FR2614971A1 - Echangeur de chaleur pour la production de vapeur, notamment pour une installation de production d'ammoniac - Google Patents
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Abstract
L'ECHANGEUR DE CHALEUR COMPORTE UNE ENTREE ET UNE SORTIE DE GAZ DE SYNTHESE, UNE CHAMBRE DE PRESSION POUR UN MELANGE EAUVAPEUR ET UNE SORTIE DE VAPEUR, LES CHAMBRES DE PRESSION ETANT SEPAREES PAR UNE PLAQUE TUBULAIRE A TRAVERS LAQUELLE PASSE LES DEUX EXTREMITES D'UN CERTAIN NOMBRE DE TUBES EN U. LES TUBES EN U 8, 9 SONT DIVISES EN DEUX GROUPES PRESENTANT LE MEME NOMBRE DE TUBES, LES EXTREMITES DE TUBES 11 DU PREMIER JEU (TUBES 9) ETANT RELIEES A LA PREMIERE CHAMBRE 3 POUR LE GAZ DE SYNTHESE ET L'UNE DES EXTREMITES DE TUBES 14 DU SECOND JEU (TUBES 8) ETANT RELIEES A LA SECONDE CHAMBRE 4, TANDIS QUE L'AUTRE EXTREMITE 11 DU PREMIER JEU EST RELIEE AUX AUTRES EXTREMITES 13 DU SECOND JEU DE TUBES PAR UN TUBE DE LIAISON 12. APPLICATION A DES ECHANGEURS DE CHALEUR DESTINES A LA RECUPERATION DE CHALEUR PERDUE POUR LES INSTALLATIONS DE PRODUCTION D'AMMONIAC.
Description
ECHANGEUR DE CHALEUR POUR LA PRODUCTION DE VAPEUR,
NOTAMMENT POUR UNE INSTALLATION DE PRODUCTION D'AMMONIAC.
La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur destiné à produire de la vapeur, notamment dans une installation de production d'un gaz de synthèse contenant de l'ammoniac, cet échangeur comportant une chambre de pression pour le gaz de synthèse chaud, munie d'une entrée et d'une sortie et une chambre de pression pour-la vapeur comportant une entrée d'eau et/ou une sortie de vapeur, les chambres de pression étant séparées par une plaque tubulaire à travers laquelle -les deux extrémités d'un certain nombre de tube en U passent vers la chambre de pression d'eau et/ou de vapeur, la chambre de pression pour le gaz de synthèse comportant des
parois séparant cette chambre en deux chambres séparées.
Le gaz chaud qui quitte le convertisseur à ammoniac et
qui contient de l'ammoniac, doit être refroidi afin de con-
denser et de séparer l'ammoniac produit. Normalement,. un tel refroidissement est réalisé par échange de chaleur et souvent de telle façon qu'au moins une partie de la chaleur contenue dans le gaz de synthèse chaud soit récupérée. Dans ce but, on
utilise un économiseur dans des installations pour la produc-
tion de l'ammoniac. Il est également connu d'insérer une chaudière de récupération de chaleur perdue afin de récupérer
au moins une partie de la chaleur sous forme de vapeur.
On connaît un tel échangeur de chaleur à partir du document GB-A-2 089 951. L'échange de chaleur est réalisé principalement dans un certain nombre de tubes de en U qui sont insérés à leur deux extrémités dans une plaque tubulaire séparant les chambres de pression contenant respectivement de
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l'ammoniac et de l'eau et/ou de la vapeur. Afin d'éviter les problèmes de corrosion dus aux tensions qui sont souvent
présentes dans le matériau des tubes réalisés en acier austéni-
tique et en contact avec l'eau, on préfère que les tubes soient réalisés en acier au carbone faiblement allié, ce qui
est justifié si la température ne dépasse pas 380 C à 400 C.
