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Four à réaction.
Cette invention se rapporte aux fours à réaction dans lesquels, lors de leur traitement par la chaleur, des solides finement divisés sont maintenus en suspension fluidifiée ou mobi- le dans un courant ascendant de gaz destiné à réagir avec ces solides. Un four à réaction de ce type comprend en substance un ou plusieurs lits de solides fluidifiés, supportés par une grille ou cloison perforée horizontale, à travers laquelle est soufflé le courant gazeux qui fluidifie les solides du ou des lits. Par "fluidifier" on entend que chaque solide se comporte plus ou moins comme dans une suspension aqueuse. Tous les solides ont un mouvement turbulent et ils se comportent comme un fluide allant même jusqu'à présenter un niveau fluide à la partie supérieure du
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lit fluidifié.
Le gaz est soufflé vers le haut à travers les trous ou ouvertures de la cloison ou plaque horizontale et cela à une vitesse suffisante pour fluidifier les solides, mais insuffisante pour chasser ceux-ci hors du four à réaction. Les trous ou ouver- tures dont la longueur est plus grande que leur diamètre ont ten- dance à se colmater à leur sortie. L'un des buts de cette inven- tion est d'empêcher ou du moins de minimiser la formation de ces dépôts colmateurs dans les trous ou ouvertures de la cloison ou plaque.
Ce but est atteint en prévoyant un étranglement retar- dateur ou freineur dans la sortie de chacune (ou du moins de la majorité) des ouvertures, de sorte que la surface de sortie effective de l'ouverture, à travers laquelle doit passer le gaz montant pour sortir de l'ouverture, ait un diamètre réduit com- paré au diamètre de l'alésage principal de l'ouverture. Un tel étranglement semble empêcher la formation de dépôts colmateurs.
Ceci assure l'émission uniforme du gaz par les ouvertures, ce qui est nécessaire à la bonne dispersion du gaz montant à travers les solides de la couche pour les fluidifier. Un tel étranglement semble avoir des effets curieux et inattendus et qu'on ne comprend d'ailleurs pas tous, mais il semble du moins parer à l'action d'une force centrifuge sur le gaz montant à travers l'ouverture et il empêche les remous ou la turbulence. Le gaz semble s'écouler sans heurt à travers l'alésage de l'ouverture, avec un contact minimum entre l'alésage et le gaz, étant donné que les parties constituan- tes du gaz semblent s'écouler en ce qu'on peut appeler des filets minces et allongés, plutôt que comme une masse turbulente ou mobile de molécules individuelles ou indépendantes.
Ce contact minimum entre le gaz et l'alésage de l'ouverture est très important
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puisque les particules du gaz qui ne touchent pas l'alésage sont incapables de déposer des solides pouvant être entraînés dans le gaz. Les solides pouvant ainsi être entraînés sont habituelle- ment calcaires et le phénomène du dépôt de ces solides pareils à de la chaux, ressemble ou est équivalent à ce qui se passe lorsqu'on jette un morceau de craie contre un tableau noir.
Lorsque le morceau de craie est tombé ou dévié du tableau, un pe- tit dépôt de craie adhère à celui-ci. Ce phénomène semble se re- produire dans une ouverture d'une cloison horizontale d'un four à réaction fluidifiant. La turbulence, les remous et le tour- billonnement surimposés au gaz montant à travers l'ouverture sont la cause que les solides (quelque petits qu'ils soient) entraînés dans le gaz soient déviés contre l'alésage de l'ou- verture, provoquant ainsi, par suite de cette déviation, la formation d'un dépôt sur l'alésage. Par des répétitions innom- brables de ces déviations, les dépôts s'accroissent par addi- tion jusqu'à ce que l'alésage de l'ouverture soit sensiblement fermé.
En réduisant la section transversale de la sortie de l'ouverture à des proportions critiques, on empêche cette turbu- lence ou ces remous, éliminant ainsi sensiblement la formation de dépôts colmateurs sur l'alésage dans la proportion où les contacts par déviation entre le gaz et l'alésage sont diminués.
Pour effectuer le traitement fluidifiant précité de solides par des gaz en plusieurs étages ou lits, il est néces- saire de subdiviser le four à réaction proprement dit en une série de compartiments par l'emploi de cloisons ou plaques ho- rizontales perforées qui fixent la limite inférieure de chaque lit successif de solides fluidifiés, et dont les ouvertures ou trous permettent au gaz de s'écouler de bas en haut vers le lit de manière à fluidifier uniformément les solides de celui-ci.
