Brevet FR2149543A1 — publié le 19730330

La présente invention est relative à une colonne de n uidiiication (processus plus connu sous le nos de "fluidisation dans l'industrie de l'énergie atomique} colonne qui comprend un corps creux, une plaque avec des ouvertures qui sépare dans ce corps un volume inférieur d'un volume supérieur, au moins une admission pour du gaz de fluidification à la hauteur du volume inférieur du corps, au moins une sortie sur le côté supérieur du volume supérieur, un tube montant placé dans le corps et dont l'extrémité in inférieure se situe au-dessus de la plaque avec des ouvertures tandis que son extrémité supérieure débouche dans le volume supérieur, et un conduit dont l'ouverture d'admission se trouve en dehors de la colonne pour la fourniture de gaz au tube montant. Dans les colonnes de fluidification, on forme un lit fluidifié grace au gaz qui est amené dans la colonne par l'intermédiaire de l'admission et par une matière pulvérulente qui est disposée sur la plaque avec des ouvertures avant d'amener le gaz de fluidification dans la colonne par l'intermédiaire de I'admission Le débit de gaz de fluidification à travers la colonne est réglé de telle manière que la vitesse du gaz soit suffisamment élevée pour soulever la matière pulvérulente de la plaque, mais suffisamment faible pour ne pas entrainer la matière pulvérulente hors du volume supérieur, à travers la sortie de celui-ci. Il est connu que la matière pulvérulente forme alors un lit dans lequel les grains de la poudre sont libres les uns par rapport aux autres, de telle sorte que le gaz puisse découler librement entre eux. La plaque avec des ouvertures peut prendre les formes constructives les plus diverses et elle est constituée par exemple par un treillis de fins fils métalliques. La formation du lit fluidifié peut avoir pour but de faire réagir le gaz de fluidification avec la matière pulvérulente du lit. La matière pulvérulente peut aussi être un catalyseur qui favorise la réaction entre des composants du gaz de fluidification. Le volume supérieur peut aussi être doté d'ouvertures d'alimentation par l'intermédiaire desquelles on peut introduire dans ce volume un gaz supplémentaire, qui doit réagir avec le gaz de fluidification ou un constituant de celui-ci sous l'influence de la matière pulvérulente agissant en tant que cata lyseur. Ce gaz supplémentaire peut aussi devoir réagir avec la matière pulvérulente qui est fluidIfiée par le gaz de fluidification s'écoulant d travers les ouvertures de la plaque. Dans tous ces cas, la surface de contact entre les grains de la poudre et le gaz est maintenue a une grande valeur par la fluidification, parce que les grains de la poudre sont libres les uns par rapport aux autres. Ceci augmente la-vi- tesse de réaction. Etant donné que les grains de la matière pulvérulente elle-meme participetàla réaction, la vitesse de réaction est augmentée par la grande surface de contact, parce que les limitations dues aux différence de diffusion pour la réaction du gaz avec les grains sont réduites à un minimum. Un lit fluidifié a une très grande conductibilité thermique et un coefficient de transmission thermique relativement élevé entre le lit et la paroi de la colonne. Grâce à cette conductibilité thermique élevée et au coefficient de transmission thermique élevé , une température de lit plus ou moins constante règnera et la fourniture et l'évacuation de chaleur par rapport à la colonne sont très faciles à régler. Dans quelques cas, la matière pulvérulente est constituée par un mélange de deux ou plus de deux composants avec une densité et une dimension de grain différentes. Il peut alors apparaître dans le lit fluidifié des phénomènes de séparation du mélange. Les phénomènes de séparation du mélange sont désavantageux, parce qu'ils peuvent etre la cause d'une mauvaise fluidification ou d'une mauvaise transmission thermique dans le lit fluidifié. Par nature, chaque composant possède une vitesse de fluidification minimum et une vitesse de fluidification maximum pour le gaz de fluidification. On peut alors éviter la séparation du mélange en choisissant la vitesse linéaire du gaz à une valeur supérieure à la vitesse de fluidification minimum du composant le plus lourd de la poudre. Avec cette vitesse de gaz linéaire, il apparat une grande turbulence dans le lit fluidifié, ce qui favorise un mélange des deux composants ou plus de la matière pulvérulente. Un inconvénient de cette solution est que la consommation en gaz de fluidification est augmentée. En outre, il existe un danger d'élution des particules les plus fines du composant le plus léger. Une autre solution connue pour éviter les phé noumènes de séparation de mélanges dans la colonne de fluidification consiste à adapter la dimension des grains des composants du mélange pulvérulent qui diffèrent fortement en densité. Le composant le plus lourd est alors traité préalablement de telle sorte que ces grains soient plus petits que ceux du composant le plus léger. L'inconvénient de cette solution est évidemment la nécessité de procéder à un