Brevet FR2580520A1 — publié le 19861024

La présente invention concerne un garnissage pour l'amélioration des performances des appareils à lit fluidisé gaz-solide. Dans ces appareils, ou des particules solides sont maintenues à l'état fluidisé par le passage d'un courant gazeux, il y a deux difficultés inherentes au procédé de fluidisation qui empêchent d'obtenir des conditions optimales : d'une part, la présence de bulles gazeuses réduit le transfert de matière entre le gaz et le solide, d'autre part, de grandes quantités de particules solides sont entraînées par le courant gazeux. On connait déjà des techniques, selon lesquelles des garnissages tels que des anneaux de Raschig, des selles de Berl, des anneaux de Pall, des anneaux de grillage, des tubes ou des tiges horizontaux ou verticaux, sont utilisés pour réduire la taille des bulles. Ces garnissages régularisent la fluidisation, qui devient ainsi relativement homogène sur toute la section de l'enceinte, et améliorent bien le transfert de matiere. Mais en supprimant l'échappement du gaz sous forme de grosses bulles ces techniques ont l'inconvénient de provoquer une forte augmentation de l'expansion du lit fluidisé : la rétention en solide devient faible ou nulle dès qu'on atteint une vitesse du courant gazeux qui est voisine de la vitesse terminale de chute libre des particules les plus grosses.On a donc ainsi, aux fortes vitesses du gaz, un appareil qui présente à la fois l'inconvénient d'opérer à faible rétention du solide et celui d'opérer à fort entrainement de ces particules solides. La présente invention a pour but de rémédier aux inconvénients signalés en proposant un nouveau type de garnissage qui, tout en favorisant le contact gaz-solide, provoque un échappement contrôlé du gaz destiné à réduire l'expansion du lit et l'entrainement des particules. Une installation dans laquelle l'entrainement des particules est relativement important est généralement désignée sous le nom de lit circulant ; des que la vitesse du courant gazeux dépasse la vitesse terminale des particules les plus petites un appareil à lit fluidisé peut être considéré- comme un lit circulant : l'inventaire du lit en particules solides est en général maintenu constant par recirculation des particules entrainées apres séparation à l'aide de cyclones ou de dépoussiéreurs. L'élément de garnissage, objet de l'invention, est un tube perforé, placé verticalement dans le reacteur fluidisé circulant. Ce tube est ouvert aux deux bouts. Lorsqu'il est place dans un lit fluidisé, dans certaines conditions de fonctionnement, la vitesse linéaire du gaz à l'intérieur du tube perforé est superieure a celle du lit fluidisé situé à l'extérieur de ce tube, tandis que la rétention en solide est plus faible. I1 y a donc échappement du gaz par l'intérieur du tube qui, à un certain degre,court-circuite le lit. Cet échappement reduit la vitesse à l'extérieur du tube ce qui contribue à augmenter la rétention dans cette zone.Le rôle des perforations du tube est de favoriser, à tous les niveaux de l'enceinte l'interchange entre le gaz et les particules situes dans les deux zones ; les fluctuations de pression dues aux hétérogénéTtés de la fluidisation provoquent cet interchange, c'est à dire que les dispersions radiales du gaz et du solide dans l'enceinte sont tres importantes par suite de la présence de jets horizontaux d'émulsion gaz-solide. Les elements de garnissage peuvent être disposes à l'intérieur d'un réacteur a lit fluidise comme indiqué dans la figure 1. Cet appareil comprend une grille de fluidisation 1, une zone de désengagement 2, une tubulure d'admission du gaz 3 et une tubulure de sortie d'emulsion gaz-solide 4. Un fluide caloporteur peut être introduit en 5 et soutiré en 6, après circulation dans des tubes 7 assurant les échanges thermiques. i Les tubes perfores 8, objet de l'invention sont disposés verticalement dan le réacteur.La distance entre les tubes perforés est choisie de maniere appropriée pour améliorer les performances du réacteur ; pour chaque appli cation specifique un compromis doit être touvé entre les trois grandeurs qui caractérisent l'efficacité du réacteur - bon transfert