La plupart des échangeurs tubulaires utilisés dans l'industrie
chimique, pétrolière et pétrochimique sont conçus en respectant les
normes
"Standards of
Tubular
Exchanger
Manufacturers
Association". En
particulier les différents types de chambres de distribution, calandres
et fonds sont répertoriés selon la nomenclature ci-dessous.
D'autres solutions technologiques sont possibles mais ces standards
décrivent les configurations les plus courantes.
La nomenclature TEMA permet de définir un échangeur à tubes et calandre
par:
- deux chiffres représentant le diamètre et la longueur de la
calandre
- trois lettres représentant le type de tête, de calandre, et
de fond
Ainsi un échangeur de type TEMA 30-240 BEM aura les caractéristique
suivantes:
- diamètre de calandre: 30"
- longueur de tubes: 240"
- boîte de distribution en tête de type "B" (boulonnée sur la plaque tubulaire et à fond bombé)
- calandre de type "E" (1 passe)
- boîte de fond de type M (identique à la boîte de tête)
La chambre de distribution permet de distribuer le fluide dans le
faisceau et de réaliser, 1, 2, 4, 6, ...... passes. Le nombre de passes
est limité :
- par la perte de charge admissible ;
- par les problèmes de dilatation différentielle de la plaque
tubulaire qui obligent à une seule passe si l'écart entre les
températures d'entrée et de sortie dépasse
150°C.
Chambre
de distribution avec couvercle démontable (Type A)
Channel
and removable cover
La chambre de distribution est boulonnée sur la plaque tubulaire. Elle
est munie d'un couvercle plat lui aussi boulonné.
Avantages :
Le démontage aisé du couvercle plat permet l'inspection et le nettoyage
mécanique de l'intérieur des tubes sans débrider les tubulures côté
tubes. Cet avantage est intéressant dans le cas de nettoyages fréquents.
Inconvénients :
- Pour assurer l'étanchéité entre la chambre de distribution
et
l'extérieur, il est
nécessaire de disposer deux joints qui sont autant de risques de
fuites, en particulier dans le cas de fluide sous haute pression et
(ou) haute température :
- 1 joint entre le fond plat et la chambre de distribution
- 1 joint entre la chambre et la plaque tubulaire fixe.
Bien entendu la pose de ces joints doit être soignée et leur choix
judicieux en fonction des conditions de service.
- Le fond plat résiste moins à haute pression qu'un fond
bombé (type B)
à épaisseur égale.
- Le prix de revient est plus élevé que celui du
type B suivant.
Utilisations :
Ils sont très couramment utilisés pour les facilités de maintenance
dans le cas de produits sales tels que résidus, eau de mer, etc. ...
Tête
avec fond soudé (Type B)
Bonnet
(integral cover)
Le fond est généralement de forme elliptique ; il peut être
hémisphérique et, dans le cas d'une seule passe côté tubes, tronconique
ou
constitué par une réduction du commerce.
Avantages:
1 seul joint est nécessaire entre la chambre de distribution et la
plaque tubulaire fixe, ce qui diminue le risque de fuites.
Le fond elliptique ou sphérique résiste mieux à la pression que le fond
plat et permet une économie de poids et d'investissement.
Inconvénients:
L'accès à l'intérieur des tubes pour inspection et nettoyage mécanique
n'est possible qu'après démontage de la ou des tuyauteries côté tubes,
de la chambre de distribution et du joint.
Utilisations:
L'usage de ce type est réservé aux produits propres ne demandant pas
des nettoyages fréquents tels que eau traitée, hydrocarbures légers,
etc ...
Il est généralement associé à l'utilisation d'un faisceau de tubes en
U.
Chambre
de distribution intégrée à une plaque tubulaire avec
couvercle démontable (Types C et N)
Channel
integral with tube-sheet and removable cover
La
chambre de distribution est
solidaire de la plaque tubulaire. 2
versions :
TYPE C: à couvercle et faisceau démontables.
TYPE
N: à plaque fixe et
couvercle démontable.
Avantages :
Cette solution supprime le joint entre la chambre de distribution et
la plaque tubulaire et, dans le cas de plusieurs passes côté tubes,
entre les cloisons de la chambre et la plaque tubulaire ; les cloisons
peuvent être en effet soudées sur la plaque.
