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La présente invention est relative à un procédé pour utiliser l' enthalpie de gaz chauds par échange de chaleur direct avec un liquide, ledit échange de chaleur pouvant avoir lieu dans le même sens ou à contre-courant-
Le cas échéant, on peut également entreprendre'le traitement du gaz avec i le liquide en partie dans le même sens et en partie à contre-courant, le cas échéant aussi suivant ce qu'on appelle à courant transversal, c'est-à- dire suivant un procédé dans lequel les directions d'écoulement du gaz: et du liquide ne sont pas parallèles entre elles.
Par enthalpie du gaz, on entendra dans ce qui va suivre la quan- tité de chaleur renfermée dans le gaz comme chaleur sensible, plus la quanti- té de chaleur existant sous forme de chaleur latente, par exemple sous for- me de chaleur de vaporisation des vapeurs qui sont les constituants du gaz.
Le constituant se présentant le plus fréquemment dans les gaz techniques renfermant de la chaleur latente est, par exemple, la vapeur d'eaua. Comme on le sait, la vapeur d'eau renferme non seulement la chaleur sensible cor- respondant à sa température de vapeur, mais renferme encore aussi en même temps la chaleur de vaporisation qui a été utilisée pour transformer la phase liquide en phase vapeur sans élévation de température.
Il existe dans la technique une série de gaz se formant à une tem- : pérature de 200 à 250 environ et qui, la plupart du temps, sont soit dérivés dans des cheminées, soit envoyés à des réfrigérants dans lesquels l'enthal- pie de ces gaz se trouve réduite à néant. De tels gaz sont, par exemple, les gaz de fumée provenant d'une installation de chaudières après qu'ils sont passés à travers un préchauffeur d'eau d'alimentation, ainsi que les gaz de fumée de cokeries et usines à gaz qui, après avoir,cédé aux parois de chauffage des fours à coke une grande partie de leur chaleur sensible, sont envoyés dans des régénérateurs dans le but d'utiliser d'autres fractions de leur chaleur sensible, mais quittent toutefois ces derniers encore à une température de 200 à 250 .
Egalement les gaz utiles qui se forment dans des générateurs lors de la gazéification de coke appartiennent à ce groupe de gaz. Ce gaz appelé gaz de générateur est la plupart' du temps, après sa sortie du générateur, envoyé encore à un laveur de refroidissement dans le- quel,il est simultanément purifié et refroidi.
Les essais n'ont pas manqué tendant à rendre utilisable l'enthal- pie de tels gaz, en particulier aussi celle de gaz d'échappement du genre désigné ci-dessus. Dans ce but, on peut à la base utiliser deux méthodes différentes. On peut refroidir le gaz indirectement dans un réfrigérant, tandis que le gaz s'écoule alors sur un côté des surfaces de refroidissement et que l'agent de refroidissement, de l'eau la plupart du temps, s'écoule 3 sur l'autre côté desdites surfaces de refroidissement. On peut toutefois aussi refroidir le gaz directement avec l'eau, tandis que le gaz et l'agent de refroidissement viennent en contact direct soit dans le même sens, soit à contre courant, tandis qu'on peut aussi le cas échéant introduire l'agent de refroidissement dans le gaz sous forme finement divisée.
La méthode men- tionnée en premier lieu, notamment le refroidissement indirect, présente l'inconvénient, étant donné qu'il s'agit de récupérer une chaleur de peu de valeur, par suite de sa basse température, qu'il faut réaliser grandes les surfaces de refroidissement, ce qui n'est pas économique,' car, par suite des faibles coefficients de transmission thermique sur le côté gaz, on doit tra- vailler dans l'échangeur de chaleur avec de petites différences de tempéra- ture.
La seconde méthode, notamment le refroidissement direct avec un liquide présente, étant donné qu'on a toujours pratiquement pris l'eau comme liquide de refroidissement, l'inconvénient notable que l'eau de refroidissement ne doit pas être chauffée à une température supérieure au point de rosée du gaz à refroidir. Mêpe lorsqu'on utilise pour le refroi-
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dissement direct un procédé à contre-courant mis en oeuvre de la façon la plus favorable, on ne peut, en général, chauffer l'eau derefroidissement au-dessus de 45 à 55 C si le gaz possède, par exemple, une température com- prise entre 150 et 250 .
De l'eau présentant une température de 45 à 55 n' est toutefois pas en-général utilisable du point de vue technique, car la plupart du temps il vient encore s'ajouter à ce fait que l'eau est souil- lée par contact avec le gaz et ne peut pas, en conséquence, être utilisée directement, mais doit d'abord céder encore à de l'eau pure, par l'inter- médiaire d'un échangeur de chaleur indirect, sa chaleur prélevée au gaz, procédé qui est naturellement lié à une perte de chaleur utilisable.
Les recherches effectuées par les demandeurs ont maintenant montré que l'on peut utiliser techniquement et économiquement l'énthalpie de gaz chauds, également dans le cas d'un refroidissement direct avec un agent de refroidissement, lorsqu'on entreprend le refroidissement direct de la façon nouvelle suivante :
Le gaz à refroidir est amené, conformément à l'inven- tion, à échanger de la chaleur avec un liquide de refroidissement non- aqueux, tandis que le liquide de refroidissement est d'une nature telle que son point d'ébullition sous pression normale est notablement supérieur à 100 et que sa pression partielle, à la température que prend le liquide au voisinage de son entrée dans le réfrigérant direct, est pratiquement égale à zéro et que le liquide de refroidissement chauffé par échange di- rect de chaleur avec le gaz à une température voisine de celle du gaz à son entrée cède au moins la majeure partie de sa chaleur à de l'eau ou à un au- tre liquide où à un gaz, tandis que le liquide de refroidissement, après avoir été éventuellement débarrassé de la poussière ou autres impuretés, est. renvoyé de préférence au réfrigérant direct.
