Brevet FR2307244A1 — publié le 19761105

L'invention a pour objet un réfrigérant atmosphérique, appelé aussi tour de réfrigération atmosphérique, utilisé pour refroidir un liquide éventuellement corrosif contenant des substances susceptibles de précipiter. I1 existe évidemment dans l'industrie beaucoup de procédés pour refroidir de solutions et, dans le cas de l'électrolyse, il est connu de refroidir des solutions à l'aide de serpentins parcourus intérieurement par de l'eau froide et plongés dans les bacs d'électrolyse. Toutefois ce type de réfrigération ne donne pas un bon rendement parce-qu'il est indirect et que les serpentins se recouvrent très rapidement de sels, diminuant encore, et considérablement, la transmission de chaleur; de plus, ces serpentins encombrent les bacs d'électrolyse et résistent mal à la corrosion. Un réfrigérant atmosphérique, par contre, est une installation dans laquelle un liquide, généralement une solution aqueuse, s'écoule par gravité entre le niveau où il est finement distribué, et le niveau où il est recueilli, généralement le plan d'eau d'un bassin prévu à cet effet. Au cours de ce trajet, le liquide est en contact direct avec un flux d'air atmosphérique; le mouvement relatif d'ensemble de ces phases est en substance soit à contre-courant, soit à courants croisés, quoique souvent l'on ait généralement les deux types de mouvements relatifs d'ensemble, l'air entrant horizontalement dans l'appareil et en sortant verticalement, tandis que le liquide a généralement un mouvement d'ensemble, essentiellement vertical; dans les cas où le liquide est finement distribué dans le réfrigérant par des tuyères le projetant vers le haut, il y a au-dessus du niveau des tuyères ane partie du contact qui a lieu à courants parallèles. Le flux d'air atmosphérique est mis en mouvement de préférence par des ventilateurs soufflant l'air extérieur dans le corps du réfrigérant, mais il peut litre aussi par des ventilateurs aspirant hors du réfrigérant l'air qui a fini d'être en contact avec le liquide et le rejetant dans l'atmosphère ou il peut litre par le tirage naturel d'une cheminée, ou bien par toutes les combinaisons connues de ventilateurs soufflants et aspirants, ou bien par une cheminée assistée de ventilateurs soufflants ou aspirants. lorsque le liquide ne présente pas le risque de former des dé p8ts ou incrustations importants, l'échange thermique entre le liquide et l'air a lieu dans des corps d'échange constitués généralement par des plaques ou des feuilles planes ou ondulées, ou des grilles diverses sur lesquelles le liquide ruisselle avec éclaboussement. Par contre, lorsque le liquide est susceptible de former d'importants dépôts et ainsi de colmater rapidement des chenaux (orifices, passages) des corps d'échange, ceux-ci ne peuvent plus entre utilisés. Dans ces cas le liquide est pulvérisé par des tuyères et emplit l'es- pace intérieur du réfrigérant sous forme d'une multitude de gouttelettes violemment agitées par le courant d'air et s'entrechoquant constamment jusqu'à leur chute dans le bassin. Au cours de l'échange thermique entre le liquide et l'air, 1'air s'échauffe sans toutefois jamais dépasser la température du liquide à l'entrée du réfrigérant, et son humidité se rapproche de celle qui a la mEme tension de vapeur d'eau que le liquide à refroidir, sans que l'humidité relative puisse toutefois être supérieure à 100%. Quant au liquide, généralement une solution aqueuse, il se refroidit; s'il est fort chargé en substances dissoutes, ou si ces substances ne sont pas très solubles, le refroidissement amène la température en dessous du seuil de. précipitation. Suivant la nature du soluté, il peut y avoir formation de boues ou de flocons ou encore d'autres formes de précipités. Dans certains cas, particulièrement gênants, il y a formation d'incrustations, les dépôts adhérant à toutes les parois rigides rencontrées par le liquide sursaturé. C'est le cas notamment lors de la réfrigération des électrolytes de l'industrie du zinc. De telles solutions sont à la fois extrêmement corrosives et ex trêment incrustantes. Leur pH voisin de zéro, dû à l'acide sulfurique (par exemple 150 g de H2S04 par litre), impose l'emploi de matériaux particuliers tels les aciers inoxydables et les polymères organiques (matières plastiques) adéquats. Quant aux incrustations, elles ont lieu sur les parois; celles-ci sont, en effet, soumises aux éclaboussures constantes de la solution. Ces dépôts de gypse, croissent rapidement, de plusieurs centimètres par mois, ce qui impose de fréquents, fastidieux et dangereux travaux d'entretien provoquant une immobilisation importante de l'installation. Des échafaudages doivent être périodiquement montés à