La présente invention est relative à un échan- geur de chaleur entre deux gaz, qui permet notamment de limiter un mélange des gaz à traiter.

Les prix sans cesse croissants des combustibles utilisés dans des processus industriels, tels que notam¬ ment la fabrication de verre et dans d'autres opérations grosses consommatrices d'énergie ont provoqué un dévelop- pement des recherches dans le domaine de la récupération de chaleur, notamment de la chaleur contenue dans des gaz résiduaires et fumées qui sont normalement évacués dans l'atmosphère ambiante.

Dans certains cas d'application particuliers, les echangeurs de chaleur classiques ne peuvent cependant pas être utilisés à cause des risques élevés de corrosion des installations, dus à l'agressivité des gaz. Par ail¬ leurs, les echangeurs classiques présentent des dimensions particulièrement importantes dans le cas de débits de gaz élevés. De plus, il est fréquent de trouver des installa¬ tions très rigides et difficilement réglables pour ce qui concerne les températures de fonctionnement optimales et les débits. Résumé de l'état de la technique La présente invention repose pour partie sur un certain nombre de principes connus. Parmi ceux-ci, il convient de citer notamment ce qui suit:

Les valeurs élevées de coefficient de transfert de chaleur entre gaz et solide au sein d'une couche flui- disée ou entre une couche fluidisee et une surface d'échange sont une des caractéristiques remarquables des couches fluidisées, qui ont conduit à des développements industriels importants comme la combustion en lits fluidisés. •' Cette propriété a ainsi été utilisée pour trans¬ férer des calories d'un lit fluidisé à un autre, en utili¬ sant un faisceau d'échange, où circule un fluide calopor- teur ou des caloducs (heat pipes). Ce principe est

illustré par exemple dans le brevet US-Λ-4 333 524 ( LKI S et al . )

Les principes physiques de base permettent de montrer que, pour un poids de solide donné, la perte de charge au travers d'une couche fluidisee est maximale et constante en régime de fluidisation, comparé à la situa¬ tion où le lit n'est pas encore fluidisé ou lorsqu'il est déjà partiellement mis en transport pneumatique.

Cette caractéristique a été utilisée dans le brevet US-A-4 441 435 (MIYAMOTO) .

En combustion en couche fluidisee, il a été proposé de découpler le débit du gaz de fluidisation de la quantité d'oxygène introduite dans la chambre de combus¬ tion en mélangeant l'air à des gaz recyclés (GB-Λ-2 030 689 (The Energy Equipment Co).

Les lits fluidisés se comportant comme des li¬ quides, il est connu qu'on peut les faire déborder d'un récipient vers l'autre et mettre plusieurs lits en série et éventuellement connecter le dernier au premier en réa- lisant un système circulant. Le moteur est la différence d'aération (et donc de densité) des lits successifs.

Des applications industrielles de ce principe existent dès 1942 (Crac ing catalytiqu du pétrole).

On peut citer à titre d'illustration à cet égard une application en granulation: US-A-3 241 520 (Wurster) et en combustion fluidisee : FR-A-2 203 964 (Sprocket Properties) .

En vue d'applications à petite échelle, des configurations plus simplifiées et plus compactes ont été proposées, à savoir: pour la pyrolyse-combustion: LU-A-84 251 (Cockerill-Sambre) et US-A-4 414 001 (Xunii) et pour le cracking catalytique: GB-A-1 562 571 (Melik-Akhnazarov et al. ) .

Des echangeurs de chaleur gaz-gaz à lit fluidisé interconnectés ont déjà été brevetés.

Le brevet US-4 257 478 (Stendahl) décrit cette idée. Il souffre du couplage intégral entre le débit de gaz et les débits de solide circulant entre les

corr.parti.uents, ce qui limite fortement la flexibilité u système. De plus, le gaz est très pauvrement distribué à travers la couche fluidisee conduisant à des zones stagnantes. Le brevet GE-Λ-2 074 302 (Exxon) reprend égale¬ ment cette idée. La configuration est caractérisée par un dessin compliqué du distributeur de gaz et un contrôle grossier du débit de la matière entre les compartiments. Buts visés par la présente invention Un but de la présente invention vise à fournir un echangeur de chaleur du type gaz-gaz qui peut trouver de nombreuses applications dans l'échange thermique entre deux gaz dont l'un au moins peut être corrosif.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un echangeur de chaleur du type gaz-gaz qui limite le mélange des deux gaz qui sont soumis à l'échange thermique.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un echangeur de chaleur aisément réglable pour ce qui concerne les températures de fonctionnement et les débits, dans des conditions optimales.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un echangeur de chaleur du type susmentionné de construction très simple et robuste. Un but complémentaire de la présente invention vise à fournir un echangeur de chaleur qui met à profit le principe des lits fluidisés communicants .

