Brevet FR2521708A1 — publié le 19830819

Procédé et échangeur de chaleur pour le refroidisse- ment progressif d'un courant de gaz chaud. L'invention concerne un procédé pour le re- froidissement progressif d'un courant de gaz chaud dans une enceinte, qui est refroidie par un fluide de refroidissement passant dans sa paroi ainsi qu'un échangeur de chaleur pour l'exécution du procédé. Par enceinte on entend des conduites et réci- pients en liaison avec l'invention et en particulier des récipients de réaction, qui fonctionnent avec une pression effective ou avec une dépression et o règnent des températures élevées. Pour dissiper la chaleur d'une enceinte, il est connu d'associer à sa paroi des dispositifs d'échange de chaleur Suivant la pression de service régnant dans l'enceinte, des chemises peuvent être soudées sur sa paroi On connaît encore des conduites de chauffage ou de refroidissement soudées sur la paroi de l'enceinte et des conduites disposées dans sa paroi, par exemple des parois à ailettes, à mem- branes ou autres S'il faut par exemple dissiper des quantités de chaleur différentes et s'il faut mainte- nir alors une certaine température à la sortie de l'enceinte, des mesures spéciales sont nécessaires. Il faut en particulier régler le circuit de refroi- dissement de manière qu'un abaissement de la tempé- rature au-dessous de la température de sortie défi- nie soit évité avec certitude Ceci est vrai spécia- lement quand l'enceinte est utilisée pour l'exécu- tion de réactions et que le maintien de cette tempé- rature de sortie est très important pour la qualité du produit à obtenir. Si l'enceinte est prévue pour l'exécution de réactions exothermiques, il se produit dans la zone de réaction des quantités de chaleur importantes et différentes, qui demandent un refroidissement inten- sif de la zone de réaction Avec des échangeurs connus, ce refroidissement ne peut pas être assuré ou seulement d'une manière compliquée, de sorte que d'autres solutions sont recherchées On connaît le procédé du refroidissement direct, dans lequel un fluide de refroidissement est introduit directement dans la zone de réaction Ce procédé est utilisé par exemple dans la fabrication de noir de carbone par combustion infra-stoechiométrique d'hydrocarbures. Comme fluide de refroidissement, on utilise alors de l'eau Mais ce procédé a des défauts, parce que le noir s'agglutine en partie en grumeaux, qui doivent être ensuite moulus pour être utilisables. C'est ici qu'intervient l'invention, dont le but est un procédé du type précité évitant les dé- fauts des solutions connues, la courbe de températu- re sur le côté de sortie de l'enceinte étant large- ment indépendante des quantités de chaleur à dissi- per sur son côté d'entrée. Ce but est atteint suivant l'invention en ce que la quantité de chaleur qui doit être dissipée à partir du courant de gaz est cédée au fluide de refroidissement à l'aide d'une surface de rayonnement se trouvant entre le courant gazeux et le fluide de refroidissement. L'invention a également pour objet un échan- geur de chaleur, mettant en oeuvre un tel procédé, disposé sur la paroi extérieure de l'enceinte et comportant, entre l'espace intérieur de l'enceinte et l'échangeur, une chemise intérieure conduisant la chaleur et se trouvant à une certaine distance de l'échangeur. L'invention va être expliquée plus en détail à l'aide des dessins joints Sur ces dessins: la figure 1 représente une coupe longitudina- le schématique d'un réacteur destiné à produire du noir de carbone, et la figure 2 représente un diagramme de la courbe de température régnant dans un réacteur con- forme à l'invention, pour deux conditions de marche. La figure 1 représente schématiquement un réacteuricomportant une enceinte 2 L'enceinte 2 pré- sente un espace intérieur 3 de section transversale quelconque, par exemple circulaire, rectangulaire ou polygonale Le boîtier 2 comporte des côtés d'en- trée E et de sortie S Le réacteur sert à la produc- tion de noir de carbone à partir d'hydrocarbures; le