l'intérieur du réfri gérant pour permettre au personnel d'entretien de détacher les incrustations et les faire tomber dans le bassin vidé pour ces circonstances.Au moment des entretiens bimestriels les incrustations ont atteint des épaisseurs d'une dizaine de centimètres, mais des blocs, gorgés d'acide, de 15cm d'épaisseur ne sont pas rares. Leur chute accidentelle présente de sérieux dangers au cours des travaux d'entretien et ont souvent détérioré les parois du réfrigérant. Un réfrigérant atmosphérique classique, convenant particulièrement pour refroidir un liquide éventuellement corrosif contenant des substances susceptibles de précipiter, est formé par une enceinte fermée comportant, à sa partie supérieure, des moyens pour faire tomber le liquide en gouttelettes et à sa partie inférieure, un ventilateur apte à souffler entre les parois latérales de l'enceinte un flux d'air atmosphérique capable de refroidir le liquide et de créer dans l'enceinte des remous d'air, les gouttelettes refroidies et le solide précipité étant recueillis dans un bassin prévu à la base de 1 'nceinte. Suivant l'invention les parois latérales de l'enceinte sont abritées des éclaboussures de liquide et d'incrustations de solide par des toiles lisses imperméables qui, plongeant par leur bord inférieur dans le bassin, sont suspendues à une faible distance devant les parois de manière à être constamment agitées par les remous d'air qui détachent. au fur et à mesure de leur formation les solides déposés et les font tomber dans le bassin. Chaque toile est suspendue par tout moyen approprié comme des crochets ou des cordes enroulées autour de barres ou tubes, et est tendue par tout moyen approprié de lestage comme du sable ou des barres de plomb, la tension ainsi créée étant suffisamment faible pour ne pas immobiliser la toile et partant, ne pas provoquer d'importantes incrustations de solide. Les toiles convenant pour des liquides contenant des sels et acides minéraux, tels que l'électrolyte ou raffinage du zinc, sont de préférence en polyester armé de fibres de verre et enduites de chlorure de polyvinyle. Les parois intérieures du réfrigérant sont tapissées de préférence par une toile unique constituée par plusieurs toiles plus petites soudées avant le montage dans le réfrigérant. Un procédé rapide et peu coûteux de nettoyage des parois internes d'un réfrigérant atmosphérique suivant l'invention, lors des courts arrêts de ce dernier, consiste à éliminer les incrustations en agitant manuellement les toiles; cette technique présente un grand intérêt car il est bien évident qu'on peut secouer les toiles d'une façon beaucoup plus énergique que ne le font les remous d'air. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'invention. - la Fig. 1 est une vue en plan d'un réfrigérant atmosphérique classique dont les parois intérieures sont à l'abri d'éclaboussures de liquide grâce à un ensemble de toiles de protection suspendues au plafond; - la Fig. 2 est une vue en perspective du réfrigérant de la Fig. 1, sans toiles de protection; - -la Fig. 3 montre, à plus grande échelle, une des tuyères de distribution de liquide ou gicleurs montées au plafond; - la Fig. 4 représente une vue d'ensemble du montage des toiles de protection, et - les Fig. 5 et 6 représentent le montage des toiles respectivement suivant les lignes de coupe 5-5 et 6-6 de la Fig. 4. Le réfrigérant 10 (Fig. 1) est une enceinte de forme en substance parallélépipédique dont les petits côtés 11, llA et les grands c8tés 12, 12A sont constitués par des panneaux autoportants 13, soit plans (Fig. 2), soit ondulés (Fig. 4-6), fixés à une base 14 en béton; les panneaux sont avantageusement réalisés en un polyester de haute qualité armé de fibres de verre, et ils sont renforcés soit par des nervures verticales 13A (Fig.2), soit par des poutrelles verticales 13B (Fig. 4-6), soutenues par des poutrelles horizontales 13C. La base forme un bassin rectangulaire 15 (Fig.l, 2, destiné à recevoir le liquide corrosif chargé de précités après refroidissement de celui-ci. Le bassin est recouvert soit de plomb, soit de briques anti-acides, soit d'un polyester armé de haute qualité. De plus, comme la corrosion est normalement la plus intense au niveau de l'interface liquide-air, on prévoit un joint hydraulique 16 (Fig. 2) ou bavette réalisé en ce même polyester pour assurer la liaison entre les parois du réfrigérant et le bassin. Une des parois 11 (Fig. 1) située sur l'un des deux petits c8- tés, possède une porte de visite 17, tandis que l'autre paroi opposée l1Â comporte un orifice circulaire 18 (Fig. 2) dans lequel on a inséré le bord d'une garde annulaire ou virole 19 d'un ventilateur soufflant 20. Ce dernier, qui est monté à l'extérieur