Brevet FR2615606A1 — publié le 19881125

i La présente invention concerne un réacteur échangeur de chaleur pouvant être utilisé notamment pour reaiiser des réactions de synthèse ou de décomposition entre un solide et un gaz. Dans l'industrie chimique on utilise de nombreux systèmes comprenant des réacteurs.-Ces systèmes sont conçus pour permettre au mieux les réactions de synthèse ou de' décomposition précitées, sans trop se préoccuper des quantités de chaleur mises en jeu lors de ces réactions. Dans certaines applications, notamment dans celles dans lesquelles les réacteurs font partie d'une installation pour produire du froid ou de la chaleur, il est utile de pouvoir récupérer et mime d'optimiser les quantités de chaleur mises en jeu. ce qui revient à contr8ler d'une part la quantité de chaleur échangée et d'autre part le niveau énergétique, c'est-à-dire la température. A cet effet, la technologie du réacteur doit ltre telle que les réactions chimiques se passent correctement et que les échanges de chaleur puissent être contr8lés à la fois en quantité et en niveau. - Ainsi, dans le réacteur répondant aux conditions précitées, il faut pouvoir introduire à l'intérieur de l'enceinte du réacteur renfermant la matière réactive un fluide caloporteur apportant à cette matière la quantité de chaleur nécessaire pour permettre la réaction et il faut également pouvoir dissiper la chaleur de réaction au moyen d'un autre fluide. Le but de la présente invention est de créer un réacteur échangeur de chaleur, de structure simple et facile à réaliser qui permette d'atteindre les objectifs précités. L'invention vise un réacteur échangeur comprenant une enceinte cylindrique en métal, destinée à recevoir une substance chimique, cette enceinte étant traversée axialement par un tube métallique destiné à la circulation d'un fluide caloporteur, des moyens étant prévus pour permettre un échange thermique entre le tube et l'intérieur de l'enceinte cylindrique. Suivant l'invention, ce réacteur échangeur de chaleur est caractérisé en ce que le tube comporte des ailettes radiales s'étendant sensiblement sur toute la hauteur de l'enceinte cylindrique et sur toute la distance radiale comprise entre le tube et la face latérale intérieure de l'enceinte cylindrique. Les ailettes radiales du tube dans lequel circule un fluide caloporteur divisent ainsi l'intérieur de l'enceinte cylindrique en une série de compartiments contenant une substance chimique réactive. Le fluide caloporteur circulant dans le tube échange sa chaleur avec la substance chimique par l'intermédiaire des ailettes de ce tube. Compte tenu de la disposition radiale de ces ailettes et de leur répartition au sein de la substance chimique, celles-ci réalisent une surface d'échange thermique optimale entre le fluide caloporteur et cette substance chimique. Selon une version avantageuse de l'invention, la face latérale extérieure de l'enceinte cylindrique comporte des ailettes radiales. Cette disposition permet de dissiper vers l'extérieur la chaleur de la réaction exothermique de synthèse entre la substance chimique et un fluide amené à l'intérieur du réacteur, lorsque celui-ci est utilisé dans un système mettant en jeu des réactions de synthèse et de décomposition alternées dans le temps, comme décrit par exemple dans la demande de brevet français de la demanderesse déposée ce jour et intitulée "Procédé pour produire du froid par réaction solide-gaz et dispositif s'y rapportant". Selon une version préférée de l'invention, l'ensemble constitué par l'enceinte cylindrique et le tube comportant les ailettes est d'une seule pièce et est réalisé par extrusion. Cette structure permet d'obtenir à l'aide d'une seule opération de fabrication un réacteur à la fois efficace et peu couteux. Le profile obtenu par extrusion peut être coupe en éléments de longueurs variables suivant la capacité désirée des réacteurs que l'on veut obtenir. