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 entre 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'azote gazeux circule dans les passages « condensation », qui sont parallèles aux passages « vaporisation ». La circulation des deux fluides se fait sur toute la longueur des passages de façon à maximiser le contact thermique.

L'oxygène liquide qui est vaporisé contient des impuretés sous forme dissoutes. Les principales impuretés sont le protoxyde d'azote (N ₂ 0), le dioxyde de carbone (C0 ₂ ), 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 dimensionnement du distributeur.

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 au sein de chaque passage) est en général obtenue par une bande d'onde à génératrice horizontale et à décalage partiel. Cependant, in fine, le liquide n'est pas toujours réparti de façon suffisamment homogène au sein des canaux, et un risque d'évaporation à sec subsiste. Le problème à résoudre est dès lors d'assurer une meilleure distribution du liquide entre les canaux d'un même passage et de réduire ce risque.

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 parallèles à une direction déterminée définissant entre elles une multitude de passages, comprenant un premier ensemble de passages destinés à l'écoulement dudit liquide et un second ensemble de passages destinés à l'écoulement dudit fluide ;

- un bac de rétention destiné à recevoir ledit liquide ;

- des éléments de distribution primaire dudit liquide, aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide depuis ledit bac de rétention vers ledit premier ensemble de passages ; et

des éléments de fermeture de chaque passage dudit second ensemble situés du côté dudit bac de rétention et des éléments de distribution secondaire dudit liquide situés dans ledit premier ensemble de passages, aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit liquide au sein de chaque passage dudit premier ensemble ;

au moins 80% des passages dudit second ensemble, de préférence 100% des passages non périphériques dudit second ensemble, comprenant des moyens aptes à empêcher l'écoulement dudit fluide dans des zones desdits passages dudit second ensemble, lesdites zones s'étendant d'une desdites plaques vers une autre desdites plaques et étant comprises entre lesdits moyens et lesdits éléments de fermeture, chacune desdites zones étant au moins partiellement en vis-à-vis de deux desdits éléments de distribution secondaire appartenant aux deux passages dudit premier ensemble les plus proches de ladite zone considérée caractérisé en ce qu'il comprend des ouvertures aptes à et conçues pour établir des connexions fluidiques entre lesdites zones et un réservoir de gaz situé hors dudit échangeur, de manière à permettre un équilibrage en pression entre ledit réservoir et lesdites zones. Ceci permet d'éviter des dommages dus à d'éventuelles différences de pression entre les zones « mortes » et les parties des passages réservés au liquide situés en vis-à- vis.

Dans le cas de la distillation, le réservoir servant à l'équilibrage est un réservoir d'oxygène gazeux.

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 que 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 en général par la réunion de différents éléments, à la manière d'un pavage : des éléments de distribution primaire du liquide vers les passages plats, dont le rôle est de laisser passer une certaine quantité de liquide dans chaque passage, a priori la même (distribution homogène) ; 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 secondaire du liquide ont pour fonction de répartir la quantité de liquide admise dans un passage du premier ensemble sur tout ce passage. Les sections de ces passages orthogonalement à la direction déterminée sont en général des rectangles très aplatis. Il faut donc répartir le flux de liquide sur toute cette section. Ceci est obtenu en utilisant une onde ou des ailettes. Selon un mode particulier, on utilise une onde à génératrices orthogonales à la direction de l'écoulement et à décalage partiel selon l'écoulement, pour obtenir un effet de « fontaine de Champagne ».

Dans au moins 80% des passages réservés au fluide, mais de préférence 100% de ces passages qui ne sont pas périphériques (c'est-à-dire 100% des passages réservés au fluide et situés entre deux passages réservés au liquide), on a placé des moyens aptes à empêcher le fluide de circuler dans une certaine zone du passage en question. Cela crée une zone dite « morte » entre les éléments de fermeture du passage, situés du côté du bac de rétention et les moyens en question. Ces moyens obstruent le passage du fluide dans la direction déterminée. On peut aussi voir ces moyens comme un second bouchon, les moyens de fermeture étant le premier. La zone « morte » s'étend dans le passage considéré entre ces deux bouchons.

La zone « morte » est à une position particulière. Elle est au moins partiellement en vis-à-vis des deux éléments de distribution secondaire du liquide situés dans les deux passages du premier ensemble les plus proches de la zone « morte » considérée. Si les passages des premier et second ensembles alternent, cas a priori le plus favorable thermiquement, ce sont les deux passages adjacents au passage dans lequel la zone « morte » se trouve. Par « vis-à-vis au moins partiel », on veut dire, d'une part, qu'au moins une partie de la zone « morte » se situe au même niveau, rapporté à la direction déterminée, qu'une partie d'un des éléments de distribution secondaire considérés et, d'autre part, qu'au moins une partie, pas nécessairement la même, de la zone « morte » se situe au même niveau, toujours rapporté à la direction déterminée, qu'une partie de l'autre élément de distribution secondaire considéré. Mathématiquement, l'intersection entre la projection sur la direction déterminée de la zone morte et la projection sur la direction déterminée de l'un des éléments de distribution secondaire considéré est non nulle. Il en va de même avec l'autre élément de distribution secondaire considéré.