Un autre but de la présente invention consiste à réaliser dans un seul appareil simple, et donc économiçue- ment attractif, les opérations couplées ' éc ang de cha¬ leur et de dépollution d'au moins un az. Description des éléments caractéristiques de 1 'invention

Selon la présente invention, l'echangeur de chaleur du type gaz-gaz utilisant le principe des lits fluidisés interconnectés est caractérisé en ce ..ju'il con¬ siste en un récipient tubulaire vertical cylindrique ou polygonal divisé verticalement et radialement on au moins quatre compartiments adjacents communiquant entre eux,

BAD ORIGIN

dont au moins deux compartiments adjacents forment une partie dite froide et comportant au moins une évacuation du gaz froid et au moins deux compartiments adjacents forment une partie dite chaude et comportant au moins une évacuation du gaz chaud; en ce que chaque compartiment contient un lit fluidisé qui comporte une matière solide mise en suspension par l'un des gaz chauds ou froids in¬ tervenant dans l'échange thermique; en ce que, dans le sens de circulation des solides fluidisés, un lit fluidisé à haute vitesse est suivi par un lit fluidisé à basse vitesse et celui-ci est suivi par un lit fluidisé à haute vitesse, un lit fluidisé à haute vitesse pouvant déborder par le haut dans le lit fluidisé à basse vitesse suivant et un lit fluidisé à basse vitesse communiquant par le bas avec le lit fluidisé à haute vitesse suivant; et en ce qu'il comporte au moins un circuit de dérivation à débit réglable qui permet de recycler le gaz sortant dans la fluidisation d'un des lits fluidisés vers au moins un des lits fluidisés. On sait en effet que l'expansion d'une couche fluidisee augmente avec la vitesse de fluidisation et que d'autre part, la perte de charge dans une couche fluidisee équilibre le poids de solide par unité de section. Par conséquent, si on réalise un vase communicant fluidisé, avec des vitesses de gaz différentes dans les deux bran¬ ches, les hauteurs d'équilibre seront différentes. Dès lors, en prévoyant un débordement à la partie supérieure du système, les deux niveaux s'équilibrent en provoquant une circulation du solide. Selon une première forme d'exécution avantageuse de la présente invention, les compartiments présentent tous une section identique. En variante, on peut prévoir une section moindre pour les compartiments à lit fluidisé à basse vitesse.

De préférence, le dispositif de 1 ' invention comporte deux circuits de dérivation dont un premier recy¬ cle une partie des gaz chauds sortant dans le fond du compartiment chaud à lit fluidisé à haute vitesse ou dans

le compartiment chaud à lit fluidisé à basse vitesse et le deuxième recycle une partie des gaz froids sortant dans le fond du compartiment froid à lit fluidisé à haute vitesse ou dans le compartiment froid à lit fluidisé à basse vitesse.

On peut également prévoir un circuit de dériva¬ tion qui amène une partie des gaz entrants chaud ou froid à la sortie.

On constate aisément que l'echangeur selon la présente invention présente une construction particulière¬ ment compacte et d'installation simple. Il suffit de prévoir des matériaux résistant à la corrosion pour les éléments constitutifs tels que la paroi extérieure du réacteur et les cloisons de séparation. Ces éléments sont de construction très simple et par conséquent, peu onéreuse.

L'agencement compact de l'echangeur selon la présente invention favorise également un bon échange ther¬ mique entre le gaz chaud et le gaz froid, l'échange pou- vant s'effectuer, d'une part, à travers des cloisons de séparation de la partie chaude et de la partie froide et, d'autre part, à l'aide de la matière solide maintenue en suspension par les gaz, qui circulent d'une partie à l'autre, en passant d'une partie dite chaude à une partie dite froide.

