Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
.
lt~ 5
~ a pr~sente invention a pour objet un procéd~ per-
mettant, dans un échan~eur de chaleur entre gaæ caloporteur
et mat~riau pulv~rulent fluidis~ d'assurer la circulation
continue de ce dernier, ainsi qulun échangeur mettant ce pro-
." .
céd~ en oeuvre.
i Elle concerne le secteur des échangeurs de chaleur
sans contact direct.
Dans de nombreux procédés chimiques, des matériaux
; pulvérulents sont soumis, par contact direct avec des fv~ées~
i~ 10 à une opération dite "calcination". En fait~ ce terme est
~;j peu précis, car, dans bien dès cas, il y a pyrolyse, c~est-~-
dire altération chimique par la température. ~ -
, :
On peut citer~ à titred'exemples, la fabrication du
ciment par un procédé mettant en oeu~re une décarbonatation
~.
du calcaire, et la fabrication de l'alumine, dans laquelle
un hydrate d'alumine est déshydraté.
Assez généralement, les produits de pyrolyse sont
gazeux : gaz carbonique dans le premier cas, vapeur d'eau
surchauffée dans le deu~ième, ~e dégagement de ces ga~ dans
les matériaux pulvérulents est par~ois tres abondant, de sorte
~; qu'il amène une ~luidisation de ceux-ci : ce phénom~ne est
appel~ "autofluidisation",
~a calcination s'opare généralement dan~ un fuur
tournant, constitué par un tube en rotation autour de son
axe légèrement incliné sur lthorizontale. ~es matériaux
pul~érulents à calciner se d~placent de haut en bas dans la
~partie inférieure du tu~, tandis que les~gaZ chauds se dépla-
cent de bas en h~ut dans la partle sup~rieure du tube, au
oontaot du matéxiau pu1VérUlent ; la circulation s'opère
donc a contre-courant.
` '. ' ,'~ ~`
~, ~ '~'.',
.
1~4~ 3S5
:,
.~ Dans ~n tel four~ l'autofluidisation permet un
I certain brassage du mat~riau pulvérulent, d'o~ une améliora-
~i tion de l'échange de chaleur entre Ce dernier et les gaz
chauds. Par contre, cet échange calorifique est contre- : :
~i carré par d'autres conséquences de l'autofluidisation~
i1 savoir d'une part des glissades ou avalanches dues a une réduc~
~1 , .
~ tion du talus naturel, d'autre part des envolements massi~s ~
" ~ .
, - dus aux projections t.umultueuses de matériau pulvérulent dans -:.
l la veine de gaz à grande vitesse, ces envolements étant encore
¦ 10 aggravés par des releveurs prévus pour favoriser le contact
intime entre matériau et gaz. ~inalement, le bilan calorifi-
. que de l'autofluidisation est negatif.
Dans le cas de fours pour la calcination de l'alumine,
on relave des enNolements, c'est-à-dire une ~uantité de matériau
pulvérulent sortant du four mélangée aux gaz, supérieure à
la proauction du four, ces envolements atteignant souvent
- 1,5 fois oette dernière~ ~a première conséquence est la néces- ..
sité de prévoir des dépoussiëreurs très importants, la deuxième
étant ~ue l'échange thermique se fait de façon très imparfaiteO
Si l'on prend l'exemple d'un four tournant produisant 40
tonnes par heure d'alumine calcinée, les envolements représen-
tent 60 tonneæ par heure d'un hydrate partiellement déshydraté,
car ils proviennent en ma~eure partie de la zone à basse .
température. Ce four, alimenté par un gâteau d'hydrate
. ...
d'alumine contenant 13% d'eau d'imprégnation~ consomme 120 kg
de fuel par tonne d'alumine produite, avec un exces d'air de .:~:
¦ 11,6%. ~a valeur en eau deæ fumées totales sortant du four
~: , . .
est:de 35 tonnes par heure, tandis que la valeur en eau des j:.
;~ envolements dépasse 30 tonnes par heure, Comme les valeurs ~ .
~1 30 en eau des envolements et des fumées~sont voisines l'une de ..
.~ , . . . . .
