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~2~i69~3~-~
La presente invention se rapporte a des
elements de garnissage pour des colonnes d'echange,
notamment de chaleur, plus specialement destinees a des
échanges a contre-courant par mise en contact direct au
sein du garnissage d'un courant gazeux et de particules
solides s'écoulant par gravité.
Elle interesse tout par-ticulierement les
procédés et les dispositifs décrits par les brevets
francais 2 436 953, 2 436 954, 2 486 817 et 2 493 495,
qui font appel à des vitesses moyennes de courants
gazeux au sein du garnissage préferablement de l'ordre
de la vitesse limite de chute libre des particules.
Il a ete constate en effet que les elements
de garnissage couramment utilisés pour les echanges
entre gaz et liquides ~u type des anneaux connus sous
la marque "Pall", obtenus par des operations de
découpe, dans une tôle d'acier, de plaquet-tes munies de
diverses échancrures, puis par des opéra-tions de mise
en forme, conduisan-t genéralement à des cylindres
pourvus intérieurement d'ergots, ne procurent pas
toujours des résul-tats totalement satisfaisants pour
les echangeurs gas-solides du -type decrit dans les
brevets cités ci-dessus. En presence de particules de
mediocres caracteristiques d'ecoulement, notamment du
fait de leur for~
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''3~
me, et/o~l de grc~-lulor-~létries élevees, la mise en oeuvre de tels élér~nts
pemlet en effet, particulièrement pour les vitesses élevées visant se-
lon les prescriptions du ~revet FR--A-2 436 954 à optirniser l'efficacit,é
de l'échangeur, d'observer un piégeage des particules par les éléments
de garnissage, conduisant à une augmentation de la rétention de parti-
cules au sein du garnissage, et par suite à une augmer~atic~ de la per-
te de charge du courant gazeux au travers du garnissage et surtout à
une ségrégation des particules, ou mêrne à un colmatage cor~plet de la
colonne d'échange.
Par exernple, lorsque des anneaux Pall en tôle d'acier réfrac-
taire, de 25 n~ de diamètre et 25 r~ de hauteur, sont disposés en vrac
sur un support constitué d'un caillebotis à grandes rnailles (60 x 20 mm)
forrré de lames d'acier réfractaire sur chant de 15 x 1 r~n soudées par
points, des particules, par exemple de sables de silioe ou de zircone,
mêr~ sensiblement sphériques, de granulométries moyennes supérieures à
2 mm, ne peuvent pas être traitées de manière fiable dans les condi-
tions prévues par le prooedé du brevet FR-A-2 436 954, car généralement
un engorgement ccmplet de la colonne est observé tres rapidement. Des
difficultés analogues se présentent tôt ou tard, dans la pratique in-
dustrielle, lorsque le produit à traiter, même de granulcmétrie mLyennebeaucoup plus faible que la valeur critique de 2 mm donnée ci-dessus,
contient certaines particules supérieures à 2 mm, soit qu'elles aient
échappé aux c~érations préparatoires de brc~age et tamisage, soit
qu'elles résultent d'un processus incontrôlé d'agglo~ération des fines
particules.
Une certaine amélioration a été constatée, surtout en ce qui
concerne l'apparition des phénc~ènes de co~natage des anneaux par les
particules, lorsque ces éléments de garnissage sont disposés sur leur
support non pas en vrac, mais de manière ordonnée, leur axe de révolu-
tion étant vertical ; cependant, on observe alors d'autres ino~nvé-
nients, notamment quant à l'efficacité du traitement, par suite d'une
ségrégation spatiale, généralement radiale, entre particules et ccturant
gazeux, et d'un écoulement direct du solide, sans ralentissement.
La présente invention vise à éviter ces inconvénients en pro-
posant un garnissage pour colonne de traitement de particules solidespar contact direct entre un c~urant gazeux ascendant et les particules
solides s'éooulant à contre-courant par gravité au sein du garnissage,
ledit garnissage possédant une structure ordormée, constituée par su-
perposition d'au moins deux éléments, chacun cc~prenant des profilés
lZ~ 3~
ranyés parallèlement entre eux et à espace~ent rey~lier, ledit espace-
ment assurant une ouverture de passage entre deux profilés voisins
cc~prise entre 3 et 20 fois, et de préférence 7 et 15 fois, la granulo-
métrie moyenne desdites particules, et la projection verticale desdits
profilés couvrant en totalité une section horizontale de la colonne.
