Brevet FR2467015A1 — publié le 19810417

- 1 - L'invention concerne essentiellement des appareils permettant de mélanger deux gaz rapidement et en touts sécurité. Dans les réactions en phase gazeuse, on a souvent besoin de mélanger deux gaz. Un exemple de ces réactions est un processus d'oxydation en phase gazeuse, qui comporte une étape consistant à mélanger un gaz comprenant un composé organique et un gaz comprenant de l'oxygène moléculaire (y compris l'oxygène moléculaire seul). Ces réactions comprennent, par exemple,des processus de préparation d'oxyde d'éthylène à partir de l'éthylène, d'anhydride maléique à partir du benzène ou d'hydrocarbures en C4, d'anhydride phtalique à partir du xylène, d'oxyde de propylène, d'acro- léine ou d'acrylonitrile à partir du propylène, d'acide acrylique à partir de l'acroléine, de butadiène à partir d'hydrocarbures en C4, de styrène à partir de l'éthylbenzène, de formaldéhyde à partir du méthanol, de méthacroléine à partir de l'isobutylène et d'acide méthacrylique à partir de la méthacroléine. Lorsqu'on mélange dans de tels processus de réaction un gaz contenant un composé organique à oxyder et un gaz comprenant de l'oxygène moléculaire il est nécessaire de tenir pleinement compte de la gamme d'inflammabilité du mélange de composé organique et d'oxygène moléculaire. Du point de vue de la sécurité, il est essentiel de régler le rapport de mélange des gaz de façon telle que la composition du mélange gazeux à amener à la région de réaction d'oxydation sorte de la game d'inflammabilité. Toutefois, il est inévitable qu'il se forme localement et temporairement une composition se situant dans la gamme d'inflammabilité, pendant que l'on mélange un gaz comprenant un composé organique et un gaz comprenant de l'oxygène moléculaire. Aussi, il est important de pouvoir mélanger ces deux gaz rapidement dans l'étape de mélange, de manière à diminuer le volume du mélange gazeux dont la composition locale se situe dans la gamme d'inflammabilité. Dans les appareils classiques, on vise à atteindre aussi rapidement que possible un état complètement mélangé 2467O15 - -2 _ en divisant à plusieurs reprises l'un des gaz et en amenant le gaz divisé sous forme dispersée à l'autre gaz, come décrit dans les demandes de brevet Japonais publiées, ne 4362/1971 et 16381/1972. Dans le cas o l'on n'effectue pas l'amenée à l'état dispersé, un procédé pratiqué consiste à amener l'un des gaz à l'autre gaz à travers une seule buse et à faire en sorte que le gaz injecté par la buse atteigne un déflecteur placé dans le parcours inférieur de la buse1de manière à disperser le gaz injecté. Dans un cas comme dans l'autre, ces deux gaz se mélan- gent dans un espace tubulaire. Le rapport entre la longueur (L) du tube et son diamètre intérieur (D), donc L/D, doit *tre compris entre 5 et 10, environ, ou davantage, si l'on veut obtenir un mélange de gaz complètement homogène. Dans les appareils à l'échelle industrielle, on traite de très grandes quantités de gaz (plusieurs milliers ou plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes par heure) et les pertes de charge dans le système de tuyauteries causent souvent un inconvénient économique. Aussi, le diamètre intérieur du système de tuyauteries est généralement de 30 à 50 cm et la distance nécessaire pour obtenir un mélange gazeux entièrement homogène est d'environ 1,5 à ,0 m, en partant du point oh les deux gaz se réunissent. Il se forme donc localement, sur cette distance de 1,5 à 5,0 m, une composition de gaz se situant dans la gamme d'intlammabilité, ce qui est très dangereux. L'un des buts de l'invention