FR3037389A1 - Echangeur de chaleur tubulaire comprenant un organe de controle de l'encrassement, son procede de mise en oeuvre et son procede de montage - Google Patents

Abstract

Echangeur thermique comprenant - une enceinte (3, 4, 16), - une pluralité de tubes (2) disposés dans l'enceinte, chaque tube comprenant une paroi périphérique, - des moyens d'entrée d'un premier fluide dans les tubes - des moyens de sortie du premier fluide hors des tubes - des moyens d'entrée d'un second fluide dans l'enceinte, vers la périphérie extérieure des tubes - des moyens de sortie du second fluide hors de l'enceinte ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'au moins un tube (2) est équipé d'au moins un organe (5) de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant - un corps (51) disposé sur la face externe (2') de cette paroi, - une résistance électrique (52) s'étendant dans le corps (51) - des moyens de mesure (53), permettant de mesurer la température de la résistance électrique (52).

Description

1 Echangeur de chaleur tubulaire comprenant un organe de contrôle de l'encrassement, son procédé de mise en oeuvre et son procédé de montage Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur industriels. Elle concerne plus spécifiquement la surveillance de l'encrassement (appelé aussi encrassage) à l'intérieur de ces échangeurs. L'invention concerne également les sondes permettant d'exercer cette surveillance, et les procédés de détection de l'encrassement à l'aide de sondes appropriées. Plus particulièrement l'invention concerne la surveillance de l'encrassement d'un échangeur de chaleur tubulaire de type échangeur de chaleur à calandre et tubes comprenant des tubes en graphite et ou à base de graphite. L'invention vise plus spécifiquement un tel échangeur, dans lequel le fluide circulant à l'extérieur des tubes précités subit un changement de phase, à savoir qu'il est admis à l'état vapeur et est évacué à l'état majoritairement liquide. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés notamment dans des installations pour concentrer l'acide phosphorique. Etat de la technique L'encrassement (en anglais « fouling ») de tuyauteries dans lesquels circule un fluide est un phénomène bien connu. Il est lié au dépôt indésirable de matière à partir dudit fluide ; cette matière se dépose sur les parois internes des tuyaux. Ce dépôt montre souvent une structure en couches successives. Il modifie les conditions d'échange thermique entre le fluide et le tube. Il finit par rétrécir le diamètre interne du tube ; ainsi il modifie des conditions d'écoulement hydrodynamique du tube et possiblement de tout le système de tuyauterie dont le tube fait partie : pour garantir un débit constant la vitesse d'écoulement doit être augmentée, ce qui peut conduire à certains endroits du système de tuyauterie à des phénomènes de turbulence, voire de cavitation. Alternativement, à vitesse d'écoulement constante, l'efficacité du tube en tant que moyen d'acheminement et/ou échangeur thermique diminue. De même, la dégradation de l'échange thermique due au dépôt indésirable de matière nécessite une modification du régime de fonctionnement du système de tuyauterie. Ainsi, le système de tuyauterie peut être forcé à fonctionner dans des conditions pour lesquelles il n'a pas été dimensionné, ou il doit opérer dans des conditions de fonctionnement qui ne remplissent plus la fonction pour laquelle il a été dimensionné.

3037389 2 Par ailleurs, la couche déposée, due à la modification des conditions d'écoulement dans le tube, peut spontanément relarguer des particules de matière déposée qui est entraînée par le fluide, et qui peut poser des problèmes dans le système de fluide : elle est susceptible d'obstruer des filtres, des orifices, des buses, ou de contaminer le fluide. Ce 5 relargage peut être lié à l'érosion de la couche, à l'écaillage, aux contraintes internes dans la couche déposée et à l'interface entre cette couche et le tube, ou encore à une rupture spontanée liée à un effet externe (coup, vibration, dilatation thermique). La couche déposée peut évoluer dans le temps, non seulement en épaisseur mais encore par transformation de sa structure chimique, par exemple sous l'effet de la température du 10 fluide transporté. D'une manière générale, l'encrassage des tubes d'un échangeur industriel représente un facteur de coût : l'efficacité du tube, en termes de débit et d'échange thermique, diminue ; les intervalles de maintenance de l'échangeur doivent tenir compte de l'encrassement ; et enfin un encrassement non détecté peut causer un dommage irréversible pour 15 l'équipement. Dans certains types d'installations industrielles, comme par exemple certains échangeurs de chaleur (par exemple pour la concentration d'acide phosphorique), l'encrassement des tubes nécessite l'arrêt complet de l'échangeur pour maintenance ou réparation. A titre d'exemple, l'encrassement des échangeurs thermiques utilisés dans les unités de 20 concentration d'acide phosphorique est un phénomène bien connu. Ces échangeurs de chaleur sont en général du type « échangeur de chaleur à calandre et tubes » (« shell and tube » en anglais) et comprennent plusieurs centaines (voire plus d'un millier) de tubes droits et parallèles en graphite et ou à base de graphite à l'intérieur desquels circule l'acide phosphorique ; entre lesdits tubes circule un fluide caloporteur, confiné dans le 25 volume intérieur formé par la calandre précitée. Dans ces tubes il se forme au cours du temps un dépôt qui se transforme progressivement en gypse, un composé insoluble et très difficile à enlever. Un procédé typique de maintenance pour enlever ce dépôt implique l'arrêt de l'installation et le rinçage des tubes avec une solution chaude d'acide sulfurique à 5% : ce procédé fonctionne bien pour des couches assez minces, mais 30 devient plus difficile pour des couches épaisses. En effet, les couches de gypse tendent à gonfler sous l'effet de l'acide sulfurique, et cela peut engendrer des tensions internes importants dans les tuyauteries, avec un risque de fissuration voire de rupture ; ce risque est particulièrement fort dans le cas où le matériau utilisé pour le tube est non-métallique (céramique ou graphite notamment).

