Brevet FR2321674A1 — publié le 19770318

Les échanges de chaleur entre fluides se pratiquent par l'intermédiaire de parois solides d'échange, les fluides circulant de part et d'autre des dites parois. Une disposition courante représentée schématiquement à la figure 1 du dessin annexé, consiste par exemple à disposer des tubes cylindriques 1 aboutissant à des plaques tubulaires 2 auxquelles leurs extrémités sont assemblées.Des boîtes d'extrémité 3 et 4 permettent respectivement l'entrée et la sortie de l'appareil de lSun des fluides. L'autre fluide circule autour des dits tubes à l'intérieur d'une calandre généralement cylindrique 5 formant paroi extérieure, munie de deux orifices 6 et 7 respectivement d'entrée et de sortie0 Selon la longueur des tubes un certain nombre de parois transversales 8 servent à maintenir l'écartement convenable des tubes.On pourrait penser à faire circuler, au lieu de fluides courants, dans de tels échangeurs, des pulpes pompables constituées de suspensions de matières granuleuses, pulvérulentes ou collodales dans des liquides et en effet la circulation de pulpes à l'intérieur des tubes 1, de l'orifice d'entrée 9 à l'orifice de sortie 10 des boîtes d'extrémité 3 et 4, particulièrement si les tubes sont disposés verticalement, est possible ; cependant le cheminement d'une autre pulpe de l'autre orifice d'entrée 7 à l'autre orifice de sortie 6 présente des difficultés qui tiennent à la configuration de la disposition géométrique interne de l'appareil.On voit que des zones dites wmortest, c'est-à-dire à faible vitesse locale de circulation, et la sinuosité des trajets de circulation font obstacle à la bonne progression de la dite autre pulpe. C'est pourquoi de tels échangeurs de chaleur par surface ne sont généra- liement pas utilisés pour échanger dans un mime appareil la chaleur de pulpe à pulpe. Le but principal de la présente invention est de procurer un moyen pratique d'échange de chaleur par surface qui ne comporte pas les difficultés signalées ci-dessus. En vue de ce résultat, l'invention a pour objet un procédé et un moyen d'échange de chaleur entre deur écoulements de fluides ou de pulpes, dans lesquels l'un des écoulements s'effectue à l'intérieur des tubes d'un faisceau de tubes pratiquement parallèles aboutissant à des plaques transversales, dites plaques tubulaires, et entourés d'une calandre, comme représenté sur la figure 1, mais cet échangeur se caractérise par le fait que l'autre écoulement, au lieu de se faire d1 une façon habituelle dans l'espace restant dans la calandre en dehors des tubes du premier écoulement, s'effectue à l'intérieur des tubes deun second faisceau de tubes pratiquement parallèles à ceux du premier faisceau et répartis en alternance régulière avec eux, tandis que 11 espace restant entre les tubes à l'intérieur de la calandre est occupé par un métal ou alliage solide De dit moyen peut hêtre opéré sous pression. On décrira plus complètement ci-apres des exemples dtexé- cution de 10 invention en référence aux figures 2 à 7 du dessin schématique annexé, dans lesquelles t - la figure 2 est une coupe longitudinale des deux faisceaux de tubes dans une calandre - la figure 3 est une vue en plan d'une partie d'extrémité de l'échangeur - les figures 4 et 5 sont des coupes verticales, respectivexent selon les lignes IV-IV et V-V de la figure 3 - la figure 6 est une coupe verticale d'une variante d'une partie d'extrémité pour.la circulation de palpe dans un récipient de traitement entre deux passages à travers l'échangeur ; et - la figure 7 montre un exemple d'application de l'échangeur au traitement de sulfate de calcium dihydraté. Dans les figures 1, 2 et 6 l'épaisseur des tubes a été représentée par un trait plein. En référence à la figure 2 qui est une coupe longitudinale, on dispose, à ltintérieur d'une calandre 11, des tubes d'échange en deux séries 12 et 13 aboutissant à des plaques tubulaires d'extré- mité 14 et 15. L'espace 16 compris entre les tubes et intérieur à la calandre est rempli d'un matériau bon conducteur constitué par un métal ou alliage dénommé ci-après métal pour simplifier le langage.Oompte tenu du fait que le dit métal et les métaux constituant les tubes d'échange et les plaques tubulaires sont soumis à des fluctuations de température, il est utile que les coefficients de dilatation des matériaux soient identiques ou voisins. il est également intéressant dans un mode de