Brevet FR2380072A1 — publié le 19780908

La présente invention concerne un four tubulaire pour la dissociation catalytique de gaz à haute température dans de longs tubes chauffables de 11 extérieur et munis d'un tube intérieur métallique. Ces fours tubulaires de dissociation se composent souvent d'un faisceau de nombreux tubes parallèles fermés à leur extrémité inférieure, fixés par leur extrémité supérieure à une meme plaque-support et chauffés de l'extérieur par des gaz de fumée ou aussi par de l'hélium à environ 95O0C, par exemple à partir d'un circuit de refroidissement de réacteur nucléaire. Le gaz à dissocier entre à la partie supérieure dans le tube extérieur, change de direction à-llextrémité inférieure et sort vers le haut à travers le tube intérieur. On connatt par la demande de brevet allemand publiée sous le nO 25 07 937.2 un four tubulaire pour la dissociation catalytique de gaz dans des tubes verticaux renfermant un matériau catalyseur et chauffés de ltextérieur. Le matériau catalyseur se compose de nombreux disques horizontaux munis d'un grand nombre d'espaces intermédiaires ou d'ouvertures et pouvant aussi titre enfilés sur un tube porteur central. Comparé aux fours tubulaires de dissociation précédemment connus dans lesquels le matériau catalyseur est composé d'un produit en vrac librement déversé, ce dispositif de disques offre l'avantage que le matériau catalyseur ne risque pas d'être comprimé et détruit par de continuelles variations de température et qutil est également beaucoup plus facile à remplacer.Mais la rigidité mécanique de ces disques céramiques ne paratt pas toujours pleinement satisfaisante. Si certains d'entre eux viennent à se briser, le remplacement du matériau catalyseur s'en trouve rendu difficile. Ces disques présentent en outre un volume et un poids considérables. Ils limitent la section libre du tube extérieur et provoquent en conséquence une forte perte de pression. L'invention a pour objet un four tubulaire de dissociation dans lequel le matériau catalyseur lui-même et son support présentent une bonne résistance mécanique et thermique et dans lequel un bon échange thermique ait déjà lieu à l'intérieur des tubes de dissociation entre le gaz entrant et le gaz sortant afin que la plaque-support ne soit pas soumise à des températures de sortie trop élevées de ce misme gaz , la transmission de la chaleur du gaz de chauffage au gaz à dissocier devant en outre être aussi bonne, et la perte de pression dans le gaz à dissocier aussi faible et constante, que possible. Ce four tubulaire de dissociation, du-genre annoncé, est caractérisé par le fait que chaque support de catalyseur est constitué par des surfaces à paroi mince qui sont abordables des deux cotés par le courant du gaz à dissocier et sont disposées approximativement dans la direction d'écoulement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du tube. Par suite de ces surfaces à paroi mince disposées en direction approximative d'écoulement, le support de catalyseur présente un bien plus faible perte de pression que les précédents. Abordé en outre des deux cotés par le gaz à traiter, sa surface de contact est également plus grande qu'avec une seule face attaquée. Cette disposition particulière permet de donner au tube intérieur un diamètre beau- coup plus grand qu'auparavant, si bien que là aussi la perte de pression s'abaisse fortement.A diamètre intérieur égal du tube extérieur, on peut donc admettre, par suite de la réduction globale de la perte de pression, une vitesse d'écoulement dans l'en- semble plus élevée, et augmenter ainsi fortement le débit du gaz à traiter ou, en maintenant au contraire ce débit constant, diminuer la puissance de soufflage exercée sur ledit gaz. Dans un premier mode de réalisation, chaque tube intérieur porte extérieurement de nombreuses ailettes disposées parallèlement à son axe. En jouant de leur nombre et de leurs dimensions, on peut réaliser n'importe quel rapport de surface de contact et de perte de pression voulu. Ces ailettes sont de préférence soudées sur le tube intérieur. I1 s'est vite avéré que les joints de soudure correspondants n'ont pas à couvrir nécessairement toute la