Brevet FR2104921A1 — publié le 19720428

, 1 2104921 L& présente invention concerne les éléments composites stratifiés perméables pour traitements chimiques ou physiques à des températures variant dans de larges intervalles. Par élémentecomposites stratifiés perméables, on entend ici les en-cj sembles constitués par un support grillagé ou analogue sur lequel est appliquée une nappe d'un matériau chimiquement ou physiquement actif dans le processus envisagé. A titre d'exemples caractéristiques de tels ensembles, on citera en premier lieu ceux constitués par les toiles en métaux -jq précieux utilisées pour la catalyse de certaines réactions chimiques notamment en phase gazeuse, portées par un support du type ci-dessus envisagé, ledit support conférant à l'ensemble une résistance mécanique que ne présenterait pas la toile seule. Ce sont ces ensembles dont il sera presqu'uniquement question 15 dans la description ci-après. Toutefois, l'invention ne doit pas être considérée comme limitée à ce type précis d'éléments, car elle s'applique également, aux ensembles constitués par un support et, par exemple, une nappe de matière filtrante ou intervenant de toute autre façon dans un traitement physique ou chimique 20 fluides contenant éventuellement des solides en suspensions plus ou moins fines. La constitution des ensembles catalytiques du genre envisagé ci-dessus, et notamment de ceux destinés à l'oxydation cata-lytique de l'ammoniac, sous pression ou non ,pose des problèmes 25 difficiles à résoudre du fait des grandes différences de températures auxquels ils sont soumis et qui donnent lieu à des contraintes élevées. En effet, les toiles de- métaux précieux utilisées comme catalyseur sont très fines et mécaniquement très fragiles. Elles 50 doivent donc être maintenues bien à plat et supportées en de très nombreux points. Jusqu'à présent, ceci a été réalisé par superposition d'un support relativement grossier et d'une toile de répartition, assujettie sur ce support et sur laquelle est fixée la toile catalytique en métal précieux. Le support et la toile de ■ 35 répartition doivent toutefois être constitués en alliages réfrac-taires nobles d'un prix élevé. On a bien proposé de faire appel, pour le support principal ou comme pièces intermédiaires, à des matériaux réfractaires non métalliques, moins onéreux, mais ces matériaux résistent mal aux chocs thermiques. 40 Par ailleurs, les pièces en alliages réfractaires consti- 70 32304 2 2104921 tuant le support principal présentent nécessairement des dimensions importantes et, de ce fait, subissent, par suite des différences de températures, des déformations permanentes qui se manifestent souvent de façon rapide, ce qui oblijge à des remplace-5 ments fréquents du support. Compte tenu de ce que l'es toiles catalytiques sont en général disposées horizontalement et à plat dans des réacteurs à corps cylindriques, le mode de réalisation le plus simple du support de ces toiles , consisterait à tendre , dans une couronne, 10 un réseau de fils réfractaires. Mais les variations dimensionnel-les des différentes pièces de l'ensemble de support doivent être compensées si l'on veut que les toiles de catalyse ne subissent pas des tensions-fort préjudiciables à leur tenue mécanique. Il faudrait donc que le réseau absorbe ces variations tout en 15 restant dans le domaine élastique pendant les diverses phases du repos, de l'allumage de la marche normale et de la mise à l'arrêt de l'installation. Si, de façon plus concrète, dans le cas ci-dessus envisagé de l'oxydation catalytique de l'ammoniac, on utilise une 20 couronne circulaire constituée en un alliage métallique présentant un coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 18.10~^, à l'intérieur de laquelle est fixé directement un réseau de fils, et que l'on désire que ce réseau reste tendu, dans le domaine élastique, pendant les différentes phases opératoires, 25 à savoir : - l'allumage (couronne à 150°C, réseau à 900°C) - la marche normale (couronne à 400°C, réseau à 900°C)' - l'extinction (couronne à 350°C, réseau à 50°C) - la phase de repos (couronne à 20°C, réseau à 20°C) 30 l'alliage constituant les fils devra avoir une résistance élastique et un coefficient de dilatation thermique a répondant au moins à des conditions précises qui résultent des considérations ci-après développées. 