Brevet FR2067089A1 — publié le 19710813

-1- 2067089 La présente invention concerne un procédé pour le refroidissement de gaz contenant de la suie obtenus par combustion partielle d'hydrocarbures, jille concerne aussi un appareil utilisable pour la mise en oeuvre de ce procédé. 5 Le refroidissement de gaz chauds obtenus par combustion partielle d'hydrocarbures, gaz dans lesquels la présence de suie sous la forme de particules sèches est inévitable, pose à la fois un problème de température et un problème de suie, comme on l'expliquera ci-après. Quand ces gaz sont passés dans des 10 serpentins hélicoïdaux qui sont refroidis extérieurement par un agent de refroidissement, les parois des serpentins sont portées à une température élevée en raison de la transmission de chaleur. Dans la fabrication d'un serpentin hélicoïdal, l'enroulement du tube initialement droit a pour résultat un défaut de ron-15 deur. Par conséquent, la résistance mécanique du serpentin hélicoïdal est inférieure à celle du tube initialement droit. Le problème de température est en relation avec ce défaut de rondeur. Du fait de la transmission de chaleur, la température de la paroi du serpentin peut s'élever dans une mesùre telle que 20 la température élevée ainsi atteinte provoque un écrasement du serpentin en raison de ce défaut de rondeur et de la résistance mécanique réduite quand la pression de l'agent de refroidissement est très supérieure à celle des gaz à refroidir. Quand la vitesse des gaz augmente, la transmission de 25 chaleur augmente et par conséquent la température de paroi du tube s'élève. En même temps, un accroissement de la vitesse des gaz a pour résultat un temps de séjour plus court des gaz dans le serpentin hélicoïdal et les gaz peuvent être soumis à un abaissement relativement plus faible de la température. Une tem-3>0 pérature excessive des parois implique que la vitesse des gaz doit être réduite, de manière que la température finale des gaz s'abaisse auss- comme résultat du temps de séjour plus long. Par ailleurs, quand la vitesse des gaz est réduite, le risque de dé-pot de suie sur la paroi intérieure des tuyaux devient plus 35 grand, et une fois qu'une mince couche de suie s'est déposée, la transmission de chaleur diminue, avec le résultat que la température de la paroi du tuyau s'abaisse encore un peu (ce qui a peu d'importance, si la résistance mécanique de la paroi était 70 40194 -2- 2067089 déjà suffisante) et la température finale des gaz s'élève de nouveau. Quand la vitesse des gaz est accrue, la couche de suie sur la paroi intérieure des tuyaux peut commencer à diminuer d'épaisseur et même disparaître presque complètement, et alors la 5 transmission de chaleur augmente considérablement, la température de la paroi du tuyau peut atteindre une valeur inacceptable et le refroidissement des gaz ne se produit plus uniformément comme résultat de la variation dans la transmission de daaleur. 11 est donc impossible de résoudre indépendamment le problème de tempé-10 rature et le problème de suie. Ces problèmes se posent d'une manière inhérente9 par exemple, dans la préparation de mélanges hydrogène/oxyde de carbone (gaz de synthèse) par combustion partielle d'hydrocarbures, dans laquelle le gaz de synthèse résultant est refroidi, et il est donc souhaitable qu'on trouve 15 line solution à ces problèmes. La demanderesse a maintenant trouvé que l'utilisation de serpentins hélicoïdaux pour le refroidissement permet d'obte^-nir une opération constante et sûre si les gaz, avant d'être passés dans le serpentin hélicoïdal, sont^artiellement refroidis 20 par passage dans un tube droits tandis qu'en même temps certaines conditions sont remplies,, L'invention concerne donc un procédé pour le refroidissement dans des serpentins hélicoïdaux de gaz contenant de la suie obtenus par combustion partielle d'hydrocarbures * dans lequel 25 les gaz sont passés dans un ou plusieurs tubes droits et sont ainsi refroidis à une température ne dépassant pas 1200°G à une ^ 2 ~ vitesse massique d'au moins 100 kg/m /s, et sont ensuite refroidis encore par passage dans un ou plusieurs tubes en forme de •serpentins hélicoïdaux dont au moins certaines des spires suc-30 cessives s'étendent, au