longueur desdites ailettes. Une part importante de la chaleur de dissociation est en effet transmise par rayonnement et il suffit, pour une conduction thermique acceptable, que les ailettes soient soudées sur la moitié seulement de leur longueur.On évite ainsi également des tensions de soudage excessives dans lesdites ailettes. I1 est bien entendu également possible de réaliser en une seule et même opération le tube intérieur et les ailettes par extrusion. Vues en coupe transversale, les ailettes pouvant être courbées, offrant ainsi la possibilité de loger davantage-de surface de contact dans une section donnée. Si ces ailettes courbes doivent titre réalisées, et soudées au tube intérieur, individuellement, il est bon d'y ménager, à intervalles uniformes, des fentes parallèles à l'axe à travers lesquelles un chalumeau ou le faisceau d'une machine à souder électronique puissent atteindre sans obstacle le tube intérieur. Dans un autre mode de réalisation, les supports de catalyseur se composent de tubes disposés parallèlement à l'axe et formant de préférence, vus en coupe transversale, un grand nombre d'ondulations ou plissements en forme d'étoiles. Cette disposition simplifie particulièrement le montage, car il n'est alors pas besoin de Joints de soudure entre le tube intérieur et le support de catalyseur. Ces supports de catalyseur peuvent donc aussi être réalisés en un matériau autre que celui du tube intérieur, notamment en céramique. Comme dans le cas de la demande de brevet allemand nQ 25 07 937.2 précitée, le tube intérieur porte à son extrémité inférieure un talon ou un anneau qui prennent en charge le poids desdits supports de catalyseur. La réalisation la plus simple consiste en un tube cylindrique centré par des entretoises par rapport aux tubes intérieur et extérieur et n'étant qu'à une faible distance, de quelques millimètres, de ceux-ci. Les supports de catalyseur, à paroi mince, peuvent présenter de nombreux trous servant à compenser les différences de température et de pression et à favoriser l'échange des substances sur leurs différentes faces. Les supports de catalyseur se composent éventuellement chacun de plusieurs tronçons de tube séparés axialement, donc indépendants entre eux, qui constituent des pièces de dimensions limitées faciles à fabriquer et transporter en grand nombre et montrables sans difficultés d'aucune sorte. Les ondulations ou plissements en forme d'étoiles de ces tronçons. peuvent aussi etre décalés, de l'un à ltautre desdits tronçons, en direction périphérique afin de compenser d'éventuelles différences de température entre l'extérieur et l'intérieur des corps de ca-talyseur. La forme intérieure en étoiles de ces supports de catalyseur permet en outre de les suspendre à des chevilles ou crochets répartis sur le-pourtour et soudés au tube intérieur. Chaque- support de catalyseur pouvant de la sorte titre suspendu en plusieurs points et s'appuyer au besoin encore sur les supports de catalyseur du dessous, cette fixation est suffisamment fiable, même si certaines soudures devaient 18cher. Les tubes parallèles à l'axe qui constituent éventuellement chaque support de catalyseur peuvent aussi présenter une fente longitudinale afin d'éviter, dans ledit support, des tensions thermiques inadmissibles capables de survenir en direction périphérique. Si plusieurs de ces supports de catalyseur munis de fentes longitudinales sont placés les uns au-dessus des autres, il ne peut manquer entre avantageux de décaler entre elles ces fentes longitudinales. On peut déposer en enduit du matériau catalyseur de l'extérieur sur chaque tube intérieur et/ou de l'intérieur sur chaque tube chauffable de l'extérieur, ce qui représente un autre moyen d'augmenter sans perte de pression supplémentaire la surface de contact entre le gaz à traiter et le matériau cata lyseur. La réalisation possible des supports de catalyseur en matériau catalyseur intéresse particulièrement les ailettes reliées au tube intérieur. Des essais ont démontré que de simples tales techniquement rugueuses, par exemple en un matériau renfermant du nickel, sont déjà efficaces comme catalyseur pour la dissociation du méthane. De tels supports