EP1087194A1 - Vaporiseur-condenseur à bain et appareil de distillation d'air correspondant - Google Patents

Vaporiseur-condenseur à bain et appareil de distillation d'air correspondant Download PDF

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EP1087194A1
EP1087194A1 EP00402606A EP00402606A EP1087194A1 EP 1087194 A1 EP1087194 A1 EP 1087194A1 EP 00402606 A EP00402606 A EP 00402606A EP 00402606 A EP00402606 A EP 00402606A EP 1087194 A1 EP1087194 A1 EP 1087194A1
Authority
EP
European Patent Office
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region
vaporizer
vaporization
spray
liquid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00402606A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Renaud Brugerolle
Jean-Yves Lehman
Jean-Yves Thonnelier
Etienne Werlen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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
Publication of EP1087194A1 publication Critical patent/EP1087194A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F28D9/0068—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements with means for changing flow direction of one heat exchange medium, e.g. using deflecting zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F25J5/005—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger in a reboiler-condenser, e.g. within a column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/10—Boiler-condenser with superposed stages
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    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Definitions

  • the present invention relates to a vaporizer-condenser bath, of the type comprising at least one body exchanger which includes a stack of plates parallel, closing bars and spacer waves which define a series of vaporization passages fully open at their lower end and upper end and a series of passages from condensation.
  • the invention applies in particular to main vaporizers-condensers of air distillation, which vaporizes liquid oxygen under low pressure (typically slightly higher than the atmospheric pressure) by medium nitrogen condensation pressure (typically 5 to 6 at absolute bars), and it will be explained below in this app.
  • Bath vaporizers / condensers operate in thermosyphon.
  • the bottom-up circulation of oxygen is vaporizing is ensured by the hydrostatic pressure due to the height of the liquid oxygen bath and the lightening of the liquid that vaporizes.
  • the oxygen flow recirculating liquid must be several times greater than the flow of vaporized oxygen. For this reason, we impose that the height of the liquid oxygen bath is approximately equal to the height of the exchanger, that is to say that it is almost completely submerged in the liquid.
  • the invention aims to improve the efficiency of the vaporizer-condenser with a relatively construction simplified.
  • the invention relates to a vaporizer-condenser of the aforementioned type, characterized in that the spray passages are subdivided by bars of separation into at least two vaporization regions superimposed each of which is fully open to its lower end and at its upper end each spray region being provided with a recirculation of the liquid and, at its upper end, means for overflowing the liquid in a region of underlying vaporization, so as to create in each vaporization region a separate partial height bath or other baths and immersing this region on substantially over its entire height, in that the end upper of each lower spray region and intermediate is spaced vertically from the bar separation which supports the immediately upper bath, and in that the vaporizer-condenser comprises on the one hand means for supplying liquid to the region of superior vaporization, and secondly means steam outlet at each intermediate level between two spray regions.
  • the invention also relates to an apparatus for air distillation comprising a vaporizer-condenser main as defined above, intended to vaporize liquid oxygen by nitrogen condensation.
  • the air distillation apparatus 1 shown partially in Figures 1 and 2 is a double column distillation consisting of a distillation column medium pressure 2 surmounted by a distillation column low pressure 3.
  • the nitrogen at the top of column 2 which operates at 5 to 6 bar absolute, is linked heat exchange in the main evaporator-condenser 4 of the device with the liquid oxygen produced in the tank of the column 3.
  • the operating pressure of the latter is slightly higher than atmospheric pressure. More specifically, the vaporizer-condenser 4 is intended to vaporize the bottom column tank liquid oxygen pressure by condensation of nitrogen gas at the top of the medium pressure column.
  • the vaporizer-condenser 4 is fixed in the shell of the low pressure column 3, in the tank thereof, with a free space between this shell and him on all its around. It consists of a single exchanger body 5 of the brazed plate type, and of two semi-cylindrical boxes 6 and 7 welded to this body.
  • the body exchanger 5, of generally parallelepiped shape, is consisting of a stack of rectangular plates vertical 8 aluminum, all identical, of bars peripheral closure 9 represented by simple lines thick, dividing bars which will be described more far, and of spacer waves 10, for example of corrugated sheet perforated. The whole is brazed in the oven in one surgery.
  • On the body 5 are welded the two boxes 6 and 7, namely an upper side box 6 for nitrogen input gas and a lower side box 7 of nitrogen outlet liquid. Of course, an exit from "incondensables" (not shown) is provided in box 7.
  • Each pair of adjacent plates 8 delimits a passage of generally flat shape. These passages are alternately oxygen vaporization passages 11 (Figure 1) and nitrogen condensation passages 12 ( Figure 2). Bars 9 close the periphery of these passages, with the exception of entry / exit openings for fluids.
