Brevet FR2005156A1 — publié le 19691205

L'invention concerne d'une manière générale des échangeurs de chaleur pour gaz chauds et en particulier, un plateau à tubes résistant à la pression et destiné aux réfrigérants de gaz chauds, dont les tubes subissent un refroidissement supplémentaire dans la zone d'entrée des gaz. Dans de nombreux processus de gazéification, les gaz produits se dégagent à haute température et doivent être refroidis avant tout traitement ultérieur avec récupération de la chaleur sensible Pour éviter un dépôt sur les surfaces des échangeurs de chaleur de matières qui peuvent être entraînées par les gaz ou être contenues à l'état dispersé dans ceux-ci, ou bien pour refroidir rapidement les gaz, des vitesses élevées des gaz sont souvent nécessaires.Pour assurer une résistance suffisante et pour empêcher l'apparition de contraintes thermiques élevées ainsi que d'une attaque corrosive, il est nécessaire, dans le cas de ces réfrigérants de gaz, que les surfaces métalliques exposées aux courants de gaz, de préférence les tubes, ne soient jamais soumis à une température très élevée Des difficultés apparaissent en particulier quand le gaz circule dans les tubes d'un réfrigérant d ans ltespace extérieur duquel on doit engendrer de la vapeur sous pression élevée. les plateaux à tubes doivent alors avoir des parois relativement épaisses et il n'est souvent pas possible, avec les formes de réalisation courantes, d'évacuer suffisamment la chaleur des zones d'entrée du gaz dans les tubes, qui sont les plus fortement chauffées. On a déjà suggéré de protéger ces zones d'entrée, par exemple par des manchons placés à l'intérieur des tubes, par calorifugeage du plateau à tubes ou par mise en place d'un autre-pla- teau mince, non portant et refroidi séparément. La fixation de manchons en céramique ou en métal dans les entrées des tubes1 ou de calorifugeage1 en amont des plateaux à tubes/ n'est en général pas suffisamment sûre. Dans le cas de plaques montées en amont, qui prennent appui sur le plateau à tubes-proprement dit, résistant à la pression, il n'est guère possible de communiquer au fluide réfrigérant, circulant dans l'intervalle qui les sépare, une direction d'écoulement constante et bien définie à proximité de tous les points d'entrée du gaz. L'invention vise à refroidir efficacement, et avec un courant de fluide réfrigérant uniforme et bien défini, les zones d'entrée situées dans un plateau à tubes à paroi épaisse, d'un réfrigérant de gaz chauds, où les vitesses de circulation du gas sont élevées et qui, de plus, peuvent être soumis additionnel- lement à une attaque corrosive et/ou érosive. Cet objectif est atteint, conformément à ltinvention, en réalisant les tubes dans lesquels arrive le gaz à refroidir, avec une double paroi à proximite des points d'entrée et en retrait annulairement à deux parois par emboutissage, et en insérant, dans les interst-- ces annulaires, des conduits fixés dans un plateau intermédiai re.L'espace entourant ces conduits, entre le plateau interné diaire et le plateau à tubes supportant la pression, tourné vers l'enceinte contenant les gaz, peut être relié - par l'intermédiaire de l'interstice annulaire formé par les conduitsavec la chambre extérieure du réfrigérant de gaz chauds, ou bien, lorsque l'interstice annulaire est isolé ou fermé, un fluide réfrigérant spécial peut lui être amené et en être évacué par des conduits particuliers. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des dessins qui représentent schématiquement des exemples de réalisation. La figure 1 est une vue en coupe transversale du réfrigérant de gaz chauds à travers la zone du plateau à tubes ou des tubulures d'arrivée des gaz. le plateau à tube 1 se trouve a l'intérieur d'une gaine munie de brides des deux côtés. Le pla teau à tubes est relié de façon amovible, par l'intermédiaire de la bride A, à la chambre de gazéification et, par l'intermédiaire de la bride B, à la chambre de réfrigération en retour ou à la chaudière chauffée par la chaleur perdue en vue de la récupération de la chaleur des gaz chauds. la structure de la chambre de réfrigération en retour ou de la chaudière chauffée par la chaleur perdue, avec des surfaces d'échange thermique constituées par des serpentins ou éléments analogues, n'est pas un objet de l'invention.Des tronçons de tubes 2 sont fixés au plateau à tubes 1 par un moyen approprié et connu, et sont placés face au courant de gaz sortant de la chambre de gazéification et pénétrant dans le réfrigérant des gaz chauds. mes tubes 3 parcourus par les gaz chauds sont enfoncés