Brevet FR2543482A1 — publié le 19841005

La présente invention se rapporte généralement à un réacteur thermocatalytique du type utilisé dans une unité de chauffage par rayonnement ainsi qu'à un procédé pour sa production. Le réacteur de la présente invention est particulièrement adapté à une utilisation dans un réchauffeur par rayonnement du type combustion de gaz sans flamme. Dans de tels réchauffeurs, une réaction thermocatalytique est entretenue sur ou près de la surface externe d'un cylindre du réacteur thermocatalytique, le forçant à devenir incandescent et à produire une sortie d'énergie rayonnante.Un exemple d'un tel réchauffeur rayonnant sans flamme comprenant un réacteur thermocatalytique est illùstré par le brevet US NO 3 275 497 intitulé METHOD 0F HOLDING A COMBUSTION ELEMENT 0F CERAMIC FIBERS ON A POROUS SUPPORT, du 25 Septembre 1966 au nom de Gerhart Weiss et autres, qui est incorporé ici à titre de référence. Dans de tels réchauffeurs par rayonnement, le réacteur thermocatalytique constitue typiquement un cylindre réfractaire enfermé à une extrémité. Un certain nombre de fibres de céramique inorganique distinctes et amorphes sont généralement agencées dans la structure de paroi poreuse et homogène du cylindre du réacteur. L'extrémité ouverte du cylindre du réacteur est généralement montée sur un raccord creux qui traverse un réflecteur en métal. Un mélange combustible air-gaz passe à travers le centre du cylindre et les pores de la paroi du cylindre du réacteur forcent sa surface externe, lors de la combustion, à devenir incandescente. Les réacteurs de ce type resteront normalement thermiquement stables pendant des périodes prolongées de temps à des températures relativement élevées de fonctionnement. La réaction de combustion ci-dessus est sans flamme et du fait de la conductivité thermique relativement faible du cylindre du réacteur, il n'y a pas de retour de la réaction à l'intérieur du cylindre du réacteur. Un pourcentage relativement élevé de l'énergie thermique à la sortie du cylindre du réacteurestdelténergie rayonnante. Jusqu'à maintenant, des cylindres de réacteur à combustion de ce type étaient produits par un procédé comprenant l'addition d'un matériau de charge ou de liant ajouté pendant le traitement pour lier chimiquement les composants réactifs ensemble. Comme cela est décrit, par exemple, dans le brevet US NO 3 275 496, les composants des cylindres comprenant de l'alumine et de la silice colloïdale étaient mélangés dans un bain de moulage puis dispersés dans l'eau. Une solution aqueuse de nitrate d'aluminium était alors alors ajoutée pour former un gel qui était alors encore dilué avec de l'eau Des fibres coupées formées à partir d'un produit fondu alumine Al203 et de silice SiO2 étaient alors ajoutées pour former une bouillie.Une fibre préférée était dérivée du kaolin. Une charge ou un liant comme par exemple du méthacrylate de méthyle, était alors ajouté pour lier chimiquement les fibres d'alumine et la silice. La bouillie était alors formée en un cylindre de réacteur par adhérence autour d'un écran monté sur une base qui devenait le tube interne du cylindre du réacteur. -Cs tube interne pendant la formation du cylindre devait typiquement être connecté à la ligne d'aspiration d'une pompe et être immergé dans le bain de moulage de gel pendant un temps suffisant pour déposer une quantité appropriée du gel sur l'écran afin de former le cylindre de réacteur moulé. Après enlèvement du bain, le cylindre était séché à une température comprise entre environ 60 et 660C pendant environ 10 minutes à 60 minutes. Apres séchage, le cylindre du réacteur était cuit dans un four rotatif à une relativement haute température , par exemple supérieure à 5930C, afin de sublimer le méthacrylate de méthyle liant. Dans ce procédé selon l'art antérieur, l'opération de chauffage au four rotatif était une étape requise de traitement car le liant devait être sublimé. Cependant, un chauffage à de telles températures présentait un effet néfaste sur les fibres d'alumine placées dans le cylindre du réacteur. A des températures inférieures à environ 9820C, les fibres d'alumine étaientgénéralement soit à la phase gamma ou thêta ou bien une combinaison de celles-ci. Cependant, à des températures supérieures à 9820C, les fibres d'alumine subissent une autre transformation de phase en phase alpha. Tandis que l'alumine se transforme de gamma à thêta puis à alpha, les fibres d'alumine ont tendance à se densifier, réduisant ainsi la porosité et l'aire superficielle disponible du cylindre de réacteur résultant. On a reconnu dans le brevet US N0 3 275 497 que, ordinairement, la phase