  • passages 11 are closed laterally on most of their height and totally open to their upper and lower ends.
  • passages 12 are closed on all their periphery except for a side window upper nitrogen gas inlet, which leads to the box 6, and a lower side outlet window liquid nitrogen, onto which the box 7 opens.
  • Each spray passage 8 ( Figure 1) is subdivided into several superimposed spray regions, three in this example, namely a region of lower vaporization 13A, a vaporization region intermediate 13B and an upper vaporization region 13C.
  • Each region 13A to 13C is substantially totally immersed in a liquid oxygen bath and is defined by a wave with vertical generators, of rectangular shape, respectively 10A to 10C.
  • the wave 10A of the lower region 13A extends over most of the horizontal width of the passage.
  • a recirculation duct 14A of liquid is delimited between the wave and the closing bar 9 adjacent.
  • Intermediate region 13B is located above and at a certain vertical distance from a dividing bar horizontal bottom 15B which extends from a bar 9 (that on the right in Figure 1) at a location spaced from the opposite bar 9.
  • Region 13B starts from bar 9 on the right and ends at a distance from a retaining bar vertical 16B from the left end of the bar 15B.
  • the 10B wave is arranged in the space defined by the bars 15B and 16B. The upper edge of this wave is substantially at the top end of the bar 16B, while its lower edge delimits with the bar 15B a free space 17B for source supply.
  • wave 10B starts from bar 9 on the right and ends a short distance from bar 16B, delimiting with it a liquid recirculation space 14B.
  • Bar 15B is spaced vertically from the edge upper 10A wave. This defines between regions 13A and 13B a free space 19 which extends over the entire width of the exchanger body and which is connected to a free space of liquid descent 18B existing between bar 9 on the left and bar 16B.
  • the upper vaporization region 13C has the same structure as region 13B, but reversed left / right, with a 13C lower dividing bar, a lateral restraint 16C and free spaces 17C supply and 14C recirculation delimited by the wave 10C.
  • Bar 15C is spaced vertically from the edge higher of the 10B wave, which defines between regions 13B and 13C a free space 21 which extends over the entire width of the exchanger body. This space 21 is connected to a free descent space 18C demarcated between bar 16C and bar 9 on the right.
  • a supply spillway 23 constituted by a horizontal lower bar 24 and a short bar vertical lateral 25.
  • Bar 24 starts from bar 9 of right, and bar 25 connects to the left end of the bar 24 and is substantially perpendicular to the bar 16B. This defines a feed descent 26 between the bar 25 and bar 9 on the left.
  • the closing bar 9 on the right defines a window 27 between regions 13A and 13B and between region 13C and the overflow 23.
  • the closing bar 9 on the left defines a similar window 27 between regions 13B and 13C.
  • the waves 10 of the condensation passages 12 have vertical generators over most of the height of these passages, and are extended above and below by waves distribution slants that open into the windows side nitrogen inlet / outlet, in a conventional manner.
  • the liquid oxygen produced by column 3 is distributed substantially uniformly across all spillways 23, as shown by the arrow F on the Figure 1.
  • liquid oxygen forms an intermediate bath 28B of partial height.
  • the partial vaporization of oxygen in region 13B causes the formation of gaseous oxygen which escapes from the exchanger body via intermediate window 27 and pass so in column 3 while the excess liquid overflows in the descent 18B, above the bar 16B, and reaches the lower bath 28A.
  • Partial vaporization of oxygen in this bath lower form of gaseous oxygen which escapes into the column 3 via window 27 below, while the excess liquid overflows and recirculates itself in the bath 22A via the downpipes 14A.
  • the nitrogen gas from the head of the column 2 enters via the upper box 6, then descends gradually condensing over the entire height of the body exchanger. Liquid nitrogen is collected at the base and returns, via the lower box 7, in column 2.
  • liquid oxygen can fall directly on the exchanger body, as shown schematically by the arrow F in Figure 3. It forms the bath higher 28C by spreading across all regions 13C via the chute 29C. From there, the liquid overflows into the chute 31 for supplying the intermediate bath 28B and distributes among all regions 13B via chute 29B. From there, the liquid overflows into the lower bath 28A.
  • the gaseous oxygen resulting from the vaporization passes in column 3 via the two lower windows 27 and via the two upper windows 27, and also by the upper opening of the passages 11, over the entire width of these.
  • the side face 32 of the vaporizer-condenser consisting of slices of plates and closing bars 9, east devoid of opening and accessories. This allows back-to-back two identical vaporizers-condensers.