-2~
~4~.~8 S 5
l'autre~ l'abaissement des températures des fumées~ sensiblement
égal à l'éléva+ion de température des envolements, ne pourra,
dans cet échange de chaleur par mélange, etre ~upérieur à
la moitié de la dif~érence de température des deux courants~
i pulvérulent et ga~eux, à l'entrée du four. Cet-te limite est
. encore abaissée par la nécessité d'un écart moteur de transfert -~ -
et par une certaine dilution par de l'air parasite à la -
. . .
sortie du four.
Il est connu de remédier partiellement à ces inconYé-
nients en complétant le four tournant par un échangeur obtenu
en montant en série plusieurs dispositifs ~ courants de même
sens, mais de façon ~ue la circulation générale, dans ltensem-
ble des dispositifs, s'opère ~ contre-courant. ~e transport
du matériau pul~érulent s'opare à l'état fluidisé. On monte
ainsi en s~rie un certain nombre da cyclones déca~és ~erticale-
ment. ~:;
Ce dispositi~ assure un meilleur rendement, se
traduisant par une économie de 20 kg de fuel par tonne d'alu~ .
mine, De plus, prenant a son compte u~e partie de l'échange,
il pexmet un raccourcissement important du tube du four.
Par contre~ il présente des inconvénients certains.
~'inve~tissement est élevé~ le montage de troi~ ~-tage~ de cy-
clone nécessitant la construc-tion d'une tour de 40 m de haut
supportant, sur son sommet, un dispositif d'alimentation. Une
. installation existante ne peut être que difficilement modifiée
par ad~onotion d'un tel échangeur. ~'appareil est conçu pour
: un seul débit prédéterminé et manque de souplesse de régime.
~a pexte de charge dans les cyclones entraîne une consommation
;~ appréciable d'énergie. ~introduction de l'hydrate d'alumine
es-t délicate~ et le transport pneumatique entraine une abrasion
: ~ ,, .'. ~ .. : ' ,
~ , , , ~ .
iC~4~55
assez elevee. :
Selon la présente invention, il est prévu un procédé
permettant dans un échangeur de chaleur entre un gaz caloporteur
et un materiau pulverulent fluidisé, d'assurer la circulation
continue de ce dernier, procédé consistant à prévoir au moins un
étage d'échange comportant au moins un premier tube sensiblement
vertical ayant une entr~e a sa partie superieure et au moins un
deuxième tube sensiblement vertical ayant une sortie à sa partie
supérieure, et à relier les parties inférieures de ces tubes par
un moyen de communication; à introduire le matériau pulvérulen
par ladite entrée du premier tube; à faire circuler un gaz de
fluidisation de bas en haut dans chacun des tubes, et à régulariser
le flux de fl.uidisation dans le premier tube à une vitesse inférieu- :
re à la vitesse du flux de ce gaz de fluidisation dans le deuxième
tube de facon à ce que la densité du matériau pulvérulent dans le ~ ::
deuxième tube soit inférieure à la densité du matériau pulvérulent
dans le premier tube pour que le matériau pulvérulent circule de ~
haut en bas dans le premier tube, puis circule dans le moyen de . :
communication pour ensuite circuler de bas en haut dans le deuxième
tube; et a faire circuler le gaz caloporteur a travers les tubes
lors du passage du matériau pulvérulent dans ces tubes.
Selon la présente invention, il est aussi prevu un
échangeur de chaleur entre un gaz caloporteur et un matériau '
pulv~rulent fluidisé, comprenant au moins un étage d'échange
: aomportant au moins un premier tube sensiblement vertical ayant
une entrée à sa partie supérieure, et au moins un deuxième tube
sensiblement vertical ayant une sortie a sa partie supérieure, .
et un moyen de communication reliant les parties inférieures de
~: ces tubes; des moyens pour introduire le matériau pulvérulent
30 ~ dans l'entrée du premier tube; des moyens pour permettre a un
gaz:de fluidisation de circuler de bas en haut dans chacun des
tubes,et des moyehs pour régulariser le flux de ce gaz de fluidi~
_ 4 _
sation dans le premier tube à une vitesse inférieure à la vitesse
de flux de ce gaz de fluidisation dans le deuxième tube de facon
à ce que la densite du materiau pulverulent dans le deuxième
tube soit inferieure à la densite du matériau pulvérulent dans le
premier tube, de façon à ce que le matériau pulvérulent circule
de haut en bas dans le premier tube, puis circule dans le moyen
de communication inferieur, pour ensuite circuler de bas en haut
dans le deuxième tube, et des moyens pour faire circuler le gaz
caloporteur à travers les tubes lors du passage du matériau
pulvérulent dans ces tubes.