Au cas où le gaz à refroidir renferme de la vapeur d'eau et où le refroidissement du gaz a lieu jusqu'au dessous de son point de rosée pour la vapeur d'eau, le liquide de lavage utilisé pour le refroidissement direct doit encore avoir les propriétés de ne pas être dissous par l'eau en quantité notable, ni avoir une tendance particulière à former'des émul- sions avec l'eau. De plus, le liquide de refroidissement, doit dans ce cas avoir un poids spécifique qui soit suffisamment différent de celui de l'eau pour que l'eau et le liquide de refroidissement puissent être séparés l' un de l'autre par des moyens simples, en particulier en les laissant re- poser.
Des liquides de ce genre sont en fait connus. Il existe toute une série de tels liquides. Ce qui est lé mieux approprié pour ces buts, ce sont les fractions d'hydrocarbures aliphatiques, des hydrocarbures aroma- tiques ou aussi des naphtènes. Le cas échéant, on peut aussi utiliser avec succès des mélanges de tels hydrocarbures et aussi des mélanges de composés organiques et de composés inorganiques. Pour ne citer qu'un représentant de cette catégorie de liquides, on indiquera le tétradécane, un hydrocarbure liquide de la série de la paraffine qui renferme 14 atomes de carbone.
Dans l'exemple d'exécution'qui suivra, on expliquera plus en détail les pro- priétés physiques du tétradécane.
Lorsqu'on procède conformément à l'invention, auquel cas le prin- cipe à contre-courant est surtout d'un intérêt particulier, on peut alors effectivement chauffer le liquide de refroidissement à une température qui n'est plus que relativement peu inférieure, de dix degrés par exemple, à la température du gaz à refroidir pénétrant dans l'installation de refroidis- sement.
Le liquide de lavage peut alors, à l'aide d'un échangeur de cha- leur indirect, céder en majeure partie la chaleur qu'il a prélevée au gaz à de l'eau pure qui, dans le cas d'un dimensionnement approprié de l'échan- geur de chaleur, prend toujours encore une température qui, même si elle est aussi quelque peu inférieure à la température du liquide de refroidissement,
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est encore suffisamment élevée pour qu'une exploitation technique soit possible, par exemple pour la production de vapeur ou pour la production d'eau chaude.
Le liquide de refroidissement est, après avoir cédé à de l'eau pure la chaleur qu'il avait prélevée au gaz et s'être ainsi refroidie i renvoyé à nouveau dans le circuit dans le but de refroidir d'autres quan- tités de gaz, de préférence après avoir été préalablement débarrassé de la poussière ou autres impuretés qu'il a pris dans le gaz.
Aussi longtemps que le gaz ne renferme pas de quantités notables de vapeur d'eau, c'est-à-dire présente un point de rosée relativement bas, ou aussi longtemps que lors du refroidissement d'un gaz renfermant de la vapeur d'eau et présentant un point de rosée élevé on ne va pas au-dessous de la température du point de rosée, le procédé conforme à l'invention peut en particulier, être exécuté d'une façon simple avec un unique circuit de liquide de refroidissement tandis qu'avantageusement le gaz est introduit par en bas dans le réfrigérant et est soutiré en haut, alors que le liquide de refroidissement est délivré à la tête de la colonne et est soutiré au pied de ladite colonne. Le genre de réfrigérant à utiliser est en princi- pe indifférent.
On peut utiliser des réfrigérants qui sont garnis de corps de remplissage ou de claies,ou également ceux qui présentent des fonds à cloches ou analogues. Les réfrigérants comportant des montages rotatifs se sont également avérés bien appropriés pour ce but, car alors le liquide de lavage est accéléré à des vitesses relativement élevées par les forces centrifuges et vient alors en contact avec le gaz, à contre-courant.
Il est toutefois désirable, dans la plupart des cas, en parti- culier lorsque le point de rosée du gaz est relativement élevé, par exemple de 40 ou 50 , de refroidir le gaz jusqu'au dessous du point de rosée et d'u- tiliser de cette manière, non seulement la chaleur sensible dugaz, mais éga- lement la chaleur de vaporisation libérée 'lors de la condensation de la va- peur d'eau contenue dans le gaz. Dans ce cas, on doit toutefois, pour ar- river au résultat désiré, scinder le circuit d'agent de refroidissement en deux circuits de liquide essentiellement séparés, mais qui sont toutefois en liaison mutuelle par le courant de gaz à refroidir.
Cette mesure, dont les détails seront encore mis en relief dans ce qui va suivre, est d'autant nécessaire que l'eau se formant dans le réfrigérant lorsqu'on va au-dessous du point de rosée du gaz parvient avec le liquide non aqueux dans la partie du réfrigérant à laquelle est amené le gaz chaud non encore refroidi. En ce point, si l'on n'empêchait pas par d'autres mesures la pénétration de l'eau jusqu'à cet endroit, de l'eau serait à nouveau vaporisée tandis que la chaleur de vaporisation nécessaire à cet effet serait prélevée non seulement sur la chaleur sensible du gaz, mais aussi sur la chaleur sensible du liquide de refroidissement, de sorte que le liquide de lavage sortirait du réfrigérant conjointement avec l'eau, à une température notablement moin- dre que celle désirable et nécessaire pour une exploitation économique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on soutire au moins en partie, d'une partie moyènne du réfrigérant,l'eau de condensation qui s'y rassemble sur un fond intermédiaire conforme de manière correspon- dante, de préférence avec la quantité totale ou avec une partie du liquide de refroidissement. Le point où l'eau de condensation est soutirée du ré- frigérant est avantageusement déplacé à l'endroit où le gaz à traiter pré- sente une température située au voisinage du point de rosée du gaz amené au réfrigérant, c'est-à-dire peu au-dessous ou au-dessus.
