Echangeurs de type TEMA

Les échangeurs à tubes et calandre sont très courants dans les industries de procédé. Leur surface d'échange est constituée de la paroi de tubes, enfermés dans une calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes tandis que l'autre fluide circule à l'extérieur.
Les échangeurs à tubes et calandre sont le plus souvent fabriqués à la demande selon le besoin de l'utilisation finale.
La plupart des échangeurs tubulaires utilisés dans l'industrie chimique, pétrolière et pétrochimique sont conçus et construits en suivant les normes "Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association" (TEMA standards). La première édition a été publiée en 1941, et la 11ème édition en 2024.

Les standards TEMA définissent des caractéristiques de conception, et de construction couvrant la majorité des besoins rencontrés. Cependant, pour certains services spécifiques, d'autres solutions technologiques pourront être adoptées.

Les standards TEMA ne pemettent pas de faire le dimensionnement de l'échangeur (surface d'échange nécessaire, perte de charge sur les fluides ...). Celui-ci  doit être fait en utilisant les méthodes et logiciels dédiés du génie chimique.

Quatre catégories de construction sont définis, selon le niveau de fiabilité requis:

• catégorie R: la plus exigente, la plus répendue dans les industries du pétrole
• catégorie B: intermédiaire
• catégorie C: la moins exigente pour les usages généraux

Les caractéristiques de conception se déclinent en différents types de:

• boîtes de distribution du fluide dans les tubes
• calandres pour différentes configurations pour la circulation du fluide

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 caractéristiques 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)

Channel and removable cover

La chambre de distribution, munie d'un couvercle plat boulonné, est elle aussi boulonnée sur la plaque tubulaire.
Le démontage du couvercle plat permet l'inspection et le nettoyage mécanique de l'intérieur des tubes, sans débrider les tubulures de raccordement.
Cette configuration est avantageuse si des nettoyages fréquents de l'intérieur des tubes est nécessaire.
 
Cette configuration n'est pas recommandée si la pression du fluide coté tube est élevée. Le couvercle plat, moins résistant  à la presion qu'un couvercle bombé, nécessitera une épaisseur plus importante. De plus, deux joints sont nécessaires (1 sur le couvercle et 1 sur la plaque tubulaire) pour assurer l'étanchéïté du fluide vis à vis de l'extérieur.

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Tête avec fond soudé  (Type B)

Bonnet (integral cover)

 Le fond est généralement de forme elliptique ou hémisphérique et, dans le cas d'une seule passe côté tubes, tronconique ou constitué par une réduction du commerce.
Le fond elliptique ou sphérique résiste mieux à la pression que le fond plat et autorise des épaisseurs moindres.
Un seul joint, entre la chambre de distribution et la plaque tubulaire fixe, pour isoler le fluide coté tubes de l'extérieur.
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.
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 souvent 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 :

1. type C: la plaque tubulaire est boulonnée sur la calandre. Le faisceau est ainsi extractible pour être nettoyé mécaniquement. Pour assurer l'étanchéïté du fluide coté tubes, vis à vis de l'extérieur, un joint est nécessaire sur le couvercle de la boîte. Un autre joint, entre la plaque tubulaire et la calandre assure l'étanchéïté du fluide coté calandre.
2. type N: la plaque tubulaire est soudée sur la calandre. Le faisceau de tubes n'est pas extractible. Seul un nettoyage chimique de l'extérieur des tubes est possible, en faisant circuler un fluide nettoyant dans la calandre.

 

 
 

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.

Choix du type de calandre 

Calandre à une passe (Type E)

One pass shell

La calandre est munie d'une tubulure à chaque extrémité pour l'entrée et la sortie du fluide côté calandre, chacune pouvant être orientée selon l'angle désiré.

Des chicanes seront disposées dans la calandre pour forcer le liquide à balayer un maximum de surface de tubes, et éviter les court-circuits entre l'entrée et la sortie. Les chicanes servent également de support aux tubes pour les empêcher de fléchir et de se toucher, et pour limiter leur vibration sous l'effet de l'écoulement du fluide.

Cette configuration est très courantes pour réaliser des échangeurs à une seule passe coté calandre et une ou plusieurs passes coté tubes. Accroître le nombre de passes côté tubes permet d'améliorer le coefficient de transfert thermique, mais dégrade l'efficacité de l'échangeur.

