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DISPOSITIF DE CHAUFFAGE ELECTRIQUE D'UN GAZ.
L'invention concerne un dispositif de chauffage électrique d'un gaz en particulier d'un mélange d'azote et d' hydrogène au cours de la syn- thèse de l'ammoniaque, passant dans un tube de préférence vertical ou sen- siblement vertical.
En raison du faible encombrement du dispositif suivant l'inven tion, il est particulièrement important lorsque il s'agit de chauffer des gaz sous pression, car l'espace a une grande valeur dans les appareils ré- sistant à la pression.
Le chauffage s'effectue au moyen d'un ou plusieurs conducteurs en forme de bandes, de préférence en métal nu, qui sont montés dans le tu- be. Si le tube est disposé verticalement, les conducteurs sont de préféren- ce suspendus. Les conducteurs en forme de bandes conviennent particulièrement au chauffage, à cause de leur surface étendue et de leur section relative- ment faible, cette faible section facilitant le dégagement de chaleur, tan- dis que la surface étendue en facilite la transmission.
Si la section des conducteurs est constante sur toute leur lon- gueur on se heurte à une difficulté qui ressort des considérations suivan- tes: si la vitesse du gaz est constante ainsi que la tension électrique, il s'établit un état d'équilibre dans lequel la température du conducteur est beaucoup plus basse à l'extrémité où le gaz est encore froid, qu'à celle où il est en contact avec le gaz chaud. Mais la température à l'extrémité chau- de ne peut pas dépasser celle à laquelle le métal du conducteur'peut résis- ter. Par conséquent la température à l'extrémité froide ne peut pas non plus dépasser une certaine valeur., qui peut être beaucoup plus basse que la température à l'extrémité chaude., ce qui limite également la quantité de chaleur qui peut être dégagée pour un poids donné de conducteur.
Etant donné que la température à l'extrémité froide est beaucoup plus basse que la tem- pérature maximum à laquelle le métal dù conducteur peut résister, ni le mé- tal, ni l'espace occupé par le conducteur ne sont utilisés économiquement.
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On remédie à la difficulté précitée suivant l'invention au mo- yen de conducteurs en forme de bandes, dont la résistance par unité de lon- gueur diminue dans la direction de circulation du gaz. La quantité de cha- leur dégagée par unité de longueur est alors plus grande au point ou le gaz est froid qu'au point où le conducteur est en contact avec le gaz déjà chauffée Si le conducteur est en une matière homogène, la résistance par unité de longueur diminue dans la direction de circulation du gaz si sa section augmente dans la même direction. On peut faire varier la section en faisant varier la largeur et/ou l'épaisseur de la bande; dans la prati- que il n'est possible que de faire varier la largeur.
Si la largeur augmente, la surface de chauffe augmente proportionnellement, mais la variation de l'épaisseur n'exerce guère d'influence.. sur 1'étendue de la surface de chauf- fe. Pour rendre la transmission de la chaleur plus facile la largeur adoptée doit être aussi grande que possible, et à ce propos l'épaisseur doit avoir la valeur la plus faible compatible avec la résistance et la rigidité né- cessaires; l'épaisseur la plus avantageuse ne doit pas s'écarter de cette valeur de préférence.
En faisant varier d'une manière appropriée la résis- tance par unité de longueur,, l'étendue de la section et l'épaisseur de la ' bande, on peut obtenir une température presque constante sur toute la lon- gueur du conducteur mis en service dans l'appareil auquel il est destiné.
Pour maintenir avec précision une température constante sur tou- te la longueur d'un conducteur en forme de bande en en diminuant la largeur, il est nécessaire de lui donner une forme à contour légèrement courbe (hy- perbolique). Ces courbes peuvent être déterminées par le calcul. Comme el- les ne diffèrent que légèrement de lignes droites, on peut donner aux ban- des la forme de trapèzes allongés dans la plupart des cas.