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur échangeur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe suivant le plan II-II de la figure 1. : - -la figure 3 est une vue en élévation du corps creux toroïdal de collecte et de distribution du fluide réactif, - la figure 4 est une vue en plan du corps creux toroïdal précité. Dans la réalisation des figures 1 et 2, le réacteur échangeur de chaleur comprend essentiellement une enceinte cylindrique 1 en métal, destinée à recevoir une substance chimique, cette enceinte étant traversée axialement par un tube 2 métallique destiné à la circulation d'un fluide caloporteur. Conformément & l-invention, le tube 2 comporte (voir figure 2) des ailettes radiales 3 s'étendant sensiblement sur toute la hauteur de l'enceinte cylindrique 1 et sur toute la distance radiale comprise entre le tube 2 et la face latérale intérieure la de l'enceinte cylindrique 1. On voit d'autre part sur la figure 2 que la face latérale extérieure de l'enceinte cylindrique 1 comporte des ailettes radiales 4 qui permettent de dissiper la chaleur de l'intérieur de cette enceinte vers l'extérieur comme on le verra plus en détail plus loin. L'ensemble constitué par l'enceinte cylindrique 1 et le tube 2 comportant des ailettes 3 est d'une seule pièce et est réalisé par extrusion. L'ensemble constitué par l'enceinte cylindrique et le tube 2 à ailettes 3 est de préférence en aluminium ou en alliage à base d'aluminium. Ceux-ci se pretent bien à l'ex susceptible de réagir avec un fluide tel que de l'ammoniac. L'enceinte cylindrique 1 comporte à cet effet une tubulure 5 permettant d'amener le fluide à l'intérieur de l'enceinte. Dans la réalisation représentée, les extrémités opposées 6a, 6b de l'enceinte cylindrique 1 sont fermées par des flasques 7, 8 soudées auxdites extrémités. Entre l'une 7 des flasques d'extrémité de l'enceinte cylindrique 1 et l'extrémité adjacente des ailettes 3 du tube 2 est disposé un corps creux toroïdal 9 centré sur l'axe du tube 2. La tubulure 5 d'amenée du fluide débouche dans ce corps creux 9 et ce dernier comporte une série d'ouvertures 10 (voir égaiement les figures 3 et 4) régulièrement réparties autour du tube 2 et disposées en regard de chacun des compartiments 11 délimités.par les ailettes 3 du tube 2. Les ouvertures 10 du corps creux 9 sont munies d'éléments tubulaires 12 qui sont eux-mêmes prolonges par des éléments tubulaires 13 (voir figure 1) perméables au fluide qui s'étendent jusqu'à l'extrémité de l'enceinte cylindrique 1 opposée au corps creux 9. Dans l'exemple représenté, les éléments tubulaires 13 sont constitués par des manchons en grillage métallique, les mailles de celui-ci étant suffisamment serrées pour empêcher le passage du produit solide à l'intérieur de ces manchons. Le tube 2 à ailettes 3 ainsi que la tubulure 5 d'amenée du fluide sont soudés aux flasques d'extrémités 7 et 8. Le tube 2 à ailettes 3 est prolongé à l'extérieur de l'enceinte cylindrique 1 par deux éléments de tube 2a, 2b qui sont soudés au tube central 2 en 2c, 2d c'est-à-dire au niveau des extrémités 6a, 6b des ailettes 3 situées à i'intr ieur de i'enceinte i. Le fonctionnement du réacteur que l'on vient de décrire est le suivant. On fait circuler a l'intérieur du tube 2 au moyen d'une pompe extérieure non représentee, un fluide caloporteur tel qu'une huile thermale. On -fait circuler de l'air, par exemple au moyen d'un motoventilateur extérieur, vers les ailettes 4 situées sur la face extérieure de l'enceinte 1. - On introduit par la tubulure 5 un fluide tel qu'un gaz pouvant réagir physiquement ou chimiquement avec une substance chimique solide contenue & l'intérieur de l'enceinte 1. Le fluide caloporteur-circulant dans le tube 2 & ailettes 5 permet de chauffer à coeur le solide contenu dans l'enceinte 1 et d'engendrer ainsi une décomposition du composé obtenu par réaction entre le