Le faisceau de tubes quant à lui peut être au choix:

• à plaques tubulaires fixes
• ou bien extractible à tubes en U, à tête flottante, ...
  

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.

Avec deux passes côté tubes, cela permet de réaliser un échange à contre-courant, et ainsi optimiser le transfert thermique entre les fluides. Cela permet de remplacer deux échangeurs en série, à une seule passe coté calandre, pour un coût et un encombrement moindre.

Les fuites entre la cloison longitudinale et la calandre doivent être réduits au minimum car, en permettant un court-circuit entre l'entrée et la sortie, elles diminuent la performance globale de l'échangeur.

Si la variation de température entrée-sortie des fluides est importante (>100°C), les différences de dilatation entre une passe et l'autre peuvent induire des contraintes mécaniques excessives.

Ecoulement fractionné (Types G, H et J)

Split flow    Double split flow  Divided flow

En fractionnant l'écoulement du fluide côté calandre en 2 circuits (split flow,type G) ou 4 circuits (double split flow, type H) parallèles, on réduit la vitesse et la longueur du cheminement du fluide pour réduire la perte de charge.
Les cloisons et déflecteurs sont solidaires du faisceau.
Pour conserver une perte de charge aussi faible que possible, les chicanes transversales sur le chemin du fluide seront évitées.
Avec un seul support de tubes central et sans chicane transversale, la longueur totale d'un échangeur de type G sera limitée (environ 3m) par la longueur maximale de tube autorisée sans supportage (environ 1,5m selon le diamètre des tubes). Pour des longeurs d'échangeur supérieures, le type H sera préféré.

Ces types d'échangeur sont principalement utilisés pour des changements de phase tels que les rebouilleurs horizontaux ou des condenseurs.
En rebouilleur, la chicane horizontale limite la vaporisation des composés les plus volatils.
En condenseur, la chicane horizontale aide à l'extraction des incondensables en réservant les tubes les plus froids à la fin de la condensation.

Pour des vitesses de fluide élevées en entrée, le type J permet de répartir le fluide sur deux tubulures.

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

L'objectif de cette configuration est de réaliser un écoulement dans la calandre perpendiculaire aux tubes. Pas de chicanage transversal, mais des supports de tubes entre lesquels chemine le fluide.

La distribution du fluide à l'entrée du faisceau doit être soignée. Une solution courante consiste à utiliser un "dôme" de distribution. Un espace vide de tubes peut aussi être ménagé du côté de l'entrée.

La multiplication des passes côté tubes permet de se rapprocher d'un fonctionnement à contre-courant.

Les tubes peuvent être lisses ou ailettés.

Ce type d'échangeur permet les pertes de charge côté calandre les plus faibles.  Il est particulièrement adapté aux condensations sous vide. Un chicanage longitidinal (dans le sens des tubes) permet d'isoler un volume parcouru par les tubes les plus froids pour sous-refroidir les incondensables.

Pour les surfaces importantes, mais sans pression, la calandre peut prendre une forme rectangulaire.

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.
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

Types d'échangeurs les plus courants

Tubes droits, plaques tubulaires fixe (Types AEL, BEM, AEM, NEN)

C'est le plus simple et souvent le moins coûteux. Les plaques tubulaires sont soudées sur la calandre, et les têtes et fonds sont boulonnés sur la plaque tubulaire.
Plusieurs passes sont possibles coté tubes.
Le coté calandre ne peut pas être nettoyé mécaniquement. Seuls des nettoyages "chimiques" sont possibles.
Une expansion thermique importante des tubes imposera l'installation d'un soufflet de dilatation sur la calandre.

A faisceau extractible et étanchéïté externe (Type AEW, BEW)

Les faisceaux extractibles permettent le nettoyage des côtés tubes et calandre sans déconnexion de l'échangeur.
L'étanchéïté est assurée sur la périphérie de la plaque tubulaire.
L'étanchéïté externe permet une plus grande surface d'échange que des tubes en U ou d'autres types de faisceaux extractibles, dans le même diamètre de calandre.
Moins complexe qu'une tête flottante interne.
Ne permet pas plus de deux passes coté tubes.
L'expansion thermique du faisceaux peut être importante (variation entre l'état froid et le service chaud), mais les tubes étant fixés aux deux extrémités à une plaque tubulaire rigide, le gradient de température à l'intérieur de l'échangeur sera limité.
Le matériau d'étanchéïté peut limiter l'usage de l'échangeur (résistance chimique ou en température).