Dispositif pom ; la mise en contact intime d'une poudre et d'un gaz.
Lorsqu'on fait passer de bas en haut un courant de gaz à travers une colonne de poudre, celle-el se met en suspension dans le gaz et subit une agitation violente, sans qu'il y ait des entraînements importants de poudre si la vitesse du gaz est convenablement choisie. Cette technique bien connue, dite de flni- disation en phase dense, permet un excellent mélange poudre - gaz, une très grande uniformité de température dans une enceinte de fortes dimensions, et un transport facile de la poudre d'une enceinte à une autre.
On a donc songé à utiliser cette technique pour effectuer de nombreuses opérations physiques ou chimiques comportant la mise en contact intime d'lm gaz ou d'une vapeur avec un solide pulvérulent (catalyseur, absorbant, etc.).
On a conclu à cet effet des dispositifs dans lesquels la matière pulvérulente parcourt de haut en bas, à contre-courant da gaz, une série de plateaux sur lesquels s'effectue sa fluidisation et passe d'lm plateau inférieur par simple gravité au moyen de conduites.
Ces dispositifs présentant toutefois certains inconvénients: tendance du gaz, lors de la mise en marche notamment, à passer par les conduites de descente de la poudre plutôt qu'à travers les plateaux, d'où mauvaise fluidisation ou même absence de flnidisation, tendance de la poudre à s'écouler à travers les plateaux plutôt que par les conduites prévues à cet effet.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un dispositif du genre susmentionné, caractérisé en ce que les conduites de descente de la poudre d'un plateau au plateau inférieur sont munies d'organes de fermeture réglables de l'extérieur de l'appareil et en ce que lesdits plateaux sont agencés de façon à laisser passer de bas en haut le gaz chargé de poussières, mais à empêcher la matière fluidisée de passer d'un plateau -au plateau inférieur autrement que par les conduites précitées.
Le dispositif selon l'invention est particu lièrement efficace dans le cas du chauffage des poudres ou leur refroidissement par des gaz, du chauffage des gaz ou leur refroidissement par des poudres, des échanges de chaleur entre poudre et gaz, des séchages, des réactions relativement lentes et qui se font en plusieurs stades que l'on a intérêt à faire chacun séparément dans les conditions qui lui sont les plus favorables, des réactions simples, mais lentes, des réactions avec catalyseur provoquant une usure progessive du catalyseur, et dans lesquelles on a intérêt à mettre le gaz frais en contact avec le catalyseur le plus usé, etc.
La fig. 1 du dessin annexé est un croquis schématique d'un dispositif conforme à l'in Invention.
Dans ce dispositif, la poudre entre par une tuyauterie 1, munie d'un robinet de réglage 7, dans la couche supérieure 2. Des tuyauteries analogues, avec robinets de réglage, pourraient amener de la poudre à d'autres couches. La poudre étant introduite de manière eontinue par 1, est extraite de manière également continue par le tube 3, qui sert de trop-plein et maintient le niveau de la couche fluide, et elle passe dans la couche inférieure 4 dont elle est extraite par un nouveau tube de trop-plein 3, qui la fait passer dans une autre couche inférieure et ainsi de suite jusqu'à la couche la plus basse, d'où elle sort par le trop-plein 5. Le gaz entre par le bas de la colonne 10 et passe d'un étage à l'autre à travers les plateaux 6.
Ces plateaux doivent être faits de manière à permettre le passage du gaz de bas en haut, mais à empêcher le passage de la poudre de haut en bas. Pour cela, on peut utiliser soit des plateaux analogues aux plateaux des colonnes de distillation avec des entrées de gaz protégées par des cloches, soit réaliser ces plateaux comme il sera indiqué plus bas. Le gaz sortant de la couche supérieure passe dans une zone élargie Il où, la vitesse étant réduite, les entraînements de poussières sont fortement réduits. Les poussières, qui pourraient encore être entraînées, sont séparées par l'appareil 12 représenté ici comme un séparateur centrifuge, et renvoyées dans la couche supérieure par la tubulure 13, le gaz sortant du dispositif en 14.
