EP1026468A1 - Echangeur de chaleur, notamment échangeur de chaleur à plaques d'un appareil de séparation d'air - Google Patents

Echangeur de chaleur, notamment échangeur de chaleur à plaques d'un appareil de séparation d'air Download PDF

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EP1026468A1
EP1026468A1 EP00400094A EP00400094A EP1026468A1 EP 1026468 A1 EP1026468 A1 EP 1026468A1 EP 00400094 A EP00400094 A EP 00400094A EP 00400094 A EP00400094 A EP 00400094A EP 1026468 A1 EP1026468 A1 EP 1026468A1
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EP
European Patent Office
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plates
heat exchanger
copper
air
exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00400094A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benoit Davidian
Marc Wagner
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
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    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/108—Particular pattern of flow of the heat exchange media with combined cross flow and parallel flow

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and, more in particular, a plate heat exchanger, allowing to exchange heat between at least two fluids in an air separation device.
  • An air separation device includes several types of exchanger heat.
  • a main heat exchanger is used to cool the supply air to the apparatus at distillation temperature by heat exchange with one or several fluids from the distillation apparatus. In some cases, this are pressurized liquids from the device that vaporize against air at distill in the exchanger.
  • These exchangers are normally made entirely made of aluminum or copper or alloys of these metals (WO95 / 28610, Hausen, Linde “Tieftemperaturtechnik", pages 468-471, “Large Tonnage Oxygen Plants -Brazed Aluminum Technology and Equipment for the 80's ", Duncan et al., Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, August 1980, "Improved Plant Main Condenser", O'Neill et al. , Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, August 1980).
  • the apparatus also comprises at least one vaporizer-condenser which is a heat exchanger placed inside or outside of the column.
  • vaporizers are usually made entirely of copper, stainless steel, nickel or aluminum and consist of at least two circuits, at least one of which is connected to the rest of the installation by means of piping welded to the equipment.
  • exchangers usually include a plurality of plates aluminum separated between them from 5 to 7.6 mm (US-A-4715433) with aluminum waves between the plates.
  • FIG. 7 shows the evolution of the effective area in wavelength function for different materials and at temperatures different.
  • the effective surface corresponds to the primary surface (sheets separators) plus the secondary surface (waves) corrected by the fin coefficient.
  • the separation between the adjacent edges of the plates is greater than 9 mm or 10 mm.
  • the thickness of the plates varies from 1mm to 2.5mm.
  • the thickness of the waves varies from 0.1mm to 0.4mm.
  • the frequency of the waves varies from 300 waves / meter to 1200 waves / meter.
  • all the exchanger waves are made of copper.
  • the exchanger can fulfill one of the roles described above in a air separation device.
  • it can be the main exchanger which is used to cool the air to its distillation temperature or a sub-cooler.
  • a heat exchanger can make it possible to heat the tank of the second column with the head gas from the first column. Only two different flows circulate in the exchanger.
  • the heat exchanger according to the invention can be an exchanger intermediate of the second column or a single overhead condenser column.
  • a heat exchanger 20 comprises a series of parallel aluminum plates brazed together which define a multitude of passages intended alternately for one of the three fluid flow rates, for example, a gaseous air flow, a nitrogen-enriched gas flow at about 5 bars and a liquid flow enriched with oxygen at around 1.5 bars.
  • pressures can take other values.
  • the gas or liquid enters the exchanger by means of a pipe 2 in stainless steel welded in the middle of a head 1 (sometimes called “box” or in English “header”) semi-cylindrical and stainless steel which distributes the gas over the entire height of the exchanger 20 to send it to an inlet of passages defined by the stainless steel separator bar 12.
  • a pipe 2 in stainless steel welded in the middle of a head 1 (sometimes called “box” or in English “header") semi-cylindrical and stainless steel which distributes the gas over the entire height of the exchanger 20 to send it to an inlet of passages defined by the stainless steel separator bar 12.
  • These parallel rectangular plates 8 are separated by waves 9 of copper or an alloy comprising at least 80% copper fixed not soldering.
  • the separation between the adjacent edges of the plates is constant and equal to 9.6 mm with plates with a thickness of 1.8 mm.
  • the wave height is 9.63 mm.
  • an air flow is cooled in an exchanger 20A according to the invention by heat exchange with waste gases, liquid nitrogen and nitrogen gas before being sent to a double column.
  • This includes a medium pressure column thermally connected with a low pressure column by a vaporizer-condenser 20C according to the invention.
  • a flow of oxygen-rich liquid is drawn from the tank of the low pressure column and vaporizes by heat exchange with a flow of compressed air in a dedicated exchanger 20B according to the invention.
  • the exchanger comprises a stack of plates vertical and parallel rectangulars between which are interposed spacer waves also forming thermal fins.
  • Each pair of plates delimits a passage of generally flat shape.
  • the passages are closed by bars.
  • the bars corresponding to the treated fluid are however removed on the face upper 103 of the body 101, and also on its lower face.
  • the exchanger works like a thermosiphon, with an upward circulation of oxygen vaporized, causing liquid oxygen.
  • the two-phase mixture leaves the body 102 by its upper face 103.
  • the closing bars are moreover arranged so as to leave free, on the vertical lateral faces of the body 101, horizontal rows nitrogen input-output windows. These windows are capped by boxes generally cylindrical input-output, such as the box 104 shown in the drawing, provided at the upper part of the body and used to the entry of nitrogen gas into the nitrogen passages, which box is supplied by a pipe 105.
  • the ball constituting the fluid inlet-outlet chamber can be in stainless steel or nickel or an alloy comprising one of these two metals.
  • the exchangers according to the invention can be co-current exchangers or against the tide. They can be bath type vaporizers (to thermosiphon) or film. Channels can be rectangular or cylindrical or a combination of the previous two.