Si l'on soutire complètement du réfrigérant, en un point situé entre le pied et la tête, aussi bien l'eau de condensation qui s'est formée jusque là que le liquide de refroidissement qui est parvenu jusque là(et les demandeurs donnent la préférence à cette forme de réalisation de l'in-
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vention), on doit alors renvoyer l'agent de refroidissement, après qu'il a été séparé à l'extérieur du réfrigérant de l'eau entraînée, à nouveau dans le réfrigérant, ceci ayant lieu avantageusement en un point qui, vu dans le sens du courant de liquide de refroidissement, se trouve derrière le point de dérivation pour le liquide de refroidissement et l'eau condensée.
On peut en particulier exécuter la forme de réalisation mention- née en dernier lieu en partageant le liquide de refroidissement, après sé- paration de l'eau de condensation, en deux courants, dont l'un est amené, après utilisation de la chaleur sensible, à la tête du réfrigérant et 1, autre est amené à la partie moyenne du réfrigérant, le procédé, dans le dé- tail, étant exécuté de manière que le courant partiel amené à la tête du ré- frigérant après utilisation de la chaleur sensible ne soit chauffé que jus- qu'au voisinage du point de rosée du gaz à traiter, tandis que le second courant partiel, une fois renvoyé dàns le réfrigérant s'y trouve chauffé à une température supérieure au point de rosée, est soutiré du pied du ré- frigérant et est à nouveau, après-utilisation de la chaleur sensible,
ren- voyé dans le milieu du réfrigérant.
L'utilisation de la chaleur sensible du courant partiel mentionné en premier lieu peut avoir lieu de diverses manières. On peut, par exemple utiliser la chaleur sensible du liquide de refroidissement pour obtenir de l'eau chaude; on peut cependant aussi utiliser la chaleur sensible du liquide de refroidissement à 1 aide d'une pompe à chaleur. Par contre, on utilise la chaleur sensible du second courant partiel, par suite des tempé- ratures notablement plus élevées du liquide de refroidissement, le plus possible pour l'obtention d'eau chaude ou de vapeur d'eau.
Les étages de refroidissement ainsi créés et qui sont caractérisés par des circuits essentiellement séparés pour l'agent de refroidissement, ne doivent pas obligatoirement être disposés dans un carter de laveur uni- que. Il est également possible de refroidir d'abord le gaz dans un ou plusieurs réfrigérants directs jusqu'au voisinage du..point de rosée et de le refroidir ensuite, dans un ou plusieurs réfrigérants directs montés en série avec les premiers réfrigérants directs et présentant ou non la même construc- tion, à une température inférieure au point de rosée du gaz à traiter.
Sur le dessin, on a représenté schématiquement et simplement à titre d'exemple une forme de réalisation de l'invention. Le gaz à traiter, par exemple du gaz de fumée provenant de la combustion avec de l'air de gaz de four à coke, pénètre à une température de 250 environ, par la con- duite 1,dans le réfrigérant direct ¯2 et quitte ce dernier par la conduite 3 avec une température de 30 à 35 environ. Le réfrigérant est constitué essentiellement par deux étages de refroidissement I et II, qui sont sépa- rés l'un de l'autre côté liquide par les fonds intermédiaires 4, mais sont reliés entre eux côté gaz, et notamment sont montés l'un derrière l'autre.
Dans les divers étages de refroidissement se trouvent des corps de garnis- sage du genre connu, par exemple des anneaux de Raschig ou analogues. Le liquide de refroidissement est réparti uniformément à l'aide de buses de pulvérisation -sur les corps de garnissage. Dans l'étage de refroidisse- ment I, le gaz est- refroidi de manière à ne pas aller où à ne pas aller nota- blement au dessous de son point de rosée, de sorte que dans cet étage de re- froidissement il ne se forme pas de quantités notables d'eau de condensation.
Le liquide de refroidissement s'échauffe dans ce cas à une température qui est inférieure de 10 à 20 à la température d'entrée du gaz. Le liquide de refroidissement est soutiré du fond du réfrigérant 2 par la conduite 6 et est envoyé par la pompe 7 dans un générateur de vapeur 8 dans lequel se trouve produite, par échange indirect de chaleur avec de l'eau, de la va- peur d'eau à 125 (2,4 at.) qui est soutirée par la conduite 10.
Le liquide
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de refroidissement refroidi dans le générateur de'vapeur 8 à une température de 1300 environ parvient ensuite, par la conduite'11,, dans l'échangeur in- direct de chaleur 12 où il cède à nouveau une partie de sa;chaleur sensible à l'eau et la transforme en vapeur dans le générateur de vapeur. Dans ce cas, le liquide de refroidissement se'.'refroidit alors à 55 environ et revient ensuite dans le réfrigérant par la conduite 13.
Etant donné que le liquide de refroidissement, lors de sa mise en contact avec le gaz dans l'étage de refroidissement I, a absorbé dudit gaz de la poussière et certaines im- puretés, on soutire une partie du liquide de refroidissement de la conduite 13 par la conduite 13a et la purifie, puis ensuite la renvoie à nouveau dans le circuit en un point dont il sera parlé plus loin.
Le gaz refroidi dans l'étage de refroidissement I à une tempéra- ture située au voisinage du point de rosée parvient alors, par le fond in- termédiaire 4 perméable au gaz, dans l'étage de refroidissement II suivant.
Cet étage de refroidissement II est chargé, par la conduite 14, de liquide de refroidissement relativement froid (environ 30 ). Une partie de la vapeur d'eau se condense alors, qui se rassemble avec le liquide de refroi- dissement provenant du fond intermédiaire 4, liquide qui s'écoule vers le bas en s'échauffant. De là, le mélange de liquide de refroidissement est soutiré par la conduite 15 et envoyé à un récipient de séparation 16 dans lequel les deux liquides se séparent par suite de leur poids spécifique dif- férent.