3037389 3 Chaque arrêt de l'échangeur engendre une perte de production. Selon une tendance générale en matière de maintenance préventive, on souhaiterait pouvoir effectuer les opérations de maintenance lorsqu'elles sont nécessaires au lieu de les effectuer à des intervalles réguliers, car la maintenance à des intervalles réguliers peut conduire à une 5 opération de maintenance qui est trop tardive, mais aussi à une opération de maintenance trop précoce. Pour pouvoir faire de la maintenance prédictive il faudrait pouvoir détecter l'état d'encrassement d'un tube : cela permet la prise de décision quant à l'opportunité d'une opération de maintenance. Phénomène éminemment indésirable, l'encrassement des échangeurs de chaleur 10 tubulaires ne peut malheureusement pas être détecté facilement. Il existe des méthodes indirectes : on peut détecter par des mesures locales de pression une perte de charge dans le système, mais cela ne permet pas facilement de localiser l'endroit du tube qui s'est rétréci. On peut également détecter par des mesures locales de la température un changement dans la différence de température entre deux points du tube, ce qui indique 15 une baisse de l'échange thermique dans le tube ; pour bien localiser l'endroit du tube qui s'est rétréci il faut un nombre important de sondes thermiques. Ces méthodes fonctionnent assez correctement. Leur inconvénient majeur est le fait que les sondes sont externes au système : à ce titre elles sont habituellement ajoutées à l'installation par l'exploitant de l'installation, qui se charge aussi de l'instrumentation et de 20 la surveillance. A ce titre, les sondes peuvent être omises, ou bien rester déconnectées par l'exploitant à l'issue d'opérations de maintenance, ou encore être volées. Par ailleurs les seuils de détection et de génération d'alertes peuvent être réglés (ou déréglés) par l'exploitant. Il serait donc désirable de pouvoir disposer dans une installation industrielle présentant 25 des éléments tubulaires, et notamment dans une installation industrielle présentant des éléments tubulaires à l'intérieur desquels circulent de manière continue des fluides corrosifs, inflammables, chaudes ou toxiques, et donc dans une installation industrielle dont l'arrêt et la maintenance nécessitent des précautions spécifiques, d'un système de détection de l'encrassement desdits éléments tubulaires, ledit système montrant une 30 bonne reproductibilité et fiabilité, sans dérive du signal dans le temps, et lequel système utilise des sondes d'encrassement intégrées auxdits éléments tubulaires à surveiller. Plus particulièrement il serait souhaitable de disposer d'un échangeur de chaleur tubulaire pourvu d'un dispositif fiable et simple pour détecter l'état d'encrassement des tubes, notamment pour des tubes en graphite et ou à base de graphite dans lesquels circule de 35 l'acide phosphorique.

3037389 4 VVO-A-2007/099240 décrit un échangeur thermique, équipé d'un dispositif d'évaluation de son état d'encrassement. Ce dispositif peut être placé à différents endroits de l'échangeur. De façon typique il est interposé entre, d'une part, la plaque située en extrémité d'empilement et, d'autre part, le bâti de l'échangeur ou bien une plaque 5 supplémentaire de type factice. Les solutions décrites dans ce document ne sont pas applicable à un échangeur tubulaire tel que celui visé par l'invention. VVO-A-2009/153323 divulgue un procédé pour la détection et/ou la mesure de l'encrassement dans des échangeurs. On place une résistance au niveau d'une paroi de cet échangeur et on soumet cette résistance à deux niveaux de puissance successifs. Ce 10 document traite plus spécifiquement de l'aspect électrique de cette détection et ne délivre pas d'informations structurelles détaillées, quant aux échangeurs susceptibles d'être contrôlés par ce procédé. Là encore, l'enseignement de cet état de la technique ne peut pas être transposé de manière simple à un échangeur visé par la présente invention. Objet de l'invention 15 Ainsi un premier objet de l'invention est un échangeur thermique comprenant : - une enceinte possédant une calandre périphérique délimitant un volume intérieur, - une pluralité de tubes disposés dans ledit volume intérieur, chaque tube comprenant une paroi périphérique, - des moyens d'entrée d'un premier fluide dans lesdits tubes, 20 - des moyens de sortie du premier fluide hors desdits tubes, - des moyens d'entrée d'un second fluide dans ledit volume intérieur, vers la périphérie extérieure des tubes, - des moyens de sortie du second fluide hors dudit volume intérieur, - ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'au moins un tube est équipé d'au moins 25 un organe de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant - un corps disposé sur la face externe de cette paroi, - une résistance électrique s'étendant dans le corps - des moyens de mesure, permettant de mesurer la température de la résistance 30 électrique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : a) le corps de l'organe de contrôle est un collier entourant au moins partiellement la face externe de la paroi du tube. 3037389 5 b) le collier est entouré d'un manchon isolant propre à éviter une déperdition substantielle de chaleur à l'opposé de la paroi du tube. c) l'enceinte comprend au moins une plaque d'extrémité, laquelle est percée 5 d'orifices axiaux destinés au passage des tubes, ainsi que d'au moins un canal auxiliaire reliant l'extérieur et un orifice axial occupé par un tube équipé d'un organe de contrôle de l'encrassement, cet organe de contrôle étant équipé d'une gaine renfermant au moins un fil fonctionnel dudit organe, cette gaine s'étendant dans le canal auxiliaire. 10 d) plusieurs tubes sont équipés d'un organe de contrôle de l'encrassement, en particulier entre deux et huit tubes, notamment entre quatre et six tubes. e) la longueur de chaque tube est comprise entre 1 et 9 mètres, notamment entre 3 15 et 9 mètres. f) le diamètre extérieur de chaque tube est compris entre 45 et 55 millimètres, notamment entre 50 et 52 millimètres. 20 g) le diamètre intérieur de chaque tube est compris entre 35 et 45 millimètres, notamment entre 37 et 39 millimètres. h) la longueur dite de sécurité séparant le sommet du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité de l'organe de contrôle de 25 l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres. Ces caractéristiques additionnelles (a) à (h) peuvent être mises en oeuvre individuellement ou selon toutes combinaisons techniquement compatibles.