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Abstract

Un échangeur comprend plusieurs plaques (8) en cuivre, nickel ou aluminium ou un alliage de ces métaux séparés par des ondes d'échange en cuivre ou en un alliage de cuivre (6) et deux tôles extérieures (7). La séparation entre les plaques est supérieure à 6 mm, éventuellement 8mm. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un échangeur de chaleur et, plus particulièrement, un échangeur de chaleur à plaques, permettant d'échanger de la chaleur entre au moins deux fluides d'un appareil de séparation d'air.
Un appareil de séparation d'air comprend plusieurs types d'échangeur de chaleur.
Un échangeur de chaleur principal sert à refroidir l'air d'alimentation de l'appareil à la température de distillation par échange de chaleur avec un ou plusieurs fluides provenant de l'appareil de distillation. Dans certains cas, ce sont des liquides pressurisés de l'appareil qui se vaporisent contre l'air à distiller dans l'échangeur. Ces échangeurs sont normalement faits entièrement en aluminium ou en cuivre ou en alliages de ces métaux (WO95/28610, Hausen, Linde "Tieftemperaturtechnik", pages 468-471, "Large Tonnage Oxygen Plants -Brazed Aluminium Technology and Equipment for the 80's", Duncan et al., Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, août 1980, "Improved Plant Main Condenser", O'Neill et al. , Cryogenic Processes and Equipment Conference, ASME, août 1980).
Pour des raisons de sécurité, ces liquides se vaporisent parfois dans un échangeur dédié contre un seul fluide tel que l'air ou l'azote.
L'appareil comprend également au moins un vaporiseur-condenseur qui est un échangeur de chaleur placé à l'intérieur ou à l'extérieur de la colonne. Ces vaporiseurs sont habituellement réalisés entièrement en cuivre, acier inoxydable, nickel ou aluminium et sont constitués d'au moins deux circuits, dont un au moins qui est relié au reste de l'installation au moyen de tuyauteries soudées sur l'équipement.
Ces échangeurs comprennent habituellement une pluralité de plaques en aluminium séparés entre elles d'entre 5 et 7,6 mm (US-A-4715433) avec des ondes en aluminium entre les plaques.
Dans EP-A-0952419,la séparation entre plaques en aluminium est au plus 5mm.
A des températures cryogéniques, la conductivité thermique du cuivre est environ trois fois plus élevée que celle de l'aluminium, Ainsi la hauteur des ondes (et donc la séparation entre les plaques) peut être augmentée pour améliorer l'échange thermique et le nombre de plaques sera réduit, comme illustré dans la figure 7. La figure 7 montre l'évolution de la surface effective en fonction de la hauteur d'onde pour différents matériaux et à des températures différentes. La surface effective correspond à la surface primaire (tôles séparatrices) plus la surface secondaire (ondes) corrigé du coefficient d'ailette.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur à plaques comprenant :
  • une pluralité de plaques métalliques en cuivre, en nickel, en aluminium ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre, au moins 80 % de nickel ou au moins 80 % d'aluminium ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages ;
  • des ondes d'échange comprenant au moins 80% de cuivre placées entre au moins deux plaques ;
  • un moyen d'obturation constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques ;
  • deux tôles extérieures parallèles aux plaques et ayant un contour substantiellement similaire à ceux des plaques ;
  • éventuellement des têtes semi-cylindriques reliées aux passages entre les plaques
   et éventuellement une chambre d'entrée et/ou sortie d'un fluide reliée à un joint étanche à une face d'entrée ou de sortie du fluide, une partie au moins de la chambre étant constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde et par des secteurs de cônes tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde
   caractérisé en ce la séparation entre les bords adjacents des plaques entre lesquelles sont placées des ondes en au moins 80% de cuivre est supérieure à 6mm, éventuellement à 8 mm.
De préférence la séparation entre les bords adjacents des plaques est supérieure à 9 mm ou 10 mm.
L'épaisseur des plaques varie de 1mm à 2,5mm.
L'épaisseur des ondes varie de 0,1mm à 0,4mm.
La fréquence des ondes varie de 300 ondes/mètre à 1200 ondes/mètre.
De préférence toutes les ondes de l'échangeur sont en cuivre.
L'échangeur peut remplir un des rôles décrits ci-dessus dans un appareil de séparation d'air.
Par exemple, il peut être l'échangeur principal qui sert à refroidir l'air à sa température de distillation ou un sous-refroidisseur.
Si l'appareil comporte une première colonne alimentée par de l'air et reliée thermiquement à une deuxième colonne, un échangeur de chaleur selon l'invention peut permettre de chauffer la cuve de la deuxième colonne avec le gaz de tête de la première colonne. Seuls deux débits différents circulent dans l'échangeur.
Sinon l'échangeur de chaleur selon l'invention peut être un échangeur intermédiaire de la deuxième colonne ou un condenseur de tête d'une simple colonne.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés.
Sur ces dessins,
