérieure de ce tube. Les inventeurs ont constaté avec surprise que l'organe d'encrassement, disposé au voisinage de la paroi extérieure du tube, est capable de détecter cet encrassement présent contre la paroi intérieure de ce tube. Cela est encore plus surprenant, dans le cas où on utilise des tubes en graphite ou à base de graphite qui possèdent une épaisseur significative, de l'ordre de 5 à 10 millimètres.

De façon avantageuse, on fait s'écouler l'acide phosphorique dans les tubes 2, à une température sensiblement constante en fonction du temps. Ceci signifie que la température de l'acide phosphorique peut varier dans l'espace, à savoir d'une extrémité à l'autre des tubes. En revanche cette température est invariante dans le temps, au moins au voisinage de l'organe de contrôle, voire en tout point du tube.

On alimente ensuite électriquement la résistance 52. Cette alimentation peut s'effectuer par des impulsions ou, de préférence, par un échelon de courant. La résistance s'échauffe et les calories ainsi générées se dissipent sensiblement en intégralité dans la paroi du tube, du fait de la présence de l'isolant. Les thermocouples permettent de mesurer l'évolution de la température de cette résistance, en fonction du temps. Etant donné que la température de l'acide phosphorique est constante, comme expliqué ci- dessus, on conçoit que la température mesurée de la résistance est représentative de la différence de températures entre la résistance et l'acide phosphorique.

De façon typique, la phase d'alimentation électrique de la résistance est de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes. On conçoit que, en fonction du temps t, la température T52 de la résistance augmente, puis atteint un palier. Des courbes caractéristiques de cette évolution sont montrées à la figure 6, lesquelles seront explicitées dans ce qui suit.

La figure 4 annexée montre en outre le transfert thermique entre le collier et l'acide phosphorique, le long de la paroi du tube en graphite puis d'une couche d'encrassement. La température diminue tout d'abord par conduction (conductivité k) au travers de la paroi du tube, selon une valeur DT2. On retrouve ensuite une couche E dite d'encrassement, qui a tendance à se former au fur et à mesure du temps de fonctionnement de l'échangeur. Cette couche induit une résistance thermique supplémentaire rE par unité de surface, laquelle est associée une diminution DTE de la température. Plus la couche d'encrassement est épaisse, plus la valeur de DTE est importante et plus la différence de températures entre la surface active et l'acide phosphorique est élevée. En d'autres termes, l'ensemble formé par la paroi et la couche d'encrassement possède une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique de la paroi seule.

Par conséquent, plus la couche d'encrassement E est épaisse et plus la température de la résistance est élevée. En référence à nouveau à la figure 6, la courbe C0 illustre l'évolution de la température pour un échangeur non encrassé. Les courbes C1 à C3, qui illustrent des échangeurs de plus en plus encrassés, sont donc situées au-dessus de cette courbe C0.

Avantageusement, on réalise tout d'abord une mesure de référence, correspondant à l'évolution de la température pour un échangeur possédant une couche d'encrassement, dont l'épaisseur connue possède une valeur seuil. En d'autres termes, pour une épaisseur supérieure à cette valeur seuil, on arrête typiquement l'échangeur et on procède au nettoyage de l'intérieur des tubes. L'évolution de la température de la résistance en fonction du temps, pour cet échangeur présentant cette couche d'encrassement seuil, est matérialisée par la courbe C2.

Au fur et à mesure de la mise en service de l'échangeur, on réalise des mesures successives, dites instantanées, de la variation de température T52 en fonction du temps t. Lorsqu'une courbe issue d'une mesure instantanée est située au-dessus de la courbe de référence C2, cela signifie que la couche d'encrassement, d'épaisseur non connue, est plus épaisse que la couche seuil et qu'il faut donc arrêter l'échangeur. Sur la figure 5, la courbe C1 située au-dessous de la courbe C2 matérialise une situation d'encrassement acceptable. En revanche, la courbe C3 située au-dessus de cette courbe C2 illustre une situation où il convient d'arrêter et nettoyer l'échangeur.

Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre dans une installation de concentration d'acide phosphorique. En particulier, une telle installation comprend un échangeur de chaleur dans lequel l'acide phosphorique est chauffé à l'aide d'un milieu caloporteur (le plus souvent de la vapeur d'eau) pour être concentré dans un évaporateur. On préfère que la différence de températures entre le fluide caloporteur (en l'occurrence : vapeur d'eau) et l'acide phosphorique ne soit pas trop élevée afin de limiter l'encrassement des éléments tubulaires en graphite et les contraintes thermiques dans l'installation. Avantageusement, la température de la vapeur utilisée sera comprise entre 110°C et 160°C alors que la température de l'acide phosphorique sera comprise entre 70°C et 90 °C.

A titre d'exemple, on considère un échangeur thermique dans lequel la vapeur d'eau, formant fluide caloporteur, chauffe l'acide phosphorique, formant fluide de procédé, en vue de sa concentration dans un évaporateur. Dans ce cas, on préfère conduire le procédé de manière à ce que l'acide phosphorique entre dans l'élément tubulaire de l'échangeur thermique à environ 82°C, est chauffé à l'aide de vapeur d'eau d'une température de 133°C, et quitte ledit élément tubulaire à une température de 85°C. Selon un autre mode de réalisation avantageux, on peut envisager de conduire le procédé de manière à ce que l'acide phosphorique entre dans l'élément tubulaire de l'échangeur thermique à environ 80°C, est chauffé à l'aide de vapeur d'eau d'une température de 145°C, et quitte ledit élément tubulaire à une température de 92°C.