<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention a pour objet un procédé d'é- change d'énergie thermique, ainsi qu'un appareil destiné à la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que l'on peut récupérer de l'énergie ther- mique de substances ou mélange de substances à grande capacité ca- lorifique en transmettant leur chaleur par une paroi à un milieu liquide ou gazeux à basse température.
La demanderesse a trouvé que l'on pouvait effectuer avec un avantage particulier-un échange d'énergie thermique entre
<Desc/Clms Page number 2>
des gaz ou vapeurs à grande capacité calorifique, ou des mélanges de gaz et vapeurs, et des milieux liquides ou gazeux à basse tem- pérature, en amenant ces gaz ou vapeurs à l'état de couches turbu- lentes, et en transmettant leur chaleur à un milieu liquide ou ayant avantageusement gazeux à basse température, les couches xxxx xxxxxxx une épaisseur aussi faible que possible. On peut faire circuler les substances gazeuses et le milieu à basse température dans le même sens ; il s'est toutefois révélé avantageux d'opérer à contre-courant.
Les gaz-ou vapeurs à grande capacité calorifique peuvent être utilisés dans le présent procédé à des températures variant dans des limites étendues. Il en est de même pour les mi- lieux liquides ou gazeux à basse température. Par exemple, la tem- pérature des gaz à grande capacité'calorifique peut varier entre environ 250 et 1500 , et celle des milieux à basse température en- tre environ 50 et 1200 .
Le procédé de l'invention peut être utilisé avec avantage particulier dans la transformation thermique d'hydrocarbu- res gazeux ou en vapeurs ou, de leurs mélanges, également en pré- sence d'autres composés gazeux ou en vapeurs, tels que la vapeur d'eau, l'hydrogène, des gaz contenant de l'oxygène ou des gaz i- nertes. Cependant, ce procédé n'est pas seulement intéressant pour les opérations que l'on vient de décrire, mais il est, en général, extrêmement efficace pour la 'récupération d'énergie thermique par transmission de cette énergie à un milieu liquide ou gazeux à bas- se température. Dans ce but on peut appliquer avantageusement le procédé de l'invention au traitement de gaz ou vapeurs de substan- ces organiques ou minérales.
L'invention est particulièrement inté- ressante pour des opérations nécessitant un grand apport de chaleur (opérations endothermiques) dans lesquelles il y a intérêt,du point de vue économique à récupérer dans une grande mesure la chaleur apportée, ou pour des opérations qui dégagent de grandes quantités de chaleur ( réactions exothermiques), qu'il faut évacuer et que l'on peut utiliser à nouveau en opérant selon le procédé de l'inven
<Desc/Clms Page number 3>
tion. La récupération de chaleur est particulièrement intéressante dans la transformation thermique d'hydrocarbures.
]Dans des procédés de régénération, on peut utiliser avantageusement :le procède de 1$ .invention -,Tour l'apport ou l'éva cuation de calories à basse température, comme dans le comaine des températures élevées.
-Gomme milieux à basse température absorbant la cha- leur, on utilisera, dans le procédé .de l'invention, des -gaz et des vapeurs du type organique ou minéral susceptibles d'être chauffés ou refroidis selon les demandes de l'industrie, la préférence al- lant à la vapeur d'eau ou à des vapeurs d'hydrocarbures, ainsi qu'à des gaz inertes.
On peut réaliser,très avantageusement le procédé de l'invention en amenant les gaz ou vapeurs à grande capacité. calorifique dans une chambre, de façon qu'elles soient conduites en spirales, sous forme de couches turbulentes et aussi minces que possible, sur la face intérieure de la chambre. Il y a avantage à introduire les gaz tangentiellement. On opère de façon qu'un échan- ge de chaleur s'effectue entre les gaz à grande capacité calorifi- que et un milieu liquide ou gazeux à basse température, que l'on fait circuler en spirales autour de la chambre, à l'extérieur de celle-ci.