Ceci réduit les risques de fuite vers l'extérieur et élimine les
problèmes d'étanchéité au niveau de la portée des cloisons sur le
joint.
La liaison chambre de distribution-plaque tubulaire étant plus simple
(pas de bride) le coût est plus faible.
Inconvénients :
Comme les autres couvercles à fond plat il est moins bien adapté à la
pression que le fond bombé encore que la suppression du joint soit
intéressante de ce point de vue.
Les types C et N ne se conçoivent généralement qu'associés aux fonds
de calandre types L, M, N pour réaliser des échangeurs à plaques
tubulaires fixes dont les inconvénients seront vus plus loin.
Utilisations:
Peu fréquemment utilisés en raffinage on les trouve plus souvent dans
les industries chimiques et pharmaceutiques.
Chambre
de distribution spéciale pour haute pression (Type D)
Special
high pressure closure
La chambre de distribution est constituée par une pièce forgée massive
ou mécano-soudée.
Le couvercle demande un dispositif spécial de fermeture (par
verrouillage ou tiges filetées, etc ...) à étudier selon le niveau de
pression.
Le schéma ci-dessus présente un couvercle verrouillé. Il est possible
d'utiliser un fond plat boulonné (l'étanchéité étant assurée par un
joint torique) ou plus rarement, un fond bombé.
Le type de joint doit être particulièrement bien choisi en fonction de
la pression.
Avantages:
Il supporte les très hautes pressions.
Inconvénients:
- Le prix est élevé
- Il se conçoit difficilement pour un nombre de passes côté tubes
supérieur à 2 en raison des difficultés de cloisonnement. On le trouve
souvent associé à un fais-ceau de tubes en U.
Utilisations:
Il est utilisé pour des pressions >=100 bars. Exemples :
réfrigérants gaz HP avec eau déminéralisée côté calandre (têtes de
puits GNL), réfrigérants et condenseurs d'ammoniac, réfrigérants d'eau
de centrale, etc.
Calandre
à une passe (Type E)
One pass shell
La calandre est munie d'une tubulure à chaque extrémité, chacune
pouvant être orientée selon l'angle désiré.
Utilisations:
très courantes.
Calandre
à deux passes avec cloison longitudinale (Type F)
Two pass
shell with longitudinal baffle
Une cloison longitudinale permet de réaliser 2 passes côté calandre. La
cloison est généralement solidaire du faisceau ce qui nécessite un
système d'étanchéité entre cloison et calandre.
Avantages:
- Ce type de calandre permet de réaliser :
.
une circulation à contre-courant dans le cas de 2 passes côté tubes
(appareil 2-2 au lieu de 1-2 pour une seule passe côté calandre), avec
un faisceau de tubes en U par exemple.
. 2 demi-échangeurs 1-2 en série avec la même calandre dans le cas de 4
passes côté tubes (appareil 2-4 au lieu de 1-4 pour une seule passe
côté calandre).
Ces circulations donnent une meilleure efficacité à même
nombre
d'unités de transfert installé, c'est-à-dire pour un coefficient de
transfert et une surface identiques.
Cette solution est souvent moins coûteuse que 2 échangeurs plus petits
en série sur les 2 fluides (les prix n'étant pas proportionnels à la
taille) et qui nécessitent par ailleurs plus de tuyauteries et
d'accessoires.
L'implantation peut être plus facile que pour 2 échangeurs plus petits.
Inconvénients:
- Les fuites entre la cloison longitudinale et la calandre diminuent la
performance. Elles sont d'autant plus importantes que le jeu et la
différence de pression sont grands.
Ces fuites peuvent être limitées en disposant des feuillards en inox
boulonnés sur la cloison du côté de la plus haute pression mais dont la
tenue n'est bonne que si la différentielle de pression est faible.
Un autre procédé, très peu courant, consiste à glisser la chicane
entre un feuillard double fixé sur la calandre ce qui nécessite un
outil spécial pour écarter les "lèvres" lors de la mise en place.