est de résoudre les problèmes ci-dessus. L'invention propose d'atteindre ce but en fournissant un appareil mélangeur de gaz du type des échangeurs thermiques à enveloppe et à tubes, dans lequel on tire parti des caractéristiques des petits tubes en ce qui concerne l'écoulement de gaz. L'invention propose un appareil comprenant: (a) un faisceau formé de multiples tubes dont chacun présente au moins un petit trou dans sa paroi, (b) une enveloppe logeant le faisceau de tubes, (c) des éléments formant un espacement à l'extérieur des tubes à l'intérieur de l'enveloppeen isolant l'espace - 3 - intérieur des tubes et l'espace extérieur aux tubes dans l'enveloppe, (d) des moyens d'amenée de gaz qui amènent un premier et un deuxième gaz à mélanger, respectivement à l'intérieur de chacun des tubes et à un espacement situé à l'intérieur de l'enveloppe et formé par les éléments (c), cet appareil étant caractérisé par le fait que le premier gaz passe à travers l'intérieur des tubes du faisceau (a) et que le deuxième gaz est amené à l'espacement formé à l'intérieur de l'enveloppe par les éléments (ó) et pénètre dans les tubes à travers les petits trous pour se mélanger au premier gaz qui passe par les tubes. L'invention réussit à résoudre les problèmes exposés plus haut au moyen de l'appareil mélangeur de gaz présentant une structure du type des échangeurs thermiques à enveloppe et à tubes, dans lequel un premier gaz amené en tant que "fluide de tubes" et un deuxième gaz amené en tant que "fluide d'enveloppe" se mélangent efficacement à l'intérieur des tubes, le deuxième gaz arrivant dans chacun des tubes par un petit trou prévu dans la paroi de chaque tube, de sorte que le mélange s'effectue à l'intérieur de multiples tubes ayant un diamètre relativement petit. De multiples tubes (souvent plusieurs dizaines ou plusieurs centaines), qui donnent une région de mélange sans danger ayant un volume suffisant, sont simplement réunis en un faisceau sous la forme d'une structure du type des échangeurs thermiques à enveloppe et à tubes. On a aussi trouvé que la perte de pression à la traversée de l'appareil est relativement petite. Les dessins annexés représentent une forme de réalisa- tion de l'invention. Sur ces dessins s La figure 1 est une coupe longitudinale dans un plan passant par l'axe géométrique d'un exemple concret d'appareil mélangeur de gaz selon l'invention et illustre le principe de celle-ci; La figure 2 est une coupe de l'appareil dans le plan indiqué par la ligne II-II sur la figure 1; Les figures 3a, 3b et 3ó sont des coupes par des plans 2467015. - 4 - perpendiculaires à l'axe d'exemples concrets de tubes 1 La figure 4 est une coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe d'un exemple concret d'enveloppe comportant des tubes et des cloisons; La figure 5 est une coupe longitudinale par un plan passant par l'axe géométrique d'un mélangeur du type à buse, illustrant le principe de celui-ci i La figure 6 est un graphique établi à partir des résultats du Tableau 1. 1. Analyse théoriaue Il est généralement connu que, lorsqu'on fait passer un gaz à travers un tube, le degré de mélange est régi par le rapport L/D (longueur du tube/diamètre intérieur du tube)# si le débit passant par le tube se situe dans la gamme d'écoulement turbulent, c'est-à-dire si le nombre de Reynolds représenté par (diamètre intérieur du tube) x (débit de gaz) x (masse volumique du gaz)/(viscositd du gaz) est égal ou supérieur à 10 000. Par conséquent, en mélangeant les gaz dans un tube de plus petit diamètre, on obtient, avec une moindre longueur de tubes le même degré de mélange