Pour traiter des particules de formes irrégulières, par exem-
ple lameliaires, le garnissage sera avantageuse~ent prévu avec une ou-
verture de passage entre deux profilés voisins au ~oins égale à deux
fois la plus grande dimension des particules.
Les profilés comportent de préférence au moins deux nervures
distinctes, formant entre elles un angle imposant des changements de
direction aux flux gazeux et solide. Lesdites nervures présentent avan-
tageusement une largeur cc~prise entre 1 et 4 fois l'ouverture de pas-
sage entre profilés voisins.
En outre, notamment afin de ralentir l'écoulement des parti-
cules au sein du garnissage, la pente d'au moins l'une des nervures de
chaque profilé est choisie inférieure à 1,5 fois la pente de l'angle de
talus des particules solides à traiter. Cette limite sera avantageuse-
ment ramenée à 0,8 lorsque le dispositif est prévu pour traiter des
particules très abrasives, de telle fa~on que la surface supérieure des
nervures se trc~uve, en quelque sorte, protégée par une couche quasi-
permanente de particules. Au contraire, lorsque l'abrasion des nervures
par les particules n'est pas à craindre, la pente des nervures par rap-
port à l'horizontale sera avantageusement choisie entre 0,8 et 1,2 fois
la pente de l'angle de talus des particules.
De préférence encore, les profilés seront disp~sés de telle
manière que tout plan vertical parallele auxdits profilés coupe deux
nervures d'un même élément selon une génératrice de profilé ; on profi-
te ainsi au mieux du fait que se trouve assurée, au niveau de l'arete
inférieure de chaque nervure, une mutuelle intersection avec turbulence
des flux de particules et gazeux qui évite la formation parasite d'ag-
glc~érats et favorise le mélange entre phases.
De manière génerale, l'asse~blage des éléments à superposer
dans la colonne est prévu de manière à favoriser la division des flux
de particules solides et de gaz et à minimiser les possibilités de sé-
grégation radiale.
A cet effet, les éléments de garnissage sont disposés les uns
au-dessus des autres de telle fa~on que les profilés d'un élément
soient croisés, c'est-à-dire non parallèles, par rapport à ceux des
,,
1 2~6'~iO
éléllt~nts i~diatement voisins. En l'absence de Sy,nétrie des nervures,
pour un m~me profilé, par rapport à un plan vertical parallèle aux pro-
filés, et plus généralement lorsque les particules solides traversant
un élément de garnissage se trouvent soumises de ce fait à un déplace-
ment ayant une co~posante horizontale non nulle, les élémen's superpo-
sés seront de préférenoe orientés avec un décalage angulaire de l'un à
l'autre de grandeur et de signe tels que la so~ne des décalages angu-
laires des éléments de garnissage soit égale à 0 ou à un ncmbre entier
de fois 360~, c'est-à-dire choisi de manière à annuler, pour un empile-
ment d'éléments, la résultante des composantes horizontales dues auxdivers éléments constituant l'empilement. Par exemple, dema~ière
sil~ple, on choisira, avantageusement, un empilement co~,portant un nombre
d'éléments qui soit un multiple de 4, et chaque élément sera disposé
au-dessus du précédent de telle fac,on que leurs profilés respectifs
forment entre eux un angle de 90~, le sens de rotation d'un élément à
l'autre étant conservé de telle manière que les éléments se retrouvent
selon la même orientation tous les quatre éléments. Dans ces conditions,
on ad~tera avantageuse~ent des éléments de formes parallélépipédiques
préconstitués munis de moyens de positionnement mutuel automatique. A
cet égard, certaines formes de profilés seront de préférence choisies
pcur leur facilité d'assemblage, nota~nent en les munissant d'enooches
permettant mise en position et maintien des profilés du ou des éléments
immédiatement supérieur et/ou inférieur.
