CA1154432A - Procede et installation de rechauffement d'un fluide froid - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le réchauffage d'un fluide froid par échange thermique avec un liquide chaud, généralement de l'eau. Le fluide froid circule d'abord dans un tube descendant puis dans un tube ascendant, tandis que l'eau ruisselle le long des tubes depuis une réserve d'alimentation supérieure jusqu'à un collecteur de fond. Application notamment au réchauffement et à la revaporisation de gaz naturel liquéfié.

Description

~4~3~

La présente invention concerne un procédé et une ins-tallation de réchauffement d'un fluide cryogénique par échange thermique avec un fluide calorigène dont la température de so-lidification est sup~rieure à la température du fluide cryo~
génique avant son réchauffement final.
Elle s'applique particulièrement au réchauffement du gaz naturel liquéfié avec de l'eau disponible en grande quan-tité (rivière, mer...).
Le but de la présente invention est de faire en sorte qu'on puisse utiliser de l'eau ou autre fluide à te~pérature re-lativement froide tout en évitant tout risque de solidification du fluide calorigène).
On a déjà proposé diverses solutions dont aucune ne permet d'aboutir à ce r~sultat.
Le brevet fran,cais No. 70 26.212 décrit un procédé de réchauffement de gaz naturel par échange à contrecourant dans une pluralité de tu~es verticaux montés en parallèle, le gaz naturel circulant toujours en sens ascendant à l'intérieur des tubes et l'eau calorigène ruisselant naturellement par gravité à l'exté-rieur de ces tubes qui sont munis d'ailettes longitudinales.Afin d'optimiser l'échange thermique, c'est-à-dire de rendre maximum le flux thermique tout en ~vitant une prise en glace de l'eau à la périphérie externe des tubes, on prévoit une sec-tion interne de tube pour le passage du gaz naturel qui est de plus en plus réduite, ce qui conduit à des augmentations suc-cessives de la vitesse du gaz naturel circulant dans les tubes~
Ces diminutions successives de section de passage ont notam-ment été réalisées par la mise en place d'un garnissage interne constitué par un tube borgne à section variable, ce qui cons-titue une technologie assez complexe.

Le brevet japonais NOD 54 7403 décrit le réchauffement de gaz naturel par échange d'abord à co-courant avec le gaz na-turel circulant de bas en haut dans un faisceau tubulaire et l'eau circulant de bas en haut dans une calandre selon un écou-lement forcé, puis un échange à contre-courant avec le gaz cir-culant de haut en bas dans un autre faisceau tubulaire et l'eau circulant de bas en haut dans la calandre correspondante. Cet-te façon de faire est assez complexe et conduit à des détério~
rations importantes, notamment des calandres en cas de prise en glace accidentelle de l'eau de réchauffement.
Le ~revet japonais No. 52 144.006 décrit un réchau~fe-ment comprenant une première section à échange à contre-courant avec le gaz naturel circulant de bas en haut dans une première pluralité de tu~es et l'eau ruisselant naturellement à l'exté-rieur, puis une deuxième section à échange à contre-courant ~galement, le gaz naturel circulant de bas en haut dans une deuxième pluralité de tubes et l'eau ruisselant nat~lrellement à l'ext~rieur, avec cette particularité que la deuxième plura-lité de tubes offre une section de passaye au gaz naturel plus faible que la première pluralité. Cet agencement ne permet pas non plus de remplir l'objectif de la présente invention.
La caractéristique essentielle de l'invention est,-dans un procédé de réchauffement où le fluide cryogénique est conduit dans une pluralité d'éléments de tubes verticaux à
ailettes, branchés en série, d'abord à co-courant du fluide calorigène s'écoulant à la périphérie des dits éléments de tube, puis à contre-courant dudit fluide calorigène, de prévoir que le fluide calorigène ruisselle par gravité le long des dits éléments de tube et que chaque ~lément de tube le plus en amont est alimenté en fluide cryogénique a son extrémité supérieure~

Les avantages de l'invention s'expliquent de la façon suivante:

