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Il Perfectionnements aux échangeurs de chaleur ".
Lorsqu'on produit des réactions chimiques gazeuses a des températures élevées, il est bien connu de conserver la chaleur du système en faisant en sorte que la chaleur des fluides ou produits gazeux chauds, soit cédée aux ma- tières gazeuses intervenant dans la réaction et arrivant à l'état froid. Pour que les gaz traversent l'échangeur de chaleur, employé à cet effet, à. la vitesse requise, c'est-à- dire à une vitesse en rapport avec la production la plus économique du produit désiré, il est nécessaire, en tout cas, qu'il existe une certaine chute de pression dans l'ap- pareil.
La grandeur de cette chute ou différence de pression
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est d'une grande importance lorsque les gaz sortants doivent ensuite être utilisés à la pression initiale, comme par exem- ple dans la synthèse de l'ammoniaque, où l'azote et l'hydro- gène non combinés sont renvoyés dans un cycle. En pareil cas il faut exercer un travail sur les gaz sortants pour les por- ter de nouveau à la pression convenable. Le but de la pré- sente invention est de réduire la chute de pression dans l'é- chargeur et d'obvier ainsi pour une grande part à la recom- pression coûteuse des gaz.
On a trouvé que ce but peut être atteint si l'on fait passer les fluides, par exemple les gaz, qui contien- nent de la chaleur disponible, dans des tubes de petit dia- mètre disposés en parallèle, tandis que les autres gaz qui nécessitent un chauffage passent autour de la surface exté- rieure de ces tubes. Grâce à cette disposition, la chute to- tale de pression dans l'échangeur est très petite et l'on obtient cependant en même temps un rendement élevé de l'é- change de chaleur, par exemple de 80 à 90 %. Pour obtenir le même rendement avec un échangeur ordinaire formé de deux tu- bes concentriques,il faudrait une chute de pression beaucoup plus grande dans l'appareil.
Il est préférable de faire passer les gaz chauds dans les tubes de petit diamètre et les gaz froids autour de la surface extérieure, mais la disposition inverse présente également des avantages sur la pratique usuelle et rentre dans le cadre de la présente invention.
Dans les dessins annexés, qui représentent une forme préférée de réalisation de l'invention, la fig. 1 est une coupe verticale et la fig. 2 une coupe transversale d'un échangeur faisant partie d'un appareil catalytique destiné à la synthèse de l'ammoniaque et du genre dans lequel l'échan- geur de chaleur entoure la chambre de catalyse proprement dite.
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on a désigné sur la fige 1, par A un espace cylin- drique destiné à être occupé par le catalyseur et entouré d'un échangeur de chaleur B, le tout étant, bien entendu, enfermé dans une enveloppe appropriée résistant à la pres- si on* L'échangeur est divisé en plusieurs espaces annulai- res 1, 2, 3, 4 et 5 au moyen de deux séries de plaques tu- bulaires c,d formant chicanes.
Les chicanes sont formées de parois en tôle de fer entre lesquelles de l'amiante est fortement tassé. Les chicanes creuses 0 sont fermées à l'ex- trémité Inférieure 19 et ouvertes en haut ; de la série complémentaire D sont fermées en F et ouvertes en bas. Les espaces annulaires formés entre ces chicanes sont continus sur tout le pourtour de l'appareil, comme le montre la fig.2.
Les gaz comprimés froids entrent dans l'appareil en 1 et sont répartis dans l'espace 1 qu'ils parcourent de haut en 'bas pour changer de direction à la partie inférieure et re- monter dans l'espace 2 et ainsi de suite jusqu'à ce qu'ils passent finalement entre la dernière chicane et la paroi extérieure K de la chambre du catalyseur au bas de laquelle ils pénètrent par des trous horizontaux 6 ménagés sur toute la périphérie de cette paroi. Ils circulent alors de bas en haut à. travers la chambre du catalyseur et quittent cette dernière par des trous 6' symétriquement disposés, forés horizontalement au sommet de la chambre.