des fibres d'alumine dans le cylindre du réacteur a peu ou pas de conséquence sur ses caractéristiques de fonctionnement. Cependant, dans certaines situations et en particulier lorsque des agents catalytiques sont ajoutés au bain pour dépôt sur la surface des fibres, la phase gamma de l'alumine est préférable pour son rapport généralement supérieur de la surface à la masse. Comme on l'a précédemment indiqué, il est préféré rable que le cylindre du réacteur soit poreux et offre une aussi grande aire superficielle que possible afin de servir très efficacement de source de combustible. En conséquence, à chaque fois que cela est possible, il est préférable que l'alumine dans le cylindre du réacteur soit principalement à la phase gamma ou thêta plutôt qu'à la phase alpha plus dense. Cela était impossible jusqu'à maintenant du fait que le liant devait etre sublimé à des températures dépassant 597QC, avec pour résultat un cylindre de réacteur pus dense et moins poreux que celui préféré de façon optimale. Le procédé selon l'invention tente de procurer un cylindre de réacteur plus optimal formé sans liant. Cela permet l'élimination de l'étape de chauffage du cylindre dans un four rotatif à une température dépassant 5930C afin de sublimer le liant, ce qui produisait un réacteur plus dense et moins poreux que celui préféré de façon optimale. Cela a été accompli par addition de poudre de talc. Le cylindre de réacteur sans liant résultant formé à la température ambiante par conséquent, contient des fibres d'alumine à la phase gamma moins dense. En conséquence, le cylindre de réacteur de la présente invention est plus poreux et a un plus grand rapport de la surface au poids que les cylindres de réacteur utilisés jusqu'à maintenant. La présente invention a par conséquent pour objet principal un cylindre de réacteur thermocatalytique sans liant pour une utilisation dans un réchauffeur par rayonnement du type à combustion de gaz sans flamme. La présente invention a pour autre objet un tel cylindre de réacteur qui contient du talc pulvérulent comme composant. La présente invention a pour autre objet un cylindre de réacteur qui est plus poreux et a une plus forte aire superficielle que les cylindres de réacteur contenant un liant utilisés jusqu'à maintenant. La présente invention a pour autre objet un tel cylindre de réacteur qui contient des fibres d'alumine principalement en phase gamma. La présente invention a pour autre objet un procédé de production d'un tel cylindre de réacteur. Pour atteindre les objets et avantages ci-dessus mentionnés, la présente invention, en bref, comprend un procédé de production d'un cylindre de réacteur pour une utilisation dans un réchauffeur par rayonnement qui comprend les étapes de préparer initialement un véhicule liquide qui contient une dispersion d'alumine9 du sulfate de magnésium, de la silice colloïdale et du talc en poudre. La dispersion d'alumine contient de l'alumine pouvant être dispersée en une quantité comprise entre environ 1 et environ 5% en poids, un acide en une quantité pouvant atteindre 0,2% en poids, et de l'eau en une quantité entre environ 10 et environ 302S en poids. La dispersion est alors diluée par addition d'eau en une quantité entre environ 40 et environ 80% en poids.A la dispersion d'alumine diluée, on ajoute du sulfate de magnésium en une quantité pouvant atteindre environ 4% en poids, de la silice colloïdale en une quantité pouvant atteindre environ 10% en poids et du talc en poudre en une quantité comprise entre environ 0,0001% et environ 0,1% en poids pour former ainsi le véhicule liquide. Une composition d'aluminium solide et de fibres de silice est alors ajoutée au véhicule à un rapport d'environ 2,64 gram- mes de fibres par litre du véhicule. Le mélange est alors coupé, mélangé et moulé sous vide autour d'un mandrin pour former le cylindre du réacteur. Le réacteur thermocatalytique selon l'invention est destiné à une utilisation comme source de combustion dans un ré chauffeur par rayonnement sans flamme du type décrit par exemple, dans le brevet US N 3 275 497 et en conséquence,il est formé en un cylindre de combustion ou de réacteur pour incorporation dans un tel réchauffeur. Le cylindre de réacteur selon l'invention est formé en préparant un véhicule liquide comprenant une dispersion d'alumine, du sulfate de magnésium, de la silice colloidale, de l'eau, du talc en poudre et de préférence du tributyl sulfate comme agent antimousseO Le véhicule est alors mélangé à une composition de fibres d'alumine et de silice pour former une bouillie qui est moulée sous vide autour d'un mandrin formant écran pour former le cylindre du réacteur