réalisation possible que les températures de fusion des matériaux soient assez différentes pour permettre la coulée de l'un sans détérioration des autres. Le dit métal, comme on le comprend aisément, assure par conduction la transmission de la chaleur à échanger entre les parois des tubes 12 et 13. il est intéressant que ce métal soit caractérisé par une bonne conductibilité thermique.Il est apparu avantageux, dune manière inattendus et particulièrement intéressante, de constituer le métal des espaces 16 d'aluminium ou d'un alliage à base d'aluminium et les autres métaux d'acier austénitique. L'aluminium ou les alliages à base d'aluminium ont une très bonne conductibilité thermique, un point de fusion à température relativement buse et convenable à l'égard des aciers austénitiques et un coefficient de dilatation très voisin de celui de ces aciers.On comprend aisément qu'on pratique l'échange de chaleur entre deux pulpes dans le Corps d'échangeur représenté dans la figure 2 en faisant circuler @hacune des pulpes dans les tubes de chacune des séries de tubes 12 et 13. Le nombre, la longueur, la grosseur des tubes de chacune des séries sont bien entendu en relation avec les caractéristiques de l'échange de @haleur à réaliser.L'échangeur peut comporter soit un seul Corps Comme représenté sur la figure 2 ou, s'il paraît plus convenable, plusieurs corps liés au niveau des plaques tubulaires, les liaisons et étanchéités nécessaires étant pratiquées à ce niveau. A @e corps d'échangeur ou aux extrémités libres de divers corps d'échangeurs liés comme il vient d'être exposé sont liées des parties d'extrémité qui ont pour objet l'introduction, la répartition et l'extraction des pulpes à @introduire, répartir et extraire. Ces parties d'extrémité compertent chacune les dispositions suivantes qui vont être décrites en référence à une seule partie d'extrémité pour simplifier le langage, en référence aux figures 3 à 5. Une plaque tubulaire 24 est liée à la fois i deux séries de tubes 12' et 13' correspondant respectivement aux deux séries 12 et 13 a. la figure 2. Ces deux séries de tubes 12' et 13' sont liées d'autre part respectivement aux plaques 17 et 18. A cet effet, l'une au meins des deux séries de tubes 12' et 13' est courbe.On comprendra que les deux séries 12' et 13' puissent être courbes à la fois. Il tombe sous le sens de l'homme de l'art que l'expacement et les dispositions relatives des deux séries de tubes permettent le passage de chacune des séries dans les esp aces des rangées de tubes de l'autre série et leur alternance régulière dans le corps de l'échangeur. La plaque tubulaire 24, destinée & BR i une plaque tubulaire 14 ou 15 du corps de l'échangeur, présente des dispositions convenables & cet égard de façon à assurer la correspondance des tubes comme il a été dit. Les dispositions d'entrée et de sortie de pulpe au niveau des plaques tubulaires 17 et 18 ne sont pas décrites, ne présen tait en soi pas de difficulté particulière. Les dites parties d'extrémité qui ne sont que des accessoires pourraient subir des variations de dispositions sans sortir du cadre de 10 invention. On pourrait on particulier faire jouer à uneplaque tubulaire telle que 14 le rôle Joué par la plaque tubulaire 24, en supprimant ainsi celle-ci et en éliminant la nécessité de la Jonction correspondante. On pourrait aussi en référence à la figure 6 par exemple lier une plaque tubulaire telle que 14 à un récipient représenté par la paroi 19 contenant ne pulpe en @ituation de traitement, dans lequel les tubes des deux séries 12 et 13 prolongés au-delà de la dite plaque tubulaire seraient immergés à des p@ofondeurs @différentes, l'une des séries 13 procurant l'introduction des pulpes à traiter dans le dit récipient, l'autre des séries 12 procurant l'évacuation des pulpes traitées du dit récipient. A titre d'exemple d'application, l'utilisation de ce moyen d'échange de chaleur s'est révélée particulièrement heureuse au cours de la mise en oeuvre d'un procédé de traitement de gypse à une température environ 120 pour le transformer dans un auto- clave 19 (figure 7) en semihydrate de sulfate de calcium sous une pression supérieure à la tension de vapeur d'eau à cette tempéra- turf. Cette mise en oeuvre est illustrée schématiquement par la figure 7. Une enceinte sous pression, représentée par sa paroi 19 et par son mécanisme d'agitation 20, est remplie de la matière en cours de traitement qui