30 Un autre objet de l'invention est un procédé de contrôle de l'encrassement d'un échangeur thermique comprenant - une enceinte possédant une calandre périphérique délimitant un volume intérieur et - une pluralité de tubes s'étendant dans ledit volume intérieur, chaque tube comprenant une paroi périphérique, procédé dans lequel 3037389 6 - on admet un premier fluide, notamment de l'acide phosphorique, dans les tubes et on évacue ce premier fluide hors des tubes; - on fait circuler un second fluide dans ledit volume intérieur, à la périphérie extérieure des tubes, à contre-courant dudit premier fluide, 5 - ledit procédé étant caractérisé en ce que - on dispose, sur la face externe de la paroi d'au moins un tube, le corps d'un organe de contrôle de l'encrassement, cet organe de contrôle comprenant en outre - une résistance électrique s'étendant dans le corps 10 - des moyens de mesure, permettant de mesurer la température de la résistance électrique - on alimente électriquement la résistance électrique, - on réalise au moins une courbe, dite instantanée, chaque courbe instantanée montrant l'évolution en fonction du temps de la température de la résistance, 15 - on compare la ou chaque courbe instantanée avec au moins une courbe de référence. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : i) la courbe de référence montre l'évolution en fonction du temps de la température de la 20 résistance, pour un tube dont l'encrassement présente une épaisseur seuil connue. j) on fait s'écouler le premier fluide dans les tubes à une température sensiblement constante en fonction du temps, au moins au voisinage de l'organe de contrôle. k) on fait s'écouler le premier fluide selon une direction sensiblement verticale, du bas vers le haut.

25 I) on place l'organe de contrôle de l'encrassement de sorte que la longueur dite de sécurité, séparant le sommet du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité de l'organe de contrôle de l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres. 30 m) on provoque une condensation au moins partielle du second fluide durant son trajet dans le volume intérieur. n) on fait s'écouler de l'acide phosphorique à l'intérieur des tubes. Ces caractéristiques additionnelles (i) à (n) peuvent être mises en oeuvre individuellement 35 ou selon toutes combinaisons techniquement compatibles.

3037389 7 Encore autre objet de l'invention est un procédé de montage d'un échangeur de chaleur tel que ci-dessus, dans lequel : - on fixe une extrémité de chaque tube équipé de son organe de contrôle de 5 l'encrassement dans l'orifice axial aménagé dans la plaque d'extrémité de l'enceinte, - on aménage le canal auxiliaire dans la plaque et on fait passer la gaine dudit organe de contrôle à travers ledit canal auxiliaire, - on rebouche ledit canal auxiliaire.

10 Le rebouchage dudit canal auxiliaire peut se faire à l'aide d'un ciment approprié. Encore un autre objet de l'invention est un tube d'échange thermique appartenant à l'échangeur tel que ci-dessus, ce tube étant équipé d'au moins un organe de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant un corps 15 disposé sur la face externe de cette paroi, une résistance électrique s'étendant dans le corps, des moyens de mesure, permettant de mesurer la température de la résistance électrique. Encore un autre objet de l'invention est une installation de concentration d'acide phosphorique comprenant au moins un échangeur de chaleur tel que ci-dessus.

20 La Demanderesse s'est rendu compte que le problème présenté ci-dessus peut être résolu en intégrant au moins un organe de contrôle de l'encrassement, de type sonde active, dans au moins un des éléments tubulaires de l'échangeur de chaleur à surveiller. Une sonde est dite active parce qu'elle mesure la réponse de la perturbation qu'elle a elle-même générée.

25 Plus précisément, la sonde dite active peut provoquer localement une perturbation thermique contrôlée (avantageusement un échauffement contrôlé et/ou l'émission d'une quantité d'énergie prédéterminée). Il est par ailleurs prévu un moyen qui mesure ensuite la conséquence locale de cette perturbation contrôlée ou la réponse à cette perturbation contrôlée.

30 Ainsi, la sonde active comprend au moins un moyen d'émission d'une certaine quantité d'énergie thermique. Dans un mode de réalisation ladite sonde active comprend un moyen pour chauffer rapidement une zone superficielle dudit élément tubulaire, pour créer dans ladite zone superficielle une différence de température déterminée, et/ou pour dissiper dans ladite zone superficielle une quantité d'énergie prédéterminée.