de la paroi llÂ sur des piliers 21 en acier galvanisé ou peint, possède des pales 22 en polyester et un moyeu 23 en fonte galvanisée ou peinte qui peut être entrané en rotation par un moteur électrique 24 accouplé à un réducteur de vitesse 25; la grille extérieure 26 de protection du ventilateur est en acier inoxydable du type 316. D'autre part, le ventilateur est à l'abri de chutes de précipités grâce à une protection 27 en polyester qui épouse l'orifice 18 sur sa partie supérieure et se prolonge ensuite verticalement (Fig. 1, 4, 5, 6). Le réfrigérant atmosphérique est formé à la partie supérieure par un plafond constitué par des couches distinctes 28 et 28A (Fig. 2) en polyester lamellaire, dites éliminateurs d'entrainement vésiculaire, aptes à capter des gouttes de liquide, tout en laissant diffuser vers l'extérieur l'air de refroidissement. Les éliminateurs sont supportés par des poutrelles transversales 29 et 29A profilées en H ou T en acier inoxydable du type 316, les deux poutrelles terminales soutenant chaque étage d'éliminateurs, respectivement 30 et 30A, étant profilées en U. Une canalisation principale ou collecteur 31 de liquide chaud, en acier inoxydable du même type, est montée en dessous des poutrelles 30 dans le sens de la longueur du réfrigérant indifféremment d'un c8té (Fig. 2) ou de l'autre côté (Fig. 1, 5, 6) du ventilateur; elle est raccordée par des brides 32 à des canalisations secondaires 33 transversales soutenues par des poutrelles 34 montées parallèlement au collecteur. Les canalisations secondaires 33 sont pourvues chacune de plusieurs tuyères ou gicleurs 35 (Fig. 2, 3)capables de cracher vers le bas du liquide chaud 36. Des pièces en tôle d'acier inoxydable ou plats 37 (Fig. 5, 6) relient par soudure les poutrelles 29 au collecteur 31 pour aider à la scutenir, des plats 38 relient par soudure les poutrelles 29 aux poutrelles 34 dans le but de soutenir les canalisations secondaires 33. Pour la commodité du montage et de l'entretien de l'installation les extrémités du collecteur consistent en des manchons 39, 39A à brides qui traversent les parois du réfrigérant (Fig. 1, 5 et Fig. 2) l'un d'entre eux étant obturé et l'autre étant alimenté en liquide chaud par exemple dans le sens de la flèche 40 (Fig.l, 2, 5). I1 va de soi que le collecteur 31 et les canalisations latérales 33 pourraient aussi être en un matériau synthétique comme du chlorure de polyvinyle, éventuellement renforcé par du polyester par exemple, et dans ce cas on ne saurait évidemment pas soutenir ces canalisations par des plats soudés. Le réfrigérant atmosphérique peut être équipé d'une échelle 41 (Fig. 2) et d'une passerelle de ronde 42 (Fig. 2, 5) en acier protégé. En vue d'obtenir le rendement optimal de refroidissement de gouttelettes d'une solution aqueuse chaude on a calculé la configuration et les proportions de l'enceinte, les dimensions et la puissance du ventilateur soufflant ainsi que les caractéristiques et le débit du gicleur, on a tenu compte non seulement de la température initiale de l'air soufflé et du liquide chaud, mais aussi d'autres facteurs tels que la densité, la chaleur spécifique et la tension de vapeur du liquide. Par exemple, on a trouvé que dans le cas du refroidissement de l'électrolyte de l'industrie du zinc, une solution aqueuse de sulfate de zinc, la surface totale disponible pour le contact entre l'air et les gouttelettes doit être presque deux fois plus grande que pour l'eau d'une tour humide de refroidissement classique. Certes, lorsque le réfrigérant atmosphérique décrit ci-dessus est utilisé pour refroidir de l'eau de mer, des saumures, des solutions aqueuses concentrées d'acides ou d'alcalis, etc., les mesures prises pour empêcher la corrosion peuvent suffire (aciers inoxydables et polyesters spéciaux, recouvrements classiques, etc.) Dans le cas de l'électrolyte chaud provenant du raffinage du zinc, par contre, qui contient environ 200 g d'ion sulfate par litre et 5 de fluor et qui dépose au refroidissement du gypse gorgé d'acide sulfurique, les éclaboussures de liquide attaquent le verre du polyester armé en formant de l'acide fluorhydrique et forment des incrustations avec tous les risques et inconvénients rappelés plus haut. Pour empêcher qu'un tel liquide entre en contact avec les parois du réfrigérant il faut les abriter. vivant l'invention on les tapisse de toile lisses imperméables réalisées de préférence en polyester armé de fibres de verre enduites de chlorure de polyvinyle. Ces toiles, avant d'être suspendues librement à une faible distance devant les parois, sont cousues entre elles pour former un écran continu. Les parois 12 et 12A (Fig. 1) du réfrigérant sont cachées par des toiles 43 et 43A (Fig. 