La dispersion d'alumine est initialement préparée en mélangeant de l'alumine dispersible avec de l'eau et un acide. Une alumine dispersible préférée est commercialisée par Remet Corporation à Chadwicks, New York, Etats Unis d'Amerique, sous la désignation commerciale "Dispal". Un acide préféré est placide chlorhydrique, et mieux à une concentration de 37%. Pour former la dispersion d'alumine, de l'eau, en une quantité comprise entre environ 10% et environ 30% en poids, en se basant sur les poids de tout le véhicule liquide, est mélangée à une quantité d'acide suffisante pour obtenir un pH souhaité dans le véhicule liquide résultant. Il est préférable que le pH du véhicule soit compris entre environ 4 et environ 6 et de préférence soit d' environ 5. Par exemple, afin de préparer un véhicule ayant un pH dans cette plage, on a trouvé qu'il était nécessaire d'ajouter, à l'eau, de l'acide chlorhydrique à une concentration de 37% en une quantité comprise entre environ 0,1% et environ 0,2% en poids en se basant sur le poids de tout le véhicule.Une quantité particulièrement préférée de l'acide chlorhydrique à une concentration de 37% est comprise entre environ 0,15% et 0,20,6 en poids. A ce mélange d'eau et d'acide, on ajoute alors l'alumine dispersible en une quantité pouvant atteindre environ 5% en poids en se basant sur le poids de tout le véhicule et de préférence en une quantité comprise entre environ 1% et 5% en poids Une quantité particulièrement préférée d'alumine dispersible est de l'ordre de 2%, ce qui est une quantité suffisante pour produire une dispersion à 10% d'alumine. La dispersion d'alumine est alors sensiblement diluée par addition d'eau en une quantité comprise entre environ 40% et environ .80% en se basant sur le poids de tout le véhicule. De préférence, la dispersion d'alumine est diluée dans l'eau en une quantité comprise entre 605Q et 70% en poids et, mieux, en une quantité comprise entre environ 65% et environ 70% en poids. Après dilution de la dispersion d'alumine, le sulfate de magnésium, en une quantité pouvant atteindre 4% en poids en se basant sur le poids de tout le vehicule, est ajouté. La quantité préférée du sulfate de magnésium est comprise entre environ 1% et environ 2% en poids et mieux entre environ 1% et environ 1,5% en poids. Le mélange est alors stabilisé pendant une période de temps, de préférence pendant toute une nuit, pendant laquelle il devient thixotrope. Après stabilisation, de la silice colloïdale en une quantité pouvant atteindre environ 10% en poids, en se basant sur le poids de tout le véhicule est ajoutée au mélange avec ensuite mélange vigoureux. Une silice colloïdale préférée est commercialisée par E.I. DuPont de Nemours à Wilmington, Delaware, Etats Unis d'Amérique, sous la désignation commerciale "Ludox AG". De préférence, la silice colloidale est ajoutée en une quantité comprise entre environ 5% et environ 6% en poids et mieux en une quantité comprise entre environ 6% et environ 7% en poids. De la poudre de talc, en une quantité suffisante pour forcer la partie des fibres solides à a adhérer ensemble, est alors ajoutée au mélange. De préférence, on ajoute de la poudre de talc en une quantité comprise entre environ 0,0001,' et environ 0,1% en calculant en poids en se basant sur le poids de tout le véhicule. Une quantité particulièrement préférée de la poudre de talc est comprise entre environ 0,0001 et environ 0,00020/6. On a trouvé que l'addition de la poudre de talc à la quantité ci-dessus permettait la formation du cylindre du réacteur sans addition de la charge ou du liant de méthacrylate de méthyle qu'il fallait auparavant.Par ailleurs, par l'élimination-de la charge ou du liant, il devient ainsi inutile de sublimer ou de décomposer la charge ou le liant à des températures élevées ce qui avait pour résultat une transformation de la phase de l'alumine. Après introduction de la poudre de talc et après mélange vigoureux, le véhicule liquide peut contenir une quantité non souhaitable d'air piégé . Il peut par conséquent être souhaitable de dégazer le véhicule par addition d'un agent antimousse comme par exemple du tributyl phosphate en une quantité suffisante-pour éliminer l'air piégé, en général en une quantité pouvant atteindre environ 1,32 c&commat; cc par litre du véhicule liquide. Une quantité préférée de l'agent antimousse est de l'ordre de 0,53 cc par litre. Après addition de l'agent antimousse, le véhicule est encore mélangé jusqu'à élimination des bulles restantes.Le véhicule , qui est alors prêt à recevoir les fibres solides d'alumine et de silice, doit avoir un pH compris entre environ 4 et environ 6, de préférence