D'une part, l'existerlce d'un premier échange à co-courant est décisive en raison de la limitation du flux ther-mique pour éviter la prise en glace externe. En effet, si la température de l'eau à l'entrée, c'est-à-dlre à l'extrémité su-périeure de l'élément de tete par exemple est de -~ 4C et ~e -~2C à la sortie, c'est-à-dire à l'extrémité inférieure de ce meme ~lément de tube, le débit de gaz naturel liquéfié à une température de -160C pouvant entrer dans un tube fonctionnant à co-courant est plus de deux fois supérieur à celui qui peut entrer dans ce même tube fonctionnant à contre-courant.
L'existence d'au moins un deuxième échange thermique à contre-courant est également décisive en raison du faible écart de température entre le gaz naturel sortant du second élément et l'eau refroidissant ce second élément. En effet, si la température de l'eau à l'extrémité sup~rieure, c'est-à-dire, à la sortie supérieure de ce second elément est de -~- 4C et de + 2C à l'entrée inférieure, la longueur de ce second élément fonctionnant à contre-courant est de 30% infé-rieure à celle qui serait nécessaire pour un fonctionnement similaire à co-courant.
D'autre part, comme la température critique du gaz na-turel est généralement voisine de - 60C, sa masse volumique au voisinage de cette température varie rapidement avec la température, meme sous une pression supérieure à la pression critique (6 kg/m3/C sous 75 bars). Or, la vitesse d'écoule-ment du gaz naturel dans le second élément de tube est encore nécessairement faible à cette température pour éviter la prise en glace externe. Dans ces conditions, un écoulement "des-cendant'du gaz naturel conduirait a des perturbations d'écou-lement dues à l'influence intempestive de la gravité etgénératrice d'irréversibilités thermodynamiques. Par contre et selon l'invention, un écoulement ascendant dans le second 3r~

élément conduit à une stratification naturelle selon la masse volumique et la température du gaz naturel qui ne crée donc aucune perturbation d'écoulement. Etant donné que la tempé-rature intermédiaire entre le premier et le deuxième éléments de tube est voisine de la température critique, il est donc pré-f~rable de prévoir une circulation ascendante du gaz naturel dans le deuxième élément de tube afin d'assurer un réchauffage final du gaz naturel sans irréversibilités intempestives,'qui devraient être alors compensées par une augmentation notoire de la surface d'échange.
La présente invention a également pour objet une ins-tallation de réchauffement d'un fluide froid par échange ther-mique avec un liquide chaud, du genre comprenant des passages d'échange thermique à extension substantiellement verticale , avec des moyens de distribution d'un liquide de ruissellement à
; l'extrémité haute des passages et cette installation se carac-t~rise en ce que lesdits passages comprennent au moins un module avec au moins un premier élément de tube ou élément de tête, relié à son extrémite inf~rieure à l'extr~mit~ inf~rieure d'au moins un second élément de tube, et des moyens d'alimentation en fluide à réchauffer à l'extrémite supérieure de chaque é7é-ment de tube de tête~
Plus précisément, l'invention concerne une installation de réchauffement d'un fluide cryogénique par échange thermique avec un liquide chaud, du genre comprenant des éléments de tube d'échange thermique à extension substantiellement verti-cale, avec des moyens de distribution d'un liquide de ruissel-lement à l'extrémité haute des éléments de tube. Ces éléments de tube comprennent au moins un module avec au moins un pre-mier élément, élément amont ou de tête, relié par raccord àson extrémité inférieure à l'extrémité inférieure d'au moins un second élément de tube, ou élément de tube aval, et des moyens d'alimentation en fluide cryogénique à l'extrémité su-p~rieure de chaque ~lément de passage amont.
Les caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue partielle en coupe verticale d'une installation de réchauffement de liquide cryogénique se-lon l'invention, - la figure 2 est un détail, à échelle agrandie, d'une partie de la figure 1, - la figure 3 est une vue, à échelle agrandie, en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, - les figures 4 - 5 - 6 7 - 8 et 9 sont des variantes de réalisation d'une installation selon l'invention.
En se référant aux figures 1 à 3, on voit qu'une ins-tallation comprend une pluralité de tubes de réchauffement 1 formant passages d'échange thermique, réalisés en aluminium, chacun constitué d'un élément de tube "amont" ou de tête 2 et d'un élément de tube "aval" 3, raccordés par un coude in~é-rieur 4. L'élément de tube de tete 2 est branché à une canali-sation 5 à une source de fluide cryogénique a réchauffer par l'intermédiaire d'une boîte de raccordement 10, tandis que l'élément de tube "aval" 3 est branché directement à une con-duite 6 de soutirage de fluide réchauffé : ].es éléments de tube 2 et 3 sont suspendus de façon à s'étendre de facon subs-tantiellement verticale, et tout autour et le long de ces éléments de tube, qui présentent des ailettes extérieures 7 (fi~ure 3), ruissellent des courants de li.quide de réchauffe-ment sous forme de nappes 8 et 9 qui sont préalablement for-mees par des dispositifs de répartition supérieure 11.
La boîte de raccordement 10 comprend ici (voir figure ~ 4~2