On choisit donc des matières solides appropriées telles que par exemple du sable et/ou de l'argile expan¬ sé, dont la granulométrie est judicieusement déterminée pour permettre une fluidisation convenable aux vitesses réalisées dans l'appareil.

On conçoit aisément que les gaz sont séparés étant donné que la partie chaude est séparée de la partie froide par des cloisons qui ne comportent qu'une ouverture à leur partie inférieure pour la circulation des matières solides. En vue d'encore augmenter la séparation des gaz et en vue d'empêcher un mélange de ceux-ci, à travers ces ouvertures, on peut agencer l'injection des gaz de fluidisation au-delà des dites ouvertures.

On peut aussi utiliser des orifices immergés de communication plus sophistiqués dans lesquels le débit de solide est régulé par un faible débit de gaz d'appoint (constitué oar un des deux gaz principaux ou un troisième gaz selon les cas). De cette façon, on améliore le découplage entre débit de solide et débits de gaz principaux; si le gaz d'appoint est un troisième gaz, on évite totalement le mélange des deux flux gazeux principaux. Cette configuration peut être très avantageuse si l'un des gaz est toxique ou

10 gênant ou si le mélange des deux gaz peut devenir explosif ou générer des substances toxiques ou nuisibles.

On choisit de préférence la configuration parti¬ culière de manière à pouvoir réguler de façon progressive le débit de solide transféré.

¹⁵ II est à noter que dans l'application du dispo¬ sitif selon l'invention à l'échange thermique entre deux gaz, l'utilisation d'au moins un circuit de dérivation pour le recyclage d'une partie des gaz s'est avérée parti¬ culièrement avantageuse pour ce qui concerne le réglage

20 fin du fonctionnement en conditions optimales du disposi¬ tif. Un tel circuit de dérivation permet notamment, par le réglage du débit qui le traverse, de régler le niveau de température qui règne dans les lits fluidisés correspondants. Selon une variante de la présente invention, les

" ^D matières solides mises en suspension dans les gaz de flui¬ disation peuvent au moins partiellement consister en des matières pouvant interagir chimiquement ou physiquement avoc les gaz qui les tiennent en suspension, en vue de les dépolluer par exemple. C'est ainsi que les matières soli-

3° des peuvent consister en des réactifs chimiques, des sub¬ stances catalytique ent actives supportées sur des matiè¬ res de support classiques adéquates ou des absorbants chimiques ou physiques , notamment des masses pulvérulentes permettant de fixer ces aérosols , des gouttelettes et de

- ^' " fines particules éventuellemen présentes dans les az à

Brève description des dessins

D'autres détails de mise en pratique de l'inven¬ tion apparaîtront à la lecture de la description de formes d'exécution particulière représentées dans les figures annexées, dans lesquelles:

- la figure 1 est une coupe verticale schématique de l'echangeur selon l'invention,

- la figure 2 représente une coupe schématique du disposi¬ tif selon la figure 1 , au niveau A-A, et

- la figure 3 est un schéma des échanges e matières et des circulations de gaz,

- les figures 4A à 4E des configurations particulières d'orifices immergés de communication permettant de réguler de manière appropriée, notamment de manière progressive, le débit de solide par un faible débit de gaz d'appoint.

Le principe de l'invention sera décrit ci-après. Si la vitesse de fluidisation du compartiment 1 est plus élevée que celle appliquée au compartiment 2 , le niveau d'équilibre du lit sera plus élevé que celui du comparti¬ ment 2. Si on abaisse la cloison 4 séparant les deux com¬ partiments de façon à permettre un débordement, les deux niveaux s'équilibrent et provoquent une circulation du solide suivant les flèches.

Un mode particulièrement préféré de l'invention est représenté dans les figures 1 et 2. L'echangeur com¬ porte quatre compartiments 1, 2, 3, 4, dont deux (1, 2) forment la partie froide et les deux autres (3, 4) la partie chaude. Au sein de chaque partie, les compartiments sont portés à des vitesses de fluidisation différentes qui provoquent la circulation suivante: les particules solides passent du compartiment 1 vers le compartiment 2 par dé¬ bordement parce que la vitesse de fluidisation de 1 est supérieure à celle de 2 ; les particules solides passent du compartiment 2 vers 3 par le fond 5, de 3 vers 4 par dé¬ bordement puisque la vitesse de fluidisation de 3 est supérieure à celle de 4 et de 4 vers 1 par le fond 6.