  • a pipe 36 for supplying liquid to the vaporizer-condenser ends up in box 34, near the end right of it, and a liquid supply pipe 37 from region 13B connects box 35 to box 33, near the left end of it.
  • the region 13A spans the entire width of each passage of vaporization 11, while each region 13B, 13C starts from the bar 9 on the left (in Figures 5 and 6) and leaves free a recirculation space 14B, 14C between itself and bar 9 on the right.
  • Windows 27 and 127 are located just below the dividing bars 15B and 15C. The lower windows 27 extend down to upper level of region 13A, and windows 127 to the upper level of region 13B.
  • the lower generator of the box 33 is at the level of the bar 15B, that of the box 34 at the level of the bar 15C ( Figure 6), and that of the box 35 substantially at the upper level of region 13C. Likewise that in Figure 3, the latter is fully open towards the top, like regions 13A and 13B.
  • a section of horizontal bar 38, forming a baffle, is provided halfway up each box 33 and 34 and level of the lower edge of the corresponding wave 10B, 10C.
  • the upper regions 13C are supplied from source via hose 36 and box 34.
  • the liquid which overflows from the 13C regions passes, via the box 35 and the pipe 37, in the box 33, where it mixture with the liquid which recirculates in each region 13B.
  • FIG. 7 to 9 corresponds for the essential to the previous one, after deleting the floor intermediate 13B.
  • the pipe 37 and box 35 are replaced by a simple notch 135 in the left side of the wall liquid retaining upper, and it is no longer necessary to make two types of windows: windows 27, only necessary for the lower floor, have all the same height and serve both to overflow liquid oxygen and the evacuation of gaseous oxygen.

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Abstract

Ce vaporiseur-condenseur à bain (4), du type à plaques brasées, comporte des passages de vaporisation (11) subdivisés en plusieurs régions de vaporisation superposées (13A à 13C) dont chacune est immergée dans un bain (28A à 28C) de hauteur partielle, et des moyens d'alimentation en liquide de la région de vaporisation supérieure (13C). Les régions de vaporisation (13A à 13C) sont espacées verticalement les unes des autres, et chaque région est entièrement ouverte à ses extrémités supérieure et inférieure. Application aux vaporiseurs-condenseurs principaux des doubles colonnes de distillation d'air. <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à un vaporiseur-condenseur à bain, du type comprenant au moins un corps d'échangeur qui comprend un empilement de plaques parallèles, de barres de fermeture et d'ondes-entretoises qui définissent une série de passages de vaporisation entièrement ouverts à leur extrémité inférieure et à leur extrémité supérieure et une série de passages de condensation.
L'invention s'applique en particulier aux vaporiseurs-condenseurs principaux des appareils de distillation d'air, qui vaporisent l'oxygène liquide sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 à bars absolus), et elle sera expliquée ci-dessous dans cette application.
Les vaporiseurs-condenseurs à bain fonctionnent en thermosiphon. La circulation de bas en haut de l'oxygène se vaporisant est assurée par la pression hydrostatique due à la hauteur du bain d'oxygène liquide et à l'allègement du liquide qui se vaporise.
Pour des raisons de sécurité, le débit d'oxygène liquide recirculant doit être plusieurs fois supérieur au débit d'oxygène vaporisé. Pour cette raison, on impose que la hauteur du bain d'oxygène liquide soit à peu près égale à la hauteur de l'échangeur, c'est-à-dire que ce dernier est à peu près totalement immergé dans le liquide.
Si l'on veut réduire l'écart de température entre le fluide qui se condense et celui qui se vaporise, afin de diminuer la pression de l'azote de chauffage et donc l'énergie de compression de l'air traité, il faut augmenter la surface d'échange thermique. Comme les dimensions horizontales de l'échangeur sont limitées par l'espace disponible en cuve de la colonne de distillation basse pression, on doit augmenter la hauteur de l'échangeur.
Cependant, une telle augmentation de hauteur accroít la pression hydrostatique du liquide en bas, c'est-à-dire à l'entrée, des passages de vaporisation. Ceci crée dans la partie inférieure de l'échangeur une région contenant du liquide franc sous-refroidi et neutralise au moins partiellement l'effet bénéfique de l'augmentation de la surface d'échange.
L'invention a pour but d'améliorer l'efficacité du vaporiseur-condenseur avec une construction relativement simplifiée.