2) soudés en prolongement de l'élément de tête 2, un tube-enveloppe 12 ayant une épaisseur de paroi constante dans une section basse 12' et cro.issante radialement dans une partie médiane 12`', avec un diamètre intérieur constant, à l'extré-mit~ supérieure, ce tube-enveloppe 12 se prolonge en 13 jusqu'à
un embout de raccordement 14 de la canalisation 5 pour le fluide cryogénique. Toutes ces pièces sont réalisées en aluminium pour être convenablement soudées entre-elles et avec l'élément de tube d'échange thermique 1. L'embout 14 pr~-sente un alésage interne de faible diamètre 16 dans lequel estsoudé un élément de conduit 17 aboutissant largement à l'inté-rieur de l'élément tubulaire de tête 2. Entre l'élément de conduit 17 d'une part et d'autre part le tube-enveloppe 13 - 12 et la partie supérieure ae l'élément de tube 2 est plac~ un produit d'lsolation thermique 18. L'ensemble qui vient d'être décrit est logé à l'intérieur d'un puits de répartition 20 pré-sentant une couronne de perforations 21. Ce puits 20 est fixé
sur le dispositif de répartition 11 enveloppant à faible dis-tance l'élément de tube 2 avec ses ailettes 7 et les perfora-tions 21 se situent au niveau supérieur de la partie 12" àépaisseur surdimensionnée. En pratique, et comme on le note aux dessins, le liquide calorique de ruissellement, qui est destiné à s'écouler en nappes telles que 8 et 9 le long des éléments de tube "amont" 2 et "aval" 3, provient d'une réserve générale de liquide 25 qui elle-même est alimentée par une source 25'.
En fonctionnement, le liquide calorique de ruisselle-ment est transféré dans une partie inférieure du puits c~e ré-partition 20 sous forme d'une pluralité de veines ou jets li-quides 26 provenant de la réserve 25 et ~ormées à partir desperforations 21. Grace à la disposition qui vient d'etre dé-crite, le fluide cryogénique qui circule à l'intérieur de la canalisatlon 5 et du tube 17 pour aboutir à l'él~ment de tube de tête 2 est radialement isolé de l'extr~rieur par le corps isolant 18. En outre, le flux frigorifique longitudinal im-portant, qui prend essentiellement naissance, coté "amont" au niveau de l'embout 14 et qui se propage vers l'aval le long du tube-enveloppe 13 - 12 vers l'élément de tube 2, est substan-tiellement dérive radialement vers l'extérieur à l'endroit du tube-enveloppe 12 à épaisseur de paroi progre~sivement crois-sante vers l'amont. En effet, dans la partie médiane de forte épaisseur 12" du tube-enveloppe 12, le flux frigorifique lon-gitudinal se transfere au maximum vers l'eau qui se pr~sente sous forme de jets 26 en écoulement gravifique libre et rapide.
Cet effet maximum de transfert thermique radialement vers l'extérieur résulte d'une part de la disposition, au niveau des jets 26, d'une surépaisseur importante de paroi de la partie 12" du tu~e-enveloppe 12, qui offre une conductance thermique accrue dans le sens radial, d'autre part d'un ~coulement rapide de l'eau en chute libre, ce qui a pour effet de porter à sa valeur maximale le coe~icient d'échange thermique. Cette dis-position permet donc une dérivation vers les jets liquides26 d'une part substantielle du ~lux ~rigori~ique à propa~a-tion longitudinale, ce qui allège d'autant le flux rigorifique résiduel poursuivant sa propagation longitudinale dans la par-tie à paroi plus faible 12' et surtout vers la partie haute 2' de l'élément de tête 2 qui baigne dans une réserve indivi-duelle d'eau de répartition 29 de nature substantiellement stagnante, donc à faible coefficient d'échange thermique avec la paroi de l'élément de tube 2. Sans la disposition décrite plus haut, on assisterait à l'arrivée d'un flux frigorifique important à propagation longitudinale de paroi au niveau de la partie 2' de l'~lément de tube 2, enveloppé d'une réserve ~t~4~

