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Echangeurs de type TEMA

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)

Choix du type de chambre de distribution (côté tubes)

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)

Tête TEMA 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.
Tête type A 1 passe coté tubes

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.Tête type A 2 passes oté tubes
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 :Tête type A 4 passes coté tubes

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)

Tête TEMA 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:Tête B 1 passe coté tubes

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:Tête B 2 passes coté tubes

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. I1 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:

I1 supporte les très hautes pressions.

Inconvénients:

- Le prix est élevé
- I1 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.

Choix du type de calandre 

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.
I1 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

I1 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

I1 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 %
I1 permet de soutirer la phase liquide (en équilibre avec la vapeur générée) sous contrôle de niveau.

Inconvénients

I1 est encombrant et cher mais son adoption ne se pose pas vraiment en termes de choix.

Utilisations

I1 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

I1 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 ...

Choix du type de fond de calandre (ou boite de retour ou chambre de retour arrière)

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.
I1 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. I1 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. I1 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.
I1 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

I1 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

I1 permet une dilatation différentielle entre le faisceau et la calandre.
I1 permet l'extraction du faisceau.
I1 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
I1 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.
I1 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





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