EP0068957B1 - Dispositif distributeur pour échangeurs multitubulaires - Google Patents

Dispositif distributeur pour échangeurs multitubulaires Download PDF

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EP0068957B1
EP0068957B1 EP82401059A EP82401059A EP0068957B1 EP 0068957 B1 EP0068957 B1 EP 0068957B1 EP 82401059 A EP82401059 A EP 82401059A EP 82401059 A EP82401059 A EP 82401059A EP 0068957 B1 EP0068957 B1 EP 0068957B1
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conical
cylindrical part
tube
tubes
cylindro
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Roland Kotwica
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Norsolor SA
Original Assignee
Chimique Des Charbonnages Sa Ste
Chimique des Charbonnages SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F28F9/0282—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry of conduit ends, e.g. by using inserts or attachments for modifying the pattern of flow at the conduit inlet or outlet
    • 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
    • F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
    • F28D3/04—Distributing arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a liquid distributor device for multi-tubular falling film heat exchangers and an exchanger provided with said device.
  • a multitubular heat exchanger consists, by definition, of a bundle of parallel tubes and a casing. Two fluid circuits are to be considered: the first is outside the tubes, the second inside the tubes. An inlet chamber receives the fluid which will be distributed inside the tubes and an outlet chamber receives the fluid having circulated in said tubes. The isolation between the two fluid circuits is ensured by two tubular plates on which the ends of the bundle tubes are welded.
  • the fluid circulating inside the tubes is a mixture of an undispersed liquid phase and a gaseous phase, for example of a liquid phase in the presence of its saturated vapor, an inequality in the distribution of the liquid phase between the tubes constituting the bundle.
  • French Patent No. 2,268,178 describes the installation, in the entry chamber, of an openwork attached cover. This added cover is open at its top (located at the entrance to the inlet chamber of the exchanger).
  • French patent no. 2,280,436 describes a dispensing device formed by a conical or frustoconical cover pierced with orifices over its entire surface; the top of the cover can be flattened and can include a central orifice; the device is tightly connected to the widest edge of the envelope tube.
  • German Patent No. 2,232,074 describes a device consisting of a massive and compact plate placed in the inlet chamber of an exchanger receiving a mixture of gas and liquid at high speed.
  • the devices according to the first two patents above are not satisfactory if the liquid phase (in particular a solution) is in the presence of a gas phase.
  • the liquid entering from the upper part into the inlet chamber of the exchanger is always preferentially directed, although to a lesser extent compared to the exchangers not provided with these devices, towards the central bundle tubes.
  • the device according to the third patent above does not achieve the object of the invention.
  • the object of the present invention is to ensure a uniform distribution of a liquid flowing by gravity in each tube of a vertical multitubular heat exchanger.
  • An object of the present invention relates to a liquid dispensing device for falling film multitubular heat exchangers consisting of a cylindro-conical or cylindro-frustoconical cover, the conical or frustoconical part of said cover being closed, and neither the cylindrical part nor the conical or frustoconical part having no orifices.
  • This device is intended to be fixed in the inlet chamber of a multitubular exchanger in such a way that the liquid entering the inlet chamber flows on the outside of the conical or frustoconical part of the device and then on the outside of the cylindrical part, then is distributed through the orifice (s) made between the bottom of the cylindrical part and the tube plate of the exchanger before being distributed in the bundle of tubes.
  • the angle at the top ce of the conical or frustoconical part is advantageously between 140 and 160 °.
  • the outside diameter D of the cylindrical part is advantageously between 0.8 and 1.2 times the height H of said cylindrical part.
  • Figures 1 and 2 show a dispensing device.
  • the cover is cylindrical-conical
  • in Figure 2 it is cylindrical-frustoconical.
  • the references have the following meanings: (1) is the cylindrical part of the cover, (2A) the conical part or (2B) frustoconical, H and D respectively, the height and the outside diameter of the cylindrical part (1 ), at the angle at the top of the conical or frustoconical part.