que dans un tube de plus grand diamètre. Autrement dit, le mélange dans un tube de plus petit diamètre s'effectue plus rapidement que dans un tube de plus grand diamètre# de sorte que le temps ou la région o il se forme localement une composition se situant dans la gamme d'inflammabilité peuvent être réduits. Il est connu, aussi, que la gamme d'inflammabilité d'un système comprenant un composé organique et de lfoxygène moléculaire dans un tube de plus petit diamètre est plus restreinte que dans un tube de plus grand diamètre. Cela semble dû à l'accroissement de l'aire effective des parois du tube, qui servent à empêcher une réaction de combustion. Par conséquent, le degré d'existence du mélange ayant une composition locale dangereuse diminue, en même temps que la gamme d'inflamnabilité, lorsqu'on mélange un composé organique et de l'oxygène moléculaire dans un tube de plus petit diamètre, de sorte que la sécurité est accrue en comparaison du mélange effectué dans un tube de plus grand 246701 5. -5- diamètre. 2. Structures d'appareil mélangeur de gaz L'appareil mélangeur de gaz selon l'invention a une structure similaire à celle d'un échangeur thermique à enveloppe et à tubes. Toutefois, il existe une différence fondamentale entre ces deux types de structure, à savoir qu'un petit trou est prévu dans chacun des petits tubes qui constituent le faisceau et que le fluide (gaz) contenu dans l'enveloppe afflue dans chacun des tubes à travers le petit trou. Comme on le voit sur les figures t et 2, de multiples tubes 1 sont supportés à l'intérieur d'une enveloppe 2 par des plaques tubulaires 2, 2a. Un espacement 4 est ainsi formé à l'extérieur de l'enveloppe 3 et est essentiellement isolé de l'espacement intérieur des tubes par les plaques tubulaires 2, 2a. L'enveloppe 3 présente ordinairement des régions de prolongement 3a et 3b. Dans l'exemple représenté, les régions de prolongement 3.a 3b sont fermées par des Joues 5, 5%. Toutefois, il est possible de donner à l'enveloppe 3 un diamètre extérieur égal à celui de la tuyauterie à gaz, de sorte que les régions de prolongement 3a, 3b font partie de la tuyauterie à gaz. Selon l'invention, un petit trou 6 est prévu dans chacun des tubes 1. Bien que le dessin indique un petit trou dans chaque tube 1, plusieurs trous peuvent être prévus dans chaque tube dans la direction de sa circonférence ou de son axe. On peut déterminer convenablement la grandeur et le nombre des trous en vue d'obtenir un mélange gazeux homogène en un temps aussi court que possible. Le nombre maximal de trous existe par exemple dans un tube formé d'un treillis. Les petits trous sont habituellement au nombre d'un à plusieurs. Afin de réaliser un mélange homogène dans un tube de longueur limitée, il faut que les petits trous soient prévues dans les tubes aussi en amont que possible relativement à un gaz passant par les tubes. Le diamètre intérieur, la longueur des tubes, leur nombre etc..., dans le faisceau sont de préférence choisis -6- de façon telle que le gaz passant par les tubes soit dans un état d'écoulement turbulent, c'est-à-dire que le nombre de Reynolds soit égal ou supérieur & 10 000. Le diamètre intérieur de chacun des tubes qui consti- tuent le faisceau, ou le diamètre équivalent défini par 4 x (aire de section de l'espace divisé)/(circonftérence de la section de l'espace en contact avec le gaz) est, de préférence, de 5 cm au maximum et, de préférence encore, de 1 à 3 cm, D'autre part, la longueur des tubes est de préférence choisie de façon que le rapport L/D soit égal ou supérieur à 3. En général, la longueur des tubes est choisie de façon que L/D soit de 10 à 15 environ. Ici,9 on appelle longueur du tube la distance entre une position o est prévu un petit trou dans la partie la plus en aval de l'écoulement dans un tube et l'extrémité du tube (extrémité dtaval). Lorsque plusieurs trous sont prévus dans le tube, la longueur part du trou situé le plus en aval. Le nombre des tubes qui constituent le faisceau est ordinairement de l'ordre de 50 à 1000. 