3037389 8 Le système selon l'invention comprend également au moins un moyen de mesure de l'échauffement provoqué par ladite émission d'énergie. Dans un mode de réalisation, ce moyen de mesure est un thermocouple, positionné de manière adaptée pour recueillir un signal exploitable. Il peut être inséré dans un orifice aménagé à cet effet dans une zone 5 superficielle dudit élément tubulaire. Avantageusement la sonde active présente un collier qui se fixe autour de la surface externe de l'élément tubulaire, de manière à couvrir au moins un segment de ladite surface externe. Ladite sonde active peut être connectée à au moins un moyen de mesure de la température.

10 L'échangeur de chaleur de l'invention comprend une pluralité (et typiquement un grand nombre, par exemple plusieurs centaines ou plus d'un millier) de tubes, encore appelés éléments tubulaires, qui sont typiquement identiques entre eux, ainsi qu'au moins un élément tubulaire (typiquement identique aux autres, sauf pour ce qui suit) qui comprend sur sa paroi externe ou dans sa paroi externe au moins une sonde active capable de 15 provoquer localement une perturbation thermique, et au moins un moyen pour mesurer ladite perturbation thermique. Dans un mode de réalisation de cet échangeur, ledit élément tubulaire s'étend entre deux plaques frontales parallèles, encore dénommées plaques tubulaires, et chaque extrémité dudit élément tubulaire est insérée dans un orifice aménagé dans l'une des deux plaques 20 tubulaires. L'une de ces plaques tubulaires est fixe, l'autre peut être mobile. L'installation de la sonde active sur la face externe de la paroi de l'élément tubulaire est avantageuse. En effet, elle évite un contact direct entre la sonde et le fluide qui circule à l'intérieur de l'élément tubulaire. Or, un tel contact n'est pas souhaitable pour des raisons liées à la corrosion, à la difficulté d'assurer une insertion étanche de la sonde dans le 25 canal de l'élément tubulaire, et à la possible perturbation des conditions d'écoulement hydrodynamique dudit fluide par la sonde elle-même. Le terme « sur » la face externe signifie tout d'abord que le corps de l'organe de contrôle, par exemple réalisé sous forme d'un collier, peut être fixé contre cette face externe, qui est alors lisse, ou encore dans un renfoncement ménagé dans cette face externe. Ce 30 corps peut également être placé à proximité immédiate de cette face externe, sans toutefois être en contact direct avec celle-ci. Ledit échangeur de chaleur peut être intégré dans une installation industrielle. Plus particulièrement ladite installation peut être une installation de concentration d'acide phosphorique.

3037389 9 Il est du mérite de la Demanderesse d'avoir mis au point un organe de contrôle de l'encrassement, qui est adapté à un échangeur de chaleur de type calandre et tubes. De plus il est avantageux de positionner cet échangeur dans une zone où le premier fluide, circulant dans les tubes, présente la température la plus élevée. En effet, la couche 5 d'encrassement possède une épaisseur maximale dans cette zone, en particulier dans le cas où circule de l'acide phosphorique, dont l'élévation en température conduit à un dépôt significatif de gypse. Lesdits éléments tubulaires peuvent être réalisés en tout matériau habituellement utilisé pour des tubes d'échangeur de chaleur, et plus particulièrement en métal (tel que : acier, 10 acier inoxydable, acier plaqué ; zirconium, titane, aluminium, cuivre et leurs alliages) ou en matériau non métallique (tel que : PTFE, céramique, graphite). De manière avantageuse lesdits éléments tubulaires sont en graphite ou à base de graphite. Figures 15 Les figures 1 à 6 illustrent des modes de réalisation de l'invention. Les figures la à 1f montrent une section verticale à travers un échangeur de chaleur selon l'invention ; pour simplifier la figure on ne montre qu'un seul tube 2 pris entre deux plaques tubulaires 3,4; ces figures illustrent un mode de réalisation du procédé selon l'invention.

20 La figure 2 montre de manière schématique une vue en perspective d'un tube 2 selon l'invention avec l'organe de contrôle de l'encrassement 5 sous la forme d'un collier qui entoure au moins partiellement la circonférence du tube. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale, illustrant de manière plus détaillée les éléments constitutifs de l'organe de contrôle 5.

25 La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un tube 2 selon l'invention avec une courbe qui représente de manière schématique le transfert thermique le long des différents milieux. La figure 5 est un schéma électrique du collier, appartenant à l'organe de contrôle de l'encrassement, 30 La figure 6 représente plusieurs courbes, illustrant la variation de la température de la résistance intégrée dans ce collier, pour plusieurs états d'encrassement de l'échangeur.