d'eau stagnante 29, ce qui ne manquerait pas de provoquer des solidifications superficielles préjudiciables de l'eau au ni-veau de la partie 2' puisque ces solidifications, en se pro-pageant radiale~ent, pourraient atteindre toute la réserve d'eau 29 et rendre ainsi inopérant l'échange thermique du tube 2 - 3.
Au contraire, grâce à la disposition décrite, on peut controler de façon très précise le flux thermique qui parvient au niveau de la partie 2' de l'élément de tête 2, puisque ce flux ther-mique est la somme d'un flux thermique résiduel à propagation longitudinale et d'un flux thermique à propagation radiale qui est lui-meme faible grâce à l'interposition du produit isolant 1~. D'ailleurs, dans certains cas, on peut au contraire ac-croître légèrement le coefficient d'échange thermique entre la partie 2' de l'élement de tube 2 avec la réserve d'eau 29 en conférant à celle-ci un certain mouv~ment de convection grace à la présence de perforations de dégagement 21' pratiquées en position basse dans la cheminée distributrice 20, favorisant ainsi une certaine admission complémentaire d'eau en provenance directe de la r~serve principale 25.
Ainsi qu'il a été expliqué précédemment, l'eau de ruis-sellement se forme en une nappe de ruissellement sur la paroi externe ailetée de l'élément de tube amont 2 et se refroidit progressivement jusqu'à l'extrémité inférieure de cet élément de tube "amont" 2, où l'eau de ruissellement est ensuite éva-cuée en 30 avec d'ailleurs celle qui provient du ruissellement à contre-courant sur l'élément de tube "aval" 3. On note qu'au niveau de cet élément de tube "aval" 3, les risques de de congélation du liquide de ruissellement sont nettement amoindris, le fluide en cours de réchauffement circulant dans le tube 1 a vu sa température augmenter jusqu'à être voisine de celle du liquide de ruissellement, en sorte que l'évacuation du fluide réchauffé hors de l'élément de tube "aval" 3 peut ~ 3~