Une autre solution encore consiste à souder la cloison longitudinale
sur la calandre mais le montage suppose alors une calandre et un
faisceau constitués de 2 demi-coquilles ; l'intérêt est très limité
car l'extraction du faisceau n'est alors pas possible.
Il y a des risques de problèmes mécaniques de dilatation différentielle
des deux côtés de la cloison si la différence de température entre
l'entrée et la sortie est trop grande ; la calandre risque de se
déformer en "banane" ce qui peut poser des problèmes de supportage pour
l'appareil et d'efforts pour les tuyauteries.
Utilisations:
L'utilisation de l'échangeur multi-passes côté calandre ne se conçoit
que si la perte de charge admissible côté calandre et la
différence de température
sont faibles (dP < 0,3 bar ; dt
< I00°C) et dans la mesure où il est moins couteux que plusieurs
appareils à une seule passe côté calandre montés en série.
Cependant il peut être intéressant dans le cas d'encombrement réduit.
Ecoulement
fractionné (Types G et H)
Split
flow Double split flow
L'écoulement du fluide côté calandre est séparé en 2 circuits (split
flow) ou 4 circuits (double split flow) en
parallèle. Les cloisons et déflecteurs sont solidaires du faisceau.
Avantages:
- Ces dispositions autorisent de faibles pertes de charge côté
calandre à condition de ne pas mettre de chicanes transversales.
- L'efficacité de ces modes de circulation est supérieure à celle des
appareils 1-n.
Inconvénients:
La longueur des tubes est limitée par les impositions de la TEMA
concernant les longueurs maximum de tubes non supportées, par exemple
en général :
60" pour des tubes 3/4" (sauf pour cuivre
et 74" pour des tubes 1" aluminium et
leurs alliages).
Ceci conduit respectivement à L
<10 ft et L < 12 ft pour le
type G, le type H permettant alors l'utilisation des longueurs
supérieures.
Les appareils ne sont pas toujours alimentés de façon symétrique, les
passages préférentiels étant difficiles à éviter.
Utilisations:
Ces dispositions sont utilisées dans le cas de perte de charge
autorisée faible côté calandre (par exemple 0,05 bar) en présence de
forts débits et (ou) d'un changement de phase.
Exemples : rebouilleurs à thermosiphon, condenseurs, surchauffeurs de
vapeur à l'entrée d'un compresseur, etc ..
Ecoulement
divisé (Type J)
Divided flow
Par une entrée et deux sorties ou deux
entrées et une sortie il permet une distribution de deux courants
dérivés à l'intérieur de la calandre.
Avantages
Il permet de faibles pertes de charge
Par 2 entrées il peut éviter l'emploi d'un anneau de distribution
("vapor belt ") nécessaire dans le cas de gros débits de vapeur pour
avoir des vitesses raisonnables dans les tubulures (diam tubulures
< 1/2 diam calandre) une distribution uniforme et pour limiter
les risques d'érosion et de vibration des tubes.
Inconvénients
Le "piping " est plus compliqué.
La présence de 3 tubulures au lieu de 2 ne permet pas d'installer
autant de chicanes transversales sur une même longueur, ce qui peut
limiter le coefficient de transfert externe côté calandre et favoriser
la présence d'angles morts.
Utilisations
Le type J est souvent utilisé dans le cas de variation importante du
débit volumique entre l'entrée et la sortie, ce qui se produit lors
d'un changement de phase.
En particulier on utilise généralement les 2 solutions suivantes pour:
- les condenseurs:
ou 
- les rebouilleurs:
Pour
un condenseur, la tubulure d'entrée peut alimenter un anneau de
distribution dit
vapor
belt.
La
mise en série de 2 calandres du type J permet également de réaliser
un montage équivalent au type G à écoulement séparé.
Rebouilleur "KETTLE
" (Type K)
Kettle type reboiler
Ce type associé aussi bien à un faisceau droit qu'à un faisceau de
tubes en U assure un volume important de calandre au-dessus du
faisceau. Un niveau liquide est maintenu généralement au
dessus des tubes, souvent au moyen d'un déversoir. Une purge liquide
est souvent nécessaire pour évacuer les composés les moins volatils qui
tendent à s'accumuler.