constitue une pulpe de solide et d'eau maintenue en suspension à une température d'environ 120 C. Cette enceinte est alimentée en matière à traiter au moyen d'un échangeur de chaleur 21 selon la description relative à la figure 6.Cet échangeur est superposé à la dite enceinte et est parcouru d'une part par la pulpe à traiter introduite à la pression atmosphérique et & une température inférieure à 1000 C à la partie supérieure d'une canalisation d'introduction 22 alimentant l'échangeur 21 et d'autre part par la pulpe traitée sortant de l'enceinte 19 ; cette pulpe traitée, après parcours dans l'échangeur, est extraite par la canalisation 23 pour être dirigée vers la suite des opérations à faire subir à cett@pulpe. Au niveau de la canalisation d'extraction 23, la pression de la pulpe est sensiblement voisine de la pression atmosphérique. Par le jeu de l'rechange de chaleur avec la pulpe entrant dans l'échangeur 21, sa température à l'extraction est inférieure à environ 100 C, c'est-à-dire à la température d'ébullition de liteau. On comprend que, par la disposition de l'échangeur 21 par rapport à l'enceinte de traitement, par la disposition de lacanalisation d'introduction 22 et par la disposition de la canalisation d'extraction 23, il est possible de faire évoluer une pulpe à partir dune température inférieure à environ 1000 C et d'une pression pratiquement égale à la pression atmosphérique à l'intro- duction pour l'extraire en 23 à une température inférieure à 1000 C et à une pression pratiquement égale à la pression atsosphérique- avec passage par une situation de température supérieure à 1000 C et dune pression correspondante, en assurant les fonctions dlélé- vation de pression jusqu'à la pression de l'enceinte de traitement, de refroidissement de la pulpe traitée, de préchauffage de la pulpe~ entrante, de réduction de pression, de la pression de l'enceinte de traitement à la pression atmosphérique de la pulpe sortante, en procurant une bonne économie thermique puisque la chaleur de refroidissement est utilisée au préchauffage et en évitant le phénomène de vaporisation spontanée lors du passage de la pulpe traitée à la pression atmosphérique, vaporisation qui se serait produite sans intervention de 11 effet de refroidissement. Dans l'exemple décrit, l'enceinte de traitement est par ailleurs par des moyens non représentés alimentée en chaleur correspondant à l'ensemble des variations d' enthalpie, chaleurs sensibles et chaleur de réaction, entre l'état d'entrée et l'état de sortie de la pulpe dans l'enceinte de traitement. L'échangeur objet de l'invention dont l'utilisation a été ci-dessus-décrite en relation avec les échanges de chaleur entre pulpes peut etre utilisé comme échangeur de chaleur entre une pulpe et un autre fluide ou encore commue échangeur de chaleur entre deux fluides. Les dispositions décrites dans l'exemple d'un traitement de gypse sous certaines conditions de température et de pression pourraient Si appliquer en fonction des évolutions particulières de température et de pression différentes au traitement dtautres matières. À titre d'exemple de l'efficacité du moyen d'échange de chaleur de l'invention deux échangeurs de chaleur conformes à l'invention et un troisième échangeur à titre de comparaison ont été construits comportant 16 tubes de 16 mm de diamètre intérieur et 18 mm de diamètre extérieur en acier austénitique de composi tion environ 18 0% de chrome pour 10 % de nickel. Ces tubes étaient disposés en quatre rangées de 4 tubes, avec une distance de 26 mm entre les axes des tubes0 L'un des échangeurs comportait entre les tubes, à l'intérieur de la calandre, un alliage d'aluminium composé d'environ 87 % d1 aluminium et de 13 % de silicium. Un autre échangeur comportait un alliage à base de plomb au lieu de l'alliage d'aluminium. Au cours d'une première série dtessais ces échangeurs étaient disposés verticalement au-dessus d'un autoclave comme sché matisé sur la figure 7, huit des tubes étant parcourus par une pulpe de gypse descendante, les huit autres étant parcourus par la pulpe ascendante sortant de l'autoclave ; la circulation des pulpes n'a donné lieu à aucune difficulté. il a été procédé à une deuxième série dressais où les dispositions étaient les mimes que celles de la première série sauf que les pulpes entrantes et sortantes de l'autoclave étaient remplacées par de l'eau. La vitesse de. circulation était d'environ 1 