A cet effet, l'invention a pour objet un vaporiseur-condenseur du type précité, caractérisé en ce que les passages de vaporisation sont subdivisés par des barres de séparation en au moins deux régions de vaporisation superposées dont chacune est entièrement ouverte à son extrémité inférieure et à son extrémité supérieure, chaque région de vaporisation étant munie d'un couloir de recirculation du liquide et, à son extrémité supérieure, de moyens de débordement du liquide dans une région de vaporisation sous-jacente, de façon à créer dans chaque région de vaporisation un bain de hauteur partielle séparé du ou des autres bains et immergeant cette région sur sensiblement sur toute sa hauteur, en ce que l'extrémité supérieure de chaque région de vaporisation inférieure et intermédiaire est espacée verticalement de la barre de séparation qui supporte le bain immédiatement supérieur, et en ce que le vaporiseur-condenseur comporte d'une part des moyens d'alimentation en liquide de la région de vaporisation supérieure, et d'autre part des moyens d'évacuation de vapeur à chaque niveau intermédiaire entre deux régions de vaporisation.
L'invention a également pour objet un appareil de distillation d'air comprenant un vaporiseur-condenseur principal tel que défini ci-dessus, destiné à vaporiser de l'oxygène liquide par condensation d'azote.
Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel :
  • la Figure 1 représente schématiquement une partie d'un appareil de distillation d'air suivant l'invention, en coupe verticale dans un passage de vaporisation du vaporiseur-condenseur principal;
  • la Figure 2 est une vue analogue de l'appareil de distillation, prise en coupe verticale dans un passage de condensation du vaporiseur-condenseur principal;
  • la Figure 3 est une vue analogue à la Figure 1 d'une variante ;
  • la Figure 4 est une vue en perspective d'une autre variante ;
  • les Figures 5 et 6 sont des vues analogues à la Figure 1, prises en coupe respectivement suivant les lignes V-V- et VI-VI de la Figure 4 ;
  • la Figure 7 est une vue analogue à la Figure 4 d'encore une autre variante ; et
  • les Figures 8 et 9 sont des vues analogues à la Figure 1, prises en coupe respectivement suivant les lignes VIII-VIII et IX-IX de la Figure 7.
L'appareil de distillation d'air 1 représenté partiellement sur les Figures 1 et 2 est une double colonne de distillation constituée d'une colonne de distillation moyenne pression 2 surmontée d'une colonne de distillation basse pression 3. L'azote de tête de la colonne 2, qui fonctionne sous 5 à 6 bars absolus, est mis en relation d'échange thermique dans le vaporiseur-condenseur principal 4 de l'appareil avec l'oxygène liquide produit en cuve de la colonne 3. La pression de fonctionnement de cette dernière est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Plus précisément, le vaporiseur-condenseur 4 est destiné à vaporiser l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression par condensation d'azote gazeux de tête de la colonne moyenne pression.
Le vaporiseur-condenseur 4 est fixé dans la virole de la colonne basse pression 3, en cuve de celle-ci, avec un espace libre entre cette virole et lui sur tout son pourtour. Il est constitué d'un corps d'échangeur unique 5 du type à plaques brasées, et de deux boítes semi-cylindriques 6 et 7 soudées sur ce corps. Le corps d'échangeur 5, de forme générale parallélépipédique, est constitué d'un empilement de plaques rectangulaires verticales 8 en aluminium, toutes identiques, de barres de fermeture périphériques 9 représentées par de simples traits épais, de barres de séparation qui seront décrites plus loin, et d'ondes-entretoises 10, par exemple en tôle ondulée perforée. L'ensemble est brasé au four en une seule opération. Sur le corps 5 sont soudées les deux boítes 6 et 7, à savoir une boíte latérale supérieure 6 d'entrée d'azote gazeux et une boíte latérale inférieure 7 de sortie d'azote liquide. Bien entendu, une sortie d' «incondensables» (non représentée) est prévue dans la boíte 7.
Chaque paire de plaques 8 adjacentes délimite un passage de forme générale plate. Ces passages sont alternativement des passages de vaporisation d'oxygène 11 (Figure 1) et des passages de condensation d'azote 12 (Figure 2). Les barres 9 ferment le pourtour de ces passages, à l'exception d'ouvertures d'entrée/sortie pour les fluides.
Ainsi, les passages 11 sont fermés latéralement sur l'essentiel de leur hauteur et totalement ouverts à leurs extrémités supérieure et inférieure.
Au contraire, les passages 12 sont fermés sur toute leur périphérie à l'exception d'une fenêtre latérale supérieure d'entrée d'azote gazeux, sur laquelle débouche la boíte 6, et d'une fenêtre latérale inférieure de sortie d'azote liquide, sur laquelle débouche la boíte 7.