traitement prealable poussé des composants à fluidifier. Il est également déjà connu de disposer dans la colonne un tube montant d'assez grand diamètre, qui se situe par son extrémité inférieure au-dessus de la plaque avec des ouvertures et qui débouche par son extrémité supérieure dans le volume ou l'espace supérieur de la colonne. Dans ce tube montant, la majeure partie du gaz de fluidification est alors fournie due manière à provoquer un déplacement vers le haut de gaz et de particules dans ce tube. Le diamètre d'un tel tube est par exemple de l'ordre de la moitié du diamètre du volume supérieur de la colonne. Dans ce cas, on obtient un lit mobile avec une partie montante dans le tube et une partie descendante dans l'espace à l'extérieur du tube. Une colonne de fluidification avec un tel tube montant relativement grand ne peut en pratique pas être adoptée pour empêcher la séparation du mélange des composants d'une matière pulvérulente dans un lit devant être considéré comme totalement stationnaire. L'invention a pour but d'offrr une colonne de fluidification dont le lit, considéré d'une façon générale, est stationnaire et dans laquelle séparation du mélange des composants de la matière pulvérulente est évitée d'une manière simple sans que l'on doive augmenter la consommation en gaz de fluidification et sans qu'il soit nécessaire pour éviter la séparation du mélange, d'effectuer un traitement préalable supplémentaire des composants de la matière pulvérulente à fluidifier. Dans ce but, la colonne de fluidification suivant l'invention comprend une cloche dans laquelle débouche la conduite pour la fourniture de gaz au tube montant, cloche qui est placée dans le volume supérieur, avec son côté inférieur à une certaine distance de la plaque avec des ouvertures, cette cloche étant ouverte sur ce côté inférieur et se raccordant par son côté supérieur à l'extrémité inférieure du tube montant. De préférence, l'écartement entre la plaque et le bord inférieur de la cloche est de l'ordre de l cm. Dans une forme de réalisation avantageuse, le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche et la superficie de la plaque est compris entre 1/2 et 1/10 Dans une forme de réalisation très avantageuse, le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche et la section transversale du tube montant est compris entre 3 et 50. D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés dans lesquels La figure l est une vue en coupe verticale d'une colonne de fluidification suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe plus schématique d'une seconde forme de réalisation de colonne de fluidification suivant l'invention. Dans les diverses figures, des références identiques désignent des éléments analogues. La colonne de fluidification suivant les figures 1 à 3 est constituée essentiellement par un corps cylindrique creux dont la paroi verticale est en deux parties. La partie supérieure 1 de la paroi est dotée d'une bride 3 et la partie inférieure 2 d'une bride 4. Une plaque 10 dotée d'ouvertures est située avec son bord serré entre les brides 3 et 4, qui sont maintenues ensemble par des boulons 5 et des écrous 6. La partie inférieure 2 de la paroi cylindrique verticale forme un tout avec un fond 7 dans lequel est incorporé un ajutage d'admission 11 destiné à être connecté à une conduite d'alimentation pour le gaz de fluidification. Le fond 7, la partie inférieure 2 de la paroi verticale et la plaque 10 délimitent un volume ou espace inférieur 8.Au-dessus de la plaque dotée d'ouvertures 10, la partie supérieure 1 de la paroi cylindrique verticale entoure un volume ou espace supérieur 9. A l'aide de la conduite d'alimentation et de l'embouchure d'admission 11, on introduit du gaz de fluidification dans le volume inférieur 8, dans le sens d'une flèche 12. Ce gaz de fluidification est divisé par les ouvertures qui sont pratiquées dans la plaque 10 et il poursuit son parcours suivant le sens des flèches 13 pour quitter la colonne par l'intermédiaire de la sortie 14. A la sortie 14 peuvent être connectés des filtres qui débouchent eux-mêmes dans un conduite qui amène le gaz à des appareils, par exemple des cyclones, pour le traitement ultérieur du gaz, ou vers des réservoirs. Dans le volume supérieur 9 est montée une cloche 15. Cette cloche 15 est ouverte sur sa face inférieure et est maintenue avec son bord inférieur 23 à environ 1 cm audessus de la plaque 10. La cloche 15 est reliée par des barreaux 7 à la partie supérieure 1 de la paroi cylindrique verticale. La superficie occupée par les barreaux est négligeable par rapport à la superficie de la plaque qui correspond à la section transversale de la colonne, de telle sorte que les barreaux 17 maintiennent bien la cloche dans la colonne, mais nzge t pas I 'écou- lement du gaz. Dans la paroi latérale de la cloche débouche la conduite d'alimentation 16 pour le gaz de transport.Cette conduite traverse la partie 1 de la paroi cylindrique verticale, de telle sorte que du gaz de transport peut être amené dans la cloche 15 par l'intermédiaire de cette conduite, suivant