  • FIG. 3 An example of such an exchanger is shown in Figure 3 in the appendix, in which (3) represents the shell of the exchanger, (4) the inlet chamber, (5) the inlet manifold, (8 ) the tube plate where the upper ends (7) of the tubes (6) constituting the bundle are welded.
  • the dispensing device (A) is fixed by means of fixing lugs (13), so that all the openings of the tubes are located inside the dispensing device and that one or more orifices are formed between the bottom of the cylindrical part (1) and the tube plate (8).
  • the height h of the opening (s) thus formed is between 5 and 15 mm.
  • the outside diameter D of the cylindrical part (1) is chosen so as to leave a space between 1 and 5 mm between the internal wall of the inlet chamber (4) and the external wall of the cylindrical part (1) .
  • the total height of the dispensing device is at most equal to the height of the inlet chamber of the exchanger.
  • this height is between 0.80 and 0.95 times the height of the chamber.
  • a distributor device specific to each exchanger tube is associated with the dispensing device, in order to improve the distribution of the liquid on the internal wall of each tube of the exchanger.
  • This distributor device is preferably constituted by a cylindrical piece, provided with helical coils, partially engaged in each tube (6) of the exchanger and fixed to the end (7) of each tube so as to provide a space for the lateral passage of the liquid.
  • the overall diameter of the distribution device is slightly less than the inside diameter of the tube which will receive said distribution device.
  • (6) is a tube of the bundle whose end (7) is welded to the plate (8) , and (11) the distributor device comprising helical coils (12) fixed to the end of the tube (6) so that a space is provided for the lateral passage of the liquid.
  • the dispensing device makes it possible to obtain a uniform distribution of the liquid between the tubes of the multitubular bundle of an exchanger.
  • the dispensing device according to the invention finds a particularly advantageous application in installations for the concentration and dehydration of maleic acid implementing the static evaporation process using co-currents.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif distributeur de liquide pour échangeurs de chaleur multitubulaires à film tombant et un échangeur muni dudit dispositif.
  • Un échangeur de chaleur multitubulaire est constitué, par définition, d'un faisceau de tubes parallèles et d'une enveloppe. Deux circuits de fluides sont à considérer: le premier est extérieur aux tubes, le second intérieur aux tubes. Une chambre d'entrée reçoit le fluide qui sera distribué à l'intérieur des tubes et une chambre de sortie reçoit le fluide ayant circulé dans lesdits tubes. L'isolement entre les deux circuits de fluide est assuré par deux plaques tubulaires sur lesquelles sont soudées les extrémités des tubes du faisceau.
  • Si le fluide circulant à l'intérieur des tubes est un mélange d'une phase liquide non dispersée et d'une phase gazeuse, par exemple d'une phase liquide en présence de sa vapeur saturante, on observe fréquemment une inégalité de la répartition de la phase liquide entre les tubes constituant le faisceau.
  • Des dispositifs tendant à améliorer la répartition d'une phase liquide homogène entre les tubes d'un échangeur multitubulaire ont été décrits. Ainsi le brevet français n° 2 268 178 décrit la mise en place, dans la chambre d'entrée d'un capot rapporté ajouré. Ce capot rapporté est ouvert à son sommet (situé à l'entrée de la chambre d'entrée de l'échangeur). Le brevet français no. 2 280 436 décrit un dispositif distributeur formé d'un capot conique ou tronconique percé d'orifices sur toute sa surface; le sommet du capot peut être aplati et peut comprendre un orifice central; le dispositif se rattache de façon étanche au bord le plus large du tube d'enveloppe. Le brevet allemand n° 2 232 074 décrit un dispositif constitué d'une plaque massive et compacte disposée dans la chambre d'entrée d'un échangeur recevant un mélange de gaz et liquide à grande vitesse.