s'effectuer, sans mise en oeuvre d'un boi`tier de raccordement tel que décrit en référence à la figure 2, par une simple ca-; nalisation de soutirage 6, avec toutefois, bien entendu, le dispositif de répartition ll permettant la formation d'une ; nappe de ruissellement uniforme 9, tel que représent~ à la figure 3.
Au lieu d'utiliser un tube de réchauffement dontl'extrémité d'admission "amont" reçoit le fluide brut à ré-chauffer et dont l'extrémité aval délivre le fluide à la tem-pé~ature désirée de réchauffement (ou plus précisément unepluralité de tels tubes agenc~s en parallèle et branchés di-rectement sur des collecteurs d'admission 30 et de soutirage 31), il est possible d'agencer les éléments de tube "amont" et les éléments de tube "aval" en un certain nombre de combi-naisons.
En se référant à la figure 4, on voit qu'une pluralité
d'éléments de tube "amont" 42a, 42b,.~...42_ sont tous branchés entre un collecteur supérieur de distribution 50 et un collec-teur de raccordement inférieur 51 alimentant une autre plura-lité 43a, 43b,... 43_ d'él~ments de tube "aval" formant ainsi un premier module multi-tubulaire dont l'extr~mité supérieure est raccordiée par un collecteur 52 à un second module multi-tubulaire constitué d'une autre pluralité d'él~ments de tube "amont" 44_, 44b,.~..44q, le module final ayant une pluralité
d'él~ments de tube "amont" 45a, 45b,....45r et une pluralité
d'éléments de tube "aval" 46a, 46b,...,46s, d~livrant le li-quide réchauffé dans un collecteur final 52".
Selon la figure 5, des modules monotubulaires tels que décrits en référence à la figure l, constitu~ chacun d'un élé-ment de tube am~nt (54a, 54b, etc...) sont alimentés à leurextrémité supérieure par un collecteur d'alimentation commun ~ 3~

55, et son-t raccordés par des raccords individuels 58a, 58b,0...à un élément de tube aval (56a, 56b, etc~...), eux-mêmes raccordés à leur extrémité supérieure à un collecteur de soutirage commun 57.
Selon la figure 6, plusieurs lignes 61 et 62, telles que celles décrites à la figure 4, c'est-à-dire incorporant chacune plusieurs modules multi-tubulaires en série 63, 64 ...
6~3', 64' ...sont branchés en parallèle entre un collecteur principal d'admission 68 et un collecteur principal de souti-rage 69.
Selon la figure 7, plusieurs lignes 70, 71, constituéeschacune de plusieurs modules multi-tubulaires 72, 73, ..~, 72', 73'...sont non seulement branchées entre un collecteur princi-pal d'alimentation 74 et un collecteur principal de soutirage 75, mais des collecteurs intermédiaires d'~galisation 77 re-lient les modules homologues de plusieurs lignes en parallèle.
Selon la figure 8, un faisceau d'éléments de tube est formé d'un premier jeu de lignes 81a, 81b, 81c (par exemple au nombre de trois) constitués d'un module multi-tubulaire (ou plusieurs modules multi-tubulaires en série) entre un collec-teur d'alimentation 83 et un collecteur intermédiaire 84 qui alimente un second jeu de lignes 82a et 82b (par exemple deux) entre ce collecteur intermédiaire 8~ et le collecteur ~inal de soutirage 85.
Selon la fi~ure 9, un premier jeu d'une pluralité de lignes 91a, 91b, 91c (par exemple trois~ alimentées par un collecteur d'alimentation 93 et soutirées par un collecteur de soutirage 95a est raccordé par l'intermédiaire d'une con-duite 96 à vanne de détente 97 à un second jeu d'une autre pluralité de lignes 92a, 92b branchées entre un collecteur d'alimentation 95b et un collecteur de soutirage 94.

~15~ 2 Cet arrangement peut être utilisé par exemple si le réseau est à 40 bars et le gaz disponible sous pression plus élevée, par exemple 80 bars, et l'on note que cette détente différée qui provoque un degagement frigorifique n'est pas préjudiciable aux conduites, puisque le gaz naturel est alors à l'~tat déjà
partiellement réchauffé. Le cas échéant, on peut placer à la sortie de la vanne de d~tente 97, un séparateur permettant de soutirer et d'éliminer les condensats les plus lourds, tels l'éthane, le propane ou le butane, tandis que la fraction ga-zeuse est seule réchau-ff~e.
L'invention s'applique notamment au réchauffement et à
la revaporisation de gaz naturel liquéfié.