1) Si l'on considère l'installation en fin d'allumage 35 (couronne à 150°C et réseau à 900°C), les fils diamétraux ont subi une dilatation de : Ai & = a. (900 - 20 ) La couronne a subi une dilatation diamétrale de : ^0 4L21_= 18.1G-6.(150 - 20) o 70 32304 3 2104921 2) Pendant la marche normale (couronne à 400°C, réseau à 900°C) les fils diamétraux ont la même dilatation propre, mais la couronne a subi une dilatation diamétrale supplémentaire de : - 18.10~6.(400 - 150) 5 Si dans la phase (1) ci-dessus les fils diamétraux étaient tendus, en début de domaine élastique, et si l'on veut que,-dans la phase (2), ils ne dépassent pas la fin du domaine élastique, celui-ci devra avoir une étendue de : 10 ^ = 18-10"6. 250 = 0,45# En conséquence, avec un module d'Young de 15 000 à 900°C, l'alliage devrait avoir, à 900°C, une résistance élastique de : 0,0045 . 15 000 = 67,5 kg/mm2 or, il n'existe pas à l'heure actuelle d'alliage industriel susceptible de supporter une telle tension à 900°C, tout en restant dans le domaine élastique. 3) Si, cependant, il existait un tel alliage, il faudrait encore que les fils diamétraux puissent résister à la phase 20 d'extinction (couronne à 350°C, réseau à 50°C) pour laquelle on aura : une contraction des fils diamétraux de : a. (900 - 50) 25 Une dilatation de la couronne de : £5# = 18.10"6 .(350 - 150) $/ ceci correspond, par rapport à la phase (1), à un allongement des fils diamétraux de : 3 6 £ 4 £ + = œ.850 + 18.10~6.200 30 e & & En admettant que la limite élastique d'un alliaage ré- O fractaire industriel soit, à 50°C, de 100 kg/mm au maximum, on aura, pour un module d'YOUNG de 20 000 kg/cm2 à 50°C. 100 a A 6 C 35 20 000 ^ i d'où a ^1, 65.10"^ Or,il n'existe aucun alliage réfractaire industriel possédant un tel coefficient de dilatation. En outre , pour que le montage ait une durée de vie 70 32304 4 2104921 industrielle normale, l'alliage devra avoir une bonne tenue au fluage , c'est-à-dire qu'il ne devra pas subir, par exemple, un allongement supérieur à 1 % en 10 000 h. . On a vu que certaines des conditions ci-dessus énoncées 5 n'existent pas. A fortiori sera-t-il impossible de les réunir dans le même alliage. Mathématiquement> un alliage ayant un module d'YOUNG- de 5 000 permettrait de remplir toutes les conditions voulues si sa résistance au fluage était suffisante, mais un tel module suppose, par lui-même, une chute importante de la résistan-10 ce dans le domaine élastique. La présente invention a pour objet l'utilisation, dans un élément composite du type envisagé, pour constituer le support du matériau actif tel qu'une toile catalytique en métal précieux, d'un 'tissu"articulé" constitué par des hélices en fil d'alliage "15 métallique réfractaire assemblées parallèlement les unes avec les autres par "vissage" l'une avec l'autre des hélices adjacentes, ledit tissu étant tendu, sous une pré-tension d'environ 2.% dans toutes les directions dans un cadre de forme appropriée. Le cadre peut être constitué par une couronne circulaire 20 dans le cas ci-dessus envisagé du support d'une toile catalytique ou rectangulaire s'il s'agit par exemple de supporter une nappe filtrante, ou de toute autre forme adaptée à l'appareillage dans lequel l'ensemble considéré est utilisé. Il est avantageusement formé de plusieurs segments indépendants auxquels est relié le 25 tissu "articulé" lesdits segments étant eux-mêmes reliés à un cadre extérieur continu par des moyens de tension. Les hélices formant le tissu "articulé" présentent un -pseudo-module d'Young de faible valeur, même alors que le module d'Young des fils qui les constituent présente une valeur élevée, 30 et il est ainsi possible de répondre aux conditions voulues pour réaliser, à un prix nettement plus faible qu'auparavant, un support qui, tout en restant dans le domaine élastique, peut subir un allongement très important, dans toutes les directions, ce support, dans son application à l'oxydation de l'ammoniac, absorbant 35 les déformations dues à la dilatation thermique de l'ensemble et des parties du four de catalyse, y compris ses dilatations