de matiere gaz-solide au voisinage d'un tube - rétention élevée du solide entre les tubes perforés - dispersion radiale élevée des particules. Une rétention élevée du solide signifie que, pour un même debit circulation des particules solides et un même débit gazeux, la quantite de solide dans l'enceinte est plus grande qu'en l'absence du garnissage. La dispersion radiale du solide doit être élevée dans certains cas, car elle permet de réduire le nombre de points d'injection du solide dans le lit fluidisé, et elle favorise les échanges thermiques. Dans chaque cas particulier on peut choisir le diametre des tubes, le nombre et le diamètre des perforations et la distance entre tubes pour obtenir le résultat recherché. Comme c'est le cas avec la plupart des garnissages, les profils radiaux de vitesses et de concentrations sont relativement uniformes sur toute une section horizontale du reacteur ; l'effet très important des parois du réacteur souvent observe avec les lits circulants en phase diluée est ainsi minimisé ce qui favorise d'une part l'étude du réacteur et d'autre part son extrapolation. Un deuxième mode d'utilisation de l'élément de garnissage selon l'invention est a l'intérieur des tubes ascendants d'un reacteur multitubulaire circulant. La figure 2 montre un exemple de réacteur multitubulaire : un tube perforé 1 est disposécooeentriquement dans chacun des tubes ascendants 2. Des tubes descendants 3 peuvent être utilisés pour recirculer une grande partie du solide vers la chambre de fluidisation 4 située au-dessus de la grille de fluidisation 5 et qui permet, grâce aux alimentateurs de réactifs 6, d'obtenir des débits gazeux et solides identiques dans tous les tubes ascendants. Dans cette version du réacteur fluidisé, qui peut donc être a la fois à circulation interne et externe, le fluide caloporteur est introduit en 7 et soutiré en 8, c'est a dire qu'il circule à l'extérieur des tubes. D'autres modes d'utilisation de ces tubes perforés verticaux a l'intérieur de réacteurs fluidisés circulants ou non circulants pourraient être cités les exemples des figures 1 et 2 étant illustratifs mais non pas limitatifs. Le réacteur multitubulaire étant modulaire, et le réacteur du schema de la figure 1 étant peu sensible aux effets de paroi, nous avons construit deux réacteurs de simulation de diamètres réduits (10 cm et 20 cm) pour comparer leurs performances en presence et en l'absence des tubes perforés. Les deux reacteurs de 6 m de hauteur comportent soit un tube perforé concentrique (figure 3) soit trois tubes perforés (figure 4). Le diamètre intérieur des tubes perforés était égal a 4,2 cm et le diamètre extérieur a 5 cm ; à titre d'exemple - non limitatif - deux trous de 2 cm de diamètre étaient perforés sur un diamètre du tube ce motif étant reproduit tous les 4 cm après rotation de 90". Les deux réacteurs étaient adaptés a l'appareil d'etude de la figure 5 ou ils tenaient le rdle de tube ascendant 1 Un bac de fluidi sation 2 équipé de sa grille 3 et de son alimentation en air 4, ainsi que d'un échappement 5 permettant de contrôler la pression etait utilisé pour alimenter le solide dans le tube ascendant. Le débit de solide est fonction du débit d'air injecté dans le tube ascendant par l'intermédiaire de la tubulure 6 et de la pression du bac fluidisé. Le solide est sépare du gaz dans la chambre de décantation 7 equipee d'un filtre 8 et d'un obturateur 9. En position haute cet obturateur laisse le solide circuler vers le tube descendant 10 ou le solide est en regime fluidité dense. Le solide circule donc de façon continue dans cet appareil en boucle fermée (fermée pour le solide, ouverte pour le gaz). La rétention en solid est mesuree à l'aide d'un densimètre 1t à absorption de rayonnement Y; le debit de solide est mesure en interrompant avec l'obturateur l'arrivée du solide dans le tube descendant et en mesurant la baisse du niveau de la phase dense pendant un temps déterminé Avec le tube ascendant de 10 cm de diamètre de la figure 3, ou celui de 20 cm de diamètre de la figure 4, on a constate que la présence des tubes perforés augmentait la rétention en solide, comme le montreront les exemples qui