solide et le gaz introduit par la tubulure 5. Le gaz ainsi formé s'échappe de l'enceinte 1 par la tubulure 5. Dans une seconde étape du fonctionnement, la - circulation du fluide caloporteur dans le tube 2 à ailettes est- arrêtée. Par contre, l'air est soufflé contre les ailettes extérieures 4 de l'enceinte ce qui permet d'évacuer la chaleur engendrée lors de la réaction de synthèse entre le -25 solide et le gaz à l'intérieur de l'enceinte 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation que l'on vient de décrire et on peut apporter & celui-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les flasques d'extrémité 7 et 8 pourraient être vissés sur les extrémités de l'enceinte 1. Par ailleurs, le tube 2 à ailettes 3 pourrait Etre distinct de l'enceinte cylindrique 1 et monté de façon amovible dans celle-ci. Le corps creux 9 de forme torique pourrait tre remplacé par une plaque munie d'ouvertures telles que les ouL. erturee 10 et f ixte 5souls le iaeque 7 aux niveau de l ' e*trffrité 6a des aeilettes. du tube 2. sagwJa* 4uos (1) anblApuIiA aqujaMuaI ap (q9 4eg) saesoddo S9g4TwiPà-xa sai anb ao ua vs>lee s ulemTpua^ai sap aunI V aw-oauom Jna6ueqme Anaeg.U '9 a4ula3ual ap JnaxJqux, e apinz 3Tpal àauawep lueaw-Jad (i) ajnlnqnl aun a3Jodwo3 (I) enbsdpuTlAm aquiamual ap sg3wg3xa sap (eg) aunt! anb am ua esiJ934eJem &apTnl oc un za^e JtôegJ ap atqT4da3sns apxlos anbtwq4o aoue-sqns aun imualumm eV qui-sap jueqq inalmegà an &t e T suol, 4emipueaaj sap aun,! V awJo+uoo Jne6ue4mg Jnaleg -Q -wniuxwnlep aseq e a6eille ua no wniuiwnle ua -4sa (2) saq-4ajle V (Z) aqnq al 4a (1). ai.bTjpu-clAD a4uramual jed qnjzqsuoa alqwasue,1 anb am ua SIJoee i uo$3emipua^aJ el e awjo+uom ina6u-e4mg -na-zegU ' uozsn3xa ed gsilegi sa 4a aozd alnas aunp Isa 4)'s.aqalTe sap jue>odwoo (Z) aqnq al 3a (T) anbxJPutli a3uiamua,! jed j nec Tsuoa alqwasual anb am ua gs'xgwoeJeo 'z no 1 suoiqemipua^ai sap aunl ç awio+uom ina6ue4qm inaqmegu ú saieTpei saealTe sap aqodwom (T) anbTipuTIAÀ aluianua,! ap ainaTigxa aleAgel ae+ el anb an ua szge uoi4a$pua^aJ el i awjo+uom JnaBueqb inameq.Z anbiipuilAm a-4ulemua'I ap -a-inat-iio-ut aeg aML-3 el -4a (Z) aqnI al a3ua asm'ddwo3 aleipei azueqssp el aqnoq Jns qa (t) anbxJpuilAm alutamua, 1 ap inaqneq el aIno Ans quawalqTsuas luepuaes (T) salespei sa4RaITe sap aliodwoz (Z) aqnj al anb am ua gstiglmeiez se1) enb-t.pu'-t-[À a-4uiamual ap -JnaTjeuTi' 4a {Z) aqnq al ar3ua anbxwjaql a6ueymp un aJ3awJad inod sn^pJd luelq suaÀow sap eJnaglodole apsnl+ unp uoTieInnsim eT e quilsa p (Z) anb$ilew aqnI un jed quawaleixe agsja^ejq 4ueRg (1) a4uzamua aggao eanbtwxq amuesqns aun jioazaDaà eq aqui:Rsap Ileqiw ua (I) anbi-àputlÀm a- 4utamua aun 4ueuaJdwao Jnaleqm ap Jna5ueqme jnaq3eg T SNOIiY3IGN3A3B 909S93 par des flasques (7. 8) soudés auxdites extrémités. 7. Réacteur échangeur conforme à l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'entre l'un (7) des flasques d'extrémité de l'enceinte cylindrique (1) et l'extrémité adjacente (6a) des ailettes (3) du tube (2) est disposé un corps creux (9) de forme torique centré sur l'axe du tube (2>) la tubulure (5) d'amenée du fluide débouchant dans ledit corps creux (9) et ce dernier comportant une série d'ouvertures (10) régulièrement réparties autour du tube (2) et disposées en regard de chacun des compartiments (11) délimités par les ailettes (3) du tube (2). 8. Réacteur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que les ouvertures (10) du corps creux (9) sont prolongées par des éléments tubulaires (13) perméables au fluide qui s'étendent jusqu'à l'extrémité de l'enceinte cylindrique (1) opposée audit corps creux (9). 9. Réacteur conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments tubulaires (13) sont constitués par des manchons en grillage métallique, les mailles de celui-ci étant suffisamment serrées pour empêcher le passage du produit solide à l'intérieur de ces manchons.