de l'ordre de 5 et une densité dépassant environ 1,00. La partie des fibres solides se compose d'un mélange de fibres d'alumine et de silice contenant environ 2 ,S d'aluminium. La source préférée-des fibres d'alumine et de silice est un produit commercialisé par Johns Manville Corporation sous la désignation commerciale "Cerachrome". La partie des fibres solides est ajoutée au véhicule liquide et y est mélangé. On ajoute environ 2,52 litres du véhicule liquide a environ 10 g de la partie des fibres solides d'alumine et de silice. Le mélange est alors malaxé et c.oupé pendant une période de temps avec ensuite addition d'un véhicule liquide supplémentaire pour amener la quantité totale de la bouillie résultante à environ 3,785 litres. Un rapport préféré en grammes des fibres solides auxlitresdu véhicule liquide est compris. entre environ 2,11:1 et environ 3,17:1 et de préférence de l'ordre de 2,642:1. Le cylindre du réacteur est formé à partir de la bouillie ci-dessus préparée d'une façon semblable au processus de moulage sous vide décrit dans le brevet US N 3 275 497. Un réservoir sous vide et une pompe à vide sont requis. Une pompe à vide préférée est la pompe Gast, modèle 1022-103-G2272X ou l'équivalent et le réservoir sous vide préféré est un modèle en acier inoxydable de 37,85 litres équipé-d'un vacuomètre indiquant 0-1 bar, un tube de visée pour montrer le niveau du liquide, une soupape casse-vide et une soupape de purge. Sont également nécessaires un réservoir de moulage de la bouillie, de préférence ayantunecapacité d'au moins 26,5 litres, deux longueurs de tuyau flexible sous vide, et une armature en écran autour de laquelle est moulé le cylindre du réacteur.L'armature est fermée à une extrémité et est pourvue d'un tube d'alimentation gaz-air à l'autre extrémité. L'écran est de préférence formé autour d'un mandrin de 15,87 mm de diamètre et il est de préférence en une maille en fil métallique d'acier inoxydable de 4,054 mm, 20 x 20. Le tube d'alimentation gaz-air est de préférence en acier inoxydable de 15987 mm de diamètre externe. Pour effectuer le procédé, l'un des tuyaux flexibles est utilisé pour connecter la sortie du réservoir sous vide à l'entrée de la pompe à vide et l'autre tuyau flexible est utilisé pour connecter l'entrée du réservoir sous vide au tube d'alimentation gaz air à l'extrémité de l'armature en écran. On verse environ 18,92 litres de la bouillie, dans le réservoir de moulage de la bouillie. Après mise en marche de la pompe à vide, l'armature est introduite dans le réservoir à peu près à une position verticale et à environ 5 cm du fond du réservoir. L'armature est maintenue en position dans le réservoir jusqu'à ce que le vacuomètre atteigne0,61ber et ensuite elle est retirée tandis que la dépression est maintenue De cette façon, la bouillie est formée autour de l'armature pour créer ainsi le cylindre de réacteur moulé. La pompe à vide est maintenue en fonctionnement jusqu'à ce que le vacuomètre tombe à environ 0,135 bar et ensuite on l'arrête et le cylindre est déconnecté du tuyau flexible de vide. Le cylindre du réacteur est alors stocké et la soupape cassewvide est ouverte et la bouillie est puisée et dranée. Pour des formations subséquentes de cylindres , des armatures franches sont utilisées. Tandis que le cylindre du réacteur est encore humide et relativement mou, sa surface est divisée en petites zones pour interrompre les lignes de contrainte thermique pendant la combustion pouvant avoir pour résultat un écaillement de la surface. Cela peut être accompli par exemple, en pressant une forme dans la surface du cylindre du réacteur. Cela peut également être accompli en plaçant le tube d'alimentation gaz-air du cylindre du réacteur dans le mandrin d'un tour et en enroulant un fil ordinaire à coudre sur lui en spirale continue d'un pas d'environ 3,175 mm et en mettant sous tension pour obtenir un creux d'environ 0,762 mm. L'extrémité libre du fil peut être fixée par un moyen conventionnel, par exemple en le nouant ou par un ruban, et le cylindre du réacteur est alors retiré du tour.Le fil brille pendant l'alumage initial, son motif restant imprimé en permanence à la surface du cylindre du réacteur. Le cylindre du réacteur est alors placé sur une crémaillère de support et on le laisse secher et à ce moment il est prêt pour une utilisation. Une opération de chauffage en four, nécessaire jusqu'à maintenant, n'est pas requise. Les exemples qui suivent servent à mieux illustrer le procédé de l'invention et ne doivent pas être considérés comme en limitant le cadre. EXEMPLE 1 Le cylindre de réacteur de la présente invention a été formé en préparant