Pour des températures dépassant cette limite il se produit une nitruration importante sur la face des tubes située du côté du
gaz de synthèse contenant de l'ammoniac. Des conditions similai-
res existent sur la plaque tubulaire dont la température ne -
doit pas dépasser cette température limite en aucun point, si elle n'est pas revêtue d'un acier allié austénitique, ce qui lui permet de résister à la nitruration. Dans l'échangeur de chaleur selon le document britannique ci-dessus, on s'est efforcé de résoudre ce problème en disposant les tubes en U de telle façon que chaque seconde extrémité de tube dans les rangées de tubes de la plaque tubulaire soit chaudes et qu'au contraire les extrémités de tubes intermédiaires soient plus froides. La séquence de la succession de tubes chauds et plus froids dans la plaque tubulaire réduit la température de
celle-ci à un niveau qui est nettement inférieur à la tempéra-
ture d'entrée du gaz de synthèse, ce qui permet de réduire la nitruration. Cependant une concepti3n du type ci-dessus nécessite une disposition telle qu'il soit possible de distribuer les gaz de synthèse chauds entre un grand nombre d'extrémités de tubes, des tubes en U. De façon correspondante, on doit collecter le gaz refroidi à partir des autres extrémités des tubes et le conduire à la sortie de la chambre de pression pour le gaz de
synthèse. Dans le document britannique ci-dessus, cette dis-
position comporte une fausse plaque tubulaire qui est disposée parallèlement et à distance de la plaque tubulaire supportant la pression. Cette fausse plaque tubulaire est reliée aux
entrées des tubes en U à l'aide de tubes fermés par un bouchon.
L'écoulement de gaz que l'on souhaite réaliser est tel que le gaz en provenance de l'entrée s'écoule dans une chambre d'entrée, séparée de la plaque tubulaire par la fausse plaque tubulaire à travers les tubes fermés, dans les tubes en U, et en retour
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à travers ceux-ci vers la chambre de pression pour le gaz de synthèse o il s'écoule à l'extérieur de la chambre d'entrée pour le gaz de synthèse. La fausse plaque tubulaire, les tubes fermés et relativement courts et les autres parois délimitant la chambre d'entrée doivent être fabriqués en matériau austéni- tique qui est capable de résister au gaz de synthèse contenant de l'ammoniac à haute temperature, du fait que ces parties ne
viennent pas en contact avec de l'eau.
La conception connue comporte quelques détails qui, en de nombreux cas, s'avèrent beaucoup moins appropriés. En particulier, il es t-difficile d'obtenir une étanchéité fiable entre les tubes fermés courts et les tubes en U, ce qui signifie que le gaz de synthèse chaud peut s'échapper entre les tubes fermés courts et les tubes en U dans la zone de la plaque
tubulaire. Comme cette zone est très sensible à la nitrura-
tion, une exposition non prévue aux gaz chauds en provenance d'une fuite tend à rendre cette structure moins durable, à moins qu'elle ne soit réalisée avec des joints complètement soudés. Dans ce cas, une inspection périodique des zones les
plus exposées au montage des tubes en U dans la plaque tubu-
laire est rendue difficile à un point qui est pratiquement
inacceptable.
- L'un des buts de l'invention est de proposer un échangeur
de chaleur qui résolve ces problèmes.