propres, le tissu restant continuellement tendu, sans flèche appréciable, aussi bien pendant les phases d'allumage de marche normale, d'extinction et de repos. D'autre part , les points de repos des toiles catalytiques 40 70 32304 s 2104921 sur un tel support sont excessivement nombreux et assez ponctuels, ce qui diminue, d'une manière notable, les turbulences des filets gazeux et augmente la surface utile du catalyseur, deux avantages très importants qui favorisent le rendement de trans-5 formation chimique de NH^ en NO. Les mêmes avantages se retrouvent, mutatis mutandis, dans l'application de ce support aux autres éléments envisagés, tels que les éléments filtrants et, d'une manière générale, dans les utilisations des éléments conformes à l'invention dans 10 les traitements où les températures passent, de l'ambiance, non seulement à des valeurs élevées, comme il a été indiqué ci-dessus, mais aussi à des valeurs très basses. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, divers modes de réalisation du support dans un élément conforme 15 à l'invention. Dans ces dessins : Figure 1 est une vue schématique, en plan, d'un fragment de tissu "articulé"; Figure 2 est une vue analogue d'une variante d'un tel tissu; 20 Figure 3 est une vue partielle, en coupe verticale, d'un élément conforme à l'invention appliqué à l'oxydation catalytique de 1'ammoniac. Tel qu'il est représenté aux figures 1 et 2, le support utilisé dans l'élément conforme à l'invention est formé par un 25 tissu"articulé "constitué par des fils enroulés en hélices 1,1a, chaque hélice étant engagée avec ses deux voisines par "vissage" réciproque. De tels tissus sont connus en eux-mêmes dans leur application à la fabrication de sommiers: métalliques. Cnaque hélice peut être constituée d'un seul fil,comme 30 il est représenté en 1a à la figure 1, ou de plusieurs fils, par exemple deux fils comme le montre en 1a la figure 2, la seconde solution donnant, pour une même section totale de fil,une plus grande élasticité. Dans la réalisation de l'élément stratifié telle 35 qu'elle est représentée à la figure 3, une nappe de tissu"articulé'^, par exemple circulaire, est soudée par ses bords sur des segments de couronne 3 qui sont rendus solidaires d'une couronne externe continue 4 par l'intermédiaire de tirants 5, vissés dans les segments 3 parallèlement à la bissectrice de 40 ces derniers et passant dans des trous.correspondants 6 ménagés 70 32304 6 2104921 dans la couronne externe 4, l'extrémité libre de ces tirants étant filetée en 7 pour recevoir un écrou 8 qui sert à donner au tissu 2 la pré-tension voulue. Une toile catalytique 9 en métal précieux, dont les bords sont maintenus sur les segments 3 par 5 pinçage à l'aide de plaques en arc 10 vissées sur lesdits segments,repose sur le tissu"articulé" 2, au contact des sommets de chacun des spires des hélices constituant ce dernier; donc en des points de repos extrêmement nombreux et rapprochés. On conçoit que tout autre mode de fixation du tissu 2 1q sur les segments 3 pourrait être adopté, par exemple pincement comme pour la toile catalytique 9, accrochage sur des crochets ou picots, etc... Les matériaux constitutifs de l'ensemble sont choisis en fonction de la température de fonctionnement et des conditions 70 32304 7 2104921 REVENDICATIONS 1 - Elément composite stratifié perméable pour traitements chimiques, ou physiques, tels que catalyse ou filtrage, à des températures vav.iant dans de larges limites, constitué par un 5 support grillagé ou analogue sur lequel est appliquée une nappe d'un matériau actif dans le traitement envisagé, caractérisé en ce que ledit support est formé d'un tissuf1 articulé" constitué par des hélices en fil d'alliage métallique réfractaire assemblées parallèlement les unes avec les autres par "vissage" l'une 10 avec l'autre des hélices adjacentes, ledit tissu étant tondu, sous une pré-tension d'environ 2% dans toutes les directions, dans un cadre de forme appropriée. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qie le cadre est formé de plusieurs segments indépendants aux- 15 quels est relié le tissu "articulé", lc-sdits segments- étant eux-mêmes reliés à un cadre extérieur continu par des moyens de tension.