coaxialement dans ces tronçons de tubes 2 de façon à former/ sur toute la longueur de ces tronçons de tubes 2, des éléments tubulaires à double paroi ou des cavités c en forme d'interstice annulaire Les extrémités libres des tubes 2 et 3 limitant cette cavité sont rapprochées l'une de l'autre annulairement par embooutissa- ge et soudées entre elles.Des conduits 4 sont enfoncés coaxialement, par le côté tourné vers la chambre de gazéification, dans les cavités c en forme d'interstice annulaire, ces conduits 4 étant fixés à leur tour à un plateau intermédiaire 5 disposé à libres une certaine distance du plateau à tubes 1. les extrémités/ des conduits 4, pénétrant dans la cavité c, se terminent à une certaine distance, très faible, des extrémités des tubes 2 et 3 embouties annulairement, si bien qu'on obtient à cet endroit une section transversale de passage bien détermineepour le fluide réfrigérant. Les extrémités embouties des tubes formant les zones d'introduction directe du gaz chaud dans les tubes 3 peuvent avoir des sections transversales de formes diverses. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 2, seule l'extrémité tournée du côté introduction des gaz du tube 3, pénétrant dans la chambre de réfrigération en retour ou dans la chaudière réchauffée par la chaleur perdue est déformée en direction du tronçon de tube 2 de plus grand diamètre, de façon à s'adapter et à se réunir à-lui et ')à obtenir des arêtes plus ou moins vives ayant le diamètre du tube 2.Dans la forme de réalisation de la figure 3, chaque zone de liaison par emboutissage des tronçons de tubes 2 et des tubes à gaz 3, est arrondie en forme de tore pour améliorer l'évacuation de la chaleur, ainsi que les conditions de circulation à l'intérieur et à l'extérieur. La liaison en forme de tore des tronçons de tube 2 et des tubes 3 permet également une diminution de l'épaisseur des parois dans la zone de liaison par emboutissage. Enfin, cette liaison- peut, conformément à la figure 3, être également réalisée en soudant aux tubes 2 et, 3 des anneaux préfabriqués en forme de tore qui peuvent également être réalisés en une matière spéciale résistant à la chaleur. le liquide à vaporiser, ou bien un autre fluide réfrigérant, est introduit dans l'espace D (figure 1) entre la plaque tubulaire 1 et le plateau intermédiaire 5. Ce fluide circule ensuite entre les tronçons de tubes 2 et les conduits 4 jusqu'à la zone d'entrée emboutie des tronçons de tubes 2 et des tubes 3 et, de là, circule entre les tubes1 dans lesquels circule le gaz, et les conduits,pour revenir dans la chambre extérieure du réfrigé rant pour gaz chauds. Pour augmenter la vitesse tangentielle du fluide réfrigérant le long des surfaces à refroidir, on peut monter des éléments 6 courbés en forme d'aubes directrices sur les extrémités des conduits 4, éléments qui provoquent un écoulement tourbillonnaire autour de l'axe de chaque tube 3, au voisinage de la zone d'introduction. La réalisation du plateau à tubes et des zones d'introduc- tion dans les tubes 3, selon l'invention, peut être encore améliorée par d'autres mesures constructives. Une élévation excessive de température du plateau à tubes 1 à paroi épaisse est évitée en faisant dépasser les tronçons de tubes 2 d'une longueur suffisante dans la chambre à gaz. De plus, le plateau à tubes 1 selon les figures i et 3 peut être isolés entre les tronçons de tubes 2 par une matière tassée 7 ou par des briques moulées. Pour assurer une meilleure fixation de cette matière tassée, les tronçons de tubes 2 sont munis avantageusement de tiges disposées radialement ou-d'autres éléments d'accrochage connus en soi. il arrive, dans les cas extrêmes, que la densité du flux de chaleur pénétrant dans les zones d'introduction dans les tubes de chauffe ne conduisent alors pas à un échauffement excessif de la zone dtintroduction quand celle-ci est refroidie par un fluide réfrigérant à une température relativement basse. Avec un plateau à tubes selon les figures 1 et 3, cela serait par exemple possible en utilisant, comme fluide de réfrigération des zones d'introduction, de l'eau d'alimentation froide, mais en utilisant, pour élever encore la température de l'eau d'alimentation, de la chaleur à température élevée qui est perdue pour la production de vapeur, avec la chaleur disponible en provenance de l'enceinte E. L'utilisation d'un fluide réfrigérant à très basse température est possible sans inconvénient pour la production de vapeur, si les cavités annulaires c sont isolées par rapport-à l'enceinte extérieure E de l'échangeur de chaleur et si des ca- et