L'eau, plus lourde, est éliminée du système par la conduite 17, tandis que l'agent de refroidissement, plus léger, parvient par la conduite 18 dans la pompe 19. La conduite 20 envoie l'agent de refroidissement pré- sentant une température de 55 environ, à travers l'échangeur indirect de chaleur 21. De là, l'agent de refroidissement revient par la conduite 14, après avoir été refroidi à 30 environ dans l'échangeur de chaleur, dans l'étage de refroidissement II. Dans l'échangeur de chaleur 21, de l'eau à température normale affluant par la conduite 22 se trouve chauffée à une température de 45 environ. Cette eau chauffée est soutirée par la con- duite 23 et peut être envoyée, par la conduite 24, à un point quelconque d'utilisation.
Une partie de cette eau chaude parvient, par la conduite 25, dans l'échangeur indirect de chaleur 12 et est préchauffée en cet en- droit à une température de 125 environ. Une partie de l'eau chaude quit- tant l'échangeur de chaleur 12 est envoyée par la conduite 26 à un point quelconque d'utilisation; l'autre partie parvient, par la conduite 9, dans le générateur de vapeur 8.
Etant donné que par la conduite 3 et sans qu'on puisse l'éviter, une quantité si minime soit-elle de liquide s'échappe avec le gaz sous forme de vapeur et se trouve ainsi perdue, on doit introduire dans le sys- tème, en continu ou par intermittence, une certaine quantité d'agent de refroidissement neuf. Celà a lieu par la conduite 27.
Par cette conduite 27, on peut aussi, après sa purification, renvoyer dans'le système une par- tie de l'agent de refroidissement qui avait été soutirée par la conduite 13a
Etant donné qu'une quantité relativement grande d'agent de re- froidissement parvient sous forme de vapeur de l'étage de refroidissement I dans l'étage de refroidissement II et est alors évacuée par la conduite 12 de cet étage de refroidissement, il se produirait un appauvrissement de l'étage de refroidissement I en agent de refroidissement.
En conséquen- ce, on dérive du circuit d'agent de refroidissement de l'étage de refroi- dissement II, derrière la pompe 12, une certaine fraction d'agent de re- froidissement et le renvoie, par la conduite 28, à nouveau dans la conduite 13 et, par suite, dans le circuit d'agent de refroidissement de l'étage de refroidissement I.
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Exemple
Dans l'exemple suivante on utilise le procédé pour la quantité de gaz d'échappement qui se forme en cokéfiant par jour 2000 tonnes de char- bon dans une batterie horizontale de fours à coke et en utilisant du gaz de haut-fourneau.
Le gaz de haut-fourneau possède un faible pouvoir calorifique d' environ 940 kilocalories par mètre cube normal. On a besoin en gros par heure de 49.700 m3 normaux de gaz de haut-fourneau pour cokéfier la quanti- té de charbon indiquée ci-dessus. La combustion du gaz de haut fourneau nécessite par heure 45.200 m3 normaux d'air et fournit par heure une quan- tité de gaz d'échappement de 87.000 m3 normaux. La composition du gaz d' échappement est la suivante :
EMI6.1
<tb> N2 <SEP> 75,72 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> CO2 <SEP> 20,81 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> O2 <SEP> 1,82 <SEP> %
<tb>
<tb> Vapeur <SEP> de <SEP> H20 <SEP> 1,65%
<tb>
Après avoir quitté les régénérateurs de la batterie de fours à coke, le gaz d'échappement a encore une température de 250 C.
Cette tem- pérature doit, à l'aide du procédé conforme à l'invention, être abaissée à 35 C. Le point de rosée du gaz d'échappement atteint environ 2le5oC, compte tenu de l'humidité renfermée dans l'air comburant.
Le refroidissement doit avoir lieu avec un liquide de refroidis- sement de la¯formule chimique C14H30 (tétradécane). Ce liquide possède les propriétés physiques suivantes :
EMI6.2
<tb> Poids <SEP> moléculaire <SEP> : <SEP> 198 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Densité <SEP> 0,7645
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> de <SEP> vapeur <SEP> :
<tb>
<tb> à <SEP> 230 <SEP> C <SEP> ' <SEP> : <SEP> 400 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 60 <SEP> C <SEP> 0,3 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 55 <SEP> C <SEP> : <SEP> 0,2 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 50 <SEP> 0 <SEP> : <SEP> 0,1 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 40 <SEP> C <SEP> : <SEP> 0,04 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 35 <SEP> C <SEP> :
<SEP> 0,02 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb>
<tb>
<tb> Point <SEP> dtébullition <SEP> : <SEP> 252,5 <SEP> C
<tb>
<tb>
<tb> Point <SEP> de <SEP> fusion <SEP> : <SEP> 5,5 <SEP> C
<tb>
La chaleur spécifique à pression constante (cp) est : Dans le domaine 230 - 60 : 0,59 kilocalories/Kg en degrés C Dans le domaine 60 - 40 : 0,50 kilocalories/kg en degrés C
Dans l'étage de refroidissement I, la température du gaz d'échap- pement est abaissée de 250 à 60 . Pour une chaleur spécifique moyenne du gaz d'échappement de 0,34 dans ce domaine de température, cela fait, pour le liquide de refroidissement, une quantité de chaleur de 5.620.000 kilocalories à absorber par heure, quantité de chaleur qu'il cède à nouveau dans l'échangeur de chaleur (12) et dans le générateur de vapeur (8).
Pour une température finale du liquide de refroidissement égale à 230 et
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pour une température finale du gaz d'échappement égale à 55 dans cet étage, il en résulte un besoin d'agent de refroidissement de 53.800 kg par heure dans ledit étage. La perte en liquide de refroidissement dans cet étage, c'est-à-dire la quantité de liquide de refroidissement transférée avec le 3 gaz d'échappement dans l'étage suivant, atteint dans ce cas 0,18 g par m3 normal de gaz d'échappement, c'est-à-dire au total 16,5 kg par heure.