Avantages
Il réalise un équilibre liquide-vapeur (fractionnement de
l'alimentation en une vapeur plus riche en constituants volatils et un
liquide plus riche en constituants les moins volatils).
Il permet un dégagement de vapeur à gros débit et sans entraînement de
liquide et s'impose pratiquement dès que la fraction vaporisée exigée
est de l'ordre de 30 à 40 %
Il permet de soutirer la phase liquide (en équilibre avec la vapeur
générée) sous contrôle de niveau.
Inconvénients
Il est encombrant et cher mais son adoption ne se pose pas vraiment en
termes de choix.
Utilisations
Il est fréquemment utilisé comme:
- rebouilleur
- régénérateur de solvant
- réfrigérants d'un
fluide côté tubes par évaporations d'un fluide frigorigène
- générateur de vapeur par refroidissement d'un fluide
procédé, ...
TYPE X
Calandre
à courants croisés (Type X)
Cross
flow
Ce type permet de réaliser des circuits en parallèle, l'écoulement se
faisant perpendiculairement au faisceau entre 2 cloisons
transversales consécutives solidaires du
faisceau.
La solution la plus courante consiste à utiliser un "dôme" de
distribution et parfois un "dôme" collecteur.
Avantages
Il permet de faibles pertes de charge tout en adoptant des pas de
chicanes bas compatibles avec un bon supportage des tubes évitant les
vibrations.
Il permet de réaliser un écoulement transversal presque parfait en
éliminant les composantes obliques de la vitesse et d'obtenir une
efficacité d'autant plus grande et se rapprochant de celle du
contrecourant que le nombre de passes côté tubes est important.
Inconvénients
- Pour obtenir une bonne distribution dans chaque espace entre cloisons
il faut un dispositif de répartition élaboré et coûteux.
Utilisations
Il est utilisé pour des services à très basse pression d'opération du
fluide côté calandre (quelques mm Hg).
Exemples : réfrigérants de gaz à basse pression, condenseurs sous vide
en aval de turbines,
etc ...
Il caractérise le type de fond et la liaison calandre-fond.
TYPES L,
M, N
Ils
sont identiques respectivement aux distributeurs de types A, B et N
excepté que pour tous nombre de passe paire, le fond ne sera pas muni
de tubulure de sortie. Ces types caractérisent les échangeurs à plaques
tubulaires fixes, la
calandre étant soudée sur les plaques tubulaires.
Avantages
- Ils permettent de réaliser un faisceau très compact en utilisant au
mieux le volume offert à l'intérieur de la calandre.
- Ils sont moins chers que les têtes flottantes (présentées
plus loin),
le type N étant le meilleur marché.
Dans le cas des types L et N le démontage du couvercle est facile pour
accéder aux tubes pour nettoyage.
Ils permettent plus aisément l'utilisation de doubles plaques
tubulaires pour assurer une meilleure protection en cas de fuite au
niveau des dudgeonnages.
Inconvénients
- Ils présentent les inconvénients cités précédemment à propos des
chambres de distribution de types A, B et C ; en particulier, pour le
type M, le démontage est difficile pour l'accès à l'intérieur des
tubes dans le cas de fluide sale.
Le faisceau est indémontable.
Il n'y a pas d'accès possible à la calandre et à l'extérieur du
faisceau pour effectuer un nettoyage mécanique dans le cas de fluide
sale côté calandre ; on a donc intérêt à utiliser un pas triangulaire
pour installer la plus grande surface dans l'encombrement offert.
Ils ne permettent pas de dilatation différentielle importante entre le
faisceau et la calandre. Il faut faire attention aux efforts
mécaniques trop grands qui risquent de provoquer le dédudgeonnage ou
un "flambage" des tubes ou une déchirure de la calandre.
La différence entre les températures de peau des tubes et de la
calandre doit rester inférieure à 30°C environ. Dans le cas où cette
différence entraine des contraintes importantes on doit utiliser des
soufflets de dilatation dont les caractéristiques de fabrication
(épaisseur, matériau, nombre d'ondes) sont fonction des
caractéristiques opératoires.