3037389 10 Les signes de référence suivants sont utilisés sur les figures : 1 Echangeur de chaleur 51 Collier 2 Tube graphite ou à base de graphite L51 Longueur de 51 2' Face externe de 2 51' Surface active 51 2" Face interne de 2 51B Extrémité de 51 3 Première plaque tubulaire (fixe) 52 Résistance 4 Deuxième plaque tubulaire 53 Thermocouple (coulissante) 5 Organe de contrôle d'encrassement 54 Bornes d'alimentation de 52 6 Gaine 55 Fils alimentation 52 7 Zone d'encollage 1ère extrémité tube 58 Manchon 8 Zone d'encollage trou 2è" plaque E Couche d'encrassement 9 Zone d'encollage 2ème extrémité tube Fi Ecoulement du premier fluide 10 Zone d'encollage trou 1ère plaque F2 Ecoulement du second fluide 11 Canal auxiliaire S2 Sommet du tube 2 12 Orifice LS Longueur de sécurité 13 Chemise pour trou 2è" plaque CO Courbe 14 Chemise pour trou 1ère plaque Cl Courbe 15 Bouchon d'étanchéité C2 Courbe 16 Paroi externe C3 Courbe 17 Bride Dint Diamètre intérieur de 2 Dext Diamètre extérieur de 2 Description détaillée Nous entendons ici, par « tube » ou « élément tubulaire », un élément de construction 5 disposant d'au moins un canal à l'intérieur duquel peut circuler un liquide lorsque ledit élément tubulaire est utilisé conformément à sa destination. La figure 1 illustre un échangeur de chaleur conforme à l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 1. Cet échangeur comprend tout d'abord, de façon connue en soi, une enceinte formée par des plaques tubulaires 3, 4 d'extrémité, ainsi que par une 10 enveloppe périphérique formant paroi externe, ou calandre 16. Cet échangeur, utilisé dans des installations de l'industrie chimique, comprend typiquement une pluralité de tubes 2 droits parallèles en graphite ou à base de graphite, lesquels sont reçus dans l'enceinte. Typiquement il s'agit de plusieurs centaines ou plus 15 d'un millier de tubes en graphite ou à base de graphite. Ces échangeurs de type « tubes and shell » sont connus en tant que tels. Ils comprennent la calandre précitée 16 (« shell ») et ladite pluralité de tubes 2 droits et parallèles.

3037389 11 De préférence, ces tubes 2 sont en graphite et ou à base de graphite. Leur longueur L2 est typiquement comprise entre 1 et 9 mètres, notamment entre 3 et 9 mètres. Dans un mode préféré de l'invention, cet échangeur est disposé de manière à ce que les tubes 2 soient orientés verticalement. Cet agencement présente des avantages qui seront 5 explicités ci-dessous. On note par ailleurs Oint et Dext les diamètres respectivement intérieur et extérieur de chaque tube 2, lesquels sont mesurés à l'état non encrassé du tube. Le diamètre intérieur Oint est typiquement compris entre 35 et 45 millimètres, notamment entre 37 et 39 10 millimètres; dans un mode de réalisation il est de 38,1 millimètres. Le diamètre extérieur Dext est typiquement compris entre 45 et 55 millimètres, notamment entre 50 et 52 millimètres; dans un mode de réalisation il est de 50,8 millimètres. Ces tubes 2 sont tenus par les plaques dites plaques tubulaires 3, 4 dans lesquelles ils 15 sont insérés. Chaque tube 2 est inséré dans un orifice 12b aménagé dans la première plaque tubulaire 3 et fixé, par exemple par collage, et chaque tube 2 est également inséré dans un orifice 12a aménagé dans la deuxième plaque tubulaire 4 et fixé, par exemple par collage. Lesdites première et deuxième plaques tubulaires 3, 4 peuvent être en graphite.

20 L'échangeur comprend en outre des moyens d'entrée d'un premier fluide dans les tubes, des moyens de sortie du premier fluide hors des tubes, des moyens d'entrée d'un second fluide dans l'enceinte, vers la périphérie extérieure des tubes, ainsi que des moyens de sortie du second fluide hors de l'enveloppe. Ces différents moyens d'entrée et de sortie, 25 de type connu, ne sont pas illustrés sur les figures. De manière préférée, le premier fluide est de l'acide phosphorique alors que le second fluide est de la vapeur d'eau. Dans un mode de réalisation avantageux la première plaque tubulaire est une plaque fixe 3, c'est-à-dire qu'elle est fixée sur la tête non représentée de l'échangeur 1, 30 typiquement à l'aide d'une bride 17 de serrage. La deuxième plaque tubulaire 4 est avantageusement une plaque coulissante, c'est-à-dire mobile par rapport à la calandre 16. Chaque tube 2 est inséré dans l'orifice 12a aménagé dans cette plaque tubulaire 4 coulissante et fixé par collage. Selon l'invention au moins un tube 2 dudit échangeur de chaleur 1 est équipé d'un organe 35 de contrôle de l'encrassement, désigné dans son ensemble par la référence 5. De préférence on choisit un tube proche de la paroi 16 externe de l'échangeur 1, comme cela 3037389 12 est montré sur la figure 1. Avantageusement on équipe ainsi plusieurs tubes 2, par exemple deux, trois, quatre ou cinq tubes 2. Ledit organe de contrôle 5, qui est de type sonde active, est par exemple conforme à celui commercialisé par la société NéoTim à Albi (France), lequel fait l'objet de FR-A-2 932 5 886. Comme montré notamment en figures 2 et 3, cet organe de contrôle comprend tout d'abord un corps réalisé sous forme d'un collier 51, qui entoure au moins partiellement le tube 2, à savoir qu'il est disposé contre la face externe 2' de la paroi de ce tube. On note par ailleurs 2" la face interne de la paroi de ce tube. Ce collier 51, qui est réalisé sous forme d'un élément plan et flexible, de type circuit 10 intégré, comporte une résistance électrique 52, représentée de façon schématique sur la figure 3. En pratique la résistance électrique peut être réalisée, comme illustré à la figure 5, sous forme d'une piste métallique déposée sur le collier. Cette résistance 52 est associée à un ou plusieurs thermocouples 53, permettant de mesurer la température au voisinage directe de cette résistance. Deux bornes d'alimentation 54 sont prévues, avec 15 toute la connectique nécessaire, pour pouvoir alimenter cette résistance depuis l'extérieur de l'échangeur. En outre les thermocouples sont associés à au moins une borne de sortie non représentée, permettant de transmettre le signal électrique délivré en service par ce thermocouple. L'organe de contrôle 5 est en outre équipé d'une gaine 6, dont la mise en place sera 20 détaillée dans ce qui suit. Cette gaine 6 renferme au moins un fil fonctionnel de la sonde active, en particulier des fils 55 d'alimentation de la résistance, reliés électriquement aux bornes 54, ainsi qu'au moins un fil de signal, relié à la borne de sortie des thermocouples. Ces différents fils fonctionnels peuvent être distincts ou confondus. Cette gaine est mise en communication électrique avec une alarme non représentée, de tout type approprié, 25 qui permet d'alerter l'opérateur en cas de dysfonctionnement, comme cela sera explicité dans ce qui suit. On note L51 la longueur de la surface de contact entre le collier et la paroi du tube 2, selon la direction principale de ce dernier. Cette longueur est par exemple comprise entre 0,02 et 0,1 mètres. De manière préférée, le collier 51 est prévu dans la partie supérieure 30 du tube, à savoir celle où le fluide circulant à l'intérieur de ce tube, typiquement l'acide phosphorique, est le plus chaud. En effet, l'encrassement est maximal dans cette zone. On note LS la longueur dite de sécurité, séparant le sommet S2 du tube et l'extrémité inférieure 51B du collier 51, laquelle est opposée audit sommet. Cette longueur LS est par exemple comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres.