Dans l'étage de refroidissement II, la température du gaz d'échap - pement continue à s'abaisser de 60 à 35 . Dans le gaz d'échappement pro- prement dit, il ne se produit pas de condensation de vapeur d'eau, car le point de rosée du gaz d'échappement pour la vapeur d'eau est de 21,5 . La quantité de chaleur que le liquide de refroidissement doit absorber lors de ce refroidissement atteint au total 717.000 kilocalories par heure pour une chaleur spécifique du gaz d'échappement de 0,33 dans ce domaine de tempé- rature, quantité de chaleur que l'agent de refroidissement recède à nouveau dans l'échangeur de chaleur (21).
La quantité de liquide de refroidissement qui est nécessaire à cet effet est de 57.400 kg par heure. 'La perte en li- quide de refroidissement éjecté de l'étage de refroidissement II sous forme de vapeur avec le gaz refroidi et qui, par suite, est définitivement perdue, est de 1,65 kg par heure.
Si l'on tient compte des pertes inévitables par rayonnement ther- mique, etc..., on peut obtenir au total par heure du gaz d'échappement en- viron 6.287.000 kilocalories (rapporté à l'eau à 20 ), qui se répartissent comme suit :
Vapeur d'eau (125 ) : 6.480 kg/h avec 4.060.000 kilocalories/heure
Eau de chauffage (125 ) :21.020 kg/h avec 2.200.000 kilocalories/heure
Eau chaude (45 ) :
1.100 kg/h avec 27.000 kilocalories/heure
Si au lieu de gaz de haut-fourneau, on utilise, pour le chauffage de la batterie de fours à coke, du gaz de fours à coke (pouvoir calori- fique de 4.352 kilocalories par mètre cube normal) on peut alors, suivant le procédé conforme à l'invention, obtenir par heure du gaz d'échappement 5.990.000 kilocalories qui se répartissent comme suit :
Vapeur d'eau (125 ) :
4.700 kg/h avec 2.950.000 kilocalories/heure
Eau de chauffage (125 ) :15.300 kg/h avec 1. 610.000 kilocalories/heure
Eau chaude (55 ) :40.800 kg/h avec 1.430.000 kilocalories/heure
La quantité notablement plus grande d'eau chaude est due au fait que le gaz d'échappement prenant naissance par combustion de gaz de four à coke ou d'autres gaz renferment de l'hydrogène, par exemple de gaz de géné- rateur ou de gaz à l'eau, renferme pas mal de vapeur d'eau (point de rosée
57 pour le gaz de four à coke :
38,5 pour le gaz de générateur), de sorte que dans l'étage de refroidissement II, on peut récupérer bien plus de cha- leur sous forme de chaleur de condensation, naturellement en utilisant dans cet étage de refroidissement un circuit plus grand en correspondance pour l'agent de refroidissement et en utilisant une quantité d'eau calculée en correspondance dans l'échangeur de chaleur (21) dans lequel l'agent de refroidissement cède à nouveau la chaleur absorbée.
Comme on l'a déjà indiqué ci-dessus, un circuit double d'agent de refroidissement n'est pas 'absolument nécessaire pour le refroidissement d'un gaz ne renfermant pas de quantités notables de vapeur d'eau ou ne devant pas être refroidi au-dessous de son point de rosée. Etant donné toutefois que justement dans le cas de batteries de fours à coke il se produit souvent un changement du gaz servant à la chauffer par en-dessous( pendant un temps du gaz riche, pendant un temps du gaz pauvre, par exemple du gaz de haut-
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fourneau), on conforme toujours selon l'invention l'installation de récupé- ration de chaleur de manière à pouvoir traiter des gaz d'échappement quel- conques, donc aussi des gaz d'échappement renfermant pas mal de vapeur d' aau, c'est-à-dire que l'on munit l'installation d'un double circuit d'agent de refroidissement.
REVENDICATIONS.
1) Procédé d'utilisation de l'enthalpie de gaz chauds par échange de chaleur direct avec un liquide, dans le même sens ou à contre-courant, caractérisé en ce que l'échange de chaleur a lieu avec.un liquide de re- froidissement non aqueux qui est d'une nature telle que son point d'ébulli- tion sous pression normale est notablement supérieur à 100 et que sa pres- sion partielle, à la température que prend le liquide au voisinage de son entrée dans le réfrigérant direct, est pratiquement égale à zéro, tandis que le liquide de refroidissement chauffé, par échange de chaleur direct avec le gaz, à une température voisine de celle du gaz à son entrée cède au moins la majeure partie de sa chaleur à de l'eau ou à un autre liquide ou à un gaz, alors que le liquide de refroidissement,
après avoir été éventuellement dé- barrassé de la poussière ou autres impuretés, est renvoyé de préférence au réfrigérant direct.
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The present invention relates to a method for using the enthalpy of hot gases by direct heat exchange with a liquid, said heat exchange being able to take place in the same direction or against the current.
If necessary, the treatment of the gas with the liquid can also be carried out partly in the same direction and partly against the current, if necessary also according to the so-called cross-flow, i.e. - say according to a process in which the directions of flow of the gas: and the liquid are not parallel to each other.
By enthalpy of the gas is understood in what follows the quantity of heat contained in the gas as sensible heat, plus the quantity of heat existing in the form of latent heat, for example in the form of heat of vaporization. vapors which are the constituents of gas.
The constituent which occurs most frequently in technical gases containing latent heat is, for example, water vapor. As we know, water vapor contains not only the sensible heat corresponding to its vapor temperature, but also at the same time also contains the heat of vaporization which has been used to transform the liquid phase into the vapor phase without rising. temperature.