Il est bien évident d'ailleurs que suivant les besoins on peut supprimer l'élargissement de la zone supérieure, utiliser un type quelconque de séparateur de poudre, qui pourrait être à l'extérieur de la colonne, ou ne pas renvoyer la poudre dans la couche supérieure. On peut, en effet, avoir intérêt soit à enlever du dispositif les particules les plus fines de la poudre, soit à les envoyer dans une autre zone de la colonne où elles risqueront moins d'être entraînées par le gaz sortant. Entre les différentes zones, il est inutile d'extraire la poudre entraînée par les gaz dans la zone immédiatement supérieure.
Il y aura donc inévitablement une légère cir culation de poudre à travers les plateaux de bas en haut. Les plateaux doivent être prévus de matière à ne pas empêcher cette circulation, car on risquerait alors des bouchages dans le circuit de gaz. Si on extrait du gaz entre deux plateaux, il est évident qn'on aura généralement intérêt à extraire la poudre qu'il entraîne, par tout moyen convenable, et à la renvoyer éventuellement dans la colonne, au point voulu.
Pour éviter, lors de la mise en route, le passage dn gaz par les trop-pleins, ceux-ci sont munis d'un dispositif de fermeture 8
(9 pour le trop-plein 5). Ces dispositifs de fermeture n'ont pas besoin d'être entièrement étanches et la hauteur à laquelle ils sont placés ne joue pas- de rôle. On a intérêt à les mettre à l'endroit où ils sont le plus facile à atteindre d'après la construction de la colonne, de manière à pouvoir les manoeuvrer de l'extérieur par tout dispositif adéquat.
On pourrait en particulier faire passer les trop-pleins à l'extérieur de la colonne, ce qui aurait l'avantage de permettre un accès plus facile aux dispositifs de fermeture, si, pour une raison ou pour une autre, il faut les ma oeuvrer ou les entretenir fréquemment. Au démarrage, chaque dispositif de fermeture est fermé jusqu'à ce que la poudre, à l'étage directement au-dessus, ait atteint, à l'état de phase dense fluide, une épaisseur suffisante.
A ce moment, on l'ouvre progressivement jusqu'à ce que l'alimentation de la couche et la sortie de la poudre soient équivalentes, le niveau se maintenant régulier. On commence naturellement par le plateau supérieur et on descend de plateau en plateau. Tant que l'épaisseur de la couche fluidisée sur un plateau n'est pas suffisante, il est nécessaire que le dispositif de fermeture qui se trouve sur le trop-plein de ce plateau soit fermé de manière à éviter que le gaz ne passe directement de la couche inférieure par le tube 3 qui, alors, ne pourrait plus fonctionner comme tropplein. La présence de ces dispositifs a d'ailleurs un second avantage, celui de permettre de régler, dans une certaine mesure, l'épais seoir de la couche immédiatement supérieure.
Ces dispositifs de fermeture 8 se trouvent d'ordinaire à l'intérieur de la colonne, mais doivent pouvoir être manoeuvrés de l'extérieur au moyen d'une commande appropriée qu'il est fac-ile de réaliser de manière simple et robuste. Ces dispositifs de fermeture et leur commande doivent naturellement être robustes et ne pas pouvoir être coincés par des accumulations de poudre. On obtiendra les meilleurs résultats soit en utilisant de simples registres horizontaux ou inclinés, soit en employant des papillons, le tout étant construit de manière suffisamment solide et avec des jeux convenables pour éviter des coincements par la poudre ou les dilatations.
Il est bien évident que ees-dispositifs de fermeture, comme leurs commandes, comme les tuyauteries et les plateaux, doivent être faits en matériaux résistant aux conditions thermiques et chimiques qui leur sont imposées. Sur la fig. 1, on a prévu l'accès aux dispositifs de fermeture et à leurs commandes par les trous de visite 16. Les manomètres différentiels 15 servent à contrôler l'épaisseur des couches fluidisées sur les divers plateaux, au cours de la mise en route principalement.