suivent.Mais on a constaté également que la présence des tubes perfores augmentait la conversion d'une réaction chimique catalytique type : la décomposition de l'ozone en oxygene au moyen d'un catalyseur constitué d'oxyde ferrique (Fe203) déposé sur un support de silica gel. Cette réaction avait déjà été souvent citée dans la litterature comme réaction type pour mesurer l'efficacité des reacteurs à lit fluidisé. Le support est une silice macro et microporeuse de surface spécifique 475 m2/g ; la densite apparente des particules est de 1,05 g/cm3. Le diamètre moyen des particules est de 620 mu. Ce support est imprégne avec une solution aqueuse de nitrate ferrique puis calciné à 300" C. Le catalyseur ainsi preparé circule en boucle fermée, à la température ambiante dans le réacteur de la figure 5. Le gaz de transport est de l'air contenant 500 ppm d'ozone ; on prélève un échantillon gazeux à la sortie du reacteur pour mesurer sa teneur en ozone et par conséquent la conversion, c'est à dire le pourcentage d'ozone qui a reagi. Exemple 1 L'appareil de la figure 5 est utilisé avec le tube représente sur la figure 3. Le débit d'air, injecté en 6, mesuré dans les conditions normales de température et de pression est égal à 30 m3/h ; le débit de catalyseur est égal a 620 kg/h. Le densimètre 11 indique une rétention de 41 % ; cette rétention représente la fraction du volume occupé par le catalyseur. La composition en ozone a la sortie du tube est égale à 30 ppm, c'est a dire que la conversion est égale à 94 X. Avec le même débit gazeux et le même débit de catalyseur, en l'absence du tube perforé, la rétention est de 10 % et la convérsion de 15 %. On notera que dans ces deux essais la vitesse en fût vide était égale à 1,06 m/s et que la vitesse moyenne terminale de chute libre était égale à 2,5 m/s. Exemple 2 Avec le même dispositif que dans l'exemple précédent, mais avec un débit gazeux de 100 m3/h et un débit de solide de 1400 kg/h, on mesure une rétention de 18 % ét une conversion de 30 %. Aux mêmes débits, mais en l'absence du tube perfore, la rétention est égale à 4 % et la conversion à 3 %. On notera que dans ces deux essais la vitesse en fût vide était égale a 3,5 m/s et que la vitesse moyenne terminale de chute libre était égale a 2,5 m/s. Exemple 3 : On procède dans les conditions de l'exemple 1 mais en supprimant le débit de catalyseur vers le tube ascendant. La vitesse du gaz en fût vide (1,06 m/s) tant inférieure à la vitesse terminale de chute libre des particules (2,5 m/s), le lit fluidise est stable et non circulant. La rétention est egale a 37 X et la conversion ozone est égale à 92 %. Au même débit de gaz, en l'absence du tube perforé, le lit est pistonnant, la rétention est égale à 8 % et la conversion d'ozone est égale à 12 %. Exemple 4 L'appareil de la figure 5 est utilisé avec le tube représenté sur la figure 4. Le débit d'air est egal à 280 m3/h et le débit de solide égal à 4000 kg/h. On mesure une rétention de 31 % et une conversion de 61 %. Aux mêmes débits, mais en l'absence des trois tubes perforés, 1; la rétention est de 6 % et la conversion de 5 %. On notera que dans ces deux essais la vitesse en fût vide était égale à 2,47 m/s et que la vitesse moyenne terminale de chute libre était egale à 2,5 m/s. Exemple 5 Le catalyseur utilisé dans les exemples précédents est broye et tamisé de maniere à obtenir des particules dont le diamètre moyen est de 65 m, ce diamètre étant défini par la mesure de la vitesse minimale de fluidisation. L'appareil de la figure 5 est utilisé avec le tube de la figure 3. Le débit de gaz etant de 10 m3/h et celui de catalyseur de 1050 kg/h, la rétention en solide est de 12 % et la conversion d'ozone de 20 %. L'essai comparatif, en l'absence du tube perforé, avait donne une rétention de 4,2 % et une conversion de 3 %. On notera que dans ces deux essais, la vitesse en fut vide était égale à 3,9 m/s et que la vitesse moyenne terminale de chute libre était égale 0,14 m/s (cette valeur étant calculée à partir du diamètre moyen défini precédemment). Exemple 6 Cet exemple montre que l'utilisation du garnissage suivant l'invention permet a la fois d'augmenter la rétention