L'invention ainsi définie est expliquee à l'aide
d'exemples illustres par les figures jointes.
La figure 1 est un croquis representant une instal-
lation de calcination d'alumine hydratee.
La figure 2 represente, en coupe, par un plan vertical,
un élément tubulaire pour echangeur de chaleur.
La figure 3 represente, de même, un autre exemple
d'echangeur de chaleur.
La figure 4 représente un variante de cet échangeur.
ln~f4~8S5
`
Sur ce~ figures, les même cléments sont représent~s
par les même repères.
L'installation de calcination, que représente la
figure 1, est une installation destinée ~ obtenir de l'alumine
anhydre sèche : une installation ayant une objet dirférent~
par exemple la fabrication de ciment, serait analogue.
~ 'installation comprend un four de calcination tour-
nant 1 muni d'une entrée d'air frais 2, d'une sortie de fumées
3 constituants un gaz encore chaud, d'une entrée d'alumine
hydratée 4 et d'une sortie d'alumine anhydI~e 5. Ce four est ;~
bien connu et n'a pas à être décrit davantage : un exemple
d'un tel four est décrit dans le brevet franQais N 1.394.775 ~ ~
délivré le ler mars 1965. - ;
~'alumine alimentant le four tournant 1 est recueil-
lie à la sortie d'un échangeur 6 qui comprend, d'une part une -
enceinte 7 munie, sur l'une de ses parois latérales, d'une
tubulure d'entrée 8 recevant le gaz caloporteur constitué
par les fumées sortant en 3 du four tournant 1 et, sur la paroi -
latérale opposée, d'une tubulure de sortie 9 du gaz calopor-
teur, d'autre part des tubes sensiblement verticaux réunis à
leur entrée 10 ~ une source d'alumine hydratée humide~ et~ à
leur sortie 11 d'alumine hydratée saohe, à l'entr~e 4 du four 1.
L'entrée 10 d'alumine de l'~changeur 6 est alimentée
par un dispositif d'alimentation 12, tandis que la sortie 9
du gaz caloporteur est réunie à un épurateur, par exemple un
lectro-filtre 13, lui-même réuni à une chemin~e 14 assurant
l'éyacuation à l'atmosphare des fumées épurées.
:!: . . . ...
Ainsi, de l'air frais pénatre en 2 dans le four
tournant lj constitue le comburant d'un brûleur à gaz ou
~;30 ~ fuel qui produit un mélange de gaz chauds caloporteurs gui se
-5~
3S5
refroidissent en chauffant l'alumine qui circule en sens
inverse. ~e gaz caloporteur, partiellement refroidi, quitte
i le four en ~ ~t pénètre en 8 dans l'éch~ngeur 6 où il continue
;~ de se refroidir Il quitte l'échangeur en 9, est épuré dans
l'électrofiltre 13 et évacué par la cheminée 14.
j L'alumine hydratée et humide est fournie par le ~-
i, .
~¦ dispositif d'alimLentation 12~ préchauffée~ séchée et partielle-
ment déshydratée dans l'échangeur 6 dans lequel elle pénètre
"
en 10 et qu'elle quitte-par 11. ~lle pénètre ensuite par
4 dans le four tournant 1 où elle est totalement déshydratée,
et est recueillie en 5, à la sortie du four.
~j On décrit à présent, de façon détaillée, l'échangevr
6 que vise l'invention.
Entre l'entrée 10 et la sortie 11, l'alumine circule
dans plusieurs étages correspondant à des températures et à
des états de déshydratations croissants de l'alumine et à
des températures décroissantes du gaz caloporteur Chacun de
ces étages comprend deux séries de tubes sensiblement verticaux,
une première série dans laquelle l'alumine circule de bas en
haut, et une deuxième série dans laquelle l'alumine circule de
.
haut en bas. Chague série comprend au moins un tube~ et
llalumine est fluidisée dans ces tubes. ~a circulation géné-
rale s~effectue à contre-courant. Celle de l'alumine est
assur~e par fluidisation différentielle, elle résulte de ce
gue la densité du fluide est plus élevée dans les tubes à
circulation descendante que dans ceux à circulation montante
~'appareillage se présente sous des formes différen- - -
tës~ suivant que l'on opare par fluidisation, c'est-~-dire
avec un gaz vecteur tel que l'air, introduit dans l'appareil~ ~`
ou par autofluidisation~ c'est-à-dire avec un gaz vecteur ~
~-
1 - . :.~ .
i -6- -
I ~ .