Les gaz chauds pé- nètrent de là dans un espace collecteur H où ils peuvent se mélanger complètement et ils continuent en passant par les extrémités ouvertes d'un grand nombre de tubes 7 dispo- sés symétriquement, en parallèle, dans l'espace annulaire,*}-* Les tubes parallèles 7 descendent le long de la chicane D puis ils se recourbent en forme d'U et remontent dans l'es- pace annulaire 3. Au sommet de cet espace, tous les tubes @
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débouchent dans un second collecteur H' où les gaz qui s'é- taient séparés en un grand nombre de courants en entrant dans les tubes peuvent se mélanger à nouveau.
Une nouvelle série
7' de tubes en u part du collecteur H' en descendant dans l'espace 2 et en remontant dans l'espace 1 jusque un troi- sième collecteur et ainsi de suite suivant le nombre de pla- ques de chicanes disposées dans l'échangeur.
Il est bien entendu que la masse catalytique se trouvant dans la chambre A est maintenue à la température élevée voulue et que par conséquent les gaz quittant A sont eux-mêmes à cette température avant d'entrer dans l'échangeur au cours de leur trajet vers la sortie. En passant dans les faisceaux de tubes 7, 7' et dans les collecteurs H, H',les gaz chauds cèdent progressivement leur chaleur aux gaz en- trants qui s'écoulent dans les espaces annulaires 1, 2, 3,
4, 5, et finalement ils sortent de l'appareil en 0 a une température relativement basse. Les gaz froids entrant en I s'échauffent à, mesure qu'ils avancent dans l'échangeur et arrivent en A à une température voisine de celle de la masse catalytique.
Les dimensions relatives des espaces annulaires et des tubes 7, 7' sont de préférence choisies de façon que la vitesse des gaz dans chacun d'eux ait sensiblement la même valeur. On a trouvé que dans ces conditions le rende- ment de l'échangeur de chaleur est parfaitement satisfaisant et atteint par exemple 90 , et que la chute de pression dans l'appareil est très petite. La valeur de la chute de pression peut encore être diminuée en augmentant le nombre de tubes 7, 7' en parallèle, la résistance à l'écoulement du gaz étant diminuée de ce fait.
Des considérations pratiques limitent toutefois les possibilités d'amélioration dans cette voie, mais dans un espace annulaire de 90 cm. de diamètre
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moyen, on peut placer jusqu'à 300 tubes séparés et grâce à ce grand nombre de tubes,la chute de pression dans l'éohan- geur est presque supprimée de sorte qu'il suffit d'une com- pression relativement minime des gaz sortants pour les ra- mener à la pression de synthèse. Le rendement de l'échan- geur de chaleur dépend en partie de la longueur du trajet pendant lequel les gaz sent en contact indirect, et par con- séquent la disposition de plusieurs couches d'échange de chaleur, comme on l'a représentée à la fig. 1, présente l'avantage important d'économiser de la place.
Mais ce qui est encore plus important, c'est que cette disposition ré- duit au minimum les pertes de chaleur de la chambre à cataly- seur et assure une variation progressive de température dans l'appareil) la température étant élevée au centre et basse à la périphérie. On remarquera donc que la présente invention permet d'obtenir un échangeur de chaleur ayant une pleine efficacité ainsi qu'une faible chute de pression et qu'en même temps elle produit ce résultat désirable que la paroi extérieure de tout l'appareil, c'est-à-dire l'enveloppe ré- sistant à la pression, est exposée à la température la plus basse possible.
La paroi extérieure comparativement froide est capable de mieux résister aux efforts auxquels elle est exposée et sa durée d'existence et sa sécurité sont donc con- s idérablement augmentées.
L'emploi de collecteurs dans lesquels les gaz peu- vent se mélanger n'est pas essentiel car on peut employer des tubes sinueux continus allant de l'espace intérieur de catalyse jusqu'à l'extérieur. La suppression des collecteurs peut en fait constituer un avantage en ce sens qu'il faut moins de joints soudés.
Lorsque ces tubes continus sont employés, le nombre des tubes ne peut naturellement pas être @
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augmenté dans les rangées successives, comme on peut le faire dans le cas d'emploi de collecteurs.
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1.- Echangeur de chaleur destiné à être employé à des pressions élevées, caractérisé par deux séries de chicanes tubulaires, isolantes au point de vue thermique, et un grand nombre de tubes à petite section transversale s'é- tendant dans les espaces annulaires entre ces chicanes, et disposés de façon que le fluide s'écoule dans ces tubes en parallèle, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé de l'échange de chaleur, avec une faible chute de pression totale.