A cet effet, l'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce que les tubes sont divisés en deux groupes présentant -le même nombre de tube, les extrémités de tube du premier jeu étant en liaison avec la. première chambre dans la chambre de pression du gaz de synthèse et l'une des extrémités de tube'du second jeu étant en liaison avec la seconde chambre et en ce que l'autre extrémité du premier Deu est relié aux autres extrémités du second jeu de tube à l'aide
d'un tube de liaison. Dans l'échangeur de chaleur selon l'inven-
tion, le gaz de synthèse traverse les tubes en U en deux passes,
de manière qu'on obtienne un courant de gaz partiellement re-
froidi, ce gaz étant amené à travers la plaque tubulaire et pouvant ainsi être utilisé pour limiter la température.de la plaque tubulaire, le gaz complètement refroidi étant maintenu séparé du gaz chaud. Ainsi les problèmes de fuite sont réduits si bien qu'on peut pratiquement éviter d'avoir à utiliser des joints complètement soudés dans les parois séparant l'entrée et la sortie du gaz de synthèse, ce qui simplifie l'isolement de la chambre de pression séparée à des fins d'inspection. Selon d'autres modes de réalisation, le tube de liaison reliant une extrémité des tubes dans le premier groupe de tubes en U à une extrémité des tubes dans le second groupe de tube en U est en tube en U pour chaque paire de tube et le tube de liaison est commun pour un certain nombre de tubes de chaque groupe de tube. Le ou les tubes de liaison est (sont) placé(s) dans la première chambre reliée à l'entrée des gaz de synthèse, de telle façon qu'une partie des extrémités de tubes
et de la plaque tubulaire forment une paroi pour cette cham-
bre. Selon encore un autre mode de réalisation, les 'tubes en U sont disposés dans la plaque tubulaire de telle façon que les extrémités de tube reliées à la première chambre soient disposées en rangées dans lesquelles chaque troisième rangée contient uniquement des tubes reliés à la seconde chambre qui est reliée à la sortie de gaz de synthèse. Les tubes du jeu de tubes en U dont les deux extrémités sont montées dans la zone de la plaque tubulaire et constituant une paroi de la première chambre sont disposées de meanière que chaque autre tube de chaque rangée soit relié à l'autre jeu de tubes en U.
D'autres buts, avantages et caractéristiques apparai-
tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation
de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente en coupe axiale un échangeur de chaleur selon l'invention, et - la figure 2 illustre à titre d'exemple la distribution des extrémités des tubes en U dans la
plaque tubulaire, selon le mode de réalisa-
tion de l'échangeur. à la figure 1.
L'échangeur de chaleur représenté en coupe axiale à la figure 1 comporte une chambre ou réservoir de pression pour le gaz de synthèse chaud qui contient une certaine quantité d'ammoniac (4 à 25%). Le réservoir de pression est séparé en deux chambres par des parois, à savoir une première chambre 3 reliée à l'entrée de gaz 1 et une seconde chambre 4 qui est reliée à la sortie de gaz 2. L'échangeur de chaleur comporte en outre une chambre de pression 16 pour l'eau et/ou la vapeur, cette chambre de pression présentant. une entrée 5 pour l'eau
(eau d'alimentation) et une sortie 6 pour la vapeur produite.
Les deux chambres de pression ont une paroi commune, constituée par la plaque tubulaire 7 résistante à la pression et dans laquelle sont montés par leurs extrémités un certain nombre de
tube en U 8, 9. Les tubes 9 débouchent par leurs deux extrémi-
tés dans la première chambre, tandis que les tubes 8- débou-
chent par l'une de leurs extrémités dans la première chambre
et par l'autre extrémité dans la seconde chambre 4. Une extré-
mité des tubes 9 est reliée de façon ouverte à la chambre 3, tandis que l'autre extrémité 11 est reliée à l'aide d'un court
tube de liaison sensiblement en forme de U 12 à une extré-
mité 13 des tubes 8. L'autre extrémité 14 des tubes 8 s'ouvre dans la seconde chambre 4. Le gaz de synthèse qui entre dans la première chambre 3 par l'entrée i, traverse les tubes 9 et passe partiellement refroidi dans les tubes de liaison- en forme de U 12 à l'intérieur des tubes 8 et de la seconde chambre 4 vers la sortie 2. L'eau (eau d'alimentation) entre par l'entrée 5 et circule autour des tubes et la vapeur quitte
la chambre de pression 16 par la sortie 6.