Diverses formes d'exécution du garnissage selon l'invention
seront maintenant décrites, à titre d'exemples non limitatifs, en réfé-
rence aux dessi~s qui représentent ~
- figure 1 : une vue partielle, en élévation, en coupe par un
plan orthogonal aux profilés, d'un élément de garnissage selon l'inven-
tion, à profilés à section en V ,
- figure 2 o une vue éclatée, en perspective, illustrant un
mc~e d'empilement préféré d'éléments de garnissage conformes à la figu-
re 1, à l'intérieur d'une enceinte calorifugée ;
- figure 3 : une vue partielle, en perspective, d'une forme
d'exécution d'un profilé selon l'invention muni d'encoches d'asse~bla-
ge ;
- figure 4 : une vue partielle, en élévation, en ccupe par un
plan orthogonal aux profilés, d'un élément de garnissage à profilés à
section "en la~bda" :
- figure 5 : une vue partielle analogue, à plus gra~de échel-
~i69~
le, mor)trant la structure obtenue par asse~lage de plusieurs élén~n~sde rnême type que celui représenté à la figure 4 ;
- figure 6 : une vue schématique de deux profilés voisins,
appartenant à chacune des de~ couches d'un rnêrne élérnent, illustrant le
mcde de détermination des paramètres géo~étriques d'un éLément à profi-
lés à section "en lar~bda" ;
- figure 7 : lme vue schématique, en coupe, d'un profilé à
section "en lambda", comprenant une âme centrale tubulaire.
E~LE 1.
Le dispositif du présent exemple est proposé pour traiter des
particules lamellaires, telles que peuvent se présenter certains sous-
produits de l'industrie charbonnière, très riches en schistes, dont les
dimensions varient entre 0 et 10 mn, et plus précisément répondant a
1'analyse granulcmétrique suivante : panmi les particules de 1'échan-
tillon, 17 % présentent une dimension supérieure à 5 mn,
46 % " " " " " 2 mn,
7~ % " " " " " 1 mm,
91 % " " " " " 0,5 m~n,
avec une médiane voisine de 2. De plus, l'angle de talus d'éboulement
de ce produit est d'environ 35~, et sa capacité therrnique massique de
1,05.103 J/(kg.K).
Un tel produit s'est avéré colrnater très rapidement les gar-
nissages d'anneaux Pall en vrac de 25 ou même 50 mn de diamètre, alors
que le garnissage décrit dans le présent exemple permet de les traiter
très efficacement.
Ce gaInissage est constitué d'éléments superposés 1, co~,pre-
nant des profilés 2, obtenus par pliage d'une tôle d'une épaisseur de
l'ordre de 1 mm, en acier réfractaire, par exemple du type défini par
la ~ormalisation française sous la désignation Z 12 CN 25/20, rangés
parallèlement à l'intérieur d'un cadre 3 de forme carrée dont trois des
co~te's sont visibles sur la figure 1.
Chaque profilé 2 présente une section en V dont les branches
sont situées chacune d'un même oôté par rapport au plan vertical pas-
sant par son s ~ net, et plus précisément comporte dans le cas présent
deux nervures, inférieure 4i, et supérieure 4s, formant entre elles un
angle de 60~, et fixées par soudure de leurs extrémités au cadre 3 de
telle sorte que lesdites nervures forment un angle de 30~ par rapport,
respectiv~ment aux faces inférieure 3i et supérieure 3s de 1'élément
auquel lesdits profilés appartiennent.
6~3~
L'écartement entre profilés consécutifs, c'est-à-dire le ~s
du rangemerlt des profilés 2 dans leur cadre 3, est de 0,043 m, corres-
pondant à une ouverture de passage d'environ 0,02 m et, pour une épais-
seur de l'élérnent de 0,05 m, et par conséquent une largeur de nervure
d'environ 0,048 m, on peut vérifier que, l'élérnent étant disposé hori-
zontalement, Ia projection verticale des profilés couvre en totalité
l'aire délirnitée par la projection du cadre 3, ce qui signifie qu'une
particule, sous l'effet de la seule gravité, rencontre obligatoirement
au rnoins deux nervures d'un profilé, sauf le cas particulier évo~ué ci-
après.