3. Mélange des gaz Dans l'appareil représenté par les figures 1 et 2, le premier gaz à mélanger est amené à l'appareil par une entrée 7, il traverse l'enveloppe dans le sens des flèches, puis traverse les tubes et est évacué par une sortie 8. Le deuxième gaz à mélanger est amené par une entrée 9 à l'espacement 4 situé à l'intérieur de l'enveloppe et isolé des espacements intérieurs des tubes par les plaques tubulaires 2, 2a et la paroi des tubes, il afflue aux tubes par les petits trous 6, il se mélange alors au premier gaz passant par les tubes et est évacué par la sortie 8. Le premier comme le deuxième gaz peuvent étre soit un seul constituant, soit un mélange de gaz. Par exemple, quand le premier gaz est un gaz comprenant de l'oxygène moléculaire, il peut s'agir généralement d'air (c'est-à-dire un mélange d'oxygène et d'azote moléculaires) ou d'un mélange d'air et d'un gaz diluant comme la vapeur d'eau ou le dioxyde de carbone. Quand le deuxième gaz est un gaz -7- comprenant un composé organique, il peut s'agir d'un mélange contenant un gaz diluant. Dans l'invention, l'appareil mélangeur est généralement décrit à propos de deux gaz qui sont les premier et deuxième gaz, étant donné que ces deux gaz peuvent former une composition de mélange se situant dans là gamme d'inflam- mabilité. Aussi, l'appareil selon l'invention peut aussi servir à mélanger aux premier et deuxième gaz un troisième gaz ne causant pas de risque d'explosion. Par exemple, il rentre dans le cadre de l'invention d'amener en outre par une entrée 7% un troisième gaz tel qu'un gaz diluant pour effectuer le mélange de ces trois gaz. Etant donné que l'appareil de l'invention a pour effet d'effectuer le mélange rapidement, il peut y avoir des cas o les premier et deuxième gaz ne forment pas un mélange se situant dans la gamme d'inflimmabilité. Bien entendu, les cas de ce genre rentrent dans le cadre de l'invention. Lorsque les gaz à mélanger comprennent un gaz contenant de l'oxygène moléculaire et un gaz contenant un composé organique (certains exemples étant mentionnés ci-dessus), on peut déterminer convenablement, d'après le rapport des quantités de gaz, d'après les gammes d'inflammabilité dont il s'agit et d'après d'autres facteurs, quel est le gaz qu'il faut faire passer à travers les tubes et quel est le gaz qu'il faut amener à l'enveloppe. 4. Exemples concrets de l'appareil Un exemple concret de l'appareil mélangeur de gaz de l'invention comprend des tubes vides ou tubes non garnis, qui constituent le faisceau représenté par les figures 1 et 2. Un autre exemple concret de l'appareil comprend des tubes garnis.qui constituent le faisceau. Les garnissages solides à entasser dans les tubes peuvent itre sous la forme de sphères, de selles, d'anneaux, de tamis, de barres massives ou creuses ou sous d'autres formes quelconques. A ce propos, il est entendu que le terme "garnissage solide" désigne non seulement les garnissages ordinaires, mais des déflecteurs prévus sur les parois à l'intérieur des tubes. -8- L'utilisation de tubes garnis assure un mélange plus rapide des gaz et augmente aussi l'aire effective des parois des tubes, ce qui sert à emp$cher une réaction de combustion