Il peut être utile ou nécessaire à certains moments, pour une raison quelconque, de mo- difier dans certaines opérations la hauteur de l'une ou de l'autre des couches fluides plus qu'on ne pourrait le faire en modifiant le réglage des dispositifs de fermeture 8, tout en maintenant le même débit de gaz. Pour cela, il faut modifier la hauteur de l'ouverture du tube de trop-plein au-dessus du plateau sans toutefois modifier la hauteur de son ouverture au-dessus du plateau inférieur. On peut prévoir dans ce but un dispositif tel que représenté schématiquement sur la fig. 2. Sur cette figure, 3 est l'un des tubes de tropplein fixé au plateau 6.
Ce tube est terminé à la partie supérieure par un tube de plus petit (ou de plus grand) diamètre 20 qui peut être élevé ou abaissé au moyen d'une crémaillère 21, mise en marche par une roue dentée 22, commandée de l'extérieur. Comme il faut craindre des dépôts de poudre entre la cré maillère et la roue dentée, on a prévu en 23 une tubulure amenant, au moment de la ma oeuvre, de l'air ou du gaz comprimé destiné à souffler ces dépôts de poudre; toute autre dispositif donnant des résultats analogues pourrait être adopté. Il faut naturellement que cette constructionsoit robuste et queles jeux prévus soient suffisants pour éviter tout coincement par la poudre ou par les dilatations.
Les plateaux 6 doivent être construits de manière à être perméables aux gaz entraînant un peu de poudre et passant de bas en haut, tout en empêchant tout passage de poudre de haut en bas. La fig. 3 donne schématiquement un mode de réalisation de ces plateaux qui convient pour les plateaux de toutes dimensions, mais surtout pour les plus grands: sur des supports convenables 40 fixés aux parois de la colonne (barreaux métalliques, arceaux réfractaires, etc.) et placés parallèlement et à des distances égales, reposent des barres profilées en U 51 maintenues parallèles et à distance convenable par des pièces d'arrêt 53, le vide entre deux barres étant recouvert par un autre profilé qui peut être plus petit, égal ouplus grand que les précédents.
Les ailes verticales des barres les plus hautes sont garnies d'encoches 54 pour laisser passer le gaz venant du plateau inférieur. Pour des températures suffisamment basses, on peut¯ utiliser comme barres des fers en U du commerce.
Dans ce cas, pour des plateaux dont les dimensions ne dépassent pas S5 m de diamètre, on peut même supprimer les supports 40 et fixer directement les profilés aux parois de la colonne. Pour des températures plus élevées ou si l'acier ordinaire ne convient pas au point de vue chimique, on pourrait employer soit des profilés en acier inoxydables, soit des pièces en céramique. Dans ce dernier cas, il serait préférable de les réaliser en longueurs légèrement plus faibles que les distances entre axes des supports 40 et de modifier quelque peu leur forme selon les données de la fig. 4 pour faciliter leur réalisation technique et améliorer leur résistance mécanique-tout en empêchant toute accumulation de poudre à leur partie supérieure.
Pour cela, les profilés inférieurs 55 ont une forme simple et sont recouverts de pièces 56 munies de cloisons 57 servant à les maintenir en place et terminées par une arête à la partie supérieure 58.
La perte de charge du gaz à travers une couche de poudre qu'il maintient à l'état fluidisé dense est égale à Ia quantité de poudre contenue dans la couche divisée par la section de celle-ci. Par conséquent, une colonne à plateaux de fluidisation, comme celle envisagée ici, entraîne une perte de charge élevée si on veut utiliser les couches assez épaisses normalement employées dans la technique de fîni- disation. Or, surtout lorsqu'on opère à une pression voisine de la pression atmosphérique, les frais de compression du gaz pour qu'il puisse passer à travers un appareil donné, et donc la perte de charge à travers celui-ci, forment l'un des postes importants du prix de revient.
Il serait donc intéressant de travailler en couche fluide dense de faible épaisseur, de manière à réduire la perte de charge du gaz traversant la colonne et, par conséquent, à améliorer l'économie de l'opération. Cep en dant, si les quantités de gaz et de poudre envisagées exigent des colonnes de gros diamètres, on risque, par exemple avec des diamètres dépassant 5 à 10 fois l'épaisseur de la couche fluide dense, que la poudre n'ait tendance à se mettre d'un côté, le gaz passant de l'autre, formant une ou plusieurs cheminées, ce qui, évidemment, nuirait au contact gazpoudre ou même l'empêcherait complètement.