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Pour des fours à température modérée, c'est-à-dire jusqu'à 1200 F., un diaphragme comprenant une plaque métallique perforée (appelée parfois plaque d'étranglement) convenablement supportée, convient parfaitement. Pour des températures plus élevées allant jusqu'à 1700 à 2000 F., il est nécessaire d'avoir recours à des diaphragmes construits sous forme d'une voûte en blocs ou matières réfractaires. Ces voûtes sont nécessairement très épaisses afin de résister aux efforts à subir. On a constaté que les ouvertures, trous où alésages traversant ces voûtes pour donner passage au gaz à travers celles-ci se colmatent et se fer- ment par suite d'un dépôt de tartre très dur, formé par la pous- sière transportée par le courant de gaz montant à travers les ou- vertures.
On a constaté qu'il n'était pas possible d'élargir ces ouvertures suffisamment pour empêcher la formation de dépôts dans celles-ci, car cela diminue la vitesse du gaz et il n'est plus possible de maintenir à l'état fluidifié les solides du lit reposant sur la voûte perforée.
Cependant on a trouvé qu'on peut obtenir les conditions d'écoulement du gaz appropriées pour fluidifier le lit de solides se trouvant sur les diaphragmes et cela sans entratner la forma- tion de tartre ou autres dépôts colmateurs dans les trous de ces diaphragmes en donnant à ces trous un diamètre suffisamment grand pour réduire à environ 20 pieds (6,10 m/sec) par seconde, la vi- tesse du gaz qui les traverse de bas en haut et en les coiffant d'un orifice à bord mince en un alliage résistant à la chaleur, tel de l'acier. En d'autres termes, suivant l'invention, on uti- lise des trous ayant un diamètre plus grand qu'il ne convient et on les munit d'un étrangleur,la vitesse du gaz montant dans l'alésa- ge (en amont de l'étranglement) et approchant de l'étrangleur, étant inférieure à 30 pieds/sec.
(9,10 m/sec) et de préférence comprise
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entre sensiblement 20 pieds/sec (6,10 m/sec) et sensiblement 15 pieds/sec. (4,5 m/sec.). On a fait des expériences satisfaisan- tes avec des étrangleurs dont l'orifice ne dépassait pas la moi- tié du diamètre du trou en amont de l'étrangleur et cet orifice peut même être réduit à un cinquième.
La meilleure forme de réalisation de l'invention a été choisie pour illustrer celle-ci mais il est bien entendu qu'elle est donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif car il est évident que l'invention peut être réalisée de différentes façons et les détails peuvent être modifiés.
Dans les dessins annexés, fig. 1 est une coupe verti- cale d'un four à réaction à étages ou lits multiples, servant à traiter une série de couches de solides fluidifiés par des gaz.
Fig. 2 est une coupe partielle, agrandie, d'un détail d'un étrangleur perforé conforme à l'invention, placé dans un trou traversant une voûte ou cloison d'un four à réaction.
Fig. 3 est également une coupe partielle, agrandie, d'une partie d'un trou dont 'étrangleur est posé sur le trou, et montrant théoriquement comment des gaz y montent en filets avec un minimum de turbulence ou de remous.
Sur le dessin, la section supérieure 13 du four compor- te une première cloison 17 perméable au gaz, construite de préfé- rence en forme de voûte, qui s'étend en substance horizontalement en travers de la partie 13 et est munie d'une quantité de per- forations ou trous 18 à travers lesquels du gaz peut monter. Cette voûte est en matière réfractaire ou en un métal résistant à la chaleur. Un premier lit 25 continuellement changeant de solides à traiter par un gaz est supporté sur la voûte 17 et s'élève à partir de celle-ci. Ces solides doivent être fluidifiés en une suspension mobile,turbulente, par le gaz chassé à travers eux à une vitesse telle que les solides se comportent comme un fluide @
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et présentent un niveau fluide 26 au-dessus duquel se trouve l'espace libre 27.
