I. Introduction - Échangeurs en graphite et en SiC

 

Les échangeurs en graphite et en carbure de silicium (SiC) constituent une catégorie distincte des échangeurs usuellement métalliques (tubes et calandre, plaques et joints, plaques brasées, plaques soudées, etc.). Ils répondent d’abord à une logique de réponse à une contrainte dominante de compatibilité chimique et de durabilité en corrosion sévère, dans des domaines où les matériaux métalliques (inox 316L, duplex/superduplex, titane, alliages nickelés) atteignent leurs limites techniques, économiques ou de sécurité.

 

Dans l’industrie des procédés (chimie, pétrochimie, raffinage, pharmaceutique, traitement d’effluents), de nombreuses fonctions thermiques se déroulent en présence de milieux fortement corrosifs, tels que :

• acides minéraux concentrés, milieux acides contenant des halogénures,
• solutions oxydantes ou réductrices agressives,
• condensats corrosifs issus de vapeurs chargées (condenseurs en tête de colonne, récupérations sur gaz acides, solvants et COV selon composition),
• bains acides de procédés, effluents chargés, boues acides, fluides process instables chimiquement.

 

 

II. Description Technologique

 

II.1 Positionnement général et philosophie de conception

 

Les matériaux graphite et SiC présentent des propriétés remarquables face à de nombreux milieux corrosifs :

 

II.2 Distinction Graphite / SiC

 

Bien que souvent regroupés sous une même catégorie “échangeurs non métalliques”, le graphite et le SiC présentent des comportements et des domaines d’emploi sensiblement différents.

 

II.2.1 Échangeurs en graphite

 

II.2.2 Échangeurs en carbure de silicium (SiC)

 

Le carbure de silicium est une céramique technique à très haute résistance mécanique et chimique, disponible sous différentes formes (SiC fritté, SiC lié au silicium, etc.). Le carbure de silicium pour les applications de génie des procédés chimiques est fabriqué par frittage. Les pièces en carbure de silicium sont d'abord formées par extrusion (tubes) ou pressage isostatique à froid (plaques et blocs). Elles sont ensuite usinées (plaques et blocs). Enfin, elles sont frittées sous vide à très haute température.

 

Propriétés clés du SiC :

 

II.3 Logique de segmentation technologique

 

Contrairement aux échangeurs métalliques, la classification des échangeurs graphite/SiC se fait avant tout par concept d’architecture, et non par simple analogie fonctionnelle.

 

 

II.4 Domaines industriels concernés

 

Les échangeurs en graphite et en SiC sont principalement utilisés dans :

 

III. Cahier des charges procédés et contraintes d’exploitation spécifiques

 
Les échangeurs de chaleur en graphite et en carbure de silicium (SiC) sont conçus pour répondre à des cahiers des charges procédés très spécifiques, dans lesquels la contrainte chimique prime largement sur les considérations de compacité ou de performance thermique maximale. Ce positionnement implique une approche de dimensionnement et d’exploitation sensiblement différente de celle des échangeurs métalliques.

 

III.1 Nature des fluides et environnements chimiques

 

III.1.1 Fluides typiquement traités

 

Les échangeurs en graphite et en SiC sont utilisés pour des fluides présentant une agressivité chimique élevée, parmi lesquels :

 

III.1.2 Compatibilité matériau / fluide

 

Le choix entre graphite et SiC dépend fortement :

 

III.2 Conditions thermiques

 

III.2.1 Température de service

 

Les plages de température admissibles sont fonction du matériau et de la technologie d’assemblage :

 

III.2.2 Sensibilité aux chocs thermiques

 

Les matériaux graphite et céramiques ne présentent pas de plasticité. En conséquence :

 

III.3 Pressions et contraintes mécaniques

 

II.3.1 Pression de service

 

Les échangeurs en graphite et en SiC présentent des limites de pression plus faibles que les échangeurs métalliques :

 

III.3.2 Contraintes mécaniques et montage

 

Les contraintes mécaniques admissibles sont faibles en traction et en flexion. En conséquence :

 

III.4 Encrassement, colmatage et nettoyage

 

III.4.1 Encrassement procédés

 

Les procédés chimiques agressifs sont souvent associés à :

 

III.4.2 Contraintes de nettoyage

 

Les méthodes de nettoyage doivent rester compatibles avec le matériau :

 

III.5 Exigences de sécurité et de fiabilité

 

Les échangeurs en graphite et en SiC sont souvent positionnés sur des procédés :

 

IV. Grandes familles technologiques des échangeurs en graphite et en SiC

 

Les échangeurs de chaleur en graphite et en carbure de silicium (SiC) ne constituent pas une technologie unique, mais une famille de solutions distinctes, déclinées selon plusieurs architectures, chacune répondant à des compromis spécifiques entre :

 

IV.1 Échangeurs à blocs en graphite et en SiC

 

IV.1.1 Principe général

 

Les échangeurs à blocs constituent historiquement la technologie emblématique des échangeurs en graphite. Ils reposent sur un ou plusieurs blocs massifs de graphite (ou de SiC) usinés, dans lesquels sont percés des réseaux de canaux parallèles ou croisés, généralement rectilignes, assurant la circulation des fluides. Les deux fluides circulent dans des réseaux de canaux distincts, usinés directement dans la masse.

 

IV.1.2 Géométrie et circulation des fluides

 

 

IV.1.3 Assemblage et étanchéité

 

Les blocs sont généralement :

 

IV.1.4 Caractéristiques de performance

 

 

IV.1.5 Avantages et limites

 

 

IV.2 Échangeurs à plaques en graphite et en SiC

 

IV.2.1 Principe général

 
Les échangeurs à plaques en graphite ou en SiC s’inspirent du concept des PGHE métalliques, mais avec des adaptations majeures liées aux propriétés mécaniques des matériaux. Ils reposent sur :

 

IV.2.2 Spécificités par rapport aux PGHE métalliques

 

Contrairement aux plaques métalliques embouties :

 

IV.2.3 Étanchéité et montage

 

 

IV.2.4 Positionnement industriel

 

 

IV.2.5 Caractéristiques de performance

 

 

IV.2.6 Avantages et limites

 

 

IV.3 Échangeurs tubulaires en Graphite et en SiC

 

IV.3.1 Principe général

 

Les échangeurs tubulaires en graphite ou en SiC reprennent l’architecture classique tubes et calandre, avec :

 

IV.3.2 Spécificités matériaux

 

 

IV.3.3 Caractéristiques de performance

 

 

IV.3.4 Avantages et limites

 

 

IV.4 Échangeurs à gorges annulaires (Graphite)

 

Cette technologie est souvent choisie lorsque l’on recherche un compromis entre la robustesse hydraulique d’un bloc et une meilleure homogénéité thermique, tout en restant dans une enveloppe graphite.

 

IV.4.1 Principe général

 

Les échangeurs à gorges annulaires constituent une technologie très spécifique, développée notamment par Mersen / GAB Neumann. Ils reposent sur :

 

IV.4.2 Intérêt hydraulique et thermique

 

Cette architecture permet :

 

IV.4.3 Domaines d’application 

 

 

IV.4.4 Caractéristiques de performance

 

 

IV.4.5 Avantages et limites

 

 

IV.5 Synthèse des architectures

 

 

V. Quelques fabricants et fournisseurs