On remédie partiellement à cet inconvénient en mettant l'arrivée de la poudre sur un plateau à une extrémité d'lm diamètre, la sortie se faisant à l'autre extrémité de ce diamètre, comme cela est représenté sur la fig. 1. Néanmoins, dans certains cas, on peut avoir à adopter un rapport diamètre: épaisseur de couche trop grand pour que cette disposition simple suffise à éviter l'inconvénient signalé plus haut; on peut alors recourir à des cloisonnements verticaux sur les plateaux de flni- disation, ce qui revient en somme à diviser ceux-ci en une certaine quantité de compartiments dont les dimensions horizontales seront suffisamment faibles pour éviter les inconvénients signalés. Une disposition de ce genre est représentée schématiquement à la fig. 5.
Dans celle-ci, la poudre entre par la tuyauterie 101, munie d'un robinet de réglage 102. La tuyauterie 101. se divise en tuyauteries plus petites, munies chacune d'un robinet de réglage 104 et débouchant dans les compartiments 105 du plateau 116. De là, la poudre passe par les tubes de trop-plein 106, munis de robinets de réglage 107, aux compartiments 108 du plateau suivant. De ceux-ci, la poudre sort par d'autres tubes de trop-plein 106, semblables aux précédents et munis de robinets 107 pour se rendre à l'étage inférieur. La poudre sort de l'étage le plus bas par les tuyauteries 111, munies de robinets de réglage 112, et qui peuvent être groupées en une seule tuyauterie 113.
Le gaz entre dans le bas de la colonne 115 par la tuyauterie 114 et passe à travers les divers plateaux 116. A la sortie du dernier plateau, il traverse une zone de dégagement 117 d'où il sort par un séparateur 118 qui peut être soit un séparateur centrifuge (cyclqne) ou tout autre type de séparateur retenant la poudre que pourrait entrainer le gaz, et la renvoyant éventuellement dans les compartiments 105 par l'intermédiaire de la tuyauterie 119. Le gaz sort ensuite par la tuyauterie 120. Ce séparateur pourrait être placé à l'extérieur de la colonne et on pourrait supprimer la zone élargie de dégagement.
Sur la fig. 5, les différents com- partiments sont séparés par les cloisons 121 qui ont une hauteur légèrement supérieure à la hauteur la plus forte prévue pour la couche fluide dense qu'elles doivent délimiter. La hauteur de ces séparations peut donc varier d'un plateau à l'autre, comme d'ailleurs le diamètre des plateaux. Sur la fig. 5, on a représenté les tuyauteries 106 qui permettent à la poudre de passer d'un plateau à un plateau inférieur, de manière que les robinets de réglage 107 soient aussi près que possible de l'extérieur de la colonne pour éviter les commandes trop longues et pour faciliter l'entretien par le moyen des trous de visite 122 placés à proximité. Toute autre disposition pourra d'ailleurs être utilisée.
En particulier, on peut envisager de faire arriver la poudre dans un compartiment an point le plus voisin du centre du plateau et de la faire sortir de ce compartiment à la périphérie du plateau, arrivée et sortie étant disposées de manière inverse sur le plateau directement inférieur, et ainsi de suite. On aurait ainsi des tuyauteries de trop-plein verticales permettant de réduire la distance entre le haut d'une couche fluide et le plateau immédiatement supérieur. Ceci aurait l'avantage de réduire au minimum la hauteur de la colonne, mais nécessiterait une disposition un peu plus diffi cile à réaliser des commandes des dispositifs de fermeture des tubes voisins du centre.
Dans la réalisation telle qu'elle est schématiquement prévue sur la fig. 5, le chemin parcouru par la poudre est équivalent à celui qu'elle parcourrait dans une série de colonnes mises en parallèle. Il peut, en effet, être intéressant de faire parcourir à la poudre un chemin plus long, ou pour un même chemin, de réduire le nombre de plateaux de fluidisation, et, par conséquent, les pertes de charge.
