Brevet FR2201448A1 — publié le 19740426

La présente invention concerne un four à fonctionnement cyclique de réchauffement et de refroidissement d'un gaz dans lequel le débit gazeux est très grand et notamment un four permettant de fournir un gaz réchauffé pendant la plus longue partie de la journée et un gaz refroidi pendant l'autre partie pour des besoins de régénération de catalyseurs. Ce gaz qui peut contenir de l'hydrogène, du sulfure d'hydrogène de l'oxygène de la vapeur d'eau et tout autre composant parvient au four avec un débit très grand, qui peut aller jusqu'à 3000C environ et une pression qui peut être très faible. Le rôle du four est de réchauffer pendant un certain temps le gaz à une température qui peut atteindre 4000C puis pendant une autre période du gaz à une température inférieureà la température d'entrée puis de nouveau du gaz réchauffé et ainsi de suite. La perte de charge dans l'installation doit être très faible (quelques g/cm2). Jusqu a présent, on utilisait pour les débits moyens de gaz un four à chauffe directe dans lequel un combustible (mazout, par exemple) brûlant à la base du four, portait des tubulures par ou transitait le gaz à la température voulue. Le refroidissement toujours dans le cas des débits moyens, était opéré en arrêtant le four, en faisant entrer de l'air dans le brûleur à la place du combustible et en le faisant circuler dans le four. Dans le cas des débits importants le réchauffement par un four à chauffe directe serait encore concevable mais l'appareil aurait des proportions gigantesques, par contre, le refroidissement par le procédé décrit serait impossible à réaliser complètement à cause de l'inertie des réfractaires et surtout du trop faible débit d'air possible. Aussi dans le cas des débits importants, on utilisait jusqu a présent une dérivation sur la conduite d'amenée de gaz. Cette dérivation était commandée par une vanne disposée sur la conduit d'amenée. Dans une branche de la dérivation on procédait dans une première phase au réchauffement du gaz et dans l'autre branche au cours d'un seconde phase au refroidissement par des aérorefrigerants, turbines ou ventilateurs. En manoeuvrant la vanne on dirigeait le gaz soit dans une direction soit dans l'autre, les deux branches, celle sortant du four et celle des aéroréfrigérants se réunissant ensuite pour former une seule conduite de sortie. L'inconvénient de ce procédé provient principalement du fait qu'il faut installer une vanne de très grande dimension sur une conduite pouvant atteindre 1,5 mètre de côté. Un autre inconvénient découle de ce que le gaz à traiter est corrosif. La corrosion est d'autant plus active que les températures atteintes sont plus hautes. Avec un four classique dans lequel les tubulures sont au contact de la flamme les températures des tubulures atteignent 6000C et il faut employer un métal réfractaire à l'oxydation par exemple de l'acier inoxydable au chrome qui est très coûteux. Enfin, les tubulures qui sont parcourues par le gaz sont très longues dans un four classique ce qui crée une perte de charge prohibitive par suite des pertes en ligne par frottement.Pour compenser cette perte de charge prohibitive il est nécessaire de disposer à la suite du four des compensateurs de pression tels que des pompes ou des collecteurs qui grèvent le coût de l'installation. Le four selon la présente invention remédie à ces inconvénients. Dans celuici en effet le coût de l'installation et l'encombrement sont réduits. On évite l'emploi de la vanne de grande dimension, l'acier utilisé pour les tubulures peut être un acier ordinaire au carbone enfin les pertes de charge sont minimes ce qui permet de se passer de pompes dans les circuits de gaz. L'invention a pour objet un four à fonctionnement cyclique de réchauffement et de refroidissement à fort débit gazeux comprenant une conduite d'amenée du gaz, des moyens de réchauffement et des moyens de refroidissement employés alternativement caractérisé par le fait que lesdits moyens de réchauffement et de refroidissement sont disposés en série sur la même conduite de gaz. Selon une particularité de l'invention, les moyens de réchauffement comportent un échangeur tubulaire à une entrée et une sortie disposé dans ladite conduite, ledit échangeur pouvant être alimenté ou non par un fluide thermique de transfert grâce à une vanne à trois voies disposée de telle sorte que la première voie communique avec ladite entrée de ltéchangeur, la seconde voie communique avec la sortie d'une chaudière et la troisième voie communique à la fois avec ladite sortie de l'échangeur et l'entrée de ladite chaudière. Selon une autre particularité de l'invention les moyens de refroidissement comportent des injecteurs d'eau disposés à l'extrémité supérieure de ladite conduite. Un exemple de mise en oeuvre de la présente invention donné à titre purement illustratif et nullement limitatif va être décrit en référence à la figure unique qui représente schématiquement un four muni des moyens de réchauffement et de refroidissement. Telle que représentée sur la figure, la conduite I de gaz de section carrée, rectangulaire ou cylindrique a un côté ou un diamètre de l'ordre de 1,5 mètre. Le gaz parvient à son entrée 2 sous une pression de 150 g/cm2. Le débit du gaz est de 100.000 normal mètre-cube par heure. Sa température à l'entrée 2 st de 1850C. Un échangeur tubulaire 