de catalyseur à paroi mince réalisés entièrement en matériau catalyseur étant mécaniquement, et thermiquement aussi, très robustes, on peut les monter , et au besoin les échanger,par des moyens simples sans risque de les détruire. Contrairement à ce qui se passe dans les supports de catalyseur en céramique connus revêtus d'un matériau catalyseur métallique, on peut régénérer avec de faibles pertes le précieux matériau catalyseur. La réalisation des supports de catalyseur en un métal fritté agissant en catalyseur procure les mêmes avantages, mais un métal fritté offre de plus une très grande surface et peut titre doté, sur commande, de presque n'importe quel diamètre de grains ou de pores. Un redresseur d'écoulement placé à l'entrée, dans chaque tube chauffable de l'extérieur, du gaz à dissocier est particulièrement intéressant en combinaison avec les particularités précitées, notamment Si le canal d'écoulement entre les tubes intérieur et extérieur est divisé en plusieurs autres parallèles entre eux par de minces parois de catalyseur. I1 est inévitable qu'une traînée de gaz à haute température ou seulement haute vitesse pénètre dans un ou quelques canaux d'écoulement parallèles voisins et y provoque des tensions thermiques inadmissibles. Un redresseur évite de telles tratnées. L'agencement de ce redresseur en un panier empli de nombreuses billes céramiques est particulièrement avantageux sous les températures très élevées qutil faut envisager ici, car ces billes céramiques, notamment si elles sont creuses, assurent une bonne isolation, dispersent et mélangent entre elles les traRnées de gaz éventuelles et sont en outre déplaçables librement les unes par rapport aux autres, si bien qu'il ne peut pas se former de tensions thermiques inadmissibles à l'intérieur dudit redresseur formé de billes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation d'un four de dissociation, à tubes suspendus à une plaque-support, pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une représentation fragmentaire partie en coupe verticale, partie en élévation, d'un four tubulaire de dissociation dont elle ne laisse voir que trois des tubes la figure 2 représente, à peu près en vraie grandeur, une coupe horizontale d'un tube de dissociation dont le support de catalyseur est constitué par un tube intérieur sur lequel sont fixées des ailettes radiales la figure 3 représente, à la même échelle, une coupe horizontale d'un tube de dissociation dont le support de catalyseur est constitué par un tube intérieur sur lequel sont fixées des ailettes courbées presque en demi-cercles la figure 4 représente une coupe longitudinale verticale d'un tube de dissociation individuel dans lequel plusieurs supports de catalyseur sont posés les uns au-dessus des autres la figure 5 représente; à peu près en vraie grandeur, une coupe horizontale de la figure 4 faisant voir la section ondulée en forme d'étoile de ces supports de catalyseur la figure 6 représente à la mtme échelle la fixation desdits supports de catalyseur sur le tube intérieur. On voit sur la figure 1 que les tubes de dissociation 1 sont fermés à leur extrémité inférieure par leur fond 2 et à leur extrémité supérieure par un couvercle 3. A cette même extrémité supérieure sont fixés un tube d'amenée 4 pour le gaz à dissocier et, dans le couvercle 3, un tube intérieur 5 qui descend jusqu'au fond inférieur 2 du tube 1 et sert d'évacuation au gaz dissocié.Un ou plusieurs supports de catalyseur 6 creux, représentés plus en détail sur les autres figures, sont fixés ou guidés sur ce tube creux.0n remarque en outre, fixé au couvercle supérieur 3, un panier 7 perméable aux gaz qui renferme un grand nombre de billes céramiques 8 ayant pour rle de mélanger et répartir uniformément sur la section du tube le gaz à dissocier entrant en 4 ains-i que de protéger contre le contact direct avec ce même gaz d'entrée froid le tube intérieur 5, qui, en service, présente à cet emplacement une température très élevée. Les tubes de dissociation 1 sont fixés de façon étanche, non représentée, dans une plaque-support 9 et entourés extérieurement par un courant de gaz chaud. Le tube de dissociation 1 selon la