  • Les dispositifs selon les deux premiers brevets ci-dessus ne sont pas satisfaisants si la phase liquide (en particulier une solution) est en présence d'une phase gazeuse. Dans ce cas le liquide entrant par la partie supérieure dans la chambre d'entrée de l'échangeur se dirige toujours préférentiellement, bien que dans une moindre mesure par rapport aux échangeurs non munis de ces dispositifs, vers les tubes centraux de faisceau. Le dispositif selon le troisième brevet ci-dessus ne permet pas d'atteindre le but de l'invention.
  • Le but de la présente invention est d'assurer une distribution uniforme d'un liquide coulant par gravité dans chaque tube d'un échangeur de chaleur multitubulaire vertical.
  • Un objet de la présente invention concerne un dispositif distributeur de liquide pour échangeurs de chaleur multitubulaires à film tombant constitué d'un capot cylindro-conique ou cylindro-tronconique, la partie conique ou tronconique dudit capot étant fermée, et ni la partie cylindrique ni la partie conique ou tronconique ne comportant d'orifices. Ce dispositif est destiné à être fixé dans la chambre d'entrée d'un échangeur multitubulaire de telle façon que le liquide entrant dans la chambre d'entrée ruisselle sur l'extérieur de la partie conique ou tronconique du dispositif puis sur l'extérieur de la partie cylindrique, puis se répartisse à travers le ou les orifices ménagés entre le bas de la partie cylindrique et la plaque tubulaire de l'échangeur avant de se répartir dans le faisceau de tubes.
  • L'angle au sommet ce de la partie conique ou tronconique est avantageusement compris entre 140 et 160°. Le diamètre extérieur D de la partie cylindrique est avantageusement compris entre 0,8 et 1,2 fois la hauteur H de ladite partie cylindrique.
  • Un mode particulier de réalisation de l'invention sera maintenant décrit en se référant aux dessins annexés.
  • Les figures 1 et 2 représentent un dispositif distributeur. Sur la figure 1 le capot est cylindro-conique, sur la figure 2 il est cylindro-tronconique. Sur ces deux figures les repères ont les significations suivantes: (1) est la partie cylindrique du capot, (2A) la partie conique ou (2B) tronconique, H et D respectivement, la hauteur et le diamètre extérieur de la partie cylindrique (1), α l'angle au sommet de la partie conique ou tronconique.
  • Un autre objet de la présente invention concerne un échangeur de chaleur multitubulaire muni du dispositif décrit ci-dessus. Un exemple d'un tel échangeur est représenté à la figure 3 en annexe, sur laquelle (3) représente l'enveloppe de l'échangeur, (4) la chambre d'entrée, (5) le collecteur d'entrée, (8) la plaque tubulaire où sont soudées les extrémités supérieures (7) des tubes (6) constituant le faisceau. Le dispositif distributeur (A) est fixé par l'intermédiaire de pattes de fixation (13), de façon telle que toutes les ouvertures des tubes soient situées à l'intérieur du dispositif distributeur et qu'un ou plusieurs orifices soient ménagés entre le bas de la partie cylindrique (1) et la plaque tubulaire (8). Avantageusement la hauteur h du ou des orifices ainsi ménagés est comprise entre 5 et 15 mm. Le diamètre extérieur D de la partie cylindrique (1) est choisi de façon à ménager entre la paroi interne de la chambre d'entrée (4) et la paroi externe de la partie cylindrique (1) un espace d compris entre 1 et 5 mm.
  • La hauteur totale du dispositif distributeur est au plus égale à la hauteur de la chambre d'entrée de l'échangeur. Avantageusement, et de façon à obtenir une plus grande efficacité, cette hauteur est comprise entre 0,80 et 0,95 fois la hauteur de la chambre.
  • Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, on associe au dispositif distributeur, en vue d'améliorer la répartition du liquide sur la paroi interne de chaque tube de l'échangeur, un dispositif répartiteur propre à chaque tube de l'échangeur. Ce dispositif répartiteur est de préférence constitué par une pièce cylindrique, mu nie de spires hélicoîdales, engagée partiellement dans chaque tube (6) de l'échangeur et fixée à l'extrémité (7) de chaque tube de façon à ménager un espace pour le passage latéral du liquide. Le diamètre hors tout du dispositif répartiteur est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube qui recevra ledit dispositif répartiteur. Un exemple d'un échangeur dont chaque tube est muni d'un tel dispositif répartiteur est représenté en coupe partielle à la figure 4 où (6) est un tube du faisceau dont l'extrémité (7) est soudée à la plaque (8), et (11) le dispositif répartiteur comprenant des spires hélicoidales (12) fixé à l'extrémité du tube (6) de telle façon qu'un espace soit ménagé pour le passage latéral du liquide.