1, 5, 6) dont le bord supérieur est percé de trous pour recevoir le jambage inférieur de crochets 44 en S, (Fig. 4, 5, 6) le jambage supérieur étant posé sur des barres ou tubes 45 fixés à la partie supérieure des poutrelles 29 en T ou H; en effet l'extrémité de ces poutrelles est libre de couche d'éliminateur lamellaire 28. (Fig. 2). Chaque toile 43, 43A (Fig. 5, 6) est immergée en dessous du plan d'eau 46 du liquide refroidi 47 recueilli dans le bassin 15, et le bord inférieur 48, de la toile est garni à l'intérieur d'une matière de lestage comme du sable ou du plomb, par exemple, pour éviter que le courant d'air soufflé dans l'enceinte ne découvre les parois protégées. Une toile 49, vue en plan (Fig. 6) et en élévation (Fig. 5) à l'endroit de ses coutures aux toiles 43 et 43A, est placée devant la paroi 11 de manière que le bord inférieur plonge dans le bassin comme les toiles adjacentes; le bord supérieur est garni de crochets 50 en S comme celles-ci, mais le jambage supérieur des crochets repose sur la partie supérieure de la poutrelle 30 en U. Une toile 49A (Fig. 1, 5, 6) destinée à couvrir la paroi llA, est suspendue, comme la toile 49, à la poutrelle correspondante 30 en U, mais le bordinférieur de la toile se situe juste au-dessus de la protection 27 en polyester du ventilateur (Fig. 5, 6) et est garni d'un système de lestage 48A, analogue à celui des toiles adjacentes. La partie de la paroi llA, entourant le ventilateur ne doit pas être protégée par des toiles car l'air soufflé chasse la pluie de gouttelettes vers l'intérieur de l'enceinte. Lorsque le réfrigérant atmosphérique fonctionne les remous d'air continuellement renouvelé effectuent le refroidissement des gouttelettes de liquide provenant des gicleurs, le liquide refroidi tombe avec le précipité dans le bassin et l'air réchauffé quitte l'enceinte par le plafond en polyester lamellaire, les gouttelettes entrai- nées étant captées par ce dernier. Les éclaboussures de liquide sont arrêtées par les toiles et le précipité qui tendrait à former des incrustations est constamment éliminé par les mouvements des toiles dus aux remous d'air. Lors des courts arrêts de l'installation le personnel d'entretien secoue à la main vigoureusement les toiles et détache les précipités qui y adhéreraient encore. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution qui a été décrite et représentée à titre d'exemple et on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications. - REVENDICATIONS 1 - Réfrigérant atmosphérique pour refroidir un liquide éventuellement corrosif contenant des substances susceptibles de précipiter, du type comprenant une enceinte fermée comportant, à sa partie supérieure, des moyens pour faire tomber le liquide en gouttelettes et, à sa partie inférieure, un ventilateur apte à souffler entre les parois latérales de l'enceinte un flux d'air atmosphérique capable de refroidir le liquide et de creer dans l'enceinte des remous d'air, les gouttelettes refroidies et le solide précipité étant recueillis dans un bassin prévu à la base de l'enceinte, caractérisé en ce que les parois latérales de l'enceinte sont abritées des éclaboussures de liquide et d'incrustations de solide par des toiles lisses imperméables qui, plongeant par leur bord inférieur dans le bassin, sont suspendues à une faible distance devant les parois de manière à être constamment agitées par les remous d'air qui détachent au fur et à mesure de leur formation les solides déposés et les font tomber dans le bassin. 2 - Réfrigérant atmosphérique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque toile est sus pendue par tout moyen approprié comme des crochets ou des cordes enroulées autour de barres ou tubes et est tendue par tout moyen approprié de lestage comme du sable ou des barres de plomb, la tension ainsi créée étant suffisamment faible pour ne pas immobiliser la toile et, partant, ne pas provoquer d'importantes incrustations de solide. 3 - Réfrigérant atmosphérique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le toiles convenant pour des liquides contenant des sels et acides minéraux, tels que l'électrolyte du raffinage du zinc, sont de préférence en polyester armé de fibres de verres et enduites de chlorure de polyvinyle. 4 - Réfrigérant atmosphérique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ses parois intérieures sont tapissées de préférence par une toile unique constituée par plusieurs toiles plus petites soudées avant le montage dans le réfrigérant. 5 - Procédé de nettoyage des parois internes d'un réfrigérant atmosphérique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lors des courts arrêts du réfrigérant, on élimine les incrustations en agitant manuellement les toiles.