Pour cela, il suffit de faire circuler la poudre dans les divers compartiments d'un plateau en série et non en parallèle, le gaz, lui, continuant par contre à passer en parallèle à travers les divers plateaux. Ceci n'est utilement réalisable que lorsque les réactions sont suffisamment lentes pour qu'il n'y ait pas trop de différence entre les gaz sortant des divers compartiments d'un même plateau. Ce peut être en particulier le cas lors de séchages, déshydratations, réductions, etc. On peut, du reste, remédier partiellement à cet inconvénient en mélangeant le gaz entre les couches fluidisées au moyen de chicanes et en faisant circuler la poudre sur le plateau en sens in4 verse de sa circulation sur les plateaux immédiatement inférieur et supérieur, ce qu'il est facile de réaliser par la disposition des passages de poudre d'un compartiment à l'autre.
La fig. 6 donne un croquis représentant schématiquement de telles dispositions. La poudre entre dans la colonne par la tuyauterie 151 munie d'un robinet de réglage 152. Elle arrive dans le compartiment central 153 du premier plateau. De là, elle passe aux compartiments extérieurs 154 par l'intermédiaire d'encoches 170, qui peuvent être soit fixes, soit réglables par tout moyen approprié. La poudre passe du dernier compartiment d'un plateau au plateau inférieur, par l'intermédiaire de la tuyauterie de trop-plein 156, munie du robinet de réglage 157 qui est placé de manière à être facilement atteint par le trou de visite 172. Du dernier plateau, la poudre est extraite par la tuyauterie 165, munie d'un robinet de réglage 171. Le nombre de compartiments dépend du diamètre de la colonne de fluidisation et de la hauteur de la couche fluide.
Pour des diamètres relativement petits, on pourra supprimer le eompartiment central.
Dans la colonne représentée, le circuit de gaz comporte une entrée 161 avec un distributeur 162 débouchant dans les cônes 163 placés sous chaque compartiment du plateau inférieur.
L'arrivée des gaz aux divers compartiments est réglée par les robinets 164. Tous les plateaux sont ainsi munis d'line série de cônes correspondant à chaque compartiment. Le courant de gaz à travers ces cônes peut être arrêté au moyen de papillons ou de registres 159 qui peuvent être atteints par les trous de visite 173. Le but de ces papillons est de permettre la mise en route de la colonne. En effet, si, lorsque la colonne ne contient pas encore de poudre, on fait passer le courant de gazez remplissant le premier compartimentl53, il ne passerait pas du tout de gaz dans celuici, puisque le gaz y serait arrêté par la poudre, alors que les autres compartiments sont encore vides.
Pour la mise en route de chaque étage, on commencera donc par fermer tous les robinets 159, sauf celui du compartiment où arrive la poudre et qui d'ailleurs est inu- tile pour la mise en route. On peut tout de même prévoir un robinet à cet endroit pour permettre un réglage égal du débit de gaz dans tous les compartiments. Une fois que la poudre commence à arriver dans un compartiment, on ouvre progressivement le-robinet correspondant; on procède de même avec les étages inférieurs au fur et à mesure que la poudre y arrive.
Pour éviter que le gaz ne se déplace en courants parallèles entre les compartiments et qu'il n'y ait ainsi des différences trop sensibles d'un point à un autre sur un même plan horizontal, on peut prévoir des chicanes, comme par exemple le cône 160 de la fig. 6 La sortie du gaz se fait comme dans une colonne normale par la zone supé rieur 166, le séparateur 167 avec la réintrodiction de poudre 168, le gaz étant extrait de la colonne par 169. Les dispositions données à ce propos par. la fig. 6 peuvent naturellement être modifiées comme prévu plus haut au sujet des fig. 1 et 5.
Il faut remarquer que les divers dispositifs décrits permettent une mise en route fa cile à partir de la colonne vide et que, après un arrêt inopiné, dû par exemple à une panne de courant, la remise en marche sera facile, car on n'aura pas à craindre le passage de la poudre d'un plateau aux plateaux inférieurs et, par conséquent, le mélange de poudres arrivées à des degrés divers de traitement.