Chaque passage de vaporisation 8 (Figure 1) est subdivisé en plusieurs régions de vaporisation superposées, au nombre de trois dans cet exemple, à savoir une région de vaporisation inférieure 13A, une région de vaporisation intermédiaire 13B et une région de vaporisation supérieure 13C. Chaque région 13A à 13C est sensiblement totalement immergée dans un bain d'oxygène liquide et est définie par une onde à génératrices verticales, de forme rectangulaire, respectivement 10A à 10C.
L'onde 10A de la région inférieure 13A s'étend sur l'essentiel de la largeur horizontale du passage. De part et d'autre de cette onde, un conduit 14A de recirculation de liquide est délimité entre l'onde et la barre de fermeture 9 adjacente.
La région intermédiaire 13B est située au-dessus et à une certaine distance verticale d'une barre de séparation inférieure horizontale 15B qui s'étend d'une barre 9 (celle de droite sur la Figure 1) à un emplacement espacé de la barre 9 opposée. La région 13B part de la barre 9 de droite et se termine à une certaine distance d'une barre de retenue verticale 16B qui part de l'extrémité gauche de la barre 15B. L'onde 10B est disposée dans l'espace défini par les barres 15B et 16B. Le bord supérieur de cette onde est sensiblement au niveau de l'extrémité supérieure de la barre 16B, tandis que son bord inférieur délimite avec la barre 15B un espace libre 17B d'alimentation en source. Dans le sens horizontal, l'onde 10B part de la barre 9 de droite et se termine à une petite distance de la barre 16B, délimitant avec celle-ci un espace 14B de recirculation de liquide.
La barre 15B est espacée verticalement du bord supérieur de l'onde 10A. Ceci définit entre les régions 13A et 13B un espace libre 19 qui s'étend sur toute la largeur du corps d'échangeur et qui se raccorde à un espace libre de descente de liquide 18B existant entre la barre 9 de gauche et la barre 16B.
La région de vaporisation supérieure 13C a la même structure que la région 13B, mais inversée gauche/droite, avec une barre de séparation inférieure 13C, une barre de retenue latérale 16C et les espaces libres 17C d'alimentation et 14C de recirculation délimités par l'onde 10C. La barre 15C est espacée verticalement du bord supérieur de l'onde 10B, ce qui définit entre les régions 13B et 13C un espace libre 21 qui s'étend sur toute la largeur du corps d'échangeur. Cet espace 21 se raccorde à un espace libre de descente 18C délimité entre la barre 16C et la barre 9 de droite.
Au-dessus et à distance de la région 13C se trouve, dans la région d'extrémité supérieure du passage de vaporisation, un déverseur d'alimentation 23 constitué par une barre inférieure horizontale 24 et une courte barre latérale verticale 25. La barre 24 part de la barre 9 de droite, et la barre 25 se raccorde à l'extrémité gauche de la barre 24 et se trouve sensiblement à l'aplomb de la barre 16B. Ceci définit une descente d'alimentation 26 entre la barre 25 et la barre 9 de gauche.
La barre de fermeture 9 de droite définit une fenêtre 27 entre les régions 13A et 13B et entre la région 13C et le déverseur 23. La barre de fermeture 9 de gauche définit une fenêtre 27 analogue entre les régions 13B et 13C.
Les ondes 10 des passages de condensation 12 ont des génératrices verticales sur l'essentiel de la hauteur de ces passages, et sont prolongées en haut et en bas par des ondes obliques de distribution qui débouchent dans les fenêtres latérales d'entrée/sortie d'azote, de façon classique.
En fonctionnement, une masse d'oxygène liquide à niveau constant est rassemblée en cuve de la colonne 3. Sa surface libre se trouve sensiblement au niveau du bord supérieur de l'onde 10A, de sorte que celle-ci est sensiblement totalement immergée dans un bain inférieur 28A d'oxygène liquide de hauteur partielle.
L'oxygène liquide produit par la colonne 3 est distribué sensiblement uniformément dans l'ensemble des déverseurs 23, comme schématisé par la flèche F sur la Figure 1.
Ce liquide tombe par débordement dans la région 13C, où il forme un bain supérieur 28C de hauteur partielle. L'oxygène liquide subit une vaporisation partielle dans cette région. Le liquide en excès déborde dans l'espace 18C par-dessus la barre 16C et tombe dans la région 13B, tandis que l'oxygène vaporisé s'échappe du corps d'échangeur dans la colonne 3, essentiellement via la fenêtre 27 supérieure.
De même, dans la région 13B, l'oxygène liquide forme un bain intermédiaire 28B de hauteur partielle. La vaporisation partielle de l'oxygène dans la région 13B provoque la formation d'oxygène gazeux qui s'échappe du corps d'échangeur via la fenêtre 27 intermédiaire et passe ainsi dans la colonne 3, tandis que l'excès de liquide déborde dans la descente 18B, au-dessus de la barre 16B, et parvient dans le bain inférieur 28A.