On peut rendre les bandes plus étroites par échelons au lieu de le faire progressivement,ainsi qu'en en aissant diminuer la largeur ; peut aussi faire augmenter la résistance par unité de longueur par des encoches ou'des perforations disposées dans les bandes.
Le procédé de suspension des conducteurs en forme de bandes qui donne les meilleurs résultats consiste à disposer leur extrémité la plus large en haut, la charge mécanique la plus forte est ainsi supportée par , les parties les plus larges. Le gaz à chauffer doit alors passer le long des conducteurs de bas en haut. Si la résistance du dispositif le permet on peut aussi suspendre les bandes par leur extrémité étroite et faire passer le gaz de haut en bas.
On suspend de préférence plusieurs conducteurs de la forme sui- vant l'invention ensemble dans le tube dans lequel on fait passer les gaz à chauffer. Les bandes peuvent être réunies entre elles en certains points donnés par des grilles métalliques horizontales de construction légère, qui maintiennent ainsi les bandes à une certaine distance l'une de l'autre.
Les grilles sont de construction plus résistante aux extrémités supérieu- res et inférieures où elles servent également de conducteurs du courant électrique.
Les bandes qui doivent être montées ensemble dans un tube peu- vent être réparties de diverses manières dans l'espace dont on dispose. Une forme de construction très avantageuse consiste à couder plusieurs bandes en forme de V, c'est-à-dire de façon que la section transversale perpendicu- laire à l'axe du tube soit en forme de V.Les sommets des V sont dirigés de préférence vers l'axe du tube. Les figures la et 1b sont des coupes trans- versales, schématiques, perpendiculaires à l'axe du tube et correspondent respectivement aux extrémités larges et étroites des mêmes bandes. La forme coudée des bandes améliore notablement la rigidité de l'ensemble. On augmen- te encore cette rigidité en coudant en dedans les bords des bandes, cornue l'indique le point a des figures la et 1b.
Il est à recommander, pour obte- nir une répartition aussi uniforme que possible de la chaleur, de monter les bandes coudées de façon à faire passer sensiblement la même quantité de gaz le long de la surface extérieure des conducteurs que le long de leur surfar- ce intérieure. Ce résultat est obtenu en faisant en sorte que l'espace limite'
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par les bandes et le tube et hachuré horizontalement sur la figure la., soit sensiblement égalà l'espace du milieu du tube entre les diverses bandes, hachuré verticalement sur la figure la,.
Au lieu d'uniformiser la température sur toute la longueur du conducteur, il peut être avantageux dans certains cas de la faire varier en amenant ainsi le gaz froid en contact avec la portion la plus chaude du con- ducteur et le gaz chauffe en contact avec la portion la plus froide de ce conducteur. Cette solution est importante lorsque la température maximum qui peut être supportée par le ,létal qui constitue le conducteur est sensible- ment plus basse au point où la charge est la plus forte, c'est-à-dire à l'ex- trémité supérieure d'une bande suspendue d qu'en tout autre point du conduc- teur. Cette solution a l'avantage de permettre de transmettre une quantité de chaleur plus forte aux gaz froids et par suite de diminuer la longueur du conducteur.
Pour obtenir la variation de température précitée il est né- cessaire que la largeur du conducteur en forme de bande diminue davantage que lorsqu'on se propose de rendre uniforme la température du conducteur.
Le dispositif suivant l'invention peut être utilisé d'une maniè- re très efficace dans certains fours en forme de colonnes convenant à la synthèse de l'ammoniaque. Le type de four en question est représenté sous forme tout-à-fait schématique ,sur la figure 2, Un échangeur de chaleur 1 est disposé à l'extrémité inférieure du four, et au-dessus de lui se trouve la chambre de synthèse qui contient le catalyseur nécessaire à cette réaction,
Le mélange d'azote et d'hydrogène qui est chauffé à haute température dans l'échangeur de chaleur par le gaz sortant du four passé dans des tubes disposés dans la chambre .2 avant de venir en contact direct avec le cataly- seur. Les tubes 3. ont pour but de régler la température de la masse du ca- talyseur On emploie de préférence des tubes en épingles à cheveux ou aussi des .tubes doubles dont le tube extérieur est fermé à une extrémité en fai- saut passer le mélange de gaz d'abord dans le tube intérieur,, puis en sens inverse dans le tube extérieur.