explosive. Un autre exemple concret de l'appareil comprend des tubes dont chacun est divisé en plusieurs cavités longi- tudinales par des cloisons situées dans sa direction axiale, et le petit trou est prévu dans la paroi de chaque tube, de telle sorte que chacune des cavités communique avec l'espa- cement 4 (voir figure 1) à travers les trous. Les figures 3a, 3b et 3o montrent en coupe trois exemples de tubes de ce genre,dans lesquels les tubes sont divisés en deux à quatre cavités par les cloisons 10, loa, 10ob. Cette division des tubes par dos cloisons est efficace, quand on ne peut pas donner aux tubes un diamètre intérieur suffisamment petit ou lorsqu'on veut obtenir l'effet de tubes plus petits. Outre ces variations portant sur le faisceau de tubes, on peut aussi faire varier l'espacement 4 de l'enveloppe (voir figures 1 et 2). La figure 4 montre en coupe un exemple concret d'un tel appareil. Dans cet exemple, l'espacement intérieur 4 -de l'enveloppe est divisé en de multiples cavités longitu- dinales (quatre cavités, 4a, 4b, 4o et 4d dans le cas présent) par des cloisons situées dans sa direction axiale (11 et 11a dans le cas présent) et des entrées de gaz 9 sont prévues pour chacune des cavités (9a, 9b, 9o et 9d dans-le cas présent). Cette division de la cavité 4 de l'enveloppe permet d'empêcher efficacement le cheminement du gaz et de disperser le gaz uniformément. Bien entendu, certains des exemples ci-dessus peuvent étre mis en pratique en combinaison. -5. Expériences EXEMPLE On conduit une expérience de mélange de gaz en utilisant un appareil mélangeur de gaz présentant une structure du type des échangeurs thermiques à enveloppe et à tubes, comportant 37 tubes de petit diamètre. Chaque tube a un diambtre intérieur de 10 mm et une longueur de 400 mm et 246701 5 -9 présente un petit trou de 2 mm de diamètre situé à 50 mm de l'extrémité d'amont du tube. Le diamètre intérieur de l'enveloppe est de 146 mm. On utilise l'air comme premier et deuxième gaz. On incorpore au deuxième gaz une petite quantité (3 % en volume) d'un gaz traceur pour évaluer le degré de mélange des gaz. La vitesse d'écoulement du premier gaz à travers les petits tubes est de 35 m/s tandis que la vitesse du deuxième gaz passant par le petit trou est de 75 m/s. La température de ces gaz est de 350C. On mesure le mélange des gaz pour tous les petits tubes à 370 mm de l'extrémité d'amont du tube (à 320 mm du petit trou). Il n'y a pas de différences dans la distribution de concentration et la concentration moyenne du gaz traceur dans les petits tubes, selon leur position, entre le tube placé au centre de l'enveloppe et les tubes voisins de la paroi de l'enveloppe. On prélève les échantillons de gaz mélangés en cinq points d'échantillonnage comprenant le centre de chaque tube et on détermine les concentrations de gaz traceur. Le résultat est que la différence de concentration en chaque point de mesure se situe dans une marge de + 2 % relative- ment à la concentration moyenne (0,24 % en volume) dans tous les petits tubes. Un exemple des résultats est indiqué par le Tableau 1 et la figure 6 (courbe 14). On dose le gaz traceur par chromatographie gazeuse. Au Tableau 1 et sur la figure 6, R désigne le rayon intérieur des petits tubes et r la distance entre la position d'échantillonnage dans le petit tube et le centre de celui-ci. La "concentration moyenne" du traceur, dont il est ici question, est rapportée à l'aire. EXEMPLE COMPARATIF Pour confectionner un appareil mélangeur de gaz du type à buse, on monte une buse d'amenée de gaz de 68 mm de diamètre intérieur, destinée au deuxième