~ 4~ 8 S S
dégagé dans les tubes par suite de l'action de la chaleur sur
le matériau pulvérulent.
La figure 2 représente un exemple d'appareillage
mettant en oeuvre la fluidisation différentielle.
~'échangeur compxend, montées dans l'enceinte 7 repré-
sentée sur la figure 1, une pluralité d'étages d'échange dont
chacun comprend un tube 15 sensiblement vertical, dans lequel
le matériau fluidise circule de haut en bas (lè~série), et
un tube 16 sensiblement vertical dans lequel ce matériau cir-
cule de bas en haut (2ème série). Ces tubes sont reliés, au-
j voisinage de leur extrémite inférieure, par une tubulure 17 ;
le tube~16 est relié au tube 15 de l'étage ~oisin par une
tubulure 18 prévue au voisinage de leur extr~mité supérieure.
Chaque tube est muni, ~ son extrémité inférieure9 d'une tubu-
lure 19 pour 15, 20 pour 16, servant à l'injection de gaz
vecteur de fluidisation, cette injection se faisant pour les
tubes ~ fluide descendant 15, sous une pression p inférieure
à la pression P d'injection dans les tubes ~ fluide ascendant
~;; 16, ~e gaz caloporteur circule hori~ontalement, suivant la
~lèche 8-9- dans l'enceinte 7. On obtient ainsi, dans les
tubes descendants 15 un débit d'air plus faible que dans les
tubes a~cendants 16. Il en r~sulte~ dans le tube 15 un ~luide
lit plu~ dense gue dans le tube 16. Cette dif~érence de
masse entra~ne une oirculation de pulvérulent depuis les tubes
15 vers les tubes 16~ oomme indiqu~ par la flè¢he 21, Chaoun
i~ des t~ubes 15 et 16 peut être constitu~ par plusieurs tubes
sensiblement vertioaux branohés en parall~les~ o'est-à-dire
reliés entre eux~ à leurs extr~mit~s de même nom, supérieure ou
1nférieuxe, par des tùbulures,
30 ~ 'alumine hydratée et humide pén3tre en 10 dans le
:.~` , : ' :
~ ~ _7_
;,
`
`. 1~4~a8S5 :
premier tube descendant 15 et elle sort de l'appareil en ll~
vers l'extrémité superieure du dernier tube ascendant 16.
C ~a figure ~ représente un exemple d'appareillage
mettant en oeuvre l'autofluidisation différentielle.
~'échangeur comprend, toujours mont~e dans l'encein-
-1 te 7, au moin~ un étage et, en général, une pluralité d'étages;i d'échange dont chacun comporte au moins un tube sensiblement
vertical 22 dans lequel le matériau circule de haut en bas,
et plusieurs tubes 23 dans lesquels le matériau circule de bas
~ lO en haut. I.e diamètre du tube 22 est supérieur ~ celui des
;3 tubes 23 ; à chaque tube descendant 22 correspondent plusieurs
I tubes ascendants23. ~es différents tubes d'un meme étage sont
reliés, à leur extrémité supérieure, à une chambre supérieure
de mélange 24 et, à leur extrémité inférieure, à une chambre
inférieure de fluidisation 25. ~es différentes chambres supé~
rieures sont reliées en série, ctest-à-dire chacune aux deux ~-
chambres immédiatement voisines, par une tubulure 26, la
chambre 24 du premier étage étant, en outre, reliée à l'entrée
d'alumine 10 et celle du dernier étage à la sortie d'alumine
11. Pour un même débit d'alumine, la surface d'échange est
moins importante dans les tubes descendants 22 de grand
diamètra, que dans les tubes ascendants de petit diamètre.
Comme l'autofluidisation trouve son origine dans le dégagement
de vapeur d'eau à partir de l'alumine hydratée chauffée par
le gaz caloporteur, on trouve une vitesse de vapeur d'eau
moins importante dans le tube descendant de grand diamètre
que dans les tubes ascendants de diamètre plus faible, Cette
différence est due à la section plus importante du tube descen-
,:
dant et au flux de chaleur moins important à travers ce tube
qu'à travers les tubes ascendants~ à cause de la surface
- ~ ' '".