Le gaz froid quitte l'echangeur, après avoir été chauffé par les gaz chauds, via la sortie 7 alors qu'il a

été alimenté en 9 pour fluidiser les matières solides. Le gaz chaud alimenté en 10 pour mettre en suspension les matières solides traverse les compartiments 3 et 4 en cédant une partie de son énergie calorifique au gaz froid et quitte 1"echangeur en 8. un circuit de dérivation 15 réglable moyennant une vanne 17 permet de recycler une partie des gaz chauds dans le fond de l'un des comparti¬ ments chauds 3 ou 4, de préférence le compartiment 3 com¬ portant le lit fluidisé à haute vitesse. Cet agencement permet de régler aisément le niveau de température du système. La circulation est assurée par un ventilateur de circulation 13.

Le gaz froid est évacué par le conduit 7 et le gaz chaud de fluidisation par le conduit 8 ce qui permet de les séparer.

Pour éviter totalement le mélange des gaz chauds et froids, on peut suivant ce mode particulièrement préfé¬ ré de l'invention, fluidiser le fond 9 de la partie froide

I , 2 et injecter du gaz froid complémentaire à un niveau

II situé au-dessus des orifices de communication 5, 6. Dans ce cas, la section de l'appareil doit augmenter avec la hauteur du dispositif. On peut procéder de manière analogue pour les compartiments chauds en utilisant 1 'in- jecteur 12. Pour découpler totalement les débits gazeux et circulants, on peut réaliser des orifices de communica¬ tions, de dessin plus compliqué, comme illustré aux figu¬ res 4Λ à 4Z. Ces agencements sont plus compliqués mécani¬ quement que la configuration de base mais permettent d'éviter totalement les transferts de gaz de la partie chaude vers la partie froide et vice-versa.

Comme il est de pratique courante, le dispositif de l'invention comporte avantageusement une alimentation 13 des matières solides dans la partie chaude ou froide p r une trémie et une vis sans fin. Il est bien entendu que l'alimentation peut se faire par tout moyen connu en soi, par exemple par une vanne papillon ou un lit fluidisé annexe.

Cn peut également prévoir un soutirage de matiè¬ res solides, éventuellement après réaction chimique, par

le fond ⁽ non représenté). Celles-ci peuvent être tamisées et réinjectées dans la partie chaude ou la partie froide afin de jouer le rôle de volant thermique.

Le dispositif de la présente invention peut également comporter un système de cyclones (non représenté sur les figures) ou tout autre système de filtrage des gaz à haute température pour purifier le gaz et recycler les fines poussières emportées.

Les distributeurs de gaz sont ceux utilisés couramment dans les lits fluidisés simples, comme par exemple des plaques perforées, des plaques à cloche, des tubes perforés... etc. Ce type de configuration est bien connu et donne toutes les garanties de fiabilité. Sa cons¬ truction est très aisée, ce qui constitue un avantage important.

Afin d'encore améliorer le fonctionnement de l'installation, il peut être avantageux de charger dans le ^• lit fluidisé des réactifs chimiques ou des particules cata- lytiquement actives ou encore des absorbants chimiques ou physiques. Ceci permet de combiner à la fonction d'échange thermique, une fonction de réaction chimique ou physique telle qu'une dépollution par exemple.

La régulation peut se réaliser de manière pratique comme indiqué à la figure 2 tout en assurant une circulation importante et régulière du débit de matières solides.

Le dispositif de régulation comporte la mesure des pertes de charge différentielles pour commander une vanne motorisée pouvant être montée sur le conduit 11 et/ou le conduit 12 (seule la forme d'exécution d'une vanne motorisée sur le circuit 12 est représentée à la figure 2 ) .

Selon la figure 2 , on peut réguler le débit de solides circulant entre la partie chaude et la partie froide en montant un capteur de pression différentielle localisé (20 et 2 Q ' ) en au moins un orifice immergé (5) afin de commander par une vanne motorisée (24), les débits alimentant au moins un compartiment haute vitesse (3).