La fluidisation en phase dense, dans un appareil cylindrique, ne s'applique évidemment qu'à des poudres-qui conservent à peu près. la même forme de grains et les même caractéristiques au cours de tout le traitement. La densité peut bien varier dans d'assez larges limites, comme la porosité ou même. la grosseur des grains: il suffira, si ces variations sont importantes de modifier en conséquence la vitesse du gaz qui maintient la poudre en fluidisation, en-modifiant le diamètre des plateaux ou le débit de gaz.
Par contre, si les réactions ou les conditions de température auxquelles est soumise la poudre provoquent une agglomération des grains par fusion superficielle, comme dans tous les procédés où il y a frittage d'une poudre (fabrication de ciments, frittages de poudres métalliques. etc.), il ne peut plus être question d'utiliser la fluidisation en phase dense dans un appareil de forme cylindrique: les grains agglomérés, trop-vQlumineux et lourds, tom braient sur le plateau d'où on ne saurait comment les enlever.
Pour remédier à cette difficulté, l'étage inférieur peut être constitué, non plus par une zone à parois verticales, cylindrique ou prismatique, comme cela se fait normalement, mais par une zone en forme de cône ou de pyramide ayant la pointe en bas, le gaz entrant par celle-ci à grande vitesse, puis. se ralentissant au fur et à mesure qu'il monte.
L'angle au sommet de cette pyramide ou de ce cône doit être assez aigu, de l'ordre de 2020O. On obtiendra ainsi un classement des particules selon leur grosseur, tout en maintenant l'ensemble à l'état fluidisé en phase dense, et on pourra extraire à la pointe du cône ou de la pyramide des agglomérations de taille à peu près régulière et d'autant plus faible que le rapport de la section horizontale du cône ou de la pyramide à l'entrée du gaz à la section horizontale su périeure sera plus élevé. On pourra ainsi régler la grosseur des agglomérés extraits en faisant entrer le gaz à diverses hauteurs dans le cône et en maintenant la même vitesse de sortie, vitesse qui est limitée par les risques d'entraînement des plus fines particules. La fig. 7 donne schématiquement une possibilité de réalisation d'un étage de ce type.
Sur la fig. 7, le cône 200, construit en matériaux compacts pour éviter que les grains tant soit peu fondus ne s'y agglomèrent, et résistant aux conditions chimiques et thermiques envisagées, est surmonté dune zone de dégagement cylindrique 201. Dans le cas où l'appareil doit être construit en réfractaires, on aura intérêt, pour faciliter la construction, à lui donner la forme d'une pyramide à base carrée surmontée d'un prisme de même base, pour éviter des complications de construction (les joints sont toujours un point faible chi inique ou thermique) ou l'emploi onéreux de pièces de formes spéciales. Il sera bon toutefois, pour éviter les irrégularités de courant gazeux de faire la partie inférieure soit en cône soit en pyramide à base octogonale.
La poudre entre par 202 en provenance dune colonne ou d'un étage en fluidisation dense silpérieur. Par 203, on peut introduire soit une seconde poudre destinée à réagir avee la précédente, soit un combustible solide en poudre ou en grains, ou liquide destiné à brûler dans cette zone. Poudre coréagissante et/ou combustible pourraient être introduits avec le gaz qui est amené par la tuyauterie 205 et pénètre dans le cône par les tuyères 208 reliées à des collecteurs 206 branchés sur l'arrivée principale par des robinets 207 qui permettent d'introduire le gaz par l'un ou l'autre de ces collecteurs pour régler la grosseur des particules agglomérées.
On pourrait d'ail- leurs, si le réglage de grosseur n'a pas & im- portance, introduire le gaz par une simple tuyauterie 213 ou même par- la sortie 204.
Les grains agglomérés sont extraits au bas du cône par le dispositif 204, représenté comme un distributeur en étoile, mais qui pourrait être n'importe quel autre dispositif conve- nable. Le e gaz sort par l'intermédiaire d'non séparateur représenté ici comme un cyclone 909 réintroduisant la poudre dans la zone de traitement par 210, alors que le gaz sort par 211. Le haut de la zone de dégagement 201 est fermé par un couvercle 212. Celui-ci peut être remplacé, le cas échéant, par un plateau de colonne de fluidisation tel que ceux décrits ci-dessus. Le gaz na pas alors besoin d'être dépoussiéré.