Un vis-à-vis complet consisterait à placer la zone « morte » et les éléments de distribution secondaire du liquide au même niveau selon la direction déterminée (normalement la verticale). La zone « morte » peut aussi avoir une extension selon la direction déterminée qui aille un peu au-delà de celle des éléments de distribution secondaire du liquide, dans un sens et/ou dans l'autre selon la direction déterminée.

Un avantage procuré par les zones « mortes » est de limiter l'échange thermique au niveau des éléments de distribution secondaire du liquide et d'empêcher ou de limiter la vaporisation du liquide dans ces éléments. Ceci a pour effet d'améliorer la distribution secondaire du liquide, toutes choses égales par ailleurs. Une distribution insuffisante est améliorée et le risque d'évaporation à sec est réduit. Si la distribution est jugée satisfaisante, la longueur des éléments de distribution secondaire peut être réduite, ou on peut utiliser un matériau moins performant et a priori moins cher. Par ailleurs, selon des modes de réalisation particuliers, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

lesdits deux éléments de distribution secondaire ayant des dimensions données dans ladite direction déterminée, ladite zone s'étend dans ladite direction déterminée sur une longueur supérieure ou égale, de préférence sensiblement égale, à la plus grande desdites dimensions données. Ceci permet, en fonctionnement, d'obtenir tout l'effet de meilleure distribution sans trop retarder l'échange thermique entre le liquide et le fluide ; lesdits moyens destinés à empêcher l'écoulement dudit fluide dans ladite zone ont la forme d'une barre métallique orthogonale à ladite direction donnée. La barre métallique est le moyen a priori le plus simple ;

lesdits moyens destinés à empêcher l'écoulement dudit fluide dans lesdites zones sont structurellement identiques aux dits éléments de fermeture. Il est en effet avantageux d'utiliser les mêmes moyens pour boucher le passage réservé au fluide d'une part du côté du bac de rétention du liquide et d'autre part du côté du fluide ;

lesdites zones comprennent au moins une onde mécanique en contact avec deux desdites plaques, de préférence à génératrices selon ladite direction déterminée. Ceci permet d'assurer une meilleure résistance mécanique au niveau des zones « mortes ».

l'échangeur comprend des éléments de distribution secondaire dudit fluide situés dans ledit second ensemble de passages, aptes à et conçus pour réaliser une distribution dudit fluide au sein de chaque passage dudit second ensemble ;

- l'échangeur comprend des parois externes et les moyens aptes à et conçus pour établir des connexions fluidiques sont constitués par des ouvertures dans au moins un des éléments de fermeture.

les ouvertures sont situées à un niveau inférieur des zones.

lesdits éléments de distribution secondaire comprennent au moins une onde à génératrices orthogonales à ladite direction déterminée, de préférence à décalage partiel selon ladite direction déterminée ;

lesdits éléments de distribution primaire dudit liquide sont des barres percées de trous. Ils sont en général situés entre les nombreuses plaques de séparation et obstruent partiellement le passage du liquide du bac de rétention vers les passages du premier ensemble. Les trous permettent de laisser passer le liquide et d'obtenir une certaine répartition du liquide. Selon un cas particulier, la répartition est homogène sur les passages (sensiblement la même quantité de liquide dans chaque passage).

L'échangeur comprend en outre des ondes d'échange, de préférence à génératrices selon ladite direction déterminée, lesdites ondes d'échange étant situées :

. d'une part, dans chacun desdits passages dudit premier ensemble, lesdits éléments de distribution secondaire desdits passages dudit premier ensemble se situant selon ladite direction déterminée entre lesdites ondes d'échange et ledit bac de rétention ; et . d'autre part, dans chacun desdits passages dudit second ensemble, lesdits éléments de distribution secondaire desdits passages dudit second ensemble se situant selon ladite direction déterminée entre lesdites ondes d'échange et lesdits éléments de fermeture.

Selon un mode particulier, les zones « morte » ont une longueur, selon la direction déterminée, supérieure ou égale, de préférence sensiblement égale, à celle des éléments de distribution secondaire du liquide situés à proximité. En général, tous les éléments de distribution secondaire du liquide sont semblables et toutes les zones « mortes » ont la même longueur.

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 à la figure 1 , qui représente une vue partielle, de face, en coupe d'un échangeur conforme à l'invention et à la figure 2, qui représente qui représente une vue partielle, de côté, en coupe de l'échangeur sur les passages de gaz à condenser. Les traits en pointillés signifient que l'échangeur se poursuit au-delà des ces traits.