Les tubes en U 8, 9 sont disposés à travers la plaque tubulaire de telle façon que les extrémités les plus chaudes 10 des tubes 9 soient disposées entre les extrémités les. plus froides 11 des tubes 9 et les extrémités d'entrée 12 des tubes 8. La plaque tubulaire 7 est ainsi refroidie au niveau o sa température ne dépasse pas la limite critique pour
laquelle la nitruration augmente fortement, -même si la tempéra-
ture d'entrée du gaz de synthèse chaud dépasse cette limite.
Les parois séparant la chambre de pression pour le gaz de synthèse en deux chambres sont réalisées de telle façon
qu'en enlevant un-couvercle unique 15 il soit possible d'ins-
pecter la plaque tubulaire et si nécessaire de réparer ou de boucher les tubes qui fuient. La plaque tubulaire 7. est de préférence munie d'un revêtement en matériau austénitique qui lui permet de résister au gaz de synthèse chaud contenant de l'ammoniac sans être affaiblie par nitruration. Les entrées 10 de gaz chaud sont munies de manière classique de viroles en acier fortement allié afin de réduire les effets de la chaleur
sur la plaque tubulaire 7.
La figure 2 montre schématiquement la disposition des tubes 8, 9 à travers la plaque tubulaire 7 pour un échangeur dé chaleur comportant deux fois 20 tubes en U. En pratique, si on utilise une plus grande quantité de tubes, la disposition de principe qui est représentée est utilisable également pour
un plus grand nombre de tubes. Chaque paire de tubes corres-
pohdant à un tube 8 et à un tube 9 a été affectée d'un numéro à l'ordre de 1 à 20. L'entrée correspondant à l'entrée 10 est
munie, en référence, d'un suffixe tandis que la sortie corres-
pondant à la sortie 11 est affectée d'un grand A. L'entrée correspondant à l'entrée 13 est affectée du suffixe B, tandis que la sortie pour le gaz complètement refroidi est affectée du suffixe C. Les tubes de liaison 12 relient ainsi la sortie marquée A à l'entrée marquée B pour chacune des paires de tubes 1 à 20. On peut voir que les extrémités d'entrée chaudes du premier jeu de tubes en U 9 sont régulièrement distribuées entre les extrémités de sortie les plus froides du premier jeu de tubes en U et les entrées du second jeu de tubes en U 8. La
plaque tubulaire 7 est ainsi refroidie à un niveau de tempéra-
ture évitant la nitruration, même si elle est fabriquée en acier au carbone faiblement allié en tenant compte du contact avec l'eau sur son autre face. Une caractéristique spéciale de l'agencement de tubes est constituée par le fait que chaque troisième rangée de tubes constitue des extrémitées d'entrée du second jeu de tube 8. Ceci contribue à l'obtention d'une distribution régulière de la température sur la plaque tubulaire et au raccourcissement des tubes de liaison, afin de réduire l'encombrement dans la chambre de pression pour le gaz de
synthèse.
L'invention est encore illustrée par un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur sous la forme d'une chaudière de récupération de chaleur perdue récupérant la chaleur latente du gaz de sortie d'un convertisseur d'ammoniac
pour produire de la vapeur à haute pression.
L'installation de production d'ammoniac comporte les caractéristiques principales suivantes: - capacité de production en tonnes/jour.... 1500
- quantité de gaz sortant du convertis-
seur Nm3/h............................. 400000 - composition du gaz de synthèse en mole %: H2.4
H 45
10. N15
NH3 23
autres 17
- température du gaz de synthèse à l'en-
trée, C................... 450 - pression en bars absolues.............. 290
On utilise, pour le refroidissement de ce gaz, un échan-
geur de chaleur constituant -une chaudière présentant les dimensions principales suivantes:
- diamètre de l'enveloppe eau-
vapeur, mm........................... 1850/1750 - diamètre de l'enveloppe de gaz, mm..... 2100/1750 - épaisseur de la plaque tubulaire....... 350 nombre de tubes en U de la première passe.................................