Les profilés des deux extrémités de la rangée constituant unélé~ent comportent une seule nervure, afin de ne pas provoquer d'arnoroede colmatage : sur la figure 1, le premier demi-profilé de gauche est
constitué d'une nervure supérieure 4s, et celui de droite une nervure
inférieure 4i, leurs arêtes supérieures étant soudées par points au ca-
dre 3, de rrêrne que les extrémités de chacune des nervures.
La figure 2 représente par une vue éclatée, en perspective,
un rnode d'ernpilernent préféré des élérnents 1 dans l'enceinte parallélé-
pipédique calorifugée 5. Les orientations des élérnents correspondent à
un décalage angulaire de 90~, toujours dans le mêrne sens, de l'élément
la à l'élément lb, puis successivenent aux éléments lc, ld, et suivants
éventuels, de sorte que l'effet des derni-profilés d'extrérnité 4i et 4s
se trouve s'annuler tous les 4 éléments.
A titre d'illustration des performances de ce type de garnis-
sage, on indique ci-après les résultats obtenus avec les particules la-
mellaires citées plus 'naut dans une colonne de 0,5 rn2 de section
co~portant 20 des éléments décrits, c'est-à-dire de 1 m de hauteur.
On a procédé au refroidissement de ces particules en les dé-
versant au sonnet de la colonne, à l'aide d'un répartiteur assurant un
balayage alternatif de toute la surface de l'élément supérieur. ~Sous un
débit de 1480 kg/h de particules à 625~C, avec un contre-courant de
1275 Nm3/h d'air à 29~C ~Nrn3 ou "nor~naux m3", exprirnant un volume ga-
zeux ramené à 20~C et sous une atmosph~re), on observe en sortie, après
mise en rég~ne de la color~ne, une température de 140~C pour les parti-
cules, et de 470~C pour l'air de refroidissement, la perte de chargeétant de l'ordre de 35 à 40 rnm de colorme d'eau. L'efficacité de
l'éch~ngeur, selon ces données d'utilisation, est de l'ordre de 3,25
NEPT (NEPT sig~ifiant '~ornbre Equivalent de Plateaux Théoriques"
d'échange, dont le m~de de calcul est défini, par exernple, dans une
~2~6~3~
can~unicAtion donnee au "Congrès Internatior~l de FluidisA~ ", ten~ à
Tokyo en mai 1983, par J.F LARGE, P. GUIGON et E. SAATDJL~N, intitu-
lée : '~ultistaging and solids distri~tor effects in a raining packed
bed exchanger")~
L'emploi de ce même dispositif pc,ur le chauffage de parti-
cules de même type a permis de faire les observations suivantes : pour
1750 kg/h de particules de schistes à chauffer de 10 à 430~C par de
l'air à 620~C, on a utilisé un débit de 1160 ~n~/h d'air, et sa tempe-
rature se trouvait, à la sortie, réduite à 130~C, l'effic~cité pouvant
ainsi être estimée à 2,22 NEPT~ La perte de charge dans cet essai se
situait entre 55 et 60 mm de colonne d'eau~
Par comparaison, on a chauffé du sable de verrerie de granu-
lométrie 100-400 ~m (avec une médiane à 205 ~m environ)~ Avec de l'air
chauffé à 610~C, sous un débit de 690 Nm3/h, le sable, sous un débit de
980 kg/h s'est trouvé porté de 12~C à 485~C, la température de l'air se
trouvant réduite à 135~C, avec une perte de charge de l'ordre de 30 mm
de colonne d'eau~
L'efficacité peut alors être estimée à 2,75 NEPT~
Les dispositifs selon cet exeTnple s'avèrent donc, avec un
nombre d'éléments relativement réduit, et par conséquent pour un encco}
brement très modéré, d'une très bonne efficacité, même pour des maté-
riaux de granulc,métrie fine et resserrée, pour lesquels cependant les
garnissages d'anneaux Pall demeurent susceptibles de performances supe-
rieures (4 NEPT environ).
La fiabilité de fonctionnement de ces dispositifs dans une
très large gamme de granul ~étrie les reccmmande notamment pour la mise
en oeuvre du procédé décrit par la denande de brevet français 80 23570
utilisant un échange entre des particules très fines en suspension dans
un gaz porteur et des particules de forte granulo~étrie.