le sens d'une flèche 22. La douche 15 est munie à sa partie supérieure d'un tube montant ou d'échappement 19, qui est relié par des barreaux 18 à la partie supérieure 1 de la paroi cylindrique dé imitant la colonne. Les barreaux 18 ont également une superficie réduite par rapport à la section horizontale totale de la colonne, de telle sorte qu'ils ne gênent pas non plus l'écoulement. La conduite d'alimentation 16 pour le gaz de transport, la cloche 15 et le tube montant 19 forment conjointe- ment un élévateur à gaz. Avant de mettre en fonctionnement la colonne, on dispose sur la plaque 10 une matière pulvérulente qui doit être fluidifiée par le gaz de fluidification qui est introduit dans la colonne par l'intermédiaire de 1'ajutage d'admission 11. Dès que du gaz de fluidifiçation est chassé vers le haut par 1!ajustage d'admission à travers la colonne, la matière pulvérulente est fluidifiée et il apparaît un lit de fluidification. L'élévateur à gaz a pour but d'éviter des phénomènes de séparation de mélange .L'espace dans la cloche 15 est mis sous pression, d'une part par la phase fluidifiée autour du tube montant 19 et d'autre part par le débit de gaz qui est envoyé directement par la conduite 16 dans la cloche 15. I1 apparaît de la sorte un écoulement vers le haut à partir de la cloche 15 vers le tube montant 19 et à partir de celui-ci vers la partie supérieure de l'espace supérieur 9. On obtient donc un écoulement de matière pulvérulente dans le sens des flèches 24 et 25. Cette matière pulvérulente poursuit son chemin dans le sens des flèches 26, donc au voisinage du tube 19 vers le bas dans la direction de la plaque 10. Il apparaît donc entre le tube 19 et la partie supérieure l-de la paroi cylindrique de la colonne, un écoulement de matières solides dans la direction vers le bas , donc dans le sens opposé à celui du déplacement du gaz de fluidification. Le débit du gaz de transport par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 16 et du tube montant 19 est relativement faible. Le débit réglable du gaz de transport permet de régler le débit de la matière solide dans l'élévateur à gaz. Lorsque les deux composants de la matière pulvérulente qui est chargée sur la plaque 10 dans la colonne sont tels qu'avec le débit de gaz de fluidification qui est introduit dans la colonne par l'intermédiaire de l'ajutage d'admission 11 > le composant avec la plus grande densité ou la plus grande dimension devin se déposerait assez rapidement sur la plaque 10, ceci est évité grâce à l'élévateur à gaz, étant donné que la couche qui se formerait normaiement sur la plaque 10 est dispersée par l'élévateur à gaz dans le lit fluidifié.Pour un fonctionnement convenable de l'élévateur à gaz, le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche 15 et la superficie de la plaque, correspondant à la section transversale de la colonne, doit être compris entre 1/2 et 1/10e. En même temps, le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche et la section transversale du.tube montant 19 doit être compris entre 3 et 50. Afin d'éviter que les grains soient projetés trop haut à partir du tube montant 19, celui-ci est muni d'un capuchon 20 qui est supporté par des barreaux 21. Ces derniers sont suffisamment minces pour ne pas gêner de manière perceptible l'écoulement du gaz et de la phase solide à partir du tube 19. Des essais ont révélés que l'on peut éventuellement éliminer le capuchon 21. Du point de vue constructif J la plaque 10 dotée d'ouvertures peut être réalisée de diverses façons > notamment aussi en tant que treillis. La plaque forme un tamis. La forme de réalisation illustrée schématiquement à la figure 4 diffère de celle des figures 1 à 3, d'une part par le fait que pour de plus grandes sections transversales de colonnes (plus grande échelle de fluidification), on incorpore plusieurs élévateurs à gaz et, d'autre part, par la présence d'ouvertures de fourniture 27 pour un gaz de réaction dans la paroi verticale qui délimite l'espace ou volume supérieur 9 de la colonne. Ce volume supérieur 9 n'est donc pas uniquement alimenté avec du gaz de fluidification provenant du volume inférieur 8, à travers les ouvertures de la plaque 10 > et en gaz de transport par l'intermédiaire de la conduite 16 dans la cloche 15, mais également avec du gaz qui doit participer à la réaction et qui est amené directement à travers la paroi 1 dans le volume supérieur 9. Des essais ont été effectués avec une colonne de fluidification répondant au type illustré aux figures 1 à 3. Les parties 1 et 2 de la colonne avaient un diamètre interne de 94 mm. La cloche 15 avait un diamètre interne de 50mm et le tube montant 19 un diamètre interne de lOmm. Le tamis 10 était constitué par un treillis raide en monel. Les dimensions des mailles atteignaient 20 microns La hauteur de la cloche 15 atteignait 40 mm et celle du tube montant 19 510 mm. Par l'intermédiaire de l'ajutage d'admission 11, on a introduit de l'azote avec un débit réglable de ltordre de 4000 litres/heure. Un premier essai a été exécuté sur un mélange pulvérulent constitué