Que sont les échangeurs thermiques shell tube haute pression ?
Les échangeurs thermiques shell and tube (faisceau tubulaire dans calandre) sont le type d'échangeur dominant en raffinage et pétrochimie (70 à 80 pourcent du parc installé). Ils permettent le transfert thermique entre deux fluides : un fluide circule dans les tubes (typiquement 100 à 5 000 tubes diamètre 19-25 mm, longueur 3-12 m, agencement carré ou triangulaire), l'autre dans la calandre. Les applications majeures sont : préchauffe brut en train d'échangeurs CDU (jusqu'à 250 degrés Celsius par cascade de 5-15 échangeurs en série), refroidissement effluents reacteurs hydrocraquage et HDS (200-450 degrés Celsius), condenseurs colonnes (refroidissement vapeurs sortie), rebouilleurs (vaporisation pied de colonne par steam). Les pressions atteignent 200 bar (hydrocraquage haute pression), les températures 450 degrés Celsius. Les matériaux sont choisis selon corrosion : acier carbone (services peu corrosifs), acier allié 1.25Cr-0.5Mo ou 2.25Cr-1Mo (services H2 haute pression), aciers inox 316L (services chlorures), titane (services très corrosifs eau de mer).
En France, l'industrie des échangeurs thermiques est animée par plusieurs acteurs. Alfa Laval France (siege Cergy-Pontoise 95, site industriel Nevers 58 Nièvre, 1 200 salariés) est leader mondial des échangeurs à plaques (PHE Plate Heat Exchangers, applications agro et chimie) et fabrique également des échangeurs shell and tube et tubulaires spéciaux. Barriquand Atry 71 (Saône-et-Loire, 200 salariés, CA 60 millions d'euros par an) est spécialiste des échangeurs à plaques soudées PlateFlow haute pression et température (jusqu'à 100 bar et 400 degrés Celsius), unique en France. GEA France (filiale GEA Group Allemagne, bureau France Nice 06, 1 500 salariés) fabrique échangeurs tubulaires et plaques pour agroalimentaire, chimie et pétrochimie. Les EPC TechnipFMC Lyon 69 et Saipem intègrent ces équipements dans projets clé en main raffinage. La concurrence vient de Heatric (UK PCHE compacts), Brembana (Italie), Borsig (Allemagne).
Spécifications techniques et procédés de production
Principaux types d'échangeurs thermiques utilisés en raffinage et pétrochimie :
Familles de produits et caractéristiques
| Type échangeur | Pression / Température | Application | Fabricant français |
|---|---|---|---|
| Shell and tube TEMA Class R | 200 bar / 450 degrés C | Hydrocraquage, HDS raffinage | Alfa Laval Nevers 58 + EPC |
| Shell and tube TEMA Class B/C | 60 bar / 350 degrés C | Préchauffe brut, condenseurs | Alfa Laval Nevers 58, GEA Nice 06 |
| Plaques soudées PlateFlow | 100 bar / 400 degrés C | Sous-train préchauffe compact | Barriquand Atry 71 (unique France) |
| Plaques joints élastomère PHE | 25 bar / 180 degrés C | Eau, vapeur, agro et utilités | Alfa Laval Nevers 58 + GEA Nice 06 |
| Aéroréfrigérants API 661 | Atmosphérique / 200 degrés C | Condensation finale sans eau | Hudson Products + EPC |
| Échangeurs compacts PCHE | 600 bar / 800 degrés C | LNG, hydrogène, CCS | Heatric UK + Vahterus FI |
Grades et conditionnements commerciaux
- Échangeur shell and tube TEMA Class R Alfa Laval Nevers 58 : faisceau 1 000-5 000 tubes diamètre 19-25 mm en acier 1.25Cr-0.5Mo, calandre acier 1.25Cr-0.5Mo, pression service 100-200 bar, température jusqu'à 450 degrés Celsius, applications hydrocraquage et HDS raffinage.
- Échangeur shell and tube TEMA Class B/C : faisceau 500-2 000 tubes inox 316L diamètre 19 mm, calandre acier carbone P355GH, pression 30-60 bar, température 200-350 degrés Celsius, applications préchauffe brut et condenseurs colonnes.
- Échangeur plaques soudées PlateFlow Barriquand Atry 71 : plaques inox 316L ou Hastelloy soudées par diffusion sans joints, pression jusqu'à 100 bar, température 400 degrés Celsius, compacité 5 fois supérieure shell-tube, applications sous-train préchauffe brut.
- Échangeur à plaques joints PHE Alfa Laval Nevers 58 : plaques inox 316L emboutiest formant canaux corrugués, joints élastomère NBR/EPDM/FKM, pression 10-25 bar, température -25 à +180 degrés Celsius, applications eau, vapeur, utilités raffinage.