Un tuyau ou conduit 28 servant à conduire les particules de poussière s'élevant de la couche fluidifiée 25 vers un cyclone (non montré) s'élève de la région supérieure de la partie initiale ou supérieure 13. Les solides soustraits, dans le cyclone, à l'entrainement du gaz, retombent par un tube 31 vers la couche 25 en un endroit situé près du pied de la couche et près de la voûte perforée 17, l'extrémité inférieure du tuyau 31 étant, comme c'est montré, de préférence noyée dans la couche fluidifiée.
Les solides à traiter dans le four à réaction y sont amenés d'une trémie d'où ils tombent dans un tube d'alimentation 39 qui traverse la paroi du four à réaction et débouche, comme c'est montré, dans la couche 25 en un endroit situé près du fond.
Le niveau fluide 26 de la couche 25 est déterminé par celui de l'extrémité supérieure d'un tuyau déversoir 41 qui descend à travers la couche 25 et la cloison voûtée 17 pour aboutir, noyé, dans un lit continuellement changeant 42 qui est traité dans la partie médiane 11 du four à réaction. Ce lit est fluidifié comme la première couche 25 et présente un niveau fluide 43 ainsi qu'un espace libre 45 au-dessus. Il est suppor- té par ou sur une deuxième voûte 44 intermédiaire, perméable au gaz, perforée en 18 et identique à la première cloison perforée 17.
Le niveau fluide 43 du second lit ou lit de traite- ment par la chaleur 42 est déterminé par celui de l'extrémité supérieure d'un tuyau déversoir 46 qui descend à travers la cou che fluidifiée 42 et la cloison 44 pour aboutir, noyé, dans un lit refroidissant continuellement changeant 50 dans la partie inférieure 14 du four à réaction. Ce lit est fluidifié comme les lits 25 et 42 et présente un niveau fluide 51 ainsi qu'un espace
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libre 52 au-dessus. Il est supporté par ou sur une troisième voûte 53, perforée en 18 comme les voûtes 17 et 44 .
Le niveau fluide 51 du lit inférieur 50 est déterminé par un tuyau déversoir 54 muni d'une vanne appropriée 55, qui con- duit les solides traités vers un endroit à l'extérieur du four à réaction. La section inférieure 14 du four à réaction se termine par une boite à vent 58 pourvue d'une admission 59 pour de l'air ou un autre gaz sous 'pression que la boîte à vent amène au côté inférieure de la cloison 53, de sorte que de l'air peut monter de là à travers les trous de la voûte afin de fluidifier ou de mettre en suspension les solides du lit 50.
Des tuyaux injecteurs d'huile 62 munis de vannes appro- priées sont prévus au bas du lit médian ou couche à traiter par la chaleur 42 et débouchent dans cette couche près du .fond-. Le tuyau déversoir 41 est équipé, de préférence à son extrémité in- férieure, d'une soupape de fermeture 70 ayant en substance la forme d'un cône ou tampon conique qui s'ouvre et se ferme sous la commande d'une tige 71 qui passe vers le haut à travers le tuyau déversoir et le sommet du four à réaction, vers un volant de commande extérieur 72. L'extrémité inférieure du tuyau déver- soir 46 peut être fermée par une soupape conique semblable 73, actionnée par une tige descendante 74 et un volant de commande extérieur semblable au volant 72 de l'arbre 71.
75 désigne les parois en briques réfractaires du four, entourées d'éléments isolants 76 et d'une enveloppe extérieure en acier 77. Un trou d'homme 78 donne accès à l'intérieur du four.
79 désigne diverses ouvertures de nettoyage. 80 désigne diverses dérivations de pression situées généralement au sommet et au pied de chaque chambre. Ces déviations indiquent la pression régnant dans le four à l'endroit où elles sont situées et elles communi- quent avec un tableau indicateur du type manomètre qui peut être
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observé par le servant du four. Divers indicateurs de température 81 sont généralement situés à la partie supérieure d'une chambre et dans le lit qui s'y trouve. Ces indicateurs communiquent égale- ment avec un tableau indicateur qui peut être observé par le ser- vant. Dans cette forme de réalisation, les cloisons perforées 17 et 44 sont construites en briques réfractaires.
Afin qu'elles soient suffisamment fortes pour résister sans s'affaisser ou gon- doler aux températures existantes, il est préférable de les voûter comme c'est montré et d'employer des briques cunéiformes.