Toutefois ces accessoires sont fragiles et nécessitent dans le cas de
plusieurs ondes le maintien des formes par des lests en fonte à
condition encore que la pression reste inférieure à 100 bars environ ;
ils sont indémontables et présentent des risques de corrosion ; par
ailleurs ils sont chers et le coût est alors à comparer à celui d'une
tète flottante.
Utilisations
Leur
utilisation ne peut être envisagée que si :
- Le fluide côté calandre est propre.
- La différence des températures de peau de la calandre et
des tubes est
faible, ce qui dépend bien entendu de la température extérieure du
calorifugeage et du coefficient de film côté calandre.
Il faut faire attention à bien étudier tous les cas de marche
possibles (y compris les conditions de démarrage et de passage à la
vapeur pour mise en sécurité) et à respecter scrupuleusement les
procédures d'opération.
Les tubes tenant moins en compression qu'en traction, les problèmes se
posent plutôt quand le fluide chaud circule dans les tubes, ce qui ne
veut pas dire qu'il n'y a pas de risque dans le cas contraire. Par
exemple, lors d'une mise en service, si le fluide froid est à une
température de 100°C dans les tubes, ces derniers sont également à une
température proche de 100°C (dans la mesure où rien ne passe côté
calandre) alors que la calandre est à la température extérieure
ambiante ; il est alors nécessaire d'avoir un soufflet de dilatation
sur la calandre. Il ne faut donc pas croire qu'il suffit de démarrer
sur le fluide froid pour ne pas avoir de problème.
Un démarrage côté calandre permet d'avoir tubes et calandre à même
température.
Tête
flottante (ou fond flottant) avec presse-étoupe
extérieur (Type P)
Outside packed floating head
Le fond de calandre soudé sur la plaque tubulaire peut
coulisser dans
la calandre ou inversement. L'étanchéité est assurée par un
presse-étoupe ; le boitier est solidaire de la calandre et la garniture
est sur la virole.
Le couvercle peut être boulonné sur une contrebride maintenue et
positionnée sur le fond par un anneau fendu. Un joint est alors
nécessaire entre couvercle et fond.
Il est également possible d'utiliser un bonnet ou un tronc de cône
dans le cas d'une passe côté tubes, la dilatation étant alors reportée
sur la tuyauterie.
Avantages
Il permet une dilatation différentielle entre faisceau et calandre.
Il permet l'extraction du faisceau
Il est moins coûteux que les types S et T suivants.
Inconvénients
Il y a un problème de sécurité posé par la tenue de la garniture dans
le cas de produits toxiques ou inflammables. Pression et température
doivent rester inférieures respectivement à 40 bars et 300°C.
Le nombre de passes côté tubes est généralement limité à 1 ou 2.
Utilisations
Elles sont peu fréquentes en raffinage. Le type P peut être utilisé
pour des réfrigérants avec eau froide côté calandre (ou à la rigueur un
hydrocarbure liquide, propre et non volatil) ou des rebouilleurs avec
vapeur d'eau côté calandre.
Fond
flottant avec anneau démontable (split ring) Type S
Floating head with backing device
Le couvercle de fond flottant est maintenu en place sur la plaque
tubulaire flottante à l'aide d'une contrebride en deux parties et
assemblage par boulonnerie.
Avantages
Il permet une dilatation différentielle entre le faisceau et la
calandre.
Il permet l'extraction du faisceau.
Il supporte des conditions opératoires de pression et de température
plus sévères que celles autorisées par le type P.
Inconvénients
Le joint entre la tête flottante et la plaque tubulaire étant
intérieur, toute fuite est invisible.
L'étanchéité est difficile à assurer dans le cas de forte pression ;
elle exige une portée de joint et une boulonnerie importantes. Ceci se
traduit par une augmentation de l'épaisseur de la contrebride
provoquant une diminution de la surface d'échange installée, un
encombrement plus grand et éventuellement des problèmes de
manutention.
L'extraction du faisceau oblige le démontage du fond de calandre et du
fond de la tête flottante.
C'est une solution coûteuse.
Utilisations
Le type S est très fréquemment utilisé. Toutefois la pression est
limitée à environ 50 ou 60 bars côté tubes et la température à 400 ou
500°C.