des particules grosses et des particules fines dans un lit hybride, c'est à dire un lit non circulant de grosses particules traversé par un courant de fines particules entrai nées par le gaz. L'apareil de de la figure 5 est utilise avec le tube de la figure 4. Le tube ascendant est partiellement rempli de particules grosses (620pu) tandis que le tube descendant est partiellement rempli de particules fines (65ru) et maintenu fluidisé. Dans cet essai on supprime le bac de fluidisation, la circulation du solide etant réalisée à l'aide d'une tubulure fluidisée. On choisit un débit gazeux égal à 120 m3/h, c'est à dire une vitesse en fût vide de 1,06 m/s, inférieure à la vitesse de chute libre des grosses particules (2,5 m/s) mais supérieure à celle des petites particules (0,14 m/s en moyenne). On constate que les grosses particules ne circulent pas mais que les petites particules sont entrainées vers le haut ; on peut donc ainsi établir une circulation continue des petites particules. Nous avons choisi un débit de 1800 kg/h Après une certaine période de fonctionnement, on coupe les débits gazeux de transport et de fluidisation et on vide le tube ascendant. On tamise, on pese et on calcule la rétention en particules grosses et la rétention en particules fines. On a ainsi mesuré une rétention en particules grosses égale à 25 % et une rétention en particules fines égale a 13 %. Dans l'essai comparatif, réalisé aux mêmes débits après suppression des trois tubes perfores, on a mesure une rétention des grosses particules egale à 8 % et une rétention des fines particules égale à 2 %. On en conclut que l'amélioration de la rétention des grosses particules due au garnissage contribue à retenir les fines particules traversant le lit. On voit que les performances obtenues grâce au garnissage selon l'invention sont très intéressantes. L'augmentation de la conversionet non seulement due à l'augmentation de la rétention du catalyseur mais également au meilleur contact gaz-solide du au mèlangeage intense provoqué par les perforations des tubes. L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, elle englobe de nombreuses variantes et notamment en ce qui concerne la géométrie et les dimensions de l'enceinte, des tubes et des perforations. On notera, en particulier, que des manchons tubulaires superposés mais non accoles constituent!un cas particulier du tube perforé selon l'invention. REVENDICATIONS 1) Garnissage pour enceinte contenant un lit fluidisé, caractérisé en ce que un ou plusieurs tubes perforés sont places verticalement dans l'enceinte et par conséquent immergés dans le lit fluidisé, une émulsion gaz-solide relativement diluée étant formée a l'intérieur des tubes, tandis qu'une émulsion relativement concentrée est formée a l'extérieur des tubes. 2) Garnissage pour enceinte contenant un lit fluidisé selon la revendication 1, caractérisé, en ce que les tubes perforés constituants ce garnissage sont ouverts aux deux bouts et que le nombre, la géométrie et les dimen sions des perforations peuvent être choisis arbitrairement. 3) Garnissage selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il est utilisé dans une enceinte contenant un lit fluidisé circulant, ou un lit fluidisé non circulant ou un lit fluidisé non circulant traversé par un courant de particules fines. 4) Garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérise en ce qu'il est utilisé dans une enceinte contenant un lit fluidise opérant a des vitesses du gaz comprises entre 1/5ème de la valeur de la vitesse moyenne terminale de chute libre des particules solides et 50 fois cette valeur. 5) Garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que on utilise un seul tube perforé par enceinte mais que plusieurs enceintes sont utilisées en parallèle de manière à constituer un réacteur multitubulaire à lit circulant ou non circulant. 6) Garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracterise en ce que les tubes perforés sont suffisamment rapprochés les uns des autres pour permettre la formation d'une émulsion relativement concentrée à l'intérieur des tubes, tandis qu'une emulsion relativement diluee est formée à l'extérieur des tubes.