Quant au mode de mise en oeuvre des profilés décrits ci-
dessus, on obseIvera que l'utilisation de cadres 3 se présentant sous
forme de viroles cylindriques, et non plus de cadres rectangulaires ou
carrés, pourra être préférée en particulier pcur les petites unités,
pour lesquelles on réduira ainsi les pertes thermiques, tandis que,
pour augmenter la capacité de traitement de ce type de dispositifs, au
lieu d'accroître la section des éléments, et par conséquent la longueur
des profilés, au détriment de leur stabilité géo~étrique, on choisira,
de préférence, de faire appel, pour constituer les éléments de la co-
lonne, à des ~ salques d'éléments partiels préconstitués, de forme sim-
ple, q~ ~lV-'llt s'en,piler par o~uc~,es successives, se cc~)inhnt de
n~u~ière analogue à ce qui a été décrit pour les empilenents d'éléments
simples .
EXE?~LE 2.
Une autre forme d'exécutic~n d'un garnissage selon l'invention,
dérivée de la préoédenter prévoit des profilés dans lesquels, ainsi
qu'il est représenté par la figure 3, les deux nervures en V 6s et 6i
se raccordent respectivement à des flancs 7s et 7i, situés dans un même
plan vertical, pour chaque profilé, ces flancs étant munis d'encoches 8
de largeur légèrement supérieure à 1 ' épaisseur de la tôle utilisée, et
de profondeur égale à la m,oitié de la laryeur desdits flancs.
Une te]le forme de profilés permet de construire, couche par
couche, c'est-à-dire élément sur élément, le garnissage définitif, en
imposant un décalage angulaire de 90~ entre couches. Elle est en outre
favorable à la rigidité de l'ensenible, tcut en perinettant le jeu néces-
saire aux dilatations dif férentielles susceptibles de se produire au
sein du gan~issage.
Des demi-profilés sont prévus pour les extrémités de chaque
couche, selon le principe déja décrit plus haut (exemple 1), leur as-
semblage définitif étant effectué avec l'aide de quelques points de
soudure.
EXE~PIE 3.
Une autre forme de profilés est proposée dans cet exelrple,
qui vise à éviter l'anisotropie de circulation des flux solide et ga-
zeux résultant de la dissymétrie des profilés des exemples précédents.
Cette forme présente une section dite ci-après "en lanibda",
chaque profilé 9 cc~rportant, airsi que représenté sur les figures 4 et
5, une nervure superieure verticale 10 et deux nervures inférieures 11,
sy~nétriques par rapport à la nervure 10 et formant avec elle un angle
au n~ins égal à 90~.
(~aque élément 12 de garnissage cc~r~prend deux couches 12s et
12i (figure 5) de tels profilés, les profilés de l'une des couc~es
s' intercalant entre ceux de l'autre, lesdits profilés étant fixés par
leurs extrénlités au cadre 13 dont trois des parois sont visibles sur la
figure 4.
Pour constituer un échangeur, on empile les uns sur les autres
les éléments 12, de la manière illus~rée schématiquement à la figure 5,
c'est-à-dire que l'arrangenent entre profilés de de~lx couches superpo-
sées se retrc~uve identique au sein d'un n~ênle élément et d'un élément à
.~
~2~
l'autre, au bénéfice de la conpacité de l'app~reillage.
Toutefois, il est sou~aitable de prévoir au moins une fois,
et plus gé;éralement un nombre impair de fois, un décalage angulaire de
90~ entre deux élements consécutifs, afin de réduire les risques de sé-
grégation dans 1'espace, not~nment résultant des caractéristi~ues dumode de répartition des particules solides au sc~met du garnissage.
Dans ce cas, on ramène avantageusement la longueur des nervures supe-
rieures verticales de l'élément au-dessus duquel on plaoe un élément
décalé angulairement à un niveau au plus égal à celui du bord supérieur
13s du cadre 13.