gaz, à travers un tube d'acier d'un diamètre intérieur de 305 mm, comme - 10 - le montre la figure 5. On utilise l'air comme premier gaz et on l'amène à une vitesse d'écoulement de 35 m/s, de gauche à droite sur la figure 5. Le deuxième gaz, que l'on a préparé en incorporant à l'air 3 % en volume de CH4 comme gaz traceur, est injecté par la buse d'amenée, la vitesse au bout de la buse étant de 75 m/s, en sens opposé au premier gaz. La température des premier et deuxième gaz est de 35 C. De la même façon que dans l'exemple, on prélève les échantil- lons de gaz mélangés en un point situé à 320 -m en aval du bout de la buse d'amenée et on détermine les concentra- tions de gaz traceur. Les résultats sont indiqués par le Tableau 1 et la figure 6 (courbe 15) o R désigne le rayon intérieur du tube d'acier. La concentration moyenne du gaz traceur est de 0,29 % en volume. Quand le rapport L/D est d'environ 1, même à une distance de mélange de 320 m qui est la mime que dans l'exemple, il ne se produit presque aucun mélange des gaz. TABLEAU 1 Résultats d'expériences I Pos de re ition Pition mesu- r/R Concentration de traceur, C, (% en volume) Concentration moyenne de traceur, C, (% en volume (C-E) (%) _ 0,8 0,241 0,4 0,4 0,245 2,1 Exemple 0,0 0,244 0,24 1,7 -0,4 0,237 -1,2 -0,8 0,239 -0,4 0,95 0,070 -75,9 0,84 0,104 -64,1 0,70 0,194 -33,1 Exemple 0,55 0,318 9,7 comati 0,0 0,705 0,29 143,1 ratif -0,55 0,469 61,7 -0,70 0,328 13,1 -0,84 0,159 -45,2 -0,95 0,094 -67,6 s.znoTsntd uae gsT.p 4so eddoTeAuei gsuep (o) squomilT se9 -ed m.loj (t/) %ueumeodseiT enb Tej etl.ad psT.Tiqomzreo t1 suoT4oTpueAaz sep euniT uotes tTeaJddy -* * mo S e G inoT.z,,uç no IevD jse *qnq el suep (qoL 'WoL 'oL) uosToTo em.zd segredes og!T.&mo sep 4uel.tTnb9 eaiumeTp el no (L) eqn4 np ine-T.zquT,lqumeTp el enb qçej el zawd [s;z.zOauiO C q L suo$qoTpuape e sep eunil uoltes Te.zeddy -'t * gq-Ano seap eunoeqo inod eqn. np Toxed OC el SuBp 9o0ed se (9) noq. q%$%d ael nb %e seTnuTpnr4puol sgç*.o saneasnhd ua eropce uoç$oezTp ns su'ep o9n4s (qOt 'Woe 'oL) uosToto oun zed 9ST Tp 15g (B) nUogUTWu et %uBn%1Tsuoo (i) aqnt4 enbqo enb q-u; ud Sl TOedo OZ:e L suo$quoTpuoSAo sep outl uoles 1tOeeddy -*C SZ ÀopTTos eosspLzust un 4usueouoo seqn. sep uo sepsA seqn. sep %uos (B) nleO'sT$ l o uenxnT;suoo (t) seqn selt enb 4Te$ T axd 9 %OBU.O '. uo; ueoTpueA.&x u-l uo-es toe.Teddy -*Z seqn4 sel zed *ssed Tpb zvS zeimead ns zegu-etiu os znod (9) Oz sno.z sqTqed set a.eAvaq. q soqnu sel suep oaqqugd 9o (o) swuemel set. ud (C) ddolt.OAUO, op noT.Z4uTF pU LZOj (fr) 4uemeoudset q eueume:se zsS om*qTnep oT enb.0 (u) nueosue$ np (t) seqnP sep zneT;uçTi sze .&zq os *ssed zsS eoTpead et enb Tuj etl aud gsTp. oeiuno 4ueB Toexoddu joo 5L (o) s4uempXt sel aed pmxoj qe (C) eddoleaue,T op inoiTiu$T4 q gnTs (t) luemeoudse un nq:9 (s) soqn. sep unomqo op -TnaT- uFiT 'q %ume TAoCdsO.z 'aeouseT>pm q ZeS e*mqxnep un qe eTmaod un ueuqume Fnb (6 'L) zs ep opuemup suexom sop (p) oL eddoTeanue&T sulp seqn4 xnw aneTzp.lxe oodsotel eo oeqnr sop mneT.oznuT eouds.etl:ugloss ue e'oddoleouetl ep.zneolz:u$.1 B seqnuq sgep zneT.Zpxet ze.uemooudsgo un; u'uLZoj (W'--) sguemp'ip sep (o) (L) sqn. op naeos;j etl queB9oT (C) ddolteAue oun (q) $otud us SUBp (9) no&X jT.Ied un u-som nu o$uesgd unouqo!uop'() seqn4 sotldTltnu ep UJZoj nueosTej un (u) : ureueidwoo z" op j-nenemTm tTeddy -*y S-OILLDI-a&fa - ti - 2467015 - - 12 - cavités (4a, 4_, 4_, 4g) par une eloison (11, ll_) située dans sa direction axiale et que les moyens d'amenée (9a, 9b, 9e, 9d) de gaz (d) servant à amener le deuxième gaz à l'espacement de l'enveloppe sont prévus pour chacune des cavités.