Le four à réaction fonctionne d'une façon continue. En supposant qu'il ait été convenablement mis en marche et que les divers lits soient convenablement fluidifiés par la vitesse ré- glée du gaz s'élevant à travers ces lits, les solides sont amenés par le tuyau d'alimentation 39 dans la partie inférieure du pre- mier lit ou lit de chauffage préalable 25. Les solides du lit 25 sont chauffés préalablement par les gaz chauds de l'espace libre 45 qui s'élèvent à travers ce lit par les ouvertures 18 de la voûte 17. La poussière provenant du lit est entraînée dans le gaz s'élevant de celui-ci, passe à travers le conduit 28 vers le cyclone où ces particules de poussière sont séparées du gaz pour retomber par le tuyau'31 vers le lit 25 où elles sont à nouveau traitées, tandis que le gaz s'échappe du cyclone.
Des solides fluidifiés ou en suspension qui s'élèvent au-dessus du sommet du tuyau déversoir 41 (niveau fluide 27) se déversent dans ce tuyau déversoir et tombent par celui-ci au fond du lit de dissociation 42 où les amène l'extrémité noyée du tuyau.
Le lit principal 42 dans lequel s'effectuent les réac- tions majeures, est maintenu à la température désirée et complè- tement fluidifié par du gaz qui s'y élève de l'espace libre 52 à travers les trous 18 de la voûte 44. Des solides fluidifiés trai-
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tés qui s'élèvent au-dessus du sommet du tuyau déversoir 46 (niveau fluide 43) se déversent dans celui-ci et tombent au fond de la couche refroidissante 50 où les amène l'extrémité noyée du tuyau.
La couche de refroidissement 50 est maintenue à tempé- rature de refroidissement et complètement fluidifiée par du gaz s'élevant par les trous 18 de la cloison 53 et provenant de la boite à vent 58. Des solides refroidis sont enlevés du niveau flui- de 51 du lit de refroidissement 50 en se déversant par dessus et dans l'extrémité supérieure du tuyau déversoir 54 pour être déchar- gés. De cette façon chaque lit non seulement est maintenu conti- nuellement fluidifié mais encore est constitué par des solides en continuel changement, traités par du gaz dans ces lits.
Le lit principal ou médian 42 est maintenu à la tempé- rature appropriée par un chauffage réglé à cette température. Le chauffage se fait au mazout, au gaz ou au charbon finement divi- sé amené par exemple par des tuyaux ou brûleurs 62 aboutissant dans cette couche.
Lorsqu'on met le four en marche, la soupape conique 73 au pied du tuyau déversoir 46, est fermée ainsi que la soupape conique 70 au pied du tuyau déversoir 41 ; vanne 55 du tuyau de décharge 54 est également fermée. On admet de l'air comprimé ou un autre gaz relativement froid dans la boite à vent 58 et cet air ou gaz monte à travers la plaque perforée 53. On fait fonctionner le ou les brûleurs 62. Si la matière solide à traiter dans le four de réaction n'est pas suffisamment fine, elle est, à ce moment, broyée pour passer à travers un tamis, mais la grande masse n'est cependant pas assez fine pour passer à travers un tamis de 200 mailles et elle est amenée au premier lit ou lit à chauffage préalable 25 par les conduits d'alimentation 31 ou 39.
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Lorsque le courant ascendant d'air chaud atteint en substance une vitesse de 0. 50 à 4. 0 pieds/sec (0,15 à 1. 22 m/sec. ) il fluidifie les solides broyés, donnant à leur masse un mouvement turbulant simulant un liquide en ébullition et tout comme un liquide cette masse prend un niveau fluide dans la couche 25. La couche est alimentée en solides jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau fluide 26 dont la hauteur est déterminée par l'extrémité supérieure du tuyau déversoir 41 et que les solides commencent à tomber dans ce tuyau, et à ce moment on ouvre la soupape conique 70 pour permettre aux solides déversés de tomber sur la voûte perforée 44. Cette opération se poursuit jusqu'à ce que le niveau des so- lides dans le lit principal ou médian 42 soit suffisant pour obturer l'extrémité inférieure du tuyau 41.
Lorsque le lit 42 est à moitié formé, c'est-à-dire formé jusqu'à moitié de sa hau- teur normale, on arrête l'alimentation. On élève la température des solides du lit 42 au moyen de la chaleur provenant des brûleurs.