moins sensiblement, dans la'direction du tube droit, et le ou les tubes droits sont refroidis par un fluide de refroidissement s'écoulant parallèlement aux gaz qui s'écoulent dans le ou les tubes droits. Le choix d'un tube droit pour refroidir les gaz à une 35 température ne dépassant pas 1200°C n'est pas évident, car il est connu que la suie se dépose plus rapidement dans un tube droit que dans un serpentin hélicoïdal. Le refroidissement des gaz dans le. ou les tubes droits BAD ORIGINAL 70 40194 -3- 2067089 à..une température au-dessous de 1000°C n'est pas nécessaire pour les buts de l'invention. • Le gaz de synthèse obtenu par combustion partielle d'hydrocarbures se trouve à une température de 1300 à 140C°C à sa 3 sortie du réacteur. Quand on utilise de l'eau comme fluide de refroidissement, elle forme de la vapeur d'eau. Une partie de cette vapeur d'eau peut être utilisée comme milieu auxiliaire dans la combustion partielle d'hydrocarbures. En général, la vapeur d'eau est utilisée comme source d'énergie, par-exemple 10 sous la forme de vapeur d'eau à haute pression pour la production d'énergie électrique. Dans ce cas, on utilise de préférence de la vapeur d'eau à une pression de 50 à 150 atmosphères. L'invention est spécialement importante dans la production de ces pressions de vapeur 0.'eau, parce que sous ces pressions des 1? températures relativement élevées se rencontrent aux parois des tuyaux et une pression relativement forte est exercée sur la paroi du tuyau, en particulier si, par suite de considérations opératoires, il est souhaitable de maintenir la pression du gaz beaucoup plus basse que la pression de la vapeur d'eau. Dans le Le refroidissement des gaz dépend de la transmission de chaleur et du temps de séjour dans les tuyaux. La transmission ^ de chaleur dépend de la vitesse massique des gaz, tandis que le temps de séjour dépend de la vitesse massique et de la longueur du tube droit. rour un refroidissement à une température ne dépassant pas 120G°C, il est en général suffisant que le tube droit ait 30 une longueur de 2 mètres environ. S'il est souhaitable que la transmission de chaleur soit accrue, on peut augmenter la vitesse des gaz et on peut choisir une longueur de tube de plus de 2 mètres, si c'est nécessaire pour qu'on obtienne un temps de séjour suffisamment long. Il est possible aussi d'utiliser 33 plusieurs tubes droits disposés en parallèle, reliés chacun à un 'serpentin hélicoïdal tel que défini. Si on le désire, la longueur du tube droit peut être choisie à une valeur allant jusqu'à 10 mètres. En général, toute 70 40194 _4- 2067089 fois, cette longueur ne sera pas adoptée en raison de la longueur qui en résulte pour l'échangeur de chaleur et de préférence on maintiendra plus petite la longueur des tubes en utilisant plusieurs tubes droits disposés en parallèle et reliés cha-5 cun à un serpentin hélicoïdal. Au moins certaines des spires successives du serpentin hélicoïdal s'étendent, au moins sensiblement, dans la direction du tube droit. Compte tenu de l'espace disponible, l'axe longitudinal de ces serpentins peut former un petit angle avec le 10 prolongement de l'axe longitudinal du tube droit. Le raccordement du tube droit au tube en forme de serpentin hélicoïdal peut être tel que l'axe longitudinal des spires soit, au moins sensiblement, dans le prolongement de l'axe longitudinal du tube droit, ou tel que l'axe longitudinal des spires soit, au moins 15 sensiblement, parallèle au prolongement de l'axe longitudinal du "tube droit. Si on le désire, le tube en forme de serpentin hélicoïdal peut être constitué de deux parties, l'arrangement étant tel que la première partie s'étend dans la direction du- tube droit et est reliée à une deuxième partie, dont les spires ont 20 le même axe longitudinal, mais ont un rayon différent par rapport à cet axe longitudinal, cette deuxième partie étant située à l'intérieur ou à l'extérieur, de préférence à l'intérieur de la première partie. De cette manière, deux serpentins hélicoïdaux "coaxiaux" sont formés. 25 La vitesse massique est choisie en fonction du dépôt de suie et de la température admissible des parois. De préférence, 'la vitesse massique n'est pas supérieure à 500 kg/m1"/s, ca3?