-8- ;
i ~4 .~55
d'échange moins importante du tube de gros diamètre pour un -~
même débit d'alumine et également au coef~icient d'échange
gaz caloporteur/paroi plus faible pour un gros diamètre que
pour un plus petit.
~'hydrate d'alumine humide est introduit directement
en 10 dans la chambre supérieure 24 de mélange fluide du pre-
mier étage, o~ il est intimement mélangé, grace ~ la turbulence
créée par le lit fluidisé, à de l'alumine déjà sèche et portée
à une température de 130 à 160C, qui est la température
moyenne de cet étage. ~'alumine sortant en 11 du dernier
étage de l'échangeur comprend encore environ ll~o d'eau de
~ constitution à une température de l'ordre de 300~ qui est
T la température moyenne de l'étage de sortie . le trihydrate
d'~lumine a9 en effet, perdu deux molécules d'eau aux environs
de 300C, la dernière molécule ne disparaissant ~u'~ 700C
environ? dans le four tournant 1.
~a résiætance principale à l'échange de chaleur
provient du film de fumées. ~a disposition selon laquelle
le gaz caloporteur, c'est-à-dire les fumées provenant du four `
tournant, circulent ~ l'extérieur des tubes et perpendiculaire-
ment à eux, est la plus favorable. ~es coefficients d'~change
obtenus sont de l'ordre de 50 kilocalories par heure et par
matre ¢arré pour des tubes de 50 millimètres de diamètre et
un ga~ caloporteur à 500C, pour des vitesses de ga~ d'environ
~; 6 à 8 m/s~ ~a surface d'échange néoessaire à la production
de 1000 tonnes par ~our d'alu~.ine calcinëe e~t ainsi voisine
de 1500 m2 pour passer de l'hydrate à 15 % dleau d'humidité,
60C, à l'alumine à 11% d'eau de constitution, à 300C. ~ --Un tel échangeur, adapté ~ un four tournant classique? permet
~ d'économiser 15 ~ 20 kg de fuel par tonne dtalumine calcin~e
, , ~ . .
g_ ' .
,. . . .
. . . ~ . - - .
sans augmentation notable de la consommation d'énergie ~lec-
trique, en comparaison avec le résultat obtenu avec un échan-
geur à cyclones en série .
Ainsi que l'illus-tre la figure 4~ qui représente un
echangeur à un seul étage, le tube descendant 22 peut se
trouver à l'extérieur de l'enceinte~
i Un montage d'~ssai selon la figure 3, mais ne compre-
nant qu'un seul étage~ comporte un tube descendant 22 de 222
i mm de diamètre et 5 m de longueur, c'est-à-dire une surface ~ -
de 3,5 m2, et seize tubes ascendants de 54 mm de diamètre et
j 5 m de long, soit une suxface totale de 13,6 m2, ~a surface
~ll d'échange des petits tubes est quatre fois plus importante
que celle du gros tube. ~e coefficient d'échange K est, en
prèmière approximation, inversement proportionnel ~ la racine
carrée du diamètre, On a ainsi ~
- pour un tube de 54 mm : K - 50 kcal/h/m2/a
- pour un tube de 222 mm : K = 25 kcal/h/m2/C `
~a différence de température entre le grand et le petit tube
atteint de 5 à 20C, suivant le débit d'alimenta-tion et de
recyclage. Ie dégagement de vapeur d'eau est donc beaucoup
j plus intense dans les petits tubes que dans le gros~ d'autant
plus que~ à certaines températures~ la réaction de déshydra-
tation est très sensible à cette température. ~a vitesse
de descente correspondante dans le grand tube atteint 1,5 à
3 metres à la minute, ~a charge circulante est de 4 à 8 fois
la charge débitée par l'échangeur.
~'invention s'applique à tout échangeur de chaleur
e~tre un gaz et un matériau pulvérulent fluidisé, et, plus
~I , .
particuli~rement, avec installations de calcination de l'alu
mine hydratée.
;: . . . . .
,...
' " ".. ' ', '. ,.~
. ; . .
, . -10~