There are in the art a series of gases which form at a temperature of about 200 to 250 and which, most of the time, are either bypassed in stacks or sent to refrigerants in which the enthalpy of gas exists. these gases are reduced to nothing. Such gases are, for example, flue gases from a boiler installation after they have passed through a feed water preheater, as well as flue gases from coking plants and gas plants which, after having given up to the heating walls of the coke ovens a large part of their sensible heat, are sent to regenerators in order to use other fractions of their sensible heat, but nevertheless leave the latter still at a temperature of 200 to 250.
Also the useful gases which form in generators during the gasification of coke belong to this group of gases. This gas called generator gas is most of the time, after leaving the generator, still sent to a cooling scrubber in which it is simultaneously purified and cooled.
There has been no lack of attempts to make the enthalpy of such gases usable, in particular also that of exhaust gases of the type designated above. For this purpose, we can basically use two different methods. The gas can be cooled indirectly in a refrigerant, where the gas then flows on one side of the cooling surfaces and the cooling medium, mostly water, flows on the other. side of said cooling surfaces. However, the gas can also be cooled directly with water, while the gas and the cooling medium come into direct contact either in the same direction or against the current, while the gas can also be introduced if necessary. coolant in gas in finely divided form.
The method mentioned in the first place, in particular the indirect cooling, has the drawback, given that it is a question of recovering a heat of little value, owing to its low temperature, which must be carried out large. cooling surfaces, which is not economical, since due to the low heat transfer coefficients on the gas side one has to work in the heat exchanger with small temperature differences.
The second method, in particular direct cooling with a liquid presents, given that water has always been practically taken as cooling liquid, the notable drawback that the cooling water does not have to be heated to a temperature higher than dew point of the gas to be cooled. Mêpe when used for cooling
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As a direct result of a countercurrent process carried out in the most favorable way, it is generally not possible to heat the cooling water above 45 to 55 C if the gas has, for example, a temperature below taken between 150 and 250.
However, water with a temperature of 45 to 55 is not generally usable from a technical point of view, since most of the time it is also added to this fact that the water is contaminated by contact. with the gas and therefore cannot be used directly, but must first still yield to pure water, through an indirect heat exchanger, its heat taken from the gas, process which is naturally linked to a loss of usable heat.
Research by applicants has now shown that the enthalpy of hot gases can be used technically and economically, also in the case of direct cooling with a coolant, when direct cooling is undertaken in the same way. following news:
The gas to be cooled is caused, according to the invention, to exchange heat with a non-aqueous coolant, while the coolant is of such a nature that its boiling point under normal pressure. is appreciably greater than 100 and that its partial pressure, at the temperature which the liquid assumes in the vicinity of its entry into the direct refrigerant, is practically equal to zero and that the cooling liquid heated by direct heat exchange with the gas at a temperature close to that of the gas at its inlet gives at least the major part of its heat to water or to another liquid or to a gas, while the cooling liquid, after having possibly been freed of dust or other impurities, is. preferably returned to direct refrigerant.
In case the gas to be cooled contains water vapor and the cooling of the gas takes place to below its dew point for water vapor, the washing liquid used for direct cooling must still have the properties of not being dissolved by water in any appreciable amount, nor of having a particular tendency to form emulsions with water. In addition, the coolant must in this case have a specific weight which is sufficiently different from that of water so that the water and the coolant can be separated from each other by simple means. , in particular by letting them rest.
Liquids of this kind are in fact known. There is a whole series of such liquids. What is most suitable for these purposes are fractions of aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons or also naphthenes. If desired, mixtures of such hydrocarbons and also mixtures of organic compounds and inorganic compounds can also be successfully used. To name just one representative of this category of liquids, we will mention tetradecane, a liquid hydrocarbon of the paraffin series which contains 14 carbon atoms.
In the exemplary embodiment which follows, the physical properties of tetradecane will be explained in more detail.
When proceeding in accordance with the invention, in which case the countercurrent principle is especially of particular interest, then the coolant can be effectively heated to a temperature which is no longer relatively much lower, ten degrees, for example, to the temperature of the gas to be cooled entering the cooling installation.
The washing liquid can then, by means of an indirect heat exchanger, give up most of the heat which it has taken from the gas to pure water which, in the case of an appropriate dimensioning of the heat exchanger, always still takes a temperature which, even if it is also somewhat lower than the temperature of the coolant,
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is still high enough for technical operation to be possible, for example for the production of steam or for the production of hot water.
The cooling liquid is, after having given up to pure water the heat which it had taken from the gas and having thus cooled i returned again to the circuit in order to cool further quantities of gas. , preferably after having been previously free of dust or other impurities which it has taken in the gas.
As long as the gas does not contain significant amounts of water vapor, i.e. exhibits a relatively low dew point, or as long as when cooling a gas containing water vapor and having a high dew point, it does not go below the dew point temperature, the process according to the invention can in particular be carried out in a simple manner with a single cooling liquid circuit while 'Advantageously, the gas is introduced from below into the condenser and is withdrawn at the top, while the cooling liquid is delivered to the top of the column and is withdrawn at the bottom of said column. The kind of refrigerant to be used is in principle immaterial.
It is possible to use refrigerants which are fitted with filling bodies or with racks, or also those which have bell bottoms or the like. Refrigerants with rotating arrangements have also proven to be well suited for this purpose, since then the washing liquid is accelerated to relatively high speeds by centrifugal forces and then comes into contact with the gas, countercurrently.
It is, however, desirable, in most cases, particularly when the dew point of the gas is relatively high, for example 40 or 50, to cool the gas to below the dew point and u. Using in this way not only the sensible heat of the gas, but also the heat of vaporization liberated during the condensation of the water vapor contained in the gas. In this case, however, in order to achieve the desired result, the coolant circuit must be split into two essentially separate liquid circuits, which are however interconnected by the gas stream to be cooled.