Tête
flottante à passage direct (Type T)
Pull through floating
head
Le fond de tête flottante est boulonné directement sur la plaque
tubulaire en assurant le serrage du joint.
Avantages par
rapport au type S
Les inconvénients de la contrebride sont éliminés
Il permet l'extraction du faisceau sans démontage du fond de calandre
ce qui est intéressant dans le cas de produits sales nécessitant des
nettoyages fréquents et plus
particulièrement si pour des raisons d'accessibilité le démontage ne
peut se faire que du côté de la plaque tubulaire fixe.
Inconvénients par rapport au type S
Pour un même diamètre de calandre il n'est pas possible de loger autant
de tubes.
Il faut donc un diamètre de calandre plus grand pour une même surface
installée ce qui rend cette solution plus coûteuse.
Utilisations
Le type T est assez fréquemment utilisé en haute pression (P >
50 bars) ; exemple : échangeur avec gaz HP côté tubes.
Il convient également aux condenseurs intégrés dans les têtes de
colonnes et aux rebouilleurs Kettle qui ne permettent l'accès au
faisceau que du côté du distributeur.
Faisceau
à tubes en U (Type U)
U Tube bundle
Les épingles sont constituées de tubes cintrés ou de 2 tubes droits
parallèles raccordés par des coudes soudés (en particulier dans le cas
de tubes épais pour haute pression et non cintrables) permettant de
réaliser 2 passes et parfois 4.
Avantages
Le prix est faible : une seule plaque tubulaire est nécessaire ; le
fond de calandre peut être un fond bombé soudé sur la virole donc sans
bride.
Il n'y a pas de joint du côté du fond et moins de risques de fuite
côté tubes.
Il résiste bien à la pression
La possibilité de dilatation indépendante pour chaque épingle permet
de tolérer des écarts de températures importants.
Inconvénients
Leur utilisation est réservée aux produits plutôt propres aussi bien du
côté des tubes que du côté de la calandre.
Côté tubes : le nettoyage est difficile dans les coudes bien que des
progrès
ont été apportés par l'utilisation de petites turbines montées à
l'extrémité de
flexibles.
Côté calandre : le nettoyage des tubes situés vers le centre est
difficile.
Le remplacement des tubes situés vers le centre est impossible.
Les grandes vitesses dans les coudes peuvent provoquer une érosion et
ce d'autant plus que le fluide est chargé en particules solides.
Pour obtenir une circulation à contre-courant avec des épingles montées
en 2 passes côté tubes il est nécessaire de réaliser 2 passes côté
calandre avec une chicane longitudinale dont les inconvénients ont été
vus précédemment.
Utilisations
Ce type est utilisé pour les moyennes et hautes pressions (jusqu'à 200
bars) et les hautes températures ainsi que dans le cas où l'étanchéité
est importante (une seule plaque tubulaire).
Exemples : vapeur d'eau côté tubes, rebouilleurs Kettle, échangeurs
charge-effluent
Fond
flottant avec presse-étoupe extérieur à détecteur de
fuite (Type W)
Packed floatting tube sheet with
lantern ring
Une double garniture séparée par un anneau lanterne est montée sur la
plaque tubulaire. Les boîtiers sont constitués par la calandre et le
fond.
Avantage
Toute fuite éventuelle est détectable au niveau des trous de l'anneau
lanterne.
Inconvénients
L'étanchéité est imparfaite et cette solution ne peut être envisagée
que pour des conditions peu sévères de température et de pression et
des produits non toxiques et ininflammables.
Utilisations
Les utilisations du type W sont peu fréquentes. Les impositions de la
TEMA sont:
- Température < 190°C et
- Pression < 5 bars si le diamètre de la calandre est
43"< Dc
< 60"
- Pression <10 bars si le diamètre de la calandre est
24"< Dc< 42"
- Pression <20 bars si le diamètre de la
calandre est Dc < 24"
En pratique : P <10 .bars.
Exemples : eau, vapeur d'eau, air, huile de lubrification.
Type
D
Bien que ne figurant pas dans la norme TEMA un type D peut être utilisé
en fond de calandre pour les très hautes pressions ; on réalise ainsi
un DED à plaques tubulaires fixes.
1 passe côté tubes
2 passes côté tubes