Il.est utile d'amener tangentiellement le milieu à basse température à faire circuler autour de la chambre traversée par le gaz à grande capacité calorifique.
On introduit èe gaz avantageusement à la partie supé- rieure de la chambre et il circule de haut en bas le long de la pa- roi interne. On peut l'introduire tangentiellement. Si on l'intro- duit vers le centre, on doit veiller à ce qu'il soit conduit en spirales sous forme de couche turbulente, de haut en bas le long de la paroi interne de la chambre, ce que l'on peut atteindre, par exemple, en disposant dans cette chambre des organes de forme appro- priée.
<Desc/Clms Page number 4>
On fait arriver par le bas le milieu à basse tempé- rature servant à l'échange de chalaur, et il circule de bas en avantageusement haut autour de la- chambrer/à contre-courants des gaz à grande capaci- té calorifique.
Le gaz se dirigeant du haut vers le bas le long des parois change de direction à la partie inférieure de la chambre, remonte par la partie centrale et sort par le haut.
La chambre utilisée est avantageusement de forme conique, le sommet du cône étant dirigé vers le bas, ou à section aussi circulaire que possible, et diminuant vers le bas.
On peut utiliser avec un avantage particulier par exemple un cyclone comme échangeur de chaleur, Dans ce cas,il y a intérêt à faire passer les gaz ou'vapeurs à grande capacité calo- rifique à travers l'intérieur du cyclone, tandis que l'on fait circuler le milieu liquide ou gazeux à basse température,de préfé- rence à contre-courant, à travers une chemise entourant le cyclo- ne.
Si l'on'introduit tangentiellement le gaz à grande capacité calorifique, ou le mélange de tels gaz, il se trouve à l'état de couche mince et turbulente, et par conséquent en contact . avec la paroi en renouvelant constamment les surfaces de contact, et ainsi transmet bien sa chaleur à une paroi, qui la transfère elle-même au milieu gazeux ou liquide à basse température circulant dans la chemise. Arrivé au bas du cyclone, le courant gazeux remon- te par la partie centrale et sort par le haut.
Le présent procédé permet d'enlever les calories du gaz traversant le cyclone avec un coefficient de transmission K particulièrement élevé, et de récupérer cette chaleur par le mi- lieu circulant dans la chemise, sans pertes de charge importantes.
Le coefficient K de transmission de chaleur est défini par la re- lation :
EMI4.1
dans laquelle WE représente le nombre de grandes calories à échan-
<Desc/Clms Page number 5>
2 ger par heure, m représente la surface d'échange et t la diffé- rence de température.
Il y a avantage à donner un mouvement hélicoïdal' au courant traversant la chemise, ce qui est possible en utilisant des tubulures d'admission et de sortie tangentielles ou, dans le cas de tubulures radiales, en employant des tôles de guidage d'admission et de sortie appropriées. Il est aussi possible de produire le mou- vement hélicoïdal dans ¯la chemise en y disposant des nervures spi- ralées formant un conduit hélicoïdal pour le courant. Ces nervures étant fixées sur la paroi,extérieure du cyclone, par exemple par soudure, la surface d'échange est agrandie par la surface de la nervure. Dans la plupart des cas, le coefficient de transmission thermique étant plus petit du côte extérieur de la paroi que du côté intérieur, les nervures contribuent à améliorer beaucoup le coefficient K du côté extérieur de la paroi.
De plus, les nervures augmentent beaucoup la résistance' de la paroi contre des efforts intérieurs ou extérieurs.Le conduit peut aussi être formé par des entretoises soudées, placées d'une manière appropriée, avec ou sans tôles de guidage. Un effet similaire et équivalent s'obtient avec des conduits hélicoïdaux du type'chemises de Dinkel ", dans les- quelles les nervures et la paroi externe de la chemise sont formées par des cor nières soudées en spirales.