procédé de l'invention sera expliqué en relation avec cet appareillage L'enceinte 2 présente une paroi extérieure 4, qui comporte extérieurement un échangeur de chaleur 5 en forme de chemise soudée à la paroi extérieure 4 Mais l'échangeur peut avoir aussi une autre structure, par exemple sous forme des modèles connus et décrits plus haut. L'espace intérieur 3 est délimité sur son pourtour par une chemise intérieure 6, qui est à une certaine distance de la paroi extérieure 4 et forme avec elle un espace intermédiaire annulaire 7 Cet espaceintermédiaire est, sur le côté de sortie, séparé de l'espace intérieur 3 par un joint 8, qui n'est pas représenté plus en détail L'espace inter- médiaire 7 est fermé sur le côté d'entrée E par une plaque de tête 9, sur laquelle la chemise intérieure 6 est fixée par une bride 10 et qui s'étend jusqu'à la chemise extérieure 4, qui est reliée par une bride il au bord de la plaque de tête 9. Sur le côté de sortie S est disposée une tubulure 12 et, sur le côté d'entrée E, une autre tubulure 13 Le sens des flèches indique l'entrée du fluide de refroidissement sur la tubulure 12 et sa sortie sur la tubulure 13 La paroi extérieure 4 se prolonge par un cône de fermeture 14, sur l'ouver- ture de sortie 15 duquel se raccordent les autres appareils nécessaires pour le traitement des noirs produits, ces appareils n'étant pas représentés. Sur la plaque de tête 9 on a schématisé les pièces du réacteur avec lesquelles les apports d'oxygène, de l'air la plupart du temps, et les hy- drocarbures sont dirigés dans l'espace intérieur 3. L'apport d'oxygène provient d'une source d'oxygène 16 et il est dirigé, par l'intermédiaire d'une con- duite 17, dans un distributeur 18, qui comporte, du côté de l'enceinte, des ouvertures 19, par lesquel- les l'apport d'oxygène est introduit dans des cham- bres mélangeuses 20 Là, l'apport d'oxygène est mé- langé à des hydrocarbures injectés par des buses -21 auxquelles ils sont amenés par des conduites 23 à partir d'un réservoir schématisé en 22, le mélange étant envoyé dans l'espace intérieur 3 Dans l'espa- ce intérieur, le mélange est continuellement enflam- mé et il se produit une réaction plus ou moins exo- thermique La chaleur libérée par cette réaction doit être évacuée d'une manière dosée, pour assurer une température de sortie à l'intérieur d'une plage. de température étroite, dont le respect est important pour la qualité du produit C'est pourquoi la tempé- rature de sortie du gaz doit être largement indépen- dante de la quantité de chaleur libérée. Le transfert de chaleur provenant du gaz de réaction et du produit de réaction se fait par rayon- nement sur le côté intérieur de la chemise intérieu- re 6 Par conductibilité thermique la température augmente aussi sur le côté extérieur de la chemise intérieure 6, qui forme alors de son côté une surfa- ce irradiante et transmet, par ce rayonnement, la chaleur à la paroi extérieure 4 Comme le transfert de chaleur par rayonnement croit suivant la puissan- ce 4 de la température, un transfert de la chaleur du gaz dans l'espace intermédiaire par convection et par conduction n'a qu'une importance très limitée. L'absorption de chaleur se faisant dans la paroi extérieure 4 est équilibrée par un fluide de refroi- dissement convenable, par exemple de l'eau bouillante. Sur la figure 2 on voit l'effet du procédé de refroidissement suivant l'invention, qui est cons- titué par la succession de deux opérations de rayon- nement, d'abord du gaz dans l'espace intérieur 3 vers la chemise intérieure 6, puis, de là, vers la paroi extérieure 7. Sur la figure 2 on a représenté deux réac- tions pour la production de deux qualités différentes de noirs: les tracés continus représentent la cour- be de température dans le gaz sur la longueur L de l'espace intérieur 3, cependant que les lignes inter- rompues représentent la température de la chemise in- térieure 6 pour les deux cas de marche et que la ligne en trait mixte représente la température de la paroi de l'échangeur de chaleur 5 Dans le cas