initialement une dispersion à 10% d'alumine en mélangeant 3.500 g d'eau à 30 g d'acide chlorhydrique à 37% avec ensuite addition de 392 g d'alumine dispersible Dispal. On a alors dilué 4.000 g de la dispersion résultante alumine à 10% dans 12.000 g d'eauetonaajouté 200 g de sulfate de magnésium. Après stabilisation pendant une nuit, il en a résulté un gel thixotrope. On a ajouté 1.200 g de silice colloïdale Ludox AG, dans le gel, et on a mélangé totalement avec ensuite addition sous agitation rapide de 0,079 g de poudre de talc par litre de gel. On a ajouté 2 cc de tributyl phosphate comme agent antimousse, pour former ainsi le véhicule liquide. On a introduit 2,52 litres du véhicule liquide dans un mélangeur Waring avec ensuite addition de 10 g de fibres de silice et d'alumine Cerachrome. Le mélange a été coupé à une faible vitesse pendant 15 secondes et à une haute vitesse pendant 90 secondes. Du véhicule liquide supplémentaire a été ajouté pour amener la quantité totale à 3,785 litres avec ensuite mélange vigoureux pour former une bouillie. On a placé 18,92 litres de la bouillie dans un réservoir de moulage de la bouillie de 26,5 litres. Le cylindre de réacteur a été formé autour d'une armature en écran de fil d'acier inoxydable de O,- 406 mm, maille 20x20, fermée à une extrémité et pourvue d'un tube d'alimentation gaz air d'un diamètre extérieur de 15,87 mm. Un vide a été produit dans le tube d'alimentation gaz-air, que l'on a inséré dans la bouillie et on lty a maintenu jusqu'à ce qu'une pression de 0,84 bar soit atteinte A ce moment, le tube a été retiré, le vide a été arrêté et le cylindre du réacteur déconnecté de la pompe à vide On a alors laissé le cylindre de réacteur résultant sécher et il était alors prêt à une utilisation Il présentait toutes les propriétés d'un cylindre de réacteur comme coalisé. EXEMPLE 2 On a suivi le procédé de l'exemple 1 à l'exception que l'on n'a pas ajouté de talc en poudre au véhicule liquide. Le cylindre résultant du réacteur formé n'était pas commercialisable par le fait qu'il était incapable d'être moulé autour du mandrin air/gaz. REVENDICATIONS 1.- Procédé de production d'un cylindre de réacteur pour une utilisation dans un réchauffeur par rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de préparer un véhicule liquide comprenant une dispersion d'alumine contenant de l'alumine dispersible en une quantité entre environ 1% et environ 5% en poids de tout le véhicule; un acide en une quantité pouvant atteindre environ 0,2% en poids de tout lé véhicule; et de l'eau en une quantité comprise entre environ 10% et environ 30% en poids de tout le véhicule; diluer ladite dispersion en ajoutant de l'eau en une quantité comprise entre environ 4aS et environ 805,0 en poids de tout le véhicule pour former ledit véhicule: ajouter les matériaux qui suivent audit véhicule, en se basant sur le pourcentage pondéral de tout le véhicule, -cest-à-caire du sulfate de magnésium en une quantité pouvant atteindre environ 4% en poids; de la silice colloïdale en une quantité pouvant atteindre environ 10% en poids; et de la poudre de talc en une quantité comprise entre environ 0,0001% et environ 0,1% en poids; mélanger avec ledit véhicule liquide une combinaison de fibres d'alumine et de silice solides à un rapport des grammes de fibres au litre du véhicule liquide compris entre environ 2,11 :1 et environ 3,17:1; mélanger lesdites fibres solides et ledit véhicule liquide pour former une bouillie; et mouler sous videtladite bouillie autour d'un mandrin pour former ledit cylindre de réacteur. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dispersion d'alumine précitée est une dispersion à environ 10% d'alumine 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alumine dispersible est ajoutée en une quantité comprise entre environ 1% et environ 3% en poids. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acide précité est de l'acide chlorhydrique en une quantité suffisante pour abaisser le pH du véhicule liquide entre environ 4 et 6. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sulfate de magnésium est ajouté en une quantité comprise entre environ 1% et environ 1,5 en poids. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre de talc est ajoutée en une quantité comprise entre environ 0,0001% et environ 0,0002% en poids 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent antimousse est ajouté au véhicule liquide en une quantité suffisante pour éliminer tout air piégé. 8.- Cylindre de réacteur pour une utilisation dans un réchauffeur parrayonnement, caractérisé en qu'il est formé par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.