figure 2 renferme un tube intérieur 5 sur lequel de nombreuses ailettes 10 sont soudées en disposition parallèle à l'axe. La figure 3 représente dans le tube de dissociation 1 un tube intérieur 5 auquel sont soudées de nombreuses ailettes 11 courbées approximativement en demi-cercles. Ces ailettes 11 offrent au gaz à dissocier une beaucoup plus grande surface de contact que les ailettes rectilignes 10 précitées. Leurs arêtes extérieures sont suffisamment écartées les unes des autres peur ne pas contrarier la transmission de la chaleur par rayonnement du tube extérieur 1 au gaz à dissocier et au tube intérieur 5. On peut voir sur les figures 4 et 5 plusieurs supports de catalyseur 12 superposés et présentant, vus en coupe transversale, de nombreuses ondulations. Cette section ondulée peut entre obtenue soit par extrusion, soit par pliage ou soudage à partir de bandes de t1e. Quoi qu'il en soit, il est avantageux que, comme représenté sur les figures 4 et 5 , ces supports de catalyseur soient chaque fois décalés d'un pas les uns par rapport aux autres en direction périphérique en sorte que les traînées de gaz les longent alternativement par l'exté- rieur et par l'intérieur. La figure 6 , qui utilise les mimes signes de référen- ce que la figure 5, indique la façon dont les supports de catalyseur ondulés 12 reposent sur plusieurs crochets 13 répartis sur le pourtour du tube intérieur 5. On peut monter lesdits supports de catalyseur ondulés 12 aussi bien de bas en haut que de haut en bas , car on leur fait aisément franchir les crochets par un décalage périphérique. REVENDICATIONS 1. Four tubulaire pour la dissociation catalytique de gaz à haute température, dans de longs tubes chauffables de l'extérieur et munis d'un tube intérieur métallique, caractérisé par le fait que chaque support de catalyseur se compose de surfaces à paroi mince qui sont abordables des deux cotés par le courant ou gaz à dissocier et disposées approximativement dans la direction d'écoulement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du tube. 2. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que chaque tube intérieur porte extérieurement de nombreuses ailettes disposées parallèlement à son axe. 3. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 2 caractérisé par le fait que, vues en coupe transversale, les nervures sont courbées. 4. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les supports de catalyseur se composent chacun de tubes disposés parallèlement à l'axe. 5. Four tubulaire de dissociation selon la revendica tion 4 caractérisé par le fait que, vus en coupe transversale,les tubes des supports de catalyseur forment un grand nombre d'ondulations ou plissements en forme d'étoiles. 6. Four tubulaire de dissociation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que les supports de catalyseur présentent de nombreux trous. 7. Four tubulaire de dissociation selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé par le fait que chaque support de catalyseur se compose de plusieurs tronçons de tube séparés en direction axiale dont les ondulations ou plissements éventuels en forme d'étoiles sont décalés entre eux dans des tronçons superposés. 8. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les tubes des supports de catalyseur présentent une fente longitudinale. 9. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 1 caractérisé par un dépit en -enduit de matériau catalyseur de l'extérieur sur chaque tube intérieur et/ou de l'intérieur sur chaque tube chauffable de l'extérieur. 10. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les supports de catalyseur sont réalisés en matériau catalyseur. 11. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 10 caractérisé par le fait que les supports de catalyseur sont réalisés en un métal fritté agissant en catalyseur. 12. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un redresseur d'écoulement est placé à l'entrée, dans chaque tube chauffable de l'extérieur, du gaz à dissocier. 13. Four tubulaire de dissociation selon la revendication 11 caractérisé par le fait que chaque redresseur d'écoulement se compose d'un panier empli de nombreuses billes céra miques.