35 3037389 13 L'organe de contrôle 5 est entouré, sur ses faces frontales opposées ainsi que sur sa face extérieure, par un manchon 58 réalisé en un matériau thermiquement isolant. Ce manchon permet donc un transfert des calories anisotrope, depuis le collier en direction du tube. En d'autres termes, lorsque le collier est chauffé, cette chaleur se dissipe 5 sensiblement en intégralité dans la paroi du tube 2. Le procédé de mise en place d'un élément tubulaire pourvue d'une sonde active selon l'invention est illustré sur les figures la à 1f. Elles montrent de manière schématique un tube en graphite 2 destiné à s'insérer dans l'orifice 12b de la première plaque tubulaire 3 (plaque fixe) et dans l'orifice 12a de la deuxième plaque tubulaire 4 (plaque coulissante) ; 10 ce tube 2 est situé en périphérie du faisceau de tubes, proche de la paroi externe 16 de l'échangeur de chaleur 1. Dans une première étape illustrée sur la figure la on réalise un repérage, ou contrôle préalable. A cet effet on positionne le tube 2 au sein de la plaque tubulaire fixe 3, dans la position précise qu'il doit adopter en service. Les parois en regard du tube et des orifices 15 des plaques 3 et 4 ne sont pas encollées. Ce repérage permet de vérifier si la gaine 6 dépasse hors de l'orifice 12a de la plaque tubulaire 4 coulissante, selon une distance appropriée pour la mise en oeuvre des étapes ultérieures. Si cette distance n'est pas convenable, la position de cette gaine est modifiée de façon circonstanciée. Dans une deuxième étape illustrée sur la figure lb on déplace ledit tube 2 à travers 20 l'orifice 12a de la plaque tubulaire 4 coulissante, et on applique une colle appropriée sur une zone d'encollage 7 qui représente au moins une partie de la surface externe du tube qui dépasse de la dite plaque tubulaire coulissante, et on applique une colle appropriée sur une zone d'encollage 8 qui représente au moins une partie de la surface interne de l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3.

25 Dans une troisième étape illustrée sur la figure 1 c on déplace ledit tube à travers l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3 et à travers l'orifice 12a de la plaque tubulaire coulissante 4, afin de bien étaler la colle sur les surfaces à coller. Dans une quatrième étape illustrée sur la figure 1 d on procède à la mise en place définitive du tube 2 dans les orifices 12a,12b, et on récupère la gaine 6 dans un canal 30 auxiliaire formé par un orifice latéral 11 aménagé dans la plaque tubulaire coulissante 4 et qui communique avec l'orifice 12a. A titre de variante cet orifice 11 peut être aménagé dans un sens axial. Son diamètre peut être de l'ordre de 10 mm.

3037389 14 Dans une cinquième étape illustrée sur la figure le, on insère une chemise 13,14, c'est-à-dire un insert tubulaire, respectivement dans l'orifice 12b de la plaque tubulaire fixe 3 et dans l'orifice 12a de la plaque tubulaire coulissante 4. Au moins une partie de la surface extérieure desdites chemises 13,14 est revêtue d'une colle appropriée.

5 Dans une sixième étape illustrée sur la figure 1f on rebouche l'orifice latéral 11 par un ciment approprié formant un bouchon d'étanchéité 15. En service on fait s'écouler les deux fluides selon les flèches Fi et F2, respectivement dans les tubes et autour de ces tubes, afin de mettre les fluides précités en échange de chaleur mutuel. Dans un mode de réalisation avantageux, on utilise l'échangeur selon 10 l'invention en position « tubes verticaux » avec un premier fluide, dit « fluide procédé », qui est réchauffé par le deuxième fluide, dit « fluide service ». On met en oeuvre cet échangeur de manière à ce qu'au moins le fluide procédé, qui est avantageusement l'acide phosphorique en phase liquide, subit un changement de température tel que la température en haut de l'échangeur soit plus élevée que la température en pied 15 d'échangeur. De façon avantageuse le fluide service est de la vapeur d'eau, qui subit une condensation partielle au fur et à mesure qu'elle transfère sa chaleur au fluide procédé. Du fait de l'échauffement du fluide procédé, l'encrassement du tube peut être rapide et considérable, en particulier dans la zone supérieure de ce tube. Les inventeurs ont 20 constaté avec surprise que l'organe d'encrassement, disposé au voisinage de la paroi extérieure du tube, est capable de détecter cet encrassement présent contre la paroi intérieure de ce tube. Cela est encore plus surprenant, dans le cas où on utilise des tubes en graphite ou à base de graphite qui possèdent une épaisseur significative, de l'ordre de 5 à 10 millimètres.