Lorsque le lit a atteint une température de fonctionnement, on recommence l'alimentation et on ouvre la soupape conique 73 à la base du tuyau déversoir 46. Des solides du lit 42 se déversent dans le tuyau déversoir 46 qui les décharge sur la plaque 53 et une couche 50 s'élève progressivement sur cette plaque jusqu'à une hauteur ou niveau fluide 51, après quoi les solides s'écou- lent par le tuyau de décharge 54. Les solides chauds traités qui sont déchargés dans le lit 50 par l'extrémité noyée du tuyau 54 se refroidissent dans ce lit par échange de chaleur avec le courant s'élevant à travers celui-ci pour entretenir la combustion dans le lit de dissociation 42. Les produits finis sont déchargés par le tuyau de décharge 54, l'écoulement étant réglé par la vanne 55.
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Dans ce qui précède on a, à titre d'exemple, décrit un four à réaction du type auquel s'applique l'invention. Cependant l'invention peut aussi bien être employée avec un four à réac- tion à lit unique qu'avec un four à réaction à lits multiples.
L'invention est représentée sur la fig. 2 qui est une vue par- tielle d'une cloison, telle que les voûtes 17, 44 et 53 mais pour l'identifier on lui donne le chiffre de référence 117, et d'un trou 18 de l'une quelconque de ces cloisons dont la périphérie interne sera appelée "l'alésage 118". L'étrangleur 119 comprend un manchon 120 muni d'une bride annulaire 121 rentrant vers l'in- térieur et qui délimite le passage ou orifice 122 d'écoulement du gaz. La bride 121 forme un épaulement avec le manchon 120 et doit être aussi mince que possible, car plus elle est mince mieux cela vaut.
Cependant elle doit être suffisamment forte pour ré- sister à tous les efforts ainsi qu'à une température de par exem- ple 2100 F. C'est pourquoi une épaisseur de 1/8 de pouce (3 mm) ou plus est ordinairement satisfaisante. 123 désigne une vis ou un autre moyen de fixer l'étrangleur 119 en place dans son ouver- ture 18, de façon qu'on ne puisse pas l'en déplacer par inadver- tance. On place de préférence la bride 121 aussi près de la sor- tie du trou 18 que le montre la fig. 3, mais il est difficile de fixer l'étrangleur dans une telle position, de sorte que la posi- tion montrée sur la fig. 2 semble plus facilement réalisable.
Le passage ou orifice 122 d'écoulement de gaz a un diamètre critique compris entre sensiblement 1/5 à 1/2 du diamètre de l'alésage 118, ce qui permet l'emploi d'alésages ou trous plus grands qu'autre- ment, car ils permettent encore de donner la vitesse nécessaire au gaz fluidifiant montant vers et dans la couche de solides se trouvant au-dessus. Cependant la relation entre ces parties doit être critiquement telle que la vitesse du gaz montant dans la partie de l'alésage 118 se trouvant sous l'étrangleur 119 (ou en
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amont de cet étrangleur en ce qui concerne le gaz montant) soit inférieure à 30 pieds/sec (9,15 m/sec) et soit comprise entre sensiblement 20 pieds/sec.
(6,1 m/sec) et sensiblement 15 pieds/ sec (4,5 m/sec), si l'on veut minimiser les dépôts colmateurs sur l'alésage du trou en assurant un écoulement gazeux s'effec- tuant plus ou moins suivant des filets 124. La raison en est que si on réalise des vitesses supérieures, le gaz cesse de s'écouler en filets réguliers à travers l'étrangleur et il se forme, à la place, des remous turbulents qui produisent ou tendent à pro- duire des dépôts colmateurs indésirables. Les dépôts sont des solides et spécialement des solides calcaires ramassés ou en- traînés sous forme de poussière par le gaz lors de son passage vers l'ouverture. Le diamètre du trou 122 doit être suffisamment petit pour que la perte de pression du gaz montant à travers lui, exprimée par son équivalent en pouces (cm) d'eau, dépasse légère- ment la pression minimum nécessaire à la fluidification.
Cette pression minimum est fonction de l'écartement des trous dans la cloison et de la densité apparente de la matière à fluidifier.
Le diamètre de l'alésage peut être compris entre 2 et 5 pouces (50 à 125 mm) ce qui entraine pour l'orifice un diamètre compris entre 3/8 de pouce à 1 pouce (9,3 à 25 mm) respectivement.
REVENDICATIONS.
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