  • la figure 7 montre l'évolution de la surface effective en fonction de la hauteur d'onde pour différents matériaux et à des températures différentes. La surface effective correspond à la surface primaire (tôles séparatrices) plus la surface secondaire (ondes) corrigé du coefficient d'ailette,
  • la figure 1 est une vue schématique de l'extérieur d'un échangeur selon l'invention,
  • les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de l'intérieur d'un échangeur selon l'invention,
  • la figure 4 est un appareil de séparation d'air comprenant plusieurs échangeurs selon l'invention,
  • la figure 5 est une vue partielle de côté de l'extérieur d'un autre échangeur selon l'invention,
  • et la figure 6 est une vue de dessus de cet échangeur.
Dans la figure 1, un échangeur de chaleur 20 comprend une série de plaques parallèles en aluminium brasées entre elles qui définissent une multitude de passages destinés alternativement à un des trois débits de fluide, par exemple, un débit d'air gazeux, un débit gazeux enrichi en azote à environ 5 bars et un débit liquide enrichi en oxygène à environ 1,5 bars. Evidemment les pressions peuvent prendre d'autres valeurs.
Le gaz ou le liquide rentre dans l'échangeur au moyen d'une tuyauterie 2 en acier inoxydable soudée au milieu d'une tête 1 (parfois appelée "boíte" ou en anglais "header") semi-cylindrique et en acier inoxydable qui distribue le gaz sur toute la hauteur de l'échangeur 20 pour l'envoyer à une entrée de passages définie par la barre séparatrice 12 en acier inoxydable.
Dans la figure 2 on voit la tôle extérieure 7 en acier inoxydable en dessus des plaques empilées 8. Une autre tôle extérieure identique est placée en dessous des plaques. Des barres latérales 14 en acier inoxydable sont fixées de manière étanche aux bords des plaques 8.
Ces plaques 8 parallèles de forme rectangulaire sont séparées par des ondes 9 en cuivre ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre fixées pas brasage. La séparation entre les bords adjacents des plaques est constante et égale à 9,6 mm avec des plaques d'une épaisseur de 1,8mm. La hauteur des ondes est 9,63 mm.
Avec ce dimensionnement, le nombre de plaques est divisé par deux par rapport au nombre utilisé avec une séparation classique de 5 mm. La quantité de brasure sera également réduite.
Au-dessus des ondes 9, les passages sont fermés par des barres 12.
Dans la figure 4 un débit d'air se refroidit dans un échangeur 20A selon l'invention par échange de chaleur avec des gaz résiduaires, de l'azote liquide et de l'azote gazeux avant d'être envoyé à une double colonne. Celle-ci comprend une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression par un vaporiseur-condenseur 20C selon l'invention.
Un débit de liquide riche en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression et se vaporise par échange de chaleur avec un débit d'air surpressé dans un échangeur dédié 20B selon l'invention.
D'autres débits de l'appareil sont sous-refroidis dans un échangeur 20D selon l'invention.
Dans la figure 5, l'échangeur comprend un empilement de plaques rectangulaires verticales et parallèles entre lesquelles sont interposées des ondes-entretoises formant également ailettes thermiques. Chaque paire de plaques délimite un passage de forme générale plate. Il existe au moins deux séries de passages dont l'une est réservée à la circulation d'oxygène constituant le fluide traité tandis que l'autre sert à faire circuler l'azote qui constitue le fluide auxiliaire calorigène en cours de condensation.
Sur leur périphérie, les passages sont fermés par des barres. Les barres correspondant au fluide traité sont toutefois supprimées sur la face supérieure 103 du corps 101, et également sur sa face inférieure. L'échangeur fonctionne ainsi en thermosiphon, avec une circulation ascendante d'oxygène vaporisé, entraínant de l'oxygène liquide. Le mélange diphasique sort du corps 102 par sa face supérieure 103.
Les barres de fermeture sont par ailleurs agencées de façon à laisser libres, sur les faces latérales verticales du corps 101, des rangées horizontales de fenêtres d'entrée-sortie de l'azote. Ces fenêtres sont coiffées par des boítes d'entrée-sortie de forme générale cylindrique, telle que la boíte 104 représentée au dessin, prévue à la partie supérieure du corps et servant à l'entrée d'azote gazeux dans les passages d'azote, laquelle boíte est alimentée par une conduite 105.
Le ballon constituant la chambre d'entrée-sortie de fluide peut être en acier inoxydable ou en nickel ou en un alliage comprenant un de ces deux métaux.
Ces chambres sont décrites plus en détails dans EP-A-0718582 et EP-A-0718583.
Ainsi dans la figure 4, l'oxygène liquide se vaporise après pressurisation dans l'échangeur 20B contre de l'air et l'azote liquide pressurisé se vaporise dans l'échangeur principal 20A contre de l'air. L'air est détendu dans une turbine Claude et/ou une turbine d'insufflation. De l'argon peut être produit à partir du débit provenant de la colonne basse pression.
Les échangeurs selon l'invention peuvent être des échangeurs à co-courant ou à contre-courant. Ils peuvent être des vaporiseurs du type à bain (à thermosiphon) ou à film. Les canaux peuvent être de section rectangulaire ou cylindrique ou une combinaison des deux précédents.