La géométrie des profilés "en la~bda" répond aux règles géné-
rales énoncées dans la description de la présente demande, notamment en
ce qui concerne la pente des nervures inférieures 11, choisies généra-
lement entre 0,8 et 1,2 fois la pente de l'angle de talus du matériau à
traiter, ainsi que pour l'ouverture de passage entre profilés. Pour dé-
terminer la valeur minimale de ladite ouverture, il convient de prendre
en compte 1'épaisseur de matière susceptible de stagner sur les nervu-
res de pente inférieure à celle du talus d'éb~ulement, et il est possi-
ble d'autre part, de minorer la valeur minimale, d'environ 1/3, lorsque
le passage considéré concerne une nervure verticale. Dans cet esprit,
par exemple, on admettra que la valeur de la grandeur "a" représentée
sur la figu.e 6 peut être inférieure d'un tiers à celle de la grandeur
"b", mesurée en tenant compte de la présence éventuelle d'un talus 14
sur une nervure 11.
D'autre part, la nervure supérieure verticale 10 d'un profilé
de la couche inférieure d'un élément atteint de préférence au moins le
niveau de l'extrémité inférielIre des nervures inférieures 11 des profi-
lés de la couc~e supérieure.
A titre illustratif des performances de ce type de garnissage,
on indique ci-après les résultats obtenus avec une colonne de 0,5 n~ de
section et 1 m de hauteur cc~portant des éléments comprenant des profi
lés constitués d'une nervure supérieure 10 de 0,025 m, et de deux ner-
vures inférieures 11 de 0,0175 m formant entre elles un angle de 90~.
Le pas de la répartition des profilés est de 0,05 m et la différence de
niveau entre deux couches successives est de 0,025 m. La colonne ccn~
prend 19 éléments, avec un décalage angulaire de 90~ au niveau du di-
zième élément.
Un débit de 1760 kg/h des memes particules de schistes que
celles utilisées à l'exe~ple 1 peut être chauffé de 12 à 380~C à l'aide
~2~ 3~
1()
de 1150 ~/h de f~es à 600~C~ C'~ o~.scrve une perte de cr~rge de 104
de colonne d'eau.
Il a été cc~staté que ce type de profilés trouve à s'appliquer
de manière particulièrement avantageuse lorsqu'on so~haite obtenir le
dépoussiérage du solide en même temps qu'on le soumet à l'échange. Le
phénc~ène de ségrégation granulc~étrique ainsi mis à profit semble ré-
sulter, pour une grande part, du type d'écoulement du flux gazeux qui
s'établit au sein du garnissage, par suite de la variation de 1 à 2 de
la section libre offerte audit flux au niveau de chaque couche de pro-
filés.
Dans une variante de cette structure, décrite à la figure 7,l'invention prévoit des profilés 15 co~,portant une âme centrale, cons-
tituée d'un tube 16 et porteuse de trois nervures radiales 17 analogues
à celles des profilés à section "en lar~bda". L'âme centrale 15 peut
éventuellement avoir pour seul objet de renforcer la rigidité mécanique
du profilé, mais elle peut être aussi avantageusement utilisée pour une
circulatic,n de fluide caloporteur.
Une application de ces profilés, faisant appel à une telle
circulation, peut être mise en oe uvre dans un dispositif du type de ce-
lui décrit par le brevet FR-A-2 452 689, cc~portant des faisceaux de
tubes à ailettes parcourus en série par un composé thermo-fluide, par
nappes horizontales successives et de bas en haut, pour alimenter une
ou plusieurs chaudières.
Une autre application de ces profilés à nervures en ailettes
25 peut être avantageusement mise en oeuvre pour maîtriser des phéno~ènes
endo ou exother~iques dans des processus chimiques ou physico-chimiques
~adsorption et désorption) entre des phases solide et gazeuse circulant
à contre-cc~rant. A la fonction première, selon le principe de l'inven-
tion, de mise en contact direct optimal des phases solide et gazeuse,
30 peut ainsi s'ajouter une seconde fonction d'échange, visant l'apport
d'énergie in situ dan~s le c~s de réactions endothermiques, ou son pré-
lèvement dans le cas de réactions exothermiques, cet échange se faisant
alors sans contact direct, par 1'intermédiaire du garnissage parcouru
par ledit caloporteur.