Au point de vue de la construction, la meil leure solution consiste à suspendre les tubes. il en résulte que le mélange de gaz doit passer de la partie inférieure à la partie supérieure de la cham- bre avant de pénétrer dans les tubes 3, au moyen d'un tuyau ascendant 4.
Ce tuyau ascendant convient donc parfaitement à l'installation du dispositif de chauffage en question,
Le dispositif de chauffage installé dans le tuyau ascendant rem- plit deux fonctions. En premier lieu, il peut fournir l'énergie nécessaire à la préparation par réduction de la matière catalytique à utiliser. La ré- duction peut s'effectuer par un. mélange d'azote et d'bydrogène en propor- tions normales et généralement sous une pression plus faible que pendant la marche normale. En second lieu, le dispositif de chauffage peut servir à re- mettre le four en marche après une interruption.
Mais dans les conditions de fonctionnement normale le dispositif de chauffage installé dans le tuyau ascendant ne sert pas, La quantité d'énergie fournie par la réaction elle- même est suffisante pour maintenir la température du four à la valeur qui convient.
Quelques chiffres sont donnés ci-après à titre d'exemple au su- . jet d'un dispositif suivant l'invention utilisé dans une colonne de synthèse de l'ammoniaque. Le dispositif de chauffage fait prendre à une certaine quantité du mélange d'azote et d'hydrogène en proportion de 3: 1 la tempé- rature qui convient à la réduction d'une nouvelle charge du four.
Longueur du tube 4 = longueur du dispo-
EMI3.1
<tb> sitif <SEP> de <SEP> chauffage <SEP> 3,20 <SEP> m
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<tb> Quantité <SEP> de <SEP> gaz <SEP> à <SEP> chauffer <SEP> 1100 <SEP> Nm3/h
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<tb> Pression <SEP> du <SEP> gaz <SEP> 50 <SEP> atm.
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Diamètre <SEP> du <SEP> tube <SEP> 4 <SEP> 90 <SEP> mm
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Nombre de conducteurs en forme de bandes (métal: acier V2A; forme: trapézoïdale, disposés comme l'indique la figure 1; vo- lume de l'intervalle entre les bandes et la paroi du tube égal à celui de l'inter- valle au centre entre les bandes: bandes coudées à 60 ).
EMI4.1
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Largeur <SEP> des <SEP> bandes, <SEP> extrémité <SEP> supérieure <SEP> 67 <SEP> mm
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<tb> Largeur <SEP> des <SEP> bandes, <SEP> extrémité <SEP> inférieure <SEP> 42 <SEP> mm
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<tb> Largeur <SEP> des <SEP> bords <SEP> rabattus <SEP> a <SEP> 3 <SEP> mm
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<tb> Epaisseur <SEP> des <SEP> bandes <SEP> Oe22 <SEP> mm
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<tb> Température <SEP> initiale <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> synthèse <SEP> 20 <SEP> C
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<tb> finale <SEP> d <SEP> 500 C
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<tb> Température <SEP> moyen¯ne <SEP> des <SEP> conducteurs <SEP> 780 <SEP> C
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<tb> Energie <SEP> 200 <SEP> KVA
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<tb> Tension <SEP> (courant <SEP> alternatif <SEP> )
<SEP> 100 <SEP> V
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<tb> Intensité <SEP> du <SEP> courant <SEP> 2000 <SEP> A
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La différence de température entre l'extrémité antérieure et l' ex- trémité postérieure des conducteurs atteint au plus quelques dizaines de de- grés centigrades. Si les conducteurs n'avaient pas la foxme trapézoïdale sui- vant l'invention, la variation de température atteindrait quelques centaines de degrés centigrades.