Claims (13)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont dé-finies comme il suit:

1. Procédé de réchauffement d'un fluide cryogénique par échange thermique avec un fluide calorigène, dont la tempé-rature de solidification est supérieure à la température dudit fluide cryogénique avant son refroidissement final, selon le-quel ledit fluide cryogénique est conduit dans une pluralité
d'éléments de tubes verticaux à ailettes branchés en série, d'abord à co-courant (2) dudit fluide calorigène, s'écoulant à la périphérie des dits éléments de tube (8) puis (en 3) à
contre-courant dudit fluide calorigène (en 9), caractérisé en ce que le fluide calorigène (8) (9) ruisselle par gravité le long des dits éléments de tube (2) (3) et en ce que chaque élément de tube le plus en amont (2) est alimenté (en 10, 11) en fluide cryogénique à son extrémité supérieure.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est le gaz naturel liquéfié et le fluide calorigène est de l'eau.

3. Procédé de réchauffement d'un fluide froid selon la revendication 1, du genre où l'on répartit le fluide calorigène autour d'un élément de tube (2) (3) d'échange thermique à partir d'une réserve de fluide calorigène (29) individuellement af-fectée à chaque élément (2) (3) autour de la partie basse d'un tube-enveloppe (12) prolongeant vers le haut ledit élément (23 (3) et à l'intérieur duquel s'étend avec interposition d'un isolant (18) un élément de conduit d'alimentation en fluide à réchauffer (17), ledit élément de conduit (17) et ledit tube-enveloppe (12) étant raccordés à un embout de canalisation (14), ladite réserve individuelle de liquide (29) étant elle-même alimentée par du liquide issu d'une réserve liquide générale (25) et ruisselant (en 26) le long d'une partie dudit tube-enveloppe situé au-dessus de ladite réserve individuelle (29), caractérisé en ce qu'on surdimentionne l'épaisseur de ladite partie (12") dudit tube-enveloppe.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le surdimentionnement d'épaisseur étant d'autant plus mar-qué qu'on s'élève au-dessus de ladite réserve liquide indivi-duelle (29).

5. Installation de réchauffement d'un fluide cryogénique par échange thermique avec un liquide chaud, du genre compre-nant des éléments de tube (2) (3) d'échange thermique à exten-sion substantiellement verticale, avec des moyens de distri-bution d'un liquide de ruissellement (11) à l'extrémité haute des éléments (2) (3), caractérisée en ce que les dits éléments de tube comprennent au moins un module avec au moins un pre-mier élément (2), élément amont ou de tête, relié par raccord (4) à son extrémité inférieure à l'extrémité inférieure d'au moins un second élément de tube (3), ou élément de tube aval, et des moyens d'alimentation (10) (5) en fluide cryogénique à
l'extrémité supérieure de chaque élément de passage amont.

6. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un module comprend une première pluralité d'éléments de tubes (42a, 42b ... 42n) dits "amont" raccordés par leurs extrémités inférieures par un collecteur "bas" (51) aux extré-mités inférieures d'une seconde pluralité d'éléments de tubes dits "aval" (43a, 43b ... 43n).

7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que plusieurs modules sont raccordés en série par des collecteurs hauts (52) (52") pour former une ligne.

8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que plusieurs modules sont raccordés en série par des collecteurs hauts (52) (52") pour former une ligne.

9. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que plusieurs modules (54a, 56a, 56b) sont branchés en parallèle entre un collecteur "amont" d'alimentation (55) et un collecteur "aval" de soutirage (57).

10. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que plusieurs lignes (61, 62) sont agencées et branchées à une extrémité des dites lignes à un collecteur d'admission (68) et à l'autre extrémité des dites lignes à un collecteur de soutirage (69).

11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'une ligne (70 - 71) est formée de plusieurs modules, certains modules homologues (72, 72') (73, 73') de plusieurs lignes en parallèle étant raccordés à des collecteurs inter-médiaires (77).

12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que plusieurs lignes sont agencées, certaines (81a, 81b, 81c) en parallèle, certaines en série (81a ... 82a) avec des collecteurs intermédiaires (84).

13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que les collecteurs intermédiaires incorporent des moyens de détente (97), le cas échéant suivis d'un séparateur des condensats.