200 - nombre de tubes en U de la seconde passe 200 - diamètre des tubes en U de-la première passe, mm.............................. 38,1/28, 96 diamètre des tubes en U de la seconde passe, mm........................DTD: ...... 38,1/28:96 - longueur des tubes en U de la première passe, m.......DTD: ......................... 12,5 longueur des tubes en U de la seconde passe, m............................... 12,5 -pas, mm.......................DTD: ....... 48 - surface des tubes en m2.......... 585 En service normal la production de vapeur est de: - masse, Kg/h............. 63500 température C......................... 250 - pression, bars absolus........DTD: .......... 40..DTD: Le gaz est refroidi à environ 260 C.
Avec un agencement approprié des tubes (voir la figure 2), la température de chaque plaque tubulaire peut être maintenue en dessous de 380 C.. L'échangeur de chaleur est fabriqué en acier allié
à 2,25% de chrome et 1% de molybdène.
La plaque tubulaire est revêtue d'Inconel 600 (austéni-
tique) sur sa surface qui fait face à l'intérieur de la cham-
bre de pression pour le gaz. de synthèse et toutes les parois de séparation dans la chambre de pression pour le gaz de
synthèse sont réalisées en matériau austénitique.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de
l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.
Claims (6)
1.- Echangeur de chaleur destiné à produire de la vapeur, notamment dans une installation de production d'un gaz de synthèse contenant de l'ammoniac, cet échangeur comprenant une chambre de pression pour le gaz de synthèse chaud, munie d'une entrée et d'une sortie et une chambre de pression pour la vapeur comprenant une entrée d'eau et/ou de vapeur et une sortie de vapeur, les chambres de pression étant séparées par une plaque tubulaire à travers laquelle les deux extrémités d'un certain nombre de tubes en U passent vers la chambre de pression et/ou de vapeur, la chambre de pression pour le gaz de synthèse comportant des parois séparant cette chambre en deux chambres séparées, dont la première constitue une liaison entre l'entrée pour le gaz de synthèse et une partie des extrémités de tube et dont la seconde forme une liaison entre une autre partie des extrémités de tube et la sortie du gaz de synthèse, caractérisé en ce que les tubes sont divisés en deux groupes présentant le même nombre de tubes, les extrémités de tube (11) du premier jeu (tube 9) étant en liaison avec la première chambre (3) dans la chambre de pression du gaz de synthèse et l'une des extrémités.de tube (14) du second jeu (tubes 8) étant en liaison avec la seconde chambre et en ce que l'autre extrémité (11) du premier jeu (tubes 9) est relié aux autres extrémités (13) du second jeu de tube (tubes 8) à
l'aide d'un tube de liaison (12).
2.- Echangeur de-chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de liaison (12) reliant une extrémité (11) des tubes du premier jeu (tubes 9) des tubes en U (8, 9) à une extrémité (13) des tubes du second jeu (tubes 8) des tubes en Ut est un tube en forme de U pour chaque
paire de tubes.
3.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendica-
tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube de liaison (12)
est commun à un certain nombre de tubes de chaque jeu.
4.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendica-
tions 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les tube(s) de liai-
son (12) est (sont) placé(s) dans la première chambre reliée à l'entrée (1) de gaz de synthèse, de telle façon qu'une partie des extrémités de tubes et de la plaque tubulaire (7) forment
une paroi pour cette chambre (3).
5.- Echangeur de chaleur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes en U sont disposés dans la plaque tubulaire (7) de telle façon que les extrémités de tubes en liaison avec la première chambre (3) soient disposées en rangées dans lesquelles chaque troisième rangée contient
uniquement des tubes reliés à la seconde chambre (4) qui est -
reliée à la sortie (2) de gaz de synthèse.
6.- Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes du jeu de tubes en U (tubes 9) dont les deux extrémités sont montées dans la plaque tubulaire (7) pour constituer une paroi de la première chambre (3), sont disposés de manière que chacun des autres tubes de chaque rangée soit relié à l'autre jeu (tubes 8) de tubes en U.
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