3 constitué d'une pluralité de tubulures reliées entre elles et perpendiculaires au flux gazeux est disposé à l'intérieur de la conduite 1. L'ordre de grandeur du diamètre de chacune des tubulures est de 100 millimètres. L'échangeur 3 possède une entrée 4 et une sortie 5. Les tubulures sont faites d'un métal peu coûteux tel que l'acier au carbone. Une tuyauterie 6 sortant de la conduite 1 fait communiquer l'entrée 4 avec une première voie de la vanne trois voies 7. La seconde voie de la vanne 7 communique avec la sortie 8 d'une chaudière verticale 9 fonctionnant au mazout par exemple. La troisième voie communique d'une part par les tuyauteries 10 et Il avec la sortie 5 de l'échangeur 3 et d'autre part par les tuyauteries 10 et 12 avec une pompe 13 disposée dans le circuit d'entrée 14 de la chaudière 9. Les tuyauteries ont un diamètre de 100 millimètres environ. Le principe du fonctionnement est le suivant Pendant une première phase au cours de laquelle le gaz doit être réchauffé, -la vanne trois voies 7 est fermée et un fluide thermique de transfert circule entre la sortie 8 de la chaudière 9, la tuyauterie 6, l'échangeur 3 les tuyauteries 11 et 12 et l'entrée 14 de la chaudiere 9. (circuit marqué par des flèches en trait continu). Au cours d'une seconde phase pendant laquelle le gaz doit être refroidi la vanne 7 est ouverte et le fluide thermique de transfert emprunte les tuyauteries 10 et 12 (circuit marqué par la flèche en trait interrompu) Le fluide de transfert servant au chauffage indirect est le plus souvent une huile minérale ou un fluide organique à base de diphényl. Le fluide de transfert peut être également un sel fondu, (sodium par exemple).La compacité de l'installation compense le prix plus élevé des matériaux constitutifs des tubulures. Ce système permet également de fonctionner à des températures plus élevées. Pendant la première phase le fluide pénétrant par l'entrée 4 de l'échangeur est porté à 3700C.environ. A la sortie 5 de l'échangeur la température du fluide descend à 3500C environ. Au cours de cette première phase la chaudière fonctionne à plein régime et par suite de la position fermée de la vanne 7 l'échangeur 3 réchauffe le gaz passant dans la conduite et la porte ainsi de 1850C à 3100C environ. Etant donné que le gaz circule extérieurement aux tubulures la perte de charge est minime, 10 gjcm2 environ. Au cours de la seconde phase la chaudière fonctionne à faible puissance et le fluide thermique circule dans une boucle ne passant pas par ltéchangeur. La température du gaz à la sortie de l'échangeur reste égale 185 C. L'inertie du système est très faible parce que la chaudière 9 reste constant ment allumée. A la suite de l'échangeur 3 est disposée une pluralité dtinjecteurs d'eau 15 fixés dans la partie supérieure de la conduite 1. Au cours de la seconde phase on pulvérise de l'eau dans le courant gazeux. L'eau se vaporise instantanément et sa chaleur latente de vaporisation permet le refroidissement du mélange. On arrive à réguler d'une façon précise la température à atteindre en fonction du débit d'eau. Le gaz entrant au cours de la seconde phase à 185 C sous les injecteurs d'eau 15 ressort à 1300C environ. Il peut se produire une réaction chimique entre les composants du gaz et l'eau amenant par exemple à la formation d'acides corrosifs. Pour pallier cet inconvénient on garnit le fond de la conduite 1 en regard des injecteurs 15 d'une couche 16 de béton réfractaire. Le four selon la présente invention présente une structure compacte dans laquelle est réalisée une économie de place. Les applications concernent un appareil unique pour réchauffer et refroidir alternativement, d'une grande précision dans lequel les risques de corrosion sont absents. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit paraisse le plus avantageux on comprendra que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains des éléments du dispositif pouvant être remplacés par d'autres susceptibles d'y assurer la même fonction technique. REVENDICATIONS 1/ Four à fonctionnement cyclique de réchauffement et de refroidissement à fort débit gazeux comprenant une conduite d'amenée du gaz des moyens de réchauffement et des moyens de refroidissement employés alternativement, caractérisé par le fait que lesdits moyens de réchauffement et de refroidissement sont disposés en série sur la même conduite de gaz. 2/ Four selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de réchauffement comportent un échangeur tubulaire à une entrée et une sortie disposé dans ladite conduite, ledit échangeur pouvant être alimenté ou non par un fluide thermique de transfert grâce à une vanne à trois voies disposée de telle sorte que la première voie communique avec ladite entrée de l'échangeur, la seconde voie communique avec la sortie d'une chaudière et la troisième voie communique à la fois avec ladite sortie de l'échangeur et l'entrée de ladite chaudière. 3/ Four selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de refroidissement comportent des injecteurs d'eau disposés à l'extrémité supérieure de ladite conduite. 4/ Four selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'échangeur tubulaire peut être parcouru par différents fluides de réchauffage. 5/ Four selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'extrémité inférieure de ladite conduite est recouverte d'une couche de béton.