de marche I, avec la température maximale du gaz d'envi- ron 19000 C, il s'agit de la fabrication d'une qualité de noir dans laquelle la part d'oxygène est relative- ment grande, cependant que dans le deuxième cas de marche Il, avec la température maximale du gaz, net- tement plus faible, d'environ 10000 C, il s'agit de fabriquer une qualité de noir o la part d'oxygène est relativement faible On peut pourtant constater d'après la figure 2 que la courbe de température à la sortie S du réacteur dépend nettement de la pointe de température obtenue à l'entrée E du réacteur En cas de changement des conditions de marche dans la fabrication de différents types de noirs par le chan- gement du rapport huile/air, on obtient bien des pointes de températures très différentes, mais qui ont peu d'influence sur le profil de température vers la sortie S du réacteur, de sorte qu'on ne doit pas intervenir de l'extérieur, c'est-à-dire par la commande du système de refroidissement Ainsi les conditions désirées de réaction vers la sortie S du réacteur se règlent d'elles-mêmes sans influence extérieure, largement indépendamment de ce qui se passe à l'entrée E du réacteur. Le procédé de refroidissement décrit a donc l'avantage que les pointes de températures se produi- sant à la réaction se réduisent rapidement à une température relativement basse, après quoi la suite du refroidissement est lente par rapport à la tempé- rature élevée de réaction Grâce à cette dissipation sélective de la chaleur, la quantité de chaleur libé- rée pendant la réaction et dépendant de la chaleur spécifique de réaction, ainsi que de la quantité dé- bitée n'a qu'une action très faible sur la tempéra- ture de sortie des gaz de réaction De plus la tempé- rature du fluide de refroidissement et de la paroi extérieure 4 n'a pratiquement pas d'importance pour la courbe de température régnant dans le gaz de réaction Le choix du fluide de refroidissement peut- donc être adapté à d'autres nécessités, par exemple pour une récupération aussi judicieuse que possible de la chaleur. RÉPUBLIQUE FRAN AISE INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE PARIS BREVET 2 521 709 D'INVENTION CERTIFICAT D'UTILITÉ CERTIFICAT D'ADDITION Aucun titre n'est publié sous ce numéro REVENDICATIONS 1 Procédé pour le refroidissement progres- sif d'un courant de gaz chaud dans une enceinte ( 2), refroidie par un fluide de refroidissement passant dans sa paroi ( 4), caractérisé en ce que la quantité de chaleur à dissiper à partir du courant de gaz est cédée au fluide de refroidissement à l'aide d'une surface de rayonnement ( 6) se trouvant entre le cou- rant gazeux et le fluide de refroidissement. 2 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la surface de rayonnement ( 6) est près de la paroi ( 4) de l'enceinte. 3 Echangeur de chaleur disposé sur la paroi extérieure ( 4) d'une enceinte ( 2) pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce-qu'entre l'espace intérieur ( 3) de l'enceinte ( 2) et l'échangeur ( 5) est disposée une chemise intérieure ( 6) conduisant la chaleur et se trouvant à une certaine distance de l'échangeur ( 5). 4 Echangeur de chaleur suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire ( 7) de préférence annulaire, formé par la chemise intérieure ( 6) et l'échangeur ( 5) est fermé par un joint ( 8) aussi bien par rapport à l'espace intérieur ( 3) du bottier ( 2) que par rapport à l'atmosphère. Echangeur suivant la revendication 3, 2 2521708 caractérisé en ce qu'il est intégré dans la paroi extérieure ( 4), par exemple sous forme d'une paroi à ailettes ou à membrane. 6 Echangeur suivant la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la chemise intérieure ( 6) est en un métal résistant à une chaleur importante. 7 Récipient à réaction comportant un échan- geur suivant la revendication 3, pour des réactions à l'état gazeux à des températures élevées. 8 Récipient à réaction suivant la revendica- tion 7, destiné à des réactions exothermiques, par exemple pour la fabrication de noirs de carbone.