mètre par seconde ; dans les tubes à circulation descendante, la température de l'eau évoluait de 850 G à l'entrée de l'échangeur à 1100 C à la sortie ; dans les tables à circulation ascendante la température de l'eau évoluait de 1200 C à 950 C dans le cas où l'échangeur comportait un alliage'à base d'aluminium, et de 124,500 à 99,50 a dans le cas où ltéchangeur comportait un alliage à basede plomb.Dans le cas d'utilisation d'alliage à base d'aluminium, le coefficient global de transmission de chaleur était d'environ 45 ffi supérieur au coefficient global de transmission de chaleur relatif au cas d'utilisation d'alliage à base de plomb. Il a été apprécié par le calcul que la résistance au transfert de la-chaleur par effet de conduction de l'alliage à base d'aluminium représentait environ 12 % de la résistance globale de transfert cependant que la- résistance au transfert de la chaleur par effet de conduction de l'alliage à base de plomb représentait environ 40 % de la résistance globale de transfert. -Il a été aussi procédé, à titre de comparaison, à une autre série d'essais où l1échangeur comportait entre les tubes à l'intérieur de la calandre de l'eau à pression d'environ 4 bars au lieu d'alliage d'aluminium ou de plomb. Le coefficient global de transfert mesuré d'après les nouvelles températures d'entrée et de sortie des deux courants descendant et ascendant d'eau était environ 30 fois plus faible que dans le cas d'utilisation d'alliage d'aluminium et 20 fois plus faible que dans le cas d'utilisation d'alliage de plomb. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Moyen d'échange de chaleur pour deux écoulements de suspensions de matières granuleuses, pulvérulentes ou colloïdales dans des liquides, dites pulpe dans lequel un des écoulements s'effectue à l'intérieur des tubes d'un faisceau de tubes pratiquement parallèles aboutissait i des plaques transversales dites plaques tubulaires et entourés dune calandre, caractérisé par le fait que l'autre écoulement, au lieu de se faire d'une façon habituelle dans l'espace restant dans la calandre en dehors des tubes du premier écoulement, s'effectue à l'intérieur des tubes d4un second faisceau de tubes pratiquement parallèles à ceux du premier faisceau et répartis es alternance régulière avec eux, tandis que l'espace restant entre les tubes à l'intérieur de la calandre est occupé par un métal ou alliage, à l'état solide. 2. Moyen d'échange de chaleur selon la revendication 1, dans lequel le dit métal ou alliage est constitué essentiellement d'aluminium. 3. Moyen d'échange de chaleur selon la revendication 2, dans leuquel le matériau constituant les tubes du dit moyen d'échange est de l'acier austénitique. 4. Application d'un moyen d'échange de chaleur selon les caractéristiques de l'une quelconque des revendications 1 à 3 sauf que l'une des pulpes au moins est remplacée par un fluide. 5. Système pour un traitement a. pulpe à un. température supérieure à la température primitive de la pulpe avec refroidisse ment a. cette pulpe après traitement, caractérisé par la circula- tion de la pulpe à traiter à l'intérieur des tubes de l'un des faisceaux de tubes d'un moyen d'échange de chaleur selon l'une queleonque des revendications 1 à 3, tandis que l'autre faisceau de tubes est parcouru par la pulpe qui vient titre traitée. 6. Système pour un traitement de pulpe sous une pression supérieure à la pression primitive de la pulpe, caractérisé par la cireulation de la pulpe à traiter à l'intérieur des tubes de l'un des faisceaux de tubes d'un échangeur de chaleur établi selon l'une quelconque a.. revendications 1 à 3 et disposé avec une entrée de pulpe à un niveau supérieur ai niveau de l'appareil de traitement, de façon à établir dans cet appareil 11 élévation de pression désirée. 7. Système pour un traitement de pulpe selon la revendication 5 et la revendication 6 simultanément. 8. Système selon la revendication 6, dans lequel l'entrée. dans l'échangeur de la pulpe à traiter s'effectue par une canali- sation descendante d'introduction dont la hauteur concourt avec l'échangeur a' l'établissement de la surpression désirée dans l'appareil de traitement. 9. Application d'un dispositif selon la revendication 7 ou la revendication 8 au traitement de pulpe de sulfate de calcium dihydraté & une température d'environ 1200 C, de façon que cette pulpe soit transformée en une pulpe de semihydrate de sulfate de calcium.