La vaporisation partielle de l'oxygène dans ce bain inférieur forme de l'oxygène gazeux qui s'échappe dans la colonne 3 via la fenêtre 27 inférieure, tandis que le liquide en excès déborde et se recircule de lui-même dans le bain 22A via les descentes 14A.
Dans chaque bain, la vaporisation partielle de l'oxygène provoque une circulation de liquide par effet de thermosiphon, avec une recirculation via les espaces 14A, 14B et 14C.
Dans les passages de condensation 12 (Figure 2), de façon classique, l'azote gazeux provenant de la tête de la colonne 2 pénètre via la boíte supérieure 6, puis descend en se condensant progressivement sur toute la hauteur du corps d'échangeur. L'azote liquide est recueilli à la base et retourne, via la boíte inférieure 7, dans la colonne 2.
Dans l'exemple de la Figure 1, seules les régions de vaporisation inférieures 13A des différents passages de vaporisation communiquent entre elles, via le bain inférieur 28A. Les autres régions de vaporisation sont isolées des régions homologues des autres passages. Ceci rend nécessaire un distributeur assurant la distribution uniforme du liquide entre les différents passages au sommet du vaporiseur-condenseur, par des moyens appropriés connus en soi et non représentés.
Dans l'exemple de la Figure 3, au contraire, il est prévu des moyens pour faire communiquer entre elles toutes les régions 13B d'une part, toutes les régions 13C d'autre part. Pour cela, le vaporiseur-condenseur est modifié comme suit :
  • le déverseur 23 est supprimé ;
  • les barres 16B et 16C sont supprimées, et les ondes 10A à 10C s'étendent sur toute la largeur des passages 11 ;
  • la fenêtre 27 supérieure de la Figure 1 est supprimée, et des fenêtres 27 sont prévues à droite et à gauche dans les barres de fermeture 9 entre les régions 13A et 13B et entre les régions 13B et 13C ;
  • sur toute l'épaisseur, perpendiculairement au dessin, du corps d'échangeur ont été ajoutées :
    • à droite du corps 5, une goulotte supérieure 29C qui recueille tout le liquide qui déborde de la région 13C, et dont la partie inférieure communique avec l'espace 17C via une fenêtre supplémentaire 30C de la barre 9 de droite ;
    • une goulotte intermédiaire 31, qui coiffe la précédente et recueille tout le liquide qui déborde de celle-ci. La partie inférieure de la goulotte 31 communique avec la fenêtre 27 de droite située entre les régions 13B et 13C ; et
    • à gauche du corps 5, une goulotte inférieure 29B qui recueille tout le liquide qui déborde de la région 13B et dont la partie inférieure communique avec l'espace 17B via une fenêtre supplémentaire 30B de la barre 9 de gauche.
Ainsi, en fonctionnement, l'oxygène liquide peut tomber directement sur le corps d'échangeur, comme schématisé par la flèche F de la Figure 3. Il forme le bain supérieur 28C en se répartissant entre toutes les régions 13C via la goulotte 29C. De là, le liquide déborde dans la goulotte 31 pour alimenter le bain intermédiaire 28B et se répartit entre toutes les régions 13B via la goulotte 29B. De là, le liquide déborde dans le bain inférieur 28A.
L'oxygène gazeux résultant de la vaporisation passe dans la colonne 3 via les deux fenêtres 27 inférieures et via les deux fenêtres 27 supérieures, et également par l'ouverture supérieure des passages 11, sur toute la largeur de ceux-ci.
Dans l'exemple de réalisation des Figures 4 à 6, la face latérale 32 du vaporiseur-condenseur, constituée de tranches de plaques et de barres de fermeture 9, est dépourvue d'ouverture et d'accessoires. Ceci permet d'accoler dos-à-dos deux vaporiseurs-condenseurs identiques.