â une vitesse supérieure à cette vitesse massique la température de la paroi du tuyau pourrait devenir si élevée que la 30 résistance à l'effet érosif des particules de suie diminue rapidement. Une valeur de 200 a 550 kg/m^/s est préférée pour la .vitesse massique à laquelle les gaz sont introduits. Avec des pressions élevées de vapeur d'eau, par exemple de 60 atmosphères et plus, la longueur du tube droit est de 35 préférence choisie supérieure à 2 mètres, par exemple de 4 à' 6 mètres, la vitesse massique dans ce cas étant de 200-550 kg/ 2/ m /s. Le liquide de refroidissement est introduit de manière / . BAD ORIGINAL 70 40194 -5- 2067089 que le ou les tubes droits soient refroidis en écoulement parallèle avec les gaz circulant dans ce ou ces tubes. Ainsi, au moins une partie du liquide de refroidissement s'évapore et le fluide de refroidissement, si on utilise l'eau comme fluide de 5 refroidissement ajouté, consiste, en un mélange, eau-vapeur et refroidit aussi les serpentins hélicoïdaux tandis que des quantités fraîches de vapeur d'eau sont formées. Dans ce cas, il est avantageux (pour des raisons de débit et de turbulence du fluide de refroidissement) de faire en sorte que la surface de 10 section libre de l'espace contenant les tubes droits ne soit de préférence pas supérieure à 30 % de la surface de section de l'espace contenant le ou les serpentins hélicoïdaux. Pour conduire le fluide de refroidissement, également dans les cas où la surface de section libre ci-dessus est supérieure à 30 %, on 15 peut utiliser des déflecteurs dans l'espace contenant le ou les tubes droits, déflecteurs qui, si on utilise quatre tubes droits, peuvent avoir la forme d'un bouclier courbe et être disposées symétriquement le long de la paroi de l'espace, le côté concave étant orienté vers la paroi. 20 L'invention concerne aussi un procédé pour la prépara tion de gaz de synthèse par combustion partielle d'hydrocarbures qui éventuellement contiennent de la suie, avec de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène, avec ou sans introduction de vapeur d'eau, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, 25 en particulier entre 5 et 150 atmosphères, dans lequel le mélange de gaz résultant, qui peut contenir jusqu'à 5 % en poids de suie, est refroidi de la manière définie ci-dessus. Elle concerne spécialement un procédé dans lequel les gaz contenant de la suie sont refroidis à une température finale de 260-34-0°0 au 30 moyen d'eau comme fluide de refroidissement et dans lequel de la vapeur d'eau est obtenue sous une pression de 50 à 150 atmosphères. Il est possible de régler la pression de vapeur d'eau entre ces valeurs suivant l'utilisation envisagée pour la vapeur d'eau à haute pression. 35 L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur pour refroidir des gaz contenant de la suie obtenus par combustion partielle d'hydrocarbures, échangeur de chaleur qui comprend un ou plusieurs tubes droits d'au moins 2 mètres de longueur rei 70 40194 -6- 2067089 liés à une entrée dés gaz, un ou plusieurs serpentins hélicoïdaux reliés à une sortie des gaz, une canalisation d'amenée pour le fluide de refroidissement ét une canalisation d'évacuation pour le fluide dé refroidissement, dans lequel la canalisa-5 tion d'amenée pour le fluide de refroidissement est disposée de manière que le fluide de refroidissement arrive à l'extrémité d'entrée des gaz du ou des tubes droits, et dans lequel le ou les serpentins hélicoïdaux sont reliés au tube droit ou aux tubes droits, et dans lequel au moins certaines des spires du 10 ou des serpentins hélicoïdaux s'étendent, au moins sensiblement, dans la direction du ou des tubes droits. L'invention concerne aussi un appareil pour la préparation d'un mélange de gaz contenant de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone, comprenant une chambre de réaction pour la cornbus-15 tion partielle d'un hydrocarbure avec l'oxygène, avec introduction éventuelle de vapeur d'eau, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, en particulier entre 5 et 150 atmosphères, et aussi un échangeur de chaleur relié à la canalisation d'évacuation des gaz de la chambre de réaction, l'échan-20 geur de chaleur utilisé étant tel que défini ci-dessus. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs s la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil utilisable pour la combustion partielle d'hydrocarbures 25 et leur refroidissement; la figure 2 est une représentation schématique d'un mcae de réalisation de l'échangëur de chaleur; la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'échangëur de chaleur, dans l'espace contenant les 30 tubes droits, l'échangëur de chaleur comportant quatre tubes droits, quatre serpentins hélicoïdaux et des défecteurs qui. sont disposés dans l'espace contenant les tubes droits. Sur la figure 1, la partie A représente le réacteur proprement dit, qui est équipé d'une canalisation a d'alimenta-35 tion en combustible conduisant à une partie brûleur A' du réacteur et une canalisation b d'alimentation en oxygène, tandis que la vapeur d'eau, si on en utilise, peut être introduite tant par a que par b. La partie B est un raccordement entre le BAD ORIGINAL 70 40194 2067089 réacteur et une pièce le jonctio.. 0. Les gaz chauds passent par le raccord B et la pièce de jonction C à un échangeur de chaleur D qui comporte un tube droit et un serpentin hélicoïdal et aussi une évacuation ç pour les gaz refroidis, une entrée d pour le 5 fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, et une sortie e pour le fluide de refroidissement. Le tube droit, qui a une longueur d'au moins 2 mètres, est désigné par f et le serpentin hélicoïdal par £. La figure 2 est une vue longitudinale en coupe partielle "10 de l'échangëur de chaleur. L'échangëur de chaleur comprend un récipient cylindrique 13 ayant une plaque de fond 3, placée sur une pièce de jonction 5? qui comporte une canalisation 4- d'arrivée de gaz. L'échangëur de chaleur comprend aussi des sorties 8 et 9 poux1 le gaz refroidi, une canalisation 10 d'arrivée du 'O fluide de refroidissement dont l'extrémité inférieure comporte une buse de pulvérisation 11, des serpentins hélicoïdaux 6 et 7 reliés aux tubes droits 1 et 2 respectivement, dont la longueur est d'au inoins 2 mètres. Le fluide de refroidissement, en général de l'eau, qui est introduit par la canalisation 10, est pulvérisé 20 contre la plaque de fond 4 par la buse de pulvérisation 11 et s'écoule ensuite de bas en haut, refroidissant ainsi les tubes droits 1 et L et les serpentins hélicoïdaux 6 et ?. Les serpentins hélicoïdaux o et 7 sont disposés dans l'espace annulaire 14 f'ormé par la paroi de la canalisation d'amenée 10 et le corps ô du récipient cylinaricue 13• Les serpentins hélicoïdaux 6 et 7 ont un axe longitudinal commun qui coïncide avec l'axe longitudinal de la canalisation d'amenée 10. L'échangëur de chaleur comporte aussi deux déflecteurs pour l'eau de refroidissement qui s'étendent depuis la plaque de fond à peu près jusqu'à l'en-30 droit où les serpentins hélicoïdaux sont reliés aux tubes droits. La position de ces déflecteurs n'est pas représentée. La figure 3 est une coupe effectuée dans l'espace contenant les tubes droits d'un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur ayant la configuration représentée sur la figure 2, mais 33 qui comporte quatre serpentins hélicoïdaux reliés à quatre tubes droits. La section montre les déflecteurs pour le fluide de refroidissement, les quatre tubes droits et la canalisation d'amenée du fluide de refroidissement. Sur cette figure, les réfé- BAD original 70 40194 -b- 2067089 rences 20, 21, 22 et 2$ désignent les tubes droits, 24 la canalisation d'amenée du fluide de refroidissement, 25 le corps de l'échangëur de chaleur, 26 l'espace contenant les tubes 20 à 23 et 27, 28, -29 et 50 les déflecteurs en forme de boucliers 5 pour le fluide de refroidissement, qui sont fixés au corps 25. 70 40194 2Q67089 - REVENDICATIONS - 1 - Un procédé pour le refroidissement de gaz.contenant de la suie obtenus par combustion partielle d'hydrocarbures, dans lequel les gaz sont passés dans un ou plusieurs tubes droits 5 et sont ainsi refroidis à une température ne dépassant pas 1200°C à une vitesse massique d'au moins 100 kg/m /s et sont ensuite encore refroidis par passage dans un ou plusieurs tubes en forme de serpentins hélicoïdaux dont au moins certaines des spires s'étendent, au moins sensiblement, dans la direction du tube 10 droit, et le ou les tubes droits sont refroidis par un fluide de refroidissement en écoulement parallèle avec les gaz circulant dans le ou les tubes droits. 