- Aéroréfrigérant API Standard 661 : faisceau tubes ailettés aluminium-acier carbone, ventilateurs axiaux 3-5 m diamètre, refroidissement effluents jusqu'à 200 degrés Celsius par air ambiant, économie eau, application finale raffinerie.
Normes et réglementations
Référentiels normatifs applicables aux échangeurs thermiques pétroliers :
- API Standard 660 : Shell-and-Tube Heat Exchangers - référence mondiale pour échangeurs faisceau tubulaire raffinage et pétrochimie.
- API Standard 661 : Air-Cooled Heat Exchangers - dimensionnement et fabrication aéroréfrigérants pour refroidissement final raffinerie.
- TEMA : Tubular Exchanger Manufacturers Association - classification Class R (raffinage, severe), Class B (chimie generale), Class C (services moderes).
- ASME VIII Division 1 et 2 : Boiler and Pressure Vessel Code pour conception mécanique calandre et faisceau, pressions et températures.
- EN 13445 : norme européenne pression non chauffes, marquage CE selon directive DESP 2014/68/UE, alternative ASME VIII en Europe.
- API Standard 662 : Plate Heat Exchangers - applicable échangeurs à plaques en raffinage (complément Alfa Laval, GEA).
Procédés industriels détaillés
Étapes de fabrication d'un échangeur thermique shell and tube :
Conception thermique HTRI
Conception thermique par logiciel HTRI Xchanger Suite ou Aspen Exchanger Design and Rating : dimensionnement nombre tubes, longueur, agencement, calcul coefficient transfert U et pertes charge.
Conception mécanique TEMA + ASME
Conception mécanique selon TEMA Class R et ASME VIII Div 1 ou 2 : épaisseurs calandre et tubes selon pression et température, dimensionnement brides et plaque tubulaire.
Approvisionnement tubes et tôles
Approvisionnement tubes sans soudure (Vallourec Saint-Saulve 59 acier allié, Sandvik Suede inox), tôles calandre P355GH ou 1.25Cr-0.5Mo (Industeel Le Creusot 71), brides forgées ASME B16.5.
Fabrication faisceau et calandre
Fabrication faisceau par dudgeonnage tubes dans plaque tubulaire (expansion mécanique étanche), soudage tubes-plaque option pour services H2 ou très étanches, montage chicanes (baffles) supportant tubes.
Tests pression et heliumtight
Tests hydrostatiques à 1,3 fois pression calcul coté tubes puis coté calandre, test étanchéité à l'hélium sur applications hydrogène, contrôles non destructifs radio et ultrasons soudures.
Livraison site et installation
Livraison sur site raffinerie (longueur 6-15 m, masse 10-100 tonnes), installation par grutage, raccordement piping process, isolation thermique laine roche, mise en service progressive.
Le marché français
Le marché mondial des échangeurs thermiques industriels représente 18 à 22 milliards de dollars par an en 2024 (raffinage 8, pétrochimie 6, HVAC et autres 4-8). Les leaders mondiaux sont Alfa Laval (Suède, CA 5 milliards d'euros par an, leader plaques mondial), GEA Group (Allemagne, 5 milliards d'euros par an), Kelvion (Allemagne ex-GEA refrigération, 1 milliard d'euros par an), API Heat Transfer (US), SPX Flow (US). En France, Alfa Laval Nevers 58 (1 200 salariés, CA 400 millions d'euros par an) est leader avec sites production échangeurs plaques et tubulaires. Barriquand Atry 71 (200 salariés, CA 60 millions d'euros par an, indépendant français) est unique sur créneau plaques soudées haute pression PlateFlow.
Les revamps de raffineries françaises (TotalEnergies Gonfreville 76, Donges 44, Feyzin 69, ExxonMobil Port-Jérôme 76) génèrent une demande continue d'échangeurs neufs (remplacement faisceaux corrodés tous les 8-15 ans, modernisations énergétiques optimisant trains préchauffe brut). La transition vers bioraffineries (TotalEnergies La Mède 13 HVO 500 000 t/an) et SAF Sustainable Aviation Fuel nécessite équipements adaptés aux températures et pressions de l'hydrotraitement HEFA. Le marché hydrogène vert ouvre de nouveaux besoins en échangeurs compacts PCHE Printed Circuit Heat Exchangers (Heatric UK leader) pour refroidissement électrolyseurs et compression H2 700 bar.
Alfa Laval investit 50 millions d'euros entre 2023 et 2027 dans la modernisation du site Nevers 58 (nouvelles lignes plaques inox et titane, automatisation soudage robotisé). Barriquand Atry 71 développe sa technologie PlateFlow pour applications hydrogène vert (compression et refroidissement électrolyseurs) avec investissement 10 millions d'euros 2024-2026. GEA France Nice 06 renforce position bioraffineries et chimie pharmaceutique. France 2030 alloue 100 millions d'euros aux équipements compacts haute performance pour CCS Carbon Capture Storage et hydrogène (PCHE PrintedCircuit, échangeurs cryogéniques LNG).
