Brevet FR2526141A1 — publié le 19831104

J La présente invention concerne un procédé de chauffage d'un lit fluidisé, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de celui-ci. De manière connue, la formation d'un lit fluidisé d'une substance à traiter est obtenue en amenant la substance, en phase solide et divisée sous forme de particules, dans une chambre de traitement, par exemple une colonne verticale, eten injectant en partie basse de cette colonne, en direction axiale, un gaz de fluidi- sation pour maintenir en mouvement les particules de la substance. On peut ainsi procéder à un certain nombre de réactions chimiques en phase hétérogène avec une efficacité accrue, grâce au mouvement permanent des particules en suspension Le procédé peut également être utilisé pour des réactions en phase gazeuse, le lit fluidisé étant alors un lit catalytique constitué de particules d'un catalyseur de la réaction Enfin, il peut également être employé pour des traitements purement physiques tels que l'encapsulage ou le séchage de matériaux. Si l'on souhaite chauffer à haute température le lit fluidisé, diverses difficultés apparaissent: le chauffage de gaz de fluidisation ne permet pas d'atteindre des températures toujours suffisamment élevées, en raison des limites physiques de résistance des matériaux du système d'injection de ce gaz et de la grille qui est généralement disposée à la base de la colonne pour retenir le lit fluidisé: cet élément est souvent de structure délicate et risque d'être détruit par une température de gaz de fluidisation trop élevée. Par ailleurs, un chauffage par les parois de la colonne ne peut assurer à la fois une température élevée et une répartition -homogène de celle-ci à l'intérieur du lit. Pour remédier à ces inconvénients et permettre un chauffage homogène et à haute température du lit flui- disé, le procédé de l'invention propose d'injecter un plasma dans la colonne dans au moins une direction com - prise dans un plan radial par rapport à la colonne. Le plasma est produit par induction haute fré- quence ou par arc, et injecté, sa pression étant égale ou supérieure à la pression atmosphérique, c'est-à-dire que la pression d'injection est de l'ordre de 0,5 à 10 bars; on peut cependant mettre en oeuvre le procédé de l'invention avec des pressions supérieures. L'injection est ainsi réalisée sans perturbation sensible de la fluidisation du lit de particules; l'inter- pénétration des différentes veines gazeuses (gaz de flui- disation, gaz plasmagène, éventuellement alimentation de la colonne par la substance à traiter) est optimale et le transfert de chaleur gaz plasmagène-particules est très efficace grâce au mouvement permanent des particules, qui restent brassées de manière régulière. Enfin, les difficultés de tenue aux hautes tem- pératures des matériaux, rencontrées dans la technique antérieure, sont ici évitées grâce au fait que le plasma à très haute température reste confiné en une zone s'étendant entre la torche (o est produite la dissocia- tion moléculaire du gaz plasmagène donnant naissance au plasma) et l'intérieur du lit fluidisé ( Le plasma arrive toujours néanmoins au coeur du lit fluidisé) Les parois de la colonne, ainsi que la grille située à sa base et le dispositif d'alimentation en gaz de fluidisation, restent à l'abri des très hautes température 5 de l'ordre de 2000 à 30000 C et ne sont soumis qu'à la température périphérique du lit fluidisé. Le plasma est en effet ici employé comme agent caloporteur intermédiaire qui reçoit la chaleur des moyens de chauffage de la torche (arc électrique, ou, torche à plasma haute fréquence) et la distribue ensuite à la substance à traiter De ce fait, les différents éléments de l'installation ne sont chauffés que de manière indirecte, à des températures pour lesquelles leur tenue en température est obtenue sans difficulté par des tech- niques classiques. Il est possible de procéder à un traitement en continu de matériaux De préférence, le plasma est injecté par trois torches disposées selon trois direc- tions radiales, sensiblement symétriques, par rapport à l'axe de la colonne; l'alimentation par la substance à traiter, peut être effectuée à un niveau voisin de celui des embouchures des torches L'évacuation de la substance traitée est effectuée au sommet ou à la base du lit fluidisé selon les propriétés acquises par le matériau (augmentation de sa densité, diminution de taille, fragmentation). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation ci-dessous, fait en référence aux figures annexées o: la figure l est une vue en coupe, en élévation, d'une installation selon l'invention, selon la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une coupe en plan de cette même installation, selon la ligne II-II de la figure 1. La colonne de traitement 10 est orientée verticalement; elle peut être de forme cylindrique Le lit de particules il est maintenu en suspension au moyen d'un gaz de fluidisation injecté (flèche A) en partie basse de la colonne, en direction axiale, par une ouverture 12 Une grille 13 retient le lit fluidisé et l'empêche d'obstruer l'ouverture 12. La colonne de traitement peut également comporter des canalisations 14 pour l'alimentation avec la substance à traiter (flèche B) et d'évacuation de cette même substance traitée (flèche C) Il est ainsi possible de réaliser un traitement en continu de cette substance. Une torche à plasma 20 permet l'injection d'un gaz plasmagène (flèche D) par une canalisation 21. Les molécules de ce gaz sont dissociées en ions positifs et en électrons grâce à un champ électromagnétique à haute fréquence produit par des spires inductives 22, de manière à former un plasma 23 à très haute tempéra- ture. Ce plasma est injecté par la torche sous des angles d'incidence t (par rapport à l'axe de laco- lonne) et e (par rapport à la direction d'alimenta- tion de la substance à traiter) qui peuvent varier en fonction des paramètres de travail à l'intérieur du lit de particules maintenu en suspension. De préférence, la direction d'injection du plasma forme un angle t compris entre 45 et 900 et un angle 9 compris entre 30 et 900. En variante, pour obtenir des quantités de chaleur plus importantes, il est possible de produire le plasma non pas par induction haute fréquence, mais par un arc électrique obtenu entre deux électrodes En variante également, il est possible d'utiliser une pluralité de torches à plasma, par exemple trois torches disposées avec un même angle y par rapport à l'axe de la colonne, mais réparties régulièrement autour de celle-ci avec une symétrie radiale à 1200. Dans une réalisation de l'invention, la 2; 76141 torche à plasma était composée d'un tube en quartz de mm de diamètre avec 5 spires inductives situées à une distance de 10 mm du lit fluidisé Le plasma, qui était un plasma d'argon ou d'air, était injecté à une pression voisine de la pression atmosphérique avec des débits variables de 10 à 30 litres par minute. Le lit fluidisé était maintenu dans une enceinte en quartz de 80 mm de diamètre par une grille de toile métallique La fluidisation des particules était assurée par un gaz de débit fonction de la taille et de la densité des particules. Le procédé et l'installation selon l'invention sont applicables à de nombreux traitements de matériaux. On peut citer: le grillage des minerais, la gazéifica- tion du charbon et des hydrocarbures lourds, la trempe en lit catalytique des oxydes d'azote; on peut également envisager des traitements purement physiques tels que le séchage ou l'encapsulage des matériaux. Bien entendu, la présente description n'est donnée qu'à titre indicatif, et l'invention s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 2 D 261 4 1 REVENDICATIONS 1 Procédé de chauffage d'un lit fluidisé, du type o une substance à traiter est amenée dans une colonne de traitement-et maintenue en suspension dans celle-ci par injection axiale, en partie basse de la colonne, d'un gaz de fluidisation, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un plasma dans la colonne dans au moins une direction comprise dans un plan radial par rapport à la colonne. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le plasma est produit par induction haute fréquence. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression du plasma injecté a une valeur au moins égale à la pression atmosphérique, et de même ordre que celle-ci. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la direction d'injection du plasma forme avec l'axe de la colonne un angle (ô) compris entre 450 et 900. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la direction d'amenée de la subs- tance forme un angle ( une direction d'injection du plasma. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le plasma est injecté selon trois directions radiales, sensiblement symétriques, par rapport à l'axe de la colonne. 7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le traitement du lit fluidisé est effectué en continu. 8 Procédé de trempe d'un gaz en présence d'un catalyseur, caractérisé en ce que le gaz est injecté sous forme d'un plasma, et en ce que le catalyseur est mis en suspension sous forme d'un lit fluidisé, par un procédé selon l'une des revendications précédentes. 59 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caracté- risée en ce qu'elle comporte: - * une colonne ( 10) verticale de traitement, au moins une torche à plasma ( 20) débouchant dans la colonne et orientée dans une direction comprise dans un plan radial par rapport à la colonne, des moyens d'injection ( 12) en direction axiale d'un gaz de fluidisation, en partie basse de la colonne, des moyens d'alimentation ( 14) de la colonne par une substance à traiter et d'évacuation ( 15) de la substance traitée, disposés à un niveau voisin de celui de l'embouchure de la torche.