Dans la figure 3, on indique schématiquement par des traits continus les circulations gazeuses et par des traits discontinus , les échanges de matière entre une partie froide 31 et une partie chaude 32. Le sens de cir¬ culation principal des gaz est marqué par une simple flè¬ che et les circuits de dérivation possibles des gaz sont indiqués par une double flèche. Les différentes vannes de régulation 24 pouvant être montées dans le circuit de dérivation sont également représentées.

1 0 Dans les figures 4A à 4E on a représenté diffé¬ rentes configurations des orifices immergés 5' de communica¬ tion qui en particulier dans le cas des figures 4B, 4C, 4D et 4Ξ des configurations en J, en L, en U et en V permet¬ tent de réguler le débit de solide transféré à l'aide d'un

1 5 faible débit de gaz d'appoint. On a représenté par une flèche portant le repère 35 , le distributeur portant le repère 37.

On remarquera que le dispositif de l'invention bénéficie d'une plus grande compacité et d'un meilleur

2 0 transfert calorifique; le transfert de chaleur s'effectue par la circulation de particules solides et par la paroi de séparation entre les parties chaudes et froides.

L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple illustratif d'une application pratique particulière.

^~ 5 Exemple

Une application de l'echangeur selon l'invention se trouve dans le domaine de la récupération de l'énergie calorifique contenue dans les gaz residuaires des fours de verrerie. Un tel gaz quitte le four à 1400°C, traverse un

30 régénérateur connu qui en abaisse la température à 472 °C pour l'envoyer dans une cheminée, l'air frais à 20 °C étant ainsi porté à 1045 °C, avant d'être injecté dans le four. Si l'on monte en aval du régénérateur classique, un

J : echangeur selon l'invention, le gaz sortant du four à 1400 °C est amené à 535 °C dans le régénérateur classique et à 302 °C dans l'echangeur selon l'invention avant d'être évacué dans une cheminée. De l'air ambiant à 20 °C est chauffé à 251°C dans l'echangeur selon l'invention et

porté à 1161 °C dans le régénérateur classique. On obtient ainsi une amélioration notable du bilan énergétique de l'installation. Le lit joue le rôle de masse permettant de fixer ou de capturer les aérosols, les gouttelettes et les très fines particules présentes dans le gaz.

Dans le cas d'un gaz chaud contenant de l'acide chlorhydrique et provenant par exemple de l'incinération de déchets, on peut traiter ledit gaz dans l'echangeur selon l'invention en récupérant une partie de son énergie

1 0 calorifique et en utilisant, à titre de matière solide, entre autres, de la chaux éteinte, qui neutralise chimi¬ quement le gaz acide avant de l'évacuer dans l'atmosphère.

Il est bien évident que la présente invention n'est pas limitée aux formes d'exécution décrites mais

1 5 qu'elle s'étend au cadre défini par les revendications qui comprennent aussi une série de modifications telles que par exemple l'utilisation de déflecteurs inclinés par rap¬ port à la verticale, qui sont montés sur les cloisons de séparation, à l'endroit du débordement. Une telle diposi-

-> f> tion permet d'augmenter sensiblement le débit de passage.

Par ailleurs, on peut faire appel à toutes les techniques classiques à la portée de l'homme de l'art pour ce qui concerne le réglage du dispositif. L'addition de matières de garnissage de dimension adéquate permet de "gonfler" le lit fluidisé sans qu'il ne soit nécessaire de faire varier la vitesse du gaz de fluidisation et acces¬ soirement pour servir de support de réactif chimique ou physique ou d'absorbant chimique ou physique qui présente dans ce cas l'avantage de rester captif dans un i n compartiment, c'est-à-dire de ne pas circuler comme le reste du flit fluidisé d'une compartiment dans l'autre. La présente invention se caractérise par sa simplicité géométrique, notamment par le fait que le dis¬

.o tributeur de gaz est un distributeur tout à fait classi¬ que, tel qu'utilisé pour les lits fluidisés et que la section de l'appareil reste constante avec la hauteur, au-dessus du dit distributeur.