Applications et débouchés industriels
Programmes publics soutenant la filière française échangeurs thermiques :
- France 2030 décarbonation industrie (1,2 milliard d'euros) : volet efficience énergétique échangeurs train préchauffe brut raffineries.
- Plan Hydrogène France 2030 (9 milliards d'euros) : besoin échangeurs spécialisés électrolyseurs et compression H2 700 bar.
- Programme CCS Northern Lights et Pycasso France : échangeurs cryogéniques pour transport CO2 supercritique.
- Plan SAF Sustainable Aviation Fuel : modernisation bioraffineries TotalEnergies avec échangeurs hydrotraitement HEFA.
- Programme PIA4 Bpifrance : 100 millions d'euros équipements compacts haute performance (PCHE, plaques soudées).
Questions fréquentes
Qui fabrique les échangeurs thermiques en France ?
Trois acteurs majeurs fabriquent des échangeurs thermiques industriels en France. Alfa Laval France (siege Cergy-Pontoise 95, site industriel Nevers 58 Nièvre, 1 200 salariés, CA France 400 millions d'euros par an, filiale du groupe suédois Alfa Laval CA mondial 5 milliards d'euros par an) est leader avec échangeurs à plaques PHE Plate Heat Exchangers et échangeurs shell and tube. Barriquand Atry 71 (Saône-et-Loire, 200 salariés, CA 60 millions d'euros par an, indépendant français) est spécialiste mondial des échangeurs à plaques soudées PlateFlow haute pression et température (unique en France sur ce créneau jusqu'à 100 bar et 400 degrés Celsius). GEA France (filiale GEA Group Allemagne, bureau Nice 06, 1 500 salariés en France) fabrique échangeurs tubulaires et plaques pour agroalimentaire, chimie pharmaceutique et pétrochimie.
Qu'est-ce qu'un échangeur TEMA Class R ?
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) est l'association américaine qui définit les standards techniques pour échangeurs shell and tube depuis 1939. Elle classe les échangeurs en trois classes selon sévérité du service. Class R (Refinery, raffinerie) : applicable aux services très sévéres en raffinage et pétrochimie (haute pression jusqu'à 200 bar, haute température 450 degrés Celsius, hydrogène, sulfure), avec exigences strictes (paisseurs majoree, soudures tubes-plaque obligatoires, contrôles renforces). Class B (Bulk) : services chimie générale, conditions moins extrêmes. Class C (Commercial) : services moderes utilites et petite chimie. TEMA définit aussi les types de têtes (A,B,C,N,T,U) et calandres (E,F,G,H,J,K,X) avec système 3-lettres (ex: AES, BEM, NEN). API Standard 660 complète TEMA pour exigences spécifiques pétrolières.
Échangeur shell-tube ou plaques pour raffinage ?
Le choix entre échangeurs shell and tube et plaques dépend des conditions opératoires. Shell and tube (TEMA Class R) reste dominant en raffinage et pétrochimie (70-80 pourcent du parc) pour pressions très élevées (jusqu'à 200 bar hydrocraquage), températures élevées (450 degrés Celsius), fluides corrosifs nécessitant aciers alliés spéciaux 1.25Cr-0.5Mo, services hydrogène sulfure. Les échangeurs à plaques (PHE joints) conviennent pour pressions modérées (< 25 bar) et températures basses (< 180 degrés Celsius), avec avantages compacité (10x moins encombrant) et efficacité thermique. Les plaques soudées PlateFlow (Barriquand Atry 71) combinent compacité et résistance haute pression jusqu'à 100 bar et 400 degrés Celsius, installés sur sous-trains préchauffe brut raffinerie. PCHE Heatric UK permet 600 bar 800 degrés Celsius pour applications LNG et hydrogène.
Quels matériaux pour échangeurs raffinage ?
Le choix des matériaux d'échangeurs en raffinage dépend de la corrosion attendue. Acier carbone P355GH ou A516 Grade 70 : services peu corrosifs (eau, vapeur, hydrocarbures non agressifs), temperature limite 400 degrés Celsius. Acier allié 1.25Cr-0.5Mo (T11, P11) et 2.25Cr-1Mo (T22, P22) : services hydrogène haute pression et température (hydrocraquage, HDS), résistance attaque hydrogène et fluage. Aciers inox 316L et 321 : services chlorures, eau de mer, acides organiques. Hastelloy C-276 et titane : services très corrosifs (HCl, eau de mer chaude, acides forts), tubes échangeurs Alfa Laval Nevers 58. Inconel 825 : services H2S. Le choix est validé par diagrammes Nelson Curves (hydrogène haute temperature) et NACE MR0175 (services sulfurés pour éviter Sulfide Stress Cracking).