On peut aussi mettre en oeuvre le procédé de l'in- vention en faisant passer les substances gazeuses à grande capacité calorifique dans la chemise entourant la chambre ou le cyclone, et en faisant arriver tangentiellement à l'intérieur de cette chambre le milieu à basse température, en couche turbulente et mince.
Le gaz ou mélange de gaz peut provenir de réactions exothermiques, le cyclone servant de récipient à réaction, et la chaleur récupérée étant utilisée pour régler le cours de la réaction dans le cyclone. On peut ainsi maintenir dans le cyclone une tempé- rature maximum déterminée, malgré le dégagement de chaleur continu.
<Desc/Clms Page number 6>
Comme réactions exothermiques)on mentionnera, par exemple, des opé- rations de combustion, des condensations, et des polymérisations.
On peut également-faire passer par le cyclone des gaz ou mélanges de gaz à grande capacité calorifique, mais ne donnant lieu à aucune réaction chimique pendant leur passage à travers le cyclone.
On peut inversement envoyer à travers le cyclone un mélange de gaz qui est le siège d'une réaction endothermique, et amener la chaleur nécessaire à cette réaction par un milieu liqui- de ou gazeux de grande-capacité calorifique, circulant dans la chemise du cyclone. Dans ce cas,l'énergie thermique est transférée de la chemise à l'intérieur du cyclone. Le mélange de gaz étant réparti en couche mince sur la paroi interne du cyclone, l'échange de chaleur est particulièrement intense.
Comme réactions endothermiques, on mentionnera,.par exemple, des procédés de craquage et de dissociation.
Si L'on réalise le procédé de l'invention dans un cyclone, la chemise du cyclone est avantageusement isolée à l'ex- térieur pour éviter des pertes thermiques.
Le présent procédé ainsi que les appareils décrits ci-avant se prêtent aussi avantageusement à des opérations dans lesquelles il se produit un changement de phase, soit au cours d'une réaction, soit au cours d'un simple échange thermique, soit' dans une combinai-son des deux. Si l'on introduit, par exemple ur mélange composé de vapeur d'eau et de gaz dans un cyclone entoura par une chemise de refroidissement, il y a une condensation d'eau que l'on peut extraire du cyclone.
Pour le type de courant produit dans un cyclone (tourbillon), la loi cu r = constante, et la loi de Bernouilli s'appliquent approximativement. Il en résulte une distribution de pression permettant d'enlever du cyclone, dans le cas mentionné ci-avant, un gaz qui n'est pas saturé de vapeur. Dans tous les ap- pareils utilisés jusqu'ici pour la condensation de vapeur à partir de mélanges composés de vapeur et de gaz, il existe un équilibre
<Desc/Clms Page number 7>
de phases, c'est-à-dire que le gaz sortant contient une proportion de vapeur correspondant à la température ; gaz est saturé. Le procédé de l'invention s'est aussi révélé très efficace pour des procédés de sublimation dans lesquels a lieu un changement de phase.
L'exemple qui suit illustre le fonctionnement d'un échangeur de chaleur du type cyclone, résultant de la variation du coefficient K avec la variation de charge.
EXEMPLE : On'utilise un cyclone d'une hauteur de 1200 mm et dont la partie supérieure a un diamètre de 500 mm. Ce cyclone est muni d'une tubulure d'admission tangentielle de 160 mm de diamètre à l'intérieur, et d'une tubulure de sortie (tuyau plongeur) de 200 mm de diamètre. Sur sa paroi conique est soudée une chemise à 50 mm de distance de façon qu'il y ait une surface totale d'.échan- ge de chaleur de lm environ.
Par deux tubulures tangentielles.on peut alimenter la chemise en gaz ou vapeur circulant du sommet vers la base, à contre-courant par rapport à la substance traversant l'intérieur du cyclone.
Si l'on envoie à l'intérieur du cyclone 530 kg/h de vapeur surchauffée à 585 il se produit une perte de charge de 20 mm de mercure, mesurée de l'entrée du cyclone (tubulure tangen- tielle) à sa sortie ( tuyau plongeur).