Sur la face latérale opposée sont prévues de bas en haut :
  • la boíte 7 de sortie d'azote liquide ;
  • une rangée horizontale de fenêtres 27, toutes identiques, de débordement d'oxygène liquide et d'évacuation d'oxygène gazeux vaporisé de la région inférieure 13A ;
  • une boíte semi-cylindrique 33 d'alimentation de toutes les régions intermédiaires 13B et de mélange de liquide, s'étendant sur toute l'épaisseur du vaporiseur-condenseur ;
  • une rangée de fenêtres constituée, dans la partie gauche (en considérant la Figure 4) de l'épaisseur du vaporiseur-condenseur, de fenêtres 27 d'évacuation d'oxygène gazeux vaporisé dans la région 13B, et, dans la partie droite de ladite épaisseur, de fenêtres 127 d'évacuation d'oxygène gazeux et de débordement d'oxygène liquide. Ces fenêtres 27 et 127 ont leurs extrémités supérieures au même niveau, tandis que les fenêtres 127 ont une hauteur supérieure ;
  • une boíte semi-cylindrique 34 d'alimentation en liquide de toutes les régions supérieures 13C. Cette boíte s'étend sur toute l'épaisseur du vaporiseur-condenseur ;
  • la boíte 6 d'entrée d'azote gazeux; et
  • une boíte semi-cylindrique 35 de débordement de liquide de toutes les régions supérieures 13C. Cette boíte ne s'étend que sur la partie gauche de l'épaisseur du vaporiseur-condenseur.
Un tuyau 36 d'alimentation en liquide du vaporiseur-condenseur aboutit dans la boíte 34, près de l'extrémité droite de celle-ci, et un tuyau 37 d'alimentation en liquide de la région 13B relie la boíte 35 à la boíte 33, près de l'extrémité gauche de celle-ci.
Comme on peut le voir sur les Figures 5 et 6, la région 13A s'étend sur toute la largeur de chaque passage de vaporisation 11, tandis que chaque région 13B, 13C part de la barre 9 de gauche (sur les Figures 5 et 6) et laisse libre un espace de recirculation 14B, 14C entre elle-même et la barre 9 de droite. Les fenêtres 27 et 127 se trouvent juste au-dessous des barres de séparation 15B et 15C. Les fenêtres 27 inférieures s'étendent vers le bas jusqu'au niveau supérieur de la région 13A, et les fenêtres 127 jusqu'au niveau supérieur de la région 13B.
La génératrice inférieure de la boíte 33 se trouve au niveau de la barre 15B, celle de la boíte 34 au niveau de la barre 15C (Figure 6), et celle de la boíte 35 sensiblement au niveau supérieur de la région 13C. De même qu'à la Figure 3, cette dernière est totalement ouverte vers le haut, comme les régions 13A et 13B.
Un tronçon de barre horizontale 38, formant chicane, est prévu à mi-hauteur de chaque boíte 33 et 34 et au niveau du bord inférieur de l'onde 10B, 10C correspondante.
En fonctionnement, les régions supérieures 13C sont alimentées en source via le tuyau 36 et la boíte 34. L'égalisation du niveau dans toutes les régions 13C, ainsi que le mélange du liquide recirculant avec du liquide frais, s'effectuent au sommet de cette région et via la boíte 34.
Le liquide qui déborde des régions 13C passe, via la boíte 35 et le tuyau 37, dans la boíte 33, où il se mélange avec le liquide qui recircule dans chaque région 13B.
Le liquide qui déborde des régions 13B traverse la partie inférieure des fenêtres 127 et tombe directement dans le bain inférieur 28A (Figure 6).
On remarque que, dans les régions 13B et 13C, l'alimentation en liquide et le débordement s'effectuent en des emplacements opposés dans le sens de l'épaisseur du vaporiseur-condenseur. Ceci favorise le mélange du liquide en recirculation avec du liquide frais, réduisant ainsi les risques de concentration locale en polluants. Le mélange est encore favorisé par la présence des barres 38.
La variante des Figures 7 à 9 correspond pour l'essentiel à la précédente, après suppression de l'étage intermédiaire 13B. Dans une telle réalisation simplifiée, le tuyau 37 et la boíte 35 sont remplacés par une simple encoche 135 ménagée dans la partie gauche de la paroi supérieure de retenue de liquide, et il n'est plus nécessaire de réaliser deux types de fenêtres : les fenêtres 27, nécessaires uniquement pour l'étage inférieur, ont toutes la même hauteur et servent à la fois au débordement de l'oxygène liquide et à l'évacuation de l'oxygène gazeux.