25 De façon avantageuse, on fait s'écouler le premier fluide dans les tubes 2, à une température sensiblement constante en fonction du temps. Ceci signifie que la température de ce premier fluide peut varier dans l'espace, à savoir d'une extrémité à l'autre des tubes. En revanche cette température est invariante dans le temps, au moins au voisinage de l'organe de contrôle, voire en tout point du tube.

30 On alimente ensuite électriquement la résistance 52. Cette alimentation peut s'effectuer par des impulsions ou, de préférence, par un échelon de courant. La résistance s'échauffe et les calories ainsi générées se dissipent sensiblement en intégralité dans la paroi du tube, du fait de la présence de l'isolant. Les thermocouples permettent de mesurer l'évolution de la température de cette résistance, en fonction du temps. Etant 35 donné que la température du premier fluide est constante, comme expliqué ci-dessus, on 3037389 15 conçoit que la température mesurée de la résistance est représentative de la différence de températures entre la résistance et le premier fluide. De façon typique, la phase d'alimentation électrique de la résistance est de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes. On conçoit que, en fonction du temps t, la 5 température T52 de la résistance augmente, puis atteint un palier. Des courbes caractéristiques de cette évolution sont montrées à la figure 6, lesquelles seront explicitées dans ce qui suit. La figure 4 annexée montre en outre le transfert thermique entre le collier et le premier fluide, le long de la paroi du tube puis d'une couche d'encrassement. La température 10 diminue tout d'abord par conduction (conductivité k) au travers de la paroi du tube, selon une valeur DT2. On retrouve ensuite une couche E dite d'encrassement, qui a tendance à se former au fur et à mesure du temps de fonctionnement de l'échangeur. Cette couche induit une résistance thermique supplémentaire rE par unité de surface, laquelle est associée une diminution DTE de la température. Plus la couche d'encrassement est 15 épaisse, plus la valeur de DTE est importante et plus la différence de températures entre la surface active et le premier fluide est élevée. En d'autres termes, l'ensemble formé par la paroi et la couche d'encrassement possède une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique de la paroi seule. Par conséquent, plus la couche d'encrassement E est épaisse et plus la température de 20 la résistance est élevée. En référence à nouveau à la figure 6, la courbe CO illustre l'évolution de la température pour un échangeur non encrassé. Les courbes Cl à C3, qui illustrent des échangeurs de plus en plus encrassés, sont donc situées au-dessus de cette courbe CO. Avantageusement, on réalise tout d'abord une mesure de référence, correspondant à 25 l'évolution de la température pour un échangeur possédant une couche d'encrassement, dont l'épaisseur connue possède une valeur seuil. En d'autres termes, pour une épaisseur supérieure à cette valeur seuil, on arrête typiquement l'échangeur et on procède au nettoyage de l'intérieur des tubes. L'évolution de la température de la résistance en fonction du temps, pour cet échangeur présentant cette couche 30 d'encrassement seuil, est matérialisée par la courbe C2. Au fur et à mesure de la mise en service de l'échangeur, on réalise des mesures successives, dites instantanées, de la variation de température T52 en fonction du temps t. Lorsqu'une courbe issue d'une mesure instantanée est située au-dessus de la courbe de référence C2, cela signifie que la couche d'encrassement, d'épaisseur non connue, est 35 plus épaisse que la couche seuil et qu'il faut donc arrêter l'échangeur. Sur la figure 5, la 3037389 16 courbe Cl située au-dessous de la courbe 02 matérialise une situation d'encrassement acceptable. En revanche, la courbe 03 située au-dessus de cette courbe 02 illustre une situation où il convient d'arrêter et nettoyer l'échangeur. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans une installation de 5 concentration d'acide phosphorique. En particulier, une telle installation comprend un échangeur de chaleur dans lequel l'acide phosphorique est chauffé à l'aide d'un milieu caloporteur (le plus souvent de la vapeur d'eau) pour être concentré dans un évaporateur. On préfère que la différence de température entre le fluide caloporteur (en l'occurrence : vapeur d'eau) et le fluide du procédé (en l'occurrence l'acide phosphorique) ne soit pas 10 trop élevé afin de limiter l'encrassement des éléments tubulaires et les contraintes thermiques dans l'installation. Avantageusement, la température de la vapeur utilisée sera comprise entre 110°C et 160°C alors que la température de l'acide phosphorique sera comprise entre 70°C et 90 °C. A titre d'exemple, on considère un échangeur thermique dans lequel la vapeur d'eau, 15 formant fluide caloporteur, chauffe l'acide phosphorique, formant fluide de procédé, en vue de sa concentration dans un évaporateur. Dans ce cas, on préfère conduire le procédé de manière à ce que l'acide phosphorique entre dans l'élément tubulaire de l'échangeur thermique à environ 82°C, est chauffé à l'aide de vapeur d'eau d'une température de 133°C, et quitte ledit élément tubulaire à une température de 85°C. 20