On alimente la chemise du cyclone avec 320 kg/h de vapeur à une température d'entrée de 100 . Après avoir atteint l'équilibre de température dans le cyclone, la vapeur circulant à l'intérieur du cyclone est refroidie à 490 , tandis que la vapeur de la chemise est portée à 275
On a ainsi une évacuation de chaleur de 27,400 kcal/h à l'intérieur du cyclone, tandis que la vapeur circulant à travers la chemise absorbe 26.240 kcal/h, c'est-à-dire que la per- te thermique ne s'élève qu'à 4 o, bien qu'on n'utilise qu'un iso- lement normal d'environ 10 cm de laine de laitier.
<Desc/Clms Page number 8>
D'après la formule,on peut calculer le coefficient de transmission thermique K comme suit : K = Q @ 27,4000 kcal/h 79 kcal/h cm2 F . Alto 1 m2 348 =79 kcal/h
Lorsqu'on charge l'intérieur du cyclone de 1000 kg/h (température d'entrée = 590 ), tandis que 650 kg/h (température d'entrée = 100 )passent à travers la chemise, la perte de charge est de 50 mm de mercure.
La température à l'intérieur du cyclone tombe à 485 et elle s'élève dans la chemise à 280
Il en résulte que les niveaux de température sont maintenus presque tout à fait constants dans le cas d'une charge élevée.
L'évacuation de chaleur (intérieur du cyclone) est de 56.000 kcal/h,et l'absorption (chemise) s'élève à 55. 200 kcal/h, ce qui correspond à un rendement thermique de 98 %
D'après la formule,le coefficient de transmission thermique est : K = Q = , 56. 000 kcal/h 161 kcal/h. m2 c F. Tm 1 m2 348
Ainsi qu'il ressort de cet exemple, le cyclone cons- titue un organe précieux pour maintenir des niveaux de température constante dans des appareils malgré une charge variable, le coef- ficient K variant beaucoup avec la charge (accroissement de la vi- tesse de circulation).
La description- qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui res- sortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
Dans la figure unique,le cyclone est désigné par 1 et la chemise entourant le cyclone est désignée par 2. Dans la che- mise,une spirale 3 est placée sur le côté extérieur de la paroi du
<Desc/Clms Page number 9>
cyclone. On introduit tangentiellement le gaz à refroidir de grande capacité calorifique à l'intérieur du cyclone, par un organe d'ad- mission 4. Le gaz se dirige de haut en bas, en spirales, avec une grande turbulence, le long de la paroi du cyclone, vers la pointe 5, d'où il remonte avec un moment angulaire élevé par la partie cen- trale. Le gaz sort du cyclone 1 par la sortie 6.
Le milieu servant à absorber la -chaleur des gaz chauds introduits par l'organe d'admission 4, entre tangentiellement dans la chemise 2'par un organe d'admission 7, traverse la chemise à contre-courant par rapport aux gaz chauds, et sort de la chemise par la sortie 8 Il n'est pas absolument nécessaire que la chemise soit pourvue de la spirale 3 mentionnée ci-avant. Cette spirale, toutefois, augmente la surface d'échange du côté extérieur du cyclo- ne, et en même temps sert à conduite le milieu entrant par l'organe d'admission 7, à travers la chemise, vers la sortie 8.
Les impuretés éventuellement présentes dans le gaz introduit à l'intérieur du cyclone par l'organe d'admission 4, par exemple poussières ou liquides, peuvent être enlevées par l'organe d'évacuation 9.
On peut aussi conduire le procédé de l'invention en faisant circuler les gaz ou vapeurs à grande capacité calorifi- que à travers la chemise 2 et en faisant passer le milieu prenant les calories à l'intérieur du'cyclone 1. Si l'on procède ainsi, il est bon de prévoir un bon isolement thermique de l'appareil.