This measurement, the details of which will be further highlighted in what follows, is all the more necessary as the water forming in the refrigerant when going below the dew point of the gas reaches with the non-aqueous liquid. in the part of the refrigerant to which the hot gas is supplied which has not yet cooled. At this point, if we did not prevent the penetration of water to this point by other measures, water would be vaporized again while the heat of vaporization necessary for this purpose would not be taken. only on the sensible heat of the gas, but also on the sensible heat of the coolant, so that the washing liquid would exit the coolant together with the water, at a temperature considerably lower than that desirable and necessary for operation economic.
According to another characteristic of the invention, the condensed water which collects therein on an intermediate base correspondingly conforms, preferably with the quantity, is withdrawn at least in part from an average part of the coolant. total or with part of the coolant. The point where the condensation water is withdrawn from the refrigerant is advantageously moved to the place where the gas to be treated has a temperature situated in the vicinity of the dew point of the gas supplied to the refrigerant, that is to say say little below or above.
If the refrigerant is completely withdrawn, at a point between the base and the head, both the condensation water which has formed so far and the cooling liquid which has reached there (and the applicants give the preference to this embodiment of the in-
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vention), the coolant must then be returned, after it has been separated outside the coolant from the entrained water, back into the cooler, this advantageously taking place at a point which, seen in the direction of the coolant flow, is behind the bypass point for coolant and condensed water.
In particular, the last-mentioned embodiment can be carried out by dividing the cooling liquid, after separation of the condensation water, into two streams, one of which is fed, after the sensible heat has been used. , at the top of the refrigerant and 1, the other is brought to the middle part of the refrigerant, the process, in detail, being carried out so that the partial stream supplied to the head of the refrigerant after use of the sensible heat is only heated up to the vicinity of the dew point of the gas to be treated, while the second partial stream, once returned to the refrigerant is heated there to a temperature above the dew point, is withdrawn from the foot refrigerant and is again, after use of sensible heat,
returned to the middle of the coolant.
The use of the sensible heat of the first-mentioned partial stream can take place in various ways. It is possible, for example, to use the sensible heat of the cooling liquid to obtain hot water; however, it is also possible to use the sensible heat of the coolant with the aid of a heat pump. On the other hand, the sensible heat of the second partial stream, as a result of the significantly higher temperatures of the coolant, is used as much as possible to obtain hot water or water vapor.
The cooling stages thus created and which are characterized by essentially separate circuits for the cooling medium, do not have to be arranged in a single scrubber housing. It is also possible to first cool the gas in one or more direct refrigerants to the vicinity of the dew point and then to cool it in one or more direct refrigerants connected in series with the first direct refrigerants and having or not the same construction, at a temperature below the dew point of the gas to be treated.
In the drawing, there is shown schematically and simply by way of example an embodiment of the invention. The gas to be treated, for example flue gas from combustion with coke oven gas air, enters at a temperature of approximately 250, through line 1, into the direct refrigerant ¯2 and leaves. the latter via line 3 with a temperature of approximately 30 to 35. The refrigerant consists essentially of two cooling stages I and II, which are separated from one another by the liquid side by the intermediate bottoms 4, but are interconnected on the gas side, and in particular are mounted one behind. the other.
In the various cooling stages there are packing bodies of the known type, for example Raschig rings or the like. The coolant is distributed evenly by means of spray nozzles on the packing bodies. In the cooling stage I, the gas is cooled in such a way that it does not go or goes significantly below its dew point, so that in this cooling stage it does not go. do not form significant amounts of condensation water.
In this case, the coolant heats up to a temperature which is 10 to 20 below the inlet temperature of the gas. The coolant is withdrawn from the bottom of the coolant 2 through line 6 and is sent by pump 7 to a steam generator 8 in which steam is produced by indirect heat exchange with water. of water at 125 (2.4 at.) which is withdrawn through line 10.
The liquid
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cooled in the steam generator 8 to a temperature of about 1300 then reaches, through line 11, into the indirect heat exchanger 12 where it again releases part of its sensible heat to the heat exchanger. water and transforms it into steam in the steam generator. In this case, the coolant then cools to about 55 and then returns to the coolant through line 13.
Since the coolant, when it comes into contact with the gas in the cooling stage I, has absorbed from said gas dust and certain impurities, part of the coolant is withdrawn from the pipe 13 through line 13a and purifies it, then sends it back into the circuit again at a point which will be discussed later.
The gas cooled in the cooling stage I to a temperature close to the dew point then passes through the gas-permeable intermediate bottom 4 into the following cooling stage II.
This cooling stage II is charged, via line 14, with relatively cold cooling liquid (approximately 30). Part of the water vapor then condenses, which collects with the cooling liquid coming from the intermediate bottom 4, which liquid flows downwards while heating. From there the coolant mixture is withdrawn through line 15 and sent to a separation vessel 16 in which the two liquids separate due to their different specific gravity.
The heavier water is removed from the system through line 17, while the lighter coolant enters pump 19 through line 18. Line 20 sends the coolant with reduced pressure. temperature of about 55, through the indirect heat exchanger 21. From there, the cooling medium returns through line 14, after having been cooled to about 30 in the heat exchanger, in the cooling stage II . In the heat exchanger 21, water at normal temperature flowing through line 22 is heated to a temperature of approximately 45. This heated water is withdrawn through line 23 and can be sent through line 24 to any point of use.
Part of this hot water enters, via line 25, indirect heat exchanger 12 and is preheated there to a temperature of approximately 125. Part of the hot water leaving the heat exchanger 12 is sent through line 26 to any point of use; the other part arrives, through line 9, in the steam generator 8.
Since through line 3 and without being able to avoid it, however small a quantity of liquid escapes with the gas in the form of vapor and is thus lost, one must introduce into the system , continuously or intermittently, a certain quantity of new coolant. This takes place via line 27.
Via this line 27, it is also possible, after its purification, to return to the system part of the coolant which had been withdrawn via the line 13a.
Since a relatively large quantity of coolant enters as vapor from cooling stage I into cooling stage II and is then discharged through line 12 of this cooling stage, it is removed. would produce a depletion of cooling stage I in coolant.