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique comprenant : - une enceinte (3, 4, 16) possédant une calandre périphérique délimitant un volume intérieur (V), - une pluralité de tubes (2) disposés dans ledit volume intérieur (V), chaque tube comprenant une paroi périphérique, - des moyens d'entrée d'un premier fluide dans lesdits tubes (2), - des moyens de sortie du premier fluide hors desdits tubes (2), - des moyens d'entrée d'un second fluide dans ledit volume intérieur (V), vers la périphérie extérieure des tubes - des moyens de sortie du second fluide hors dudit volume intérieur (V), ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'au moins un tube (2) est équipé d'au moins un organe (5) de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant - un corps (51) disposé sur la face externe (2') de cette paroi, - une résistance électrique (52) s'étendant dans le corps (51) - des moyens de mesure (53), permettant de mesurer la température de la résistance électrique (52).
2. 2. Echangeur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps de l'organe de contrôle (5) est un collier (51) entourant au moins partiellement la face externe de la paroi du tube.
3. 3. Echangeur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le collier (51) est entouré d'un manchon isolant (58), propre à éviter une déperdition substantielle de chaleur à l'opposé de la paroi du tube (2).
4. 4. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte comprend au moins une plaque d'extrémité (4), laquelle est percée d'orifices axiaux (12a) destinés au passage des tubes, ainsi que d'au moins un canal auxiliaire (11), reliant l'extérieur et un orifice axial occupé par un tube équipé d'un organe de contrôle de l'encrassement (5), cet organe de contrôle étant équipé d'une gaine (6) renfermant au moins un fil fonctionnel dudit organe, cette gaine s'étendant dans le canal auxiliaire (11). 3037389 18
5. 5. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs tubes sont équipés d'un organe de contrôle de l'encrassement, en particulier entre deux et huit tubes, notamment entre quatre et six tubes. 5
6. 6. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur de chaque tube est comprise entre 1 et 9 mètres, notamment entre 3 et 9 mètres.
7. 7. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 10 que le diamètre extérieur (Dext) de chaque tube est compris entre 45 et 55 millimètres, notamment entre 50 et 52 millimètres.
8. 8. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre intérieur (Dint) de chaque tube est compris entre 35 et 45 millimètres, 15 notamment entre 37 et 39 millimètres.
9. 9. Echangeur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur dite de sécurité (LS), séparant le sommet (S2) du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité (51B) de l'organe de contrôle de 20 l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres.
10. 10. Procédé de contrôle de l'encrassement d'un échangeur thermique comprenant - une enceinte (3, 4, 16) possédant une calandre périphérique délimitant un volume 25 intérieur (V) et - une pluralité de tubes (2) s'étendant dans ledit volume intérieur (V), chaque tube comprenant une paroi périphérique, procédé dans lequel - on admet un premier fluide, notamment de l'acide phosphorique, dans les tubes et on évacue ce premier fluide hors des tubes; 30 - on fait circuler un second fluide dans ledit volume intérieur (V), à la périphérie extérieure des tubes, à contre-courant dudit premier fluide, ledit procédé étant caractérisé en ce que - on dispose, sur la face externe (2') de la paroi d'au moins un tube (2), le corps (51) d'un organe (5) de contrôle de l'encrassement, cet organe de contrôle comprenant 35 en outre - une résistance électrique (52) s'étendant dans le corps (51) - des moyens de mesure (53), permettant de mesurer la température de la résistance électrique (52) 3037389 19 - on alimente électriquement la résistance électrique, - on réalise au moins une courbe, dite instantanée (Cl, 03), chaque courbe instantanée montrant l'évolution en fonction du temps de la température de la résistance, 5 - on compare la ou chaque courbe instantanée avec au moins une courbe de référence (02).
11. 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la courbe de référence (02) montre l'évolution en fonction du temps de la température de la résistance, 10 pour un tube dont l'encrassement présente une épaisseur seuil connue.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'on fait s'écouler le premier fluide dans les tubes à une température sensiblement constante en fonction du temps, au moins au voisinage de l'organe de contrôle (5). 15
13. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'on fait s'écouler le premier fluide selon une direction sensiblement verticale, du bas vers le haut.
14. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'on place l'organe de contrôle de l'encrassement de sorte que la longueur dite de sécurité, séparant 20 le sommet du tube, adjacent à l'organe de contrôle de l'encrassement, et l'extrémité de l'organe de contrôle de l'encrassement opposée audit sommet, est comprise entre 0,1 et 3 mètres, notamment entre 0.5 et 2 mètres.
15. 15. Procédé selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'on provoque 25 une condensation au moins partielle du second fluide durant son trajet dans le volume intérieur.
16. 16. Procédé selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'on fait s'écouler de l'acide phosphorique à l'intérieur des tubes. 30
17. 17. Procédé de montage d'un échangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel : on fixe une extrémité de chaque tube (2) équipé de son organe de contrôle (5) de l'encrassement dans l'orifice axial (12a) aménagé dans la plaque d'extrémité (4) 35 de l'enceinte, - on aménage le canal auxiliaire (11) dans la plaque et on fait passer la gaine (6) dudit organe de contrôle (5) à travers ledit canal auxiliaire, 3037389 20 - on rebouche ledit canal auxiliaire (11).
18. 18. Tube d'échange thermique appartenant à l'échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ce tube étant équipé d'au moins un organe (5) de contrôle de l'encrassement de sa paroi périphérique, cet organe de contrôle comprenant 5 - un corps (51) disposé sur la face externe (2') de cette paroi, - une résistance électrique (52) s'étendant dans le corps (51) - des moyens de mesure (53), permettant de mesurer la température de la résistance électrique (52). 10
19. 19. Installation de concentration d'acide phosphorique comprenant au moins un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.