Claims (18)

  1. Vaporiseur-condenseur à bain, du type comprenant au moins un corps d'échangeur (5) qui comprend un empilement de plaques parallèles (8), de barres de fermeture (9) et d'ondes-entretoises (10) qui définissent une série de passages de vaporisation (11) entièrement ouverts à leur extrémité inférieure et à leur extrémité supérieure et une série de passages de condensation (12), caractérisé en ce que les passages de vaporisation sont subdivisés par des barres de séparation (15, 16) en au moins deux régions de vaporisation superposées (13A à 13C) dont chacune est entièrement ouverte à son extrémité inférieure et à son extrémité supérieure, chaque région de vaporisation étant munie d'un couloir (14A à 14C) de recirculation du liquide et, à son extrémité supérieure, de moyens (16B, 16C ; 29B, 29C ; 27, 35, 127) de débordement du liquide dans une région de vaporisation sous-jacente (27), de façon à créer dans chaque région de vaporisation un bain (28A à 28C) de hauteur partielle séparé du ou des autres bains et immergeant cette région sur sensiblement sur toute sa hauteur, en ce que l'extrémité supérieure de chaque région de vaporisation inférieure (13A) et intermédiaire (13B) est espacée verticalement de la barre de séparation (15B, 15C) qui supporte le bain immédiatement supérieur, et en ce que le corps d'échangeur (5) comporte d'une part des moyens d'alimentation en liquide de la région de vaporisation supérieure (13C), et d'autre part des moyens (27 ; 27, 127) d'évacuation de vapeur à chaque niveau intermédiaire entre deux régions de vaporisation (13A-13B, 13B-13C).
  2. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'évacuation de vapeur comprennent des ouvertures (27 ; 27, 127) d'évacuation de vapeur définies par les barres de fermeture latérales (9) à chaque niveau intermédiaire entre deux régions de vaporisation (13A-13B, 13B-13C).
  3. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la barre de séparation inférieure (15B, 15C) de chaque région de vaporisation est reliée par une extrémité à une barre de fermeture latérale (9) du passage de vaporisation (11), et en ce que les moyens de débordement sont prévus du côté opposé de ce passage.
  4. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le couloir de recirculation (14A à 14C) est situé à l'intérieur du passage de vaporisation (1), notamment entre la région de vaporisation (13A à 13C) et une barre de fermeture latérale (9) de ce passage.
  5. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque barre de séparation inférieure (15B, 15C) ne s'étend que sur une partie de la largeur du passage de vaporisation (11), et en ce que les moyens de débordement d'au moins une région de vaporisation (13B, 13C) sont formés par une barre de retenue (16B, 16C), intérieure au passage de vaporisation, qui forme un déverseur.
  6. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les régions de vaporisation intermédiaire (13B) ou supérieure (13C) de chaque passage de vaporisation (11) ne communiquent pas avec celles des autres passages de vaporisation, et en ce que lesdits moyens d'alimentation en liquide sont adaptés pour répartir le liquide sensiblement uniformément entre les différents passages de vaporisation (11).
  7. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une région intermédiaire (13B) ou supérieure (13C) communique avec une région homologue de tous les autres passages de vaporisation par l'intermédiaire d'un canal latéral (29B, 29C ; 33) qui s'étend sur l'épaisseur du vaporiseur-condenseur (1).
  8. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit canal latéral (29B, 29C) forme une goulotte de recirculation du liquide.
  9. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit canal latéral (29B, 29C) forme les moyens de débordement.
  10. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de débordement comprennent un conduit (37) latéral au corps d'échangeur (5) qui relie un point haut d'une région de vaporisation (13C) à un point bas de la région de vaporisation sous-jacente (13B).
  11. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, pour au moins une région de vaporisation (13B, 13C), les moyens de débordement (35, 127) partent d'un emplacement opposé, dans le sens de l'épaisseur du corps d'échangeur (5), à un point bas d'alimentation en liquide de cette région.
  12. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, pour au moins une région de vaporisation (13B, 13C), les moyens de débordement (16B, 16C ; 29B) sont situés à l'opposé de cette région, dans le sens de la largeur du passage, par rapport à l'emplacement (18C, 26 ; 31) d'alimentation de cette région en liquide.
  13. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, à l'extrémité supérieure d'au moins une région de vaporisation (13A, 13B), les barres latérales (9) des passages de vaporisation (11) définissent une rangée de fenêtres (27, 127) d'évacuation de fluide vaporisé dont une partie au moins forme également lesdits moyens de débordement.
  14. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 13, caractérisé en ce que ladite partie (127) de la rangée de fenêtres a une hauteur supérieure à celle des autres fenêtres de cette rangée.
  15. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, comportant au moins trois régions de vaporisation (13A à 13C), caractérisé en ce que les moyens de débordement (16B, 16C ; 29B, 29C) sont situés alternativement d'un côté et de l'autre du passage de vaporisation (11).
  16. Vaporiseur-condenseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens de débordement (27, 35, 127) sont tous situés du même côté des passages de vaporisation (11), la face latérale opposée (32) du corps d'échangeur (5) étant plane.
  17. Vaporiseur-condenseur suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend deux corps d'échangeurs (5) accolés par leurs faces latérales planes (32).
  18. Appareil de distillation d'air, comprenant un vaporiseur-condenseur pour vaporiser de l'oxygène liquide par condensation d'azote, caractérisé en ce que le vaporiseur-condenseur (1) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 17.
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