Claims (8)

  1. Echangeur de chaleur à plaques comprenant :
    une pluralité de plaques métalliques (8) en cuivre, en nickel, en aluminium ou en un alliage comprenant au moins 80 % de cuivre, au moins 80 % de nickel ou au moins 80 % d'aluminium ayant un contour substantiellement similaire, parallèles et espacées les unes des autres afin de former des passages ;
    des ondes d'échange comprenant au moins 80% de cuivre ou 80% de nickel (6) placées entre au moins deux des plaques,
    un moyen d'obturation (11) constitué par des barres latérales reliées de façon étanche aux bords des plaques ;
    deux tôles extérieures (7) parallèles aux plaques et ayant un contour substantiellement similaire à ceux des plaques ;
    éventuellement des têtes semi-cylindriques reliées aux passages entre les plaques,
    et éventuellement une chambre d'entrée et/ou sortie d'un fluide (106) reliée à un joint étanche à une face d'entrée ou de sortie du fluide, une partie au moins de la chambre étant constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde et par des secteurs de cônes tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde
    caractérisé en ce la séparation entre les bords adjacents des plaques entre lesquelles sont placées des ondes en au moins 80% de cuivre ou au moins 80% de nickel est supérieur à 6mm, éventuellement 8mm.
  2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel la séparation entre mes plaques est supérieure à 10mm.
  3. Echangeur selon une des revendications 1 ou 2 dans lequel toutes les ondes sont en cuivre, en un alliage de cuivre.
  4. Appareil de séparation par distillation cryogénique comprenant au moins un échangeur de chaleur (20) selon l'une des revendications précédentes.
  5. Appareil de séparation selon la revendication 4 dans lequel on sépare de l'air.
  6. Appareil selon la revendication 5 dans lequel l'échangeur de chaleur est l'échangeur principal qui sert à refroidir l'air à sa température de distillation.
  7. Appareil selon la revendication 4, 5 ou 6 dans lequel l'échangeur de chaleur est un sous-refroidisseur.
  8. Appareil selon l'une des revendication 4 à 7 comprenant une première colonne alimentée par de l'air et reliée thermiquement à une deuxième colonne au moyen d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3.
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