la sortie naux d'écoulement séparés sont prévus pour l'introduction/ du fluide réfrigérant circulant dans ces cavités, en écoulement forcé ou en écoulement libre. les conduits d'évacuation du fluide réfrigérant assez froid sortant de l'interstice annulaire sont alors avantageusement entouré par le fluide réfrigérant relativement plus chaud sortant de l'enceinte extérieu re E de l'échangeur de chaleur. La figure r4 est une vue en coupe transversale d'une telle réalisation du rétrigérant de gaz chauds. Les conduits 4 introduits coaxialement dans les espaces annulaires sont'fixés par l'intermédiaire dune entretoise 5 aux tronçons de tubes 2. les conduits 4 se terminent, de chaque côté, à proximité de l'extrémité côté introduction des chambres c et délimitent ainsi la section transversale, de passage-pour le fluide réfrigérant assez froid pénétrant par la conduite 6 et sortant par la conduite 7, fluide grâce auquel les zones d'introduction du gaz dans les tubes de chauffe 3 sont refroidies indépendemment de 1 lé- change de chaleur dans la chambre E. les conduites 7 d'évacuation de ce fluide réfrigérant assez froid peuvent suivre un certain trajet à travers la chambre du fluide de réfrigération relativement réchauffé. La chaleur absorbée dans ces conditions favorise la circulation naturelle du fluide réfrigérant assez froid à travers les conduites 6 et 7. Mais la quantité de chaleur absorbée par le fluide réfrigérant assez froid dans les chambres c annulaires doit être limitée de manière appropriée, car telle abaisse la température de la chaleur récupérable dans la chambre B. CBest pour cette raison qu'avec cette forme de réalisation, les tronçons de tubes 2 refroidis séparément n'ont pas une longueur supérieure-à celle qui est nécessaire eu égard à la possibilité. de réalisation et à unè protection suffisante des tubes de chauffe 3. Dans ces conditions, il peut être avantageux de donner aux tronçons de tube formant l'enveloppe réfrigérantedes longueurs différentes et/ou également d'échelonner en direction axiale les zones d'introduction du gaz dans les tubes de chauffe 3. - R E V E N D I C A T I O N S 1.- Plateau à tubes pour réfrigérant de gaz chauds, à fortes différences de pression entre le gaz et le fluide réfrigérant, pour le refroidissement de gaz chauds circulant à grande vitesse à tra- vers les tubes, caractérisé en ce que les tubes dans lesquels passe le gaz à refroidir sont réalisés avec une double paroi à proximité des zones entrée et sont réunis annulairement par emboutfasage et des conduits, fixés dans un plateau intermédiaire placé devant, sont introduits dans les cavités annulaires ainsi cr4e. 2.- Plateau à tubes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre entourant les conduits, entre le plateau interm6- diaire et le plateau à tubes tourné vers la chambre des gaz est en communication par l'intermédiaire de l'interstice annulaire ménagé autour desdits conduits, avec la chambre extérieure du réfrigérant des gaz chauds. 3.- Plateau à tubes selon la revendication t, caractérisé en ce que les interstices annulaires pour le fluide réfrigérant sont i9aissE par rapport à la chambre extérieure de l'échangeur de chaleur et des conduites particulibres sont prévues pour l'entrée et la sortie-du- fluide réfrigérant circulant dans ces interstices en régime de cire culation forcée ou libre. 4.- Plateau à tubes selon la revendication 3, caractérisé en 0e-c que les conduites d'évacuation du fluide réfrigérant assez froid-?so tant des interstices annulaires sont réalisées sons forme de turaur ascendants et sont entourées par le fluide réfrigérant relativement plus chaud provenant de la chambre extérieure de l'échangeur de chaud leur. 5.- Plateau à tubes selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cavités ou interstices recevant le fluide réfrigérant sont réalisées de façon à avoir des longueurs différentes. 6.- Plateau à tubes selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone de liaison par emboutissage des tubes est arrondie en forme de tore. 7.- Plateau à tubes selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un anneau embouti est soudé sur lesdits tubes. 8.- Plateau à tubes selon lwune des revendications 1 à 7, cardez térisé en ce que les portions à double paroi desdits tubes font saillie au-delà du plan du plateau à tubes en direction de la chambre des gaz. 9.- Plateau à tubes selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'espace compris entre les portions de tubes en saillie à l'intérieur de la chambre des gaz est rempli en tout ou partie d'une matière caloriLuge.