  • La présence d'un tel dispositif répartiteur à l'entrée de chaque tube ne perturbe pas la distribution uniforme du liquide entre les différents tubes, assurée par le dispositif distributeur.
  • Le dispositif distributeur selon l'invention permet d'obtenir une répartition uniforme du liquide entre les tubes du faisceau multitubulaire d'un échangeur.
  • Le dispositif distributeur selon l'invention, auquel on associe ou non un dispositif répartiteur, trouve une application particulièrement intéressante dans les installations de concentration et déshydratation de l'acide maléique mettant en oeuvre le procédé d'évaporation statique à co-courants.

Claims (7)

1. Dispositif distributeur de liquide destiné à être fixé dans la chambre d'entrée d'échangeurs de chaleur multitubulaires à film tombant, comprenant un capot cylindro-conique ou cylindro-tronconique, caractérisé en ce que la partie conique (2A) ou tronconique (2B) dudit capot est fermée à son sommet, et en ce que ni la partie cylindrique (1) ni la partie conique ou tronconique ne comporte d'orifices, de manière telle que, lorque l'échangeur de chaleur est en fonctionnement, le liquide ruisselle sur l'extérieur de la partie cylindro-conique ou cylindro-tronconique puis sur l'extérieur de la partie cylindrique.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre extérieur D de la partie cylindrique (1) est compris entre 0,8 et 1,2 fois la hauteur H de ladite partie cylindrique.
3. Echangeur de chaleur multitubulaire comprenant une enveloppe (3) une chambre d'entrée (4), un collecteur d'entrée (5), au moins deux tubes (6) comportant chacun deux extrémités et dont une extrémité (7) de chaque tube est soudée à la plaque tubulaire (8) isolant la chambre d'entrée (4) de la paroi externe des tubes (6), équipé d'un dispositif distributeur de liquide constitué d'un capot cylindro-conique (2A) ou cylindro-tronconique (2B) placé à l'intérieur de ladite chambre d'entrée (4), caractérisé en ce que la partie conique ou tronconique dudit capot est fermée à son sommet, en ce que ni la partie cylindrique (1) ni la partie conique ou tronconique dudit capot ne comporte d'orifices et en ce que ledit dispositif distributeur est fixé par sa partie cylindrique (1) sur la plaque tubulaire (8) de façon telle que toutes les extrémités (7) des tubes (6) soudées à la plaque tubulaire (8) soient situées à l'intérieur dudit dispositif distributeur, et qu'un ou plusieurs orifices soient ménagés entre le bas de la partie cylindrique (1) et la plaque tubulaire (8).
4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la hauteur h du ou des orifices ménagés entre le bas de la partie cylindrique (1) et la plaque tubulaire (8) est comprise entre 5 et 15 mm.
5. Echangeur selon l'une de revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le diamètre extérieur D de la partie cylindrique (1) est choisi de façon à ménager entre la paroi interne de la chambre d'entrée (4) et la paroi externe de la partie cylindrique (1) du dispositif distributeur un espace d compris entre 1 et 5 mm.
6. Echangeur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la hauteur totale du dispositif est comprise entre 0,80 et 0,95 fois la hauteur de la chambre d'entrée (4).
7. Echangeur selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité (7) de chaque tube (6) est munie d'un dispositif répartiteur de liquide constitué par une pièce cylindrique munie de spires hélicoidales, engagée partiellement dans chaque tube (6) et fixée à l'extrémité (7) dudit tube de façon à ménager un espace pour le passage latéral du liquide.
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