L'échangeur 1 est composé d'un assemblage de plaques verticales parallèles 3. Elles sont parallèles à la direction déterminée 11 qui se trouve ici être la verticale. Les plaques 3 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. Des barres 6 bouchent partiellement le haut des passages 4. Des éléments de fermeture 9b, en forme de barre, bouchent le haut des passages 5. Les passages de chacun des types 4 et 5 alternent. Le tout est limité par des parois externes 10.

Les éléments 3, 6 et 9b 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 permettant le passage du liquide. Ce liquide peut être de l'oxygène.

Le liquide coule ensuite dans des éléments 7a de distribution secondaire. Leur fonction est de répartir de façon homogène le liquide dans tout le passage 4 concerné. Le liquide coule ensuite en film continu descendant sur une onde 8a. Il se réchauffe par échange thermique avec les parois et s'évapore progressivement.

L'élément 7a est une onde à génératrices horizontales et à décalage partiel vertical (en anglais : serrated hardway). L'élément 8a est une onde à génératrice verticales, éventuellement perforée.

En même temps, le fluide, qui peut être de 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 7b et 8b analogues aux éléments 7a et 8a des passages 4. Dans un maximum de passages 5, au moins 80%, de préférence 100% de ceux qui ne sont pas périphériques, i. e. qui sont situés entre deux passages 4, se trouvent des moyens 9a, identiques aux éléments 9b, empêchant le fluide de circuler dans une zone 14 du passage 5 concerné. Cette zone est dite « morte ». Elle s'étend d'une plaque 3 à l'autre et du moyen 9a à l'élément 9b. Elle se trouve en vis-à-vis des deux éléments 7a situés de part et d'autre. Sa longueur L dans la direction 11 (verticale) est très légèrement supérieure à la longueur des éléments 7a. Dans les passages 5 concernés par la zone « morte » 14, le fluide est introduit juste en dessous de cette zone 14. En l'absence de zone morte, il peut être introduit en dessous des éléments de fermeture 9b. Pour assurer leur solidité, les zones 14 contiennent une onde 12 du même type que les ondes 8a ou 8b. Leur atmosphère est par ailleurs mise en contact avec un réservoir d'oxygène gazeux d'une unité de distillation de l'air, dont provient aussi le liquide à évaporer au moyen d'ouvertures 15 situées de part et d'autre de l'échangeur. Ceci permet d'éviter des contraintes mécaniques dues aux différences de pression au niveau des zones 14.

Dans la figure 2, on voit une coupe sur un passage réservé à un gaz à condenser, par exemple de l'azote gazeux. Un élément de fermeture 9b, en forme de barre, bouchent le haut des passages. Les passages de chacun des types 4 et 5 alternent. Le tout est limité par des parois externes 17.

En même temps, le fluide, qui peut être de l'azote gazeux, parvient dans l'échangeur par des ondes de distribution (non représentées), puis s'écoule vers le bas le long des passages. 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 7b et 8b analogues aux éléments 7a et 8a des passages 4.

Dans un maximum de passages 5, au moins 80%, de préférence 100% de ceux qui ne sont pas périphériques, i. e. qui sont situés entre deux passages 4, se trouvent des moyens 9a, identiques aux éléments 9b, empêchant le fluide de circuler dans une zone 14 du passage 5 concerné. Cette zone est dite « morte ». Elle s'étend d'une plaque 3 à l'autre et du moyen 9a à l'élément 9b. Elle se trouve en vis-à-vis des deux éléments 7a situés de part et d'autre illustrés sur la Figure 1 et en vis-à-vis des deux éléments de fermeture 9c, 9d illustrés sur la Figure 2. Sa longueur L dans la direction 11 (verticale) est très légèrement supérieure à la longueur des éléments 7a.

Dans les passages concernés par la zone « morte » 14, le fluide est introduit juste en dessous de cette zone 14. En l'absence de zone morte, il peut être introduit en dessous des éléments de fermeture 9b. Pour assurer leur solidité, les zones 14 contiennent une onde 12 du même type que les ondes 8a ou 8b. Leur atmosphère est par ailleurs mise en contact avec un réservoir d'oxygène gazeux d'une unité de distillation de l'air, généralement la partie inférieure de la colonne basse pression, dont provient aussi le liquide à évaporer au moyen d'ouvertures 15 situées de part et d'autre de l'échangeur en dessous des éléments 9c, 9d qui sont des éléments en forme de barre ayant une hauteur inférieure à L dans la direction verticale. La hauteur des éléments 9c, 9d est dans la gamme de 60% à 90%> de L pour laisser passer l'oxygène gazeux dans la zone 14. Ceci permet d'éviter des contraintes mécaniques dues aux différences de pression au niveau des zones 14.