2 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des serpentins est au moins sensible- 15 ment dans le prolongement de l'axe longitudinal du tube droit. 3 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des serpentins est au moins sensiblement parallèle au prolongement de l'axe longitudinal du tube droit. 20 4 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que les gaz dans le ou les tubes droits sont refroidis à une température pas plus basse que 1000°0. 5 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les gaz sont passés dans le ou les tubes 25 droits à une vitesse massique ne dépassant pas 500 kg/m'Vs. 6 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vitesse massique à laquelle les gaz sont passés dans le ou les tubes droits est comprise entre 200 et 350 kg/m^/s. 30 7 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est amené près de l'extrémité d'entrée des gaz dans le ou les tubes droits et que la surface de section libre de l'espace contenant le ou les tubes droits n'est pas supérieure à 30 %■ de la surface de 35 section de l'espace contenant le ou les serpentins hélicoïdaux. 8 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 7» caractérisé en ce qu'on fait couler le fluide de refroidissement autour du ou des tubes droits au moyen de déflecteurs. 70 40194 -10- 2067089 9 .- Un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les gaz contenant de la suie en contiennent jusqu'à 5 % en poids et sont préparés par combustion partielle d'hydrocarbures, qui contiennent éventuellement de la suie, à 5 l'aide d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène, avec ou sans introduction de vapeur d'eau, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, en particulier entre 5 et 150 atmosphères. 10 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à S, caractérisé en ce que les gaz contenant de la suie sont refroi- 10 dis à une température finale de 260 à 340°G à l'aide d'eau coiaae fluide de refroidissement, de la vapeur d'eau étant obtenue à une pression de vapeur d'eau de 50 à 150 atmosphères. 11 - Un échangeur de chaleur pour refroidir des gaz contenant de la suie obtenus par combustion partielle d'hydrocar- 15 bures, échangeur de chaleur qui comprend un ou plusieurs tubes droits d'au moins 2 mètres de longueur reliés à une entrée des gaz, un ou plusieurs serpentins hélicoïdaux reliés à une sortie des gaz, une canalisation d'amenée pour le fluide de refroidisse-ment et une canalisation d'évacuation pour le fluide de refroi- 20 dissement, dans lequel la canalisation d'amenée pour le fluide de refroidissement est construite de manière que le fluide de refroidissement arrive à l'extrémité d'entrée des gaz dans le ou les tubes droits et dans lequel le ou les serpentins hélicoxdraui sont reliés au tube droit ou aux tubes droits, et dans lequel au 25 moins certaines des spires du ou des serpentins hélicoïdaux s détendent, au moins sensiblement, dans la direction du ou des tuees droits. 12 - Un échangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des serpentins est aa 30 moins sensiblement dans le prolongement de l'axe longitudinal du tube droit auquel ces serpentins sont reliés. 13 - Un échangeur de chaleur selon la revendication l'i, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des serpentins est au moins sensiblement parallèle au prolongement de l'axe, longitudi- 35 nal du tube droit auquel ces serpentins sont reliés. 14 - Un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la longueur du ou des tubes droits n'est pas supérieure à 10 mètres. BAD ORIGINAL 70 40194 2067089 15 - Un éctLangeur de chaleur selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la surface de section libre de l'espace contenant le ou les tubes droits n'est pas supérieure à 30 % de la surface de section de l'espace contenant le ou les serpentins hélicoïdaux. 16 - Un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs déflecteurs sont prévus dans l'espace contenant le ou les tubes droits.