par 5 kg U02 avec une densité de 10 g/cm3 et une dimension de grain supérieure à 170 microns et par 10 kg Al2O3 avec une densité de 4 g/cm et une dimension de grain comprise entre 100 et 200 microns. La première partie de l'essai a été exécutée sans mettre en action l'élévateur à gaz, c'est-à-dire sans fournir du gaz à la cloche 15 par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 16. Après quelques minutes de fluidification avec de l'azote gaarx, il s'est formé une couche solide de poudre de U02 sur la plaque de distribution de gaz 10. Ensuite, on a mis en action l'élévateur à gaz, en introduisant dans la cloche 15, par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 16, de l'azote avec un débit réglable entre 100 et 1000 litres/heure. La couche de poudre solide a ainsi disparu après quelques instants de fluidification. Les composants à nouveau mélangés ne présentaient aucun phénomène de séparation du mélange, même après plusieurs heures de fluidification. Un courant continu de poudre dans le sens des flèches 24,25 et 26 a été remarqué. Un second essai a été exécuté sur un mélange pulvérulent constitué par 5 kg U02 avec une dimension de grain inférieure à 177 microns et 10 kg A1203 avec une dimension de grain comprise entre 200 et lcomicrons. Dans le mélange, de fines particules de U02 avec une dimension de grain inférieure à 37 microns étant présentes. L'élévateur à gaz a été immédiatement mis en ac tion en introduisant dans la cloche, par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 16, de l'azote avec un débit réglable entre 100 litres et 1000 litres/heure. Les fines particules de U02 ont été retenues par des filtres d'échappement non représentés, qui étaient agencés à la hauteur de la sortie 14 de la colonne. Les petites particules qui retombaient à partir de ces filtres d'échappement ont été immédiatement recouvertes avec de la poudre provenant de l'élévateur à gaz. Ces fines-particules ont donc été évacuées vers le bas dans le gaz fluidifié, étant donné que la vitesse de descente des particules solides est supérieure à la vitesse de migration des fines particules vers le haut. il ressort de tout ce qui précède que la colonne de fluidification suivant l'invention, équipée de l'élévateur à gaz décrit précédemment, offre d'importants avantages par rapport aux colonnes de fluidification connues. Les éléments supplémentaires formant l'élévateur à gaz peuvent être construits et montées dans la colonne de manière économique et simple. Différentes cloches avec des tubes de sortie ou d'échappement peuvent être monté dans une même colonne. Un mélange pulvérulent constitué par des composants avec dé fortes propriétés de séparation de mélange peut être chargé sans autres dispositions dans la colonne. Etant donné que la phase solide s'écoule en contre-courant par rapport à la phase gazeuse, le rendement de la colonne peut être augmenté. La fréquence de contrecourant de la phase gazeuse et de la phase solide est augmentée proportionnellement au débit de matière solide dans la cloche 15 et le tube montant 19, ce qui est favorable à la conversion chimique. Il ressort clairement de ce qui précède que la colonne suivant l'invention a une grande importance pour la fluidification de mélanges pulvérulents avec de fortes propriétés de séparation de mélange. Les vitesses de transport élevées provoquées par l'élévateur à gaz non seulement empêchent la séparation du mélange, maisévixnt dans une forte mesure l'élution des fines particules. I1 doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. REVENDICATIONS 1. Colonne de fluidification comportant un corps creux, une plaque avec des ouvertures qui séparent dans ce corps un volume inférieur d'un volume supérieur, au moins une admission pour du gaz de fluidification à la hauteur du volume inférieur du corps, au moins une sortie sur le côté supérieur du volume supérieur, un tube montant placé dans le corps, dont l'extrémité inférieure se situe au-dessus de la plaque avec des ouvertures et dont l'extrémité supérieure débouche dans le volume supérieur, et une conduite dont l'ouverture d'admission se trouve en dehors de la colonne pour l'alimentation en gaz du tube montant, caractérisée en ce qu'elle comprend une cloche dans laquelle débouche la conduite pour la fourniture du gaz au tube montant, cloche qui est placée dans le volume supérieur avec son côté inférieur à une certaine distance de la plaque avec des ouvertures, qui est ouverte sur ce côté inférieur et dont le côté supérieur se raccorde à l'extrémité inférieure du tube montant. 2. Colonne de fluidification suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'écartement entre la plaque et i bord inférieur de la cloche est de l'ordre de lcm 3. Colonne de fluidification suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche et la superficie de la plaque est compris entre 1/2 et 1/1- 4. Colonne de fluidification suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre la superficie de la face inférieure de la cloche et la section transversale du tube montant est compris entre 3 et 50.