As a result, a certain coolant fraction is diverted from the cooling medium circuit of cooling stage II, behind the pump 12, and returned through line 28 again. in line 13 and, consequently, in the coolant circuit of cooling stage I.
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Example
In the following example the process is used for the quantity of exhaust gas which is formed by coking per day 2000 tonnes of coal in a horizontal battery of coke ovens and using blast furnace gas.
Blast furnace gas has a low calorific value of about 940 kilocalories per normal cubic meter. Approximately 49,700 normal m3 of blast furnace gas is required per hour to coke the quantity of coal indicated above. The combustion of blast furnace gas requires 45,200 normal m3 of air per hour and provides an exhaust gas quantity of 87,000 normal m3 per hour. The composition of the exhaust gas is as follows:
EMI6.1
<tb> N2 <SEP> 75.72 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> CO2 <SEP> 20.81 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> O2 <SEP> 1.82 <SEP>%
<tb>
<tb> Steam <SEP> of <SEP> H20 <SEP> 1.65%
<tb>
After leaving the regenerators of the coke oven battery, the exhaust gas still has a temperature of 250 C.
This temperature must, by means of the process according to the invention, be lowered to 35 ° C. The dew point of the exhaust gas reaches about 2 ° 5 ° C., taking into account the humidity contained in the combustion air.
Cooling should take place with a coolant of the chemical formula C14H30 (tetradecane). This liquid has the following physical properties:
EMI6.2
<tb> Molecular <SEP> weight <SEP>: <SEP> 198 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Density <SEP> 0.7645
<tb>
<tb>
<tb> Pressure <SEP> of <SEP> steam <SEP>:
<tb>
<tb> to <SEP> 230 <SEP> C <SEP> '<SEP>: <SEP> 400 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 60 <SEP> C <SEP> 0.3 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 55 <SEP> C <SEP>: <SEP> 0.2 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 50 <SEP> 0 <SEP>: <SEP> 0.1 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 40 <SEP> C <SEP>: <SEP> 0.04 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 35 <SEP> C <SEP>:
<SEP> 0.02 <SEP> mm <SEP> of <SEP> mercury
<tb>
<tb>
<tb> Boiling point <SEP> <SEP>: <SEP> 252.5 <SEP> C
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> point of <SEP> merge <SEP>: <SEP> 5.5 <SEP> C
<tb>
The specific heat at constant pressure (cp) is: In the range 230 - 60: 0.59 kilocalories / Kg in degrees C In the range 60 - 40: 0.50 kilocalories / kg in degrees C
In cooling stage I, the temperature of the exhaust gas is lowered from 250 to 60. For an average specific heat of the exhaust gas of 0.34 in this temperature range, this gives the coolant an amount of heat of 5,620,000 kilocalories to be absorbed per hour, a quantity of heat that it gives up again in the heat exchanger (12) and in the steam generator (8).
For a final coolant temperature equal to 230 and
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for a final temperature of the exhaust gas equal to 55 in this stage, this results in a need for cooling agent of 53,800 kg per hour in said stage. The loss of coolant in this stage, that is to say the amount of coolant transferred with the 3 exhaust gas to the next stage, in this case reaches 0.18 g per normal m3 of gas. exhaust, i.e. a total of 16.5 kg per hour.
In cooling stage II, the temperature of the exhaust gas continues to drop from 60 to 35. In the exhaust gas itself, no condensation of water vapor occurs, since the dew point of the exhaust gas for water vapor is 21.5. The amount of heat that the coolant must absorb during this cooling reaches a total of 717,000 kilocalories per hour for a specific heat of the exhaust gas of 0.33 in this temperature range, the amount of heat that the agent coolant recedes again in the heat exchanger (21).
The amount of coolant which is required for this is 57,400 kg per hour. The loss of cooling liquid ejected from cooling stage II as vapor with the cooled gas and which is therefore permanently lost is 1.65 kg per hour.
If we take into account the inevitable losses by heat radiation, etc ..., we can obtain in total per hour of exhaust gas about 6,287,000 kilocalories (related to water at 20), which are distributed as follows:
Water vapor (125): 6,480 kg / h with 4,060,000 kilocalories / hour
Heating water (125): 21,020 kg / h with 2,200,000 kilocalories / hour
Hot water (45):
1,100 kg / h with 27,000 kilocalories / hour
If instead of blast furnace gas, coke oven gas (calorific value of 4,352 kilocalories per normal cubic meter) is used for heating the coke oven battery, then following the process in accordance with the invention, obtain 5,990,000 kilocalories per hour of exhaust gas which can be broken down as follows:
Water vapor (125):
4,700 kg / h with 2,950,000 kilocalories / hour
Heating water (125): 15,300 kg / h with 1,610,000 kilocalories / hour
Hot water (55): 40,800 kg / h with 1,430,000 kilocalories / hour
The significantly greater quantity of hot water is due to the fact that the exhaust gas originating from the combustion of coke oven gas or other gases contains hydrogen, for example generator gas or gas. gas with water, contains a lot of water vapor (dew point
57 for coke oven gas:
38.5 for generator gas), so that in cooling stage II much more heat can be recovered in the form of heat of condensation, naturally by using a larger cooling circuit in this cooling stage. correspondence for the coolant and using a correspondingly calculated amount of water in the heat exchanger (21) in which the coolant again releases the absorbed heat.
As already indicated above, a dual cooling medium circuit is not absolutely necessary for the cooling of a gas which does not contain significant amounts of water vapor or which does not need to be cooled. below its dew point. Since, however, precisely in the case of coke oven batteries there is often a change in the gas used to heat it from below (during a time rich gas, during a time lean gas, for example high-
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furnace), the heat recovery installation is still according to the invention so as to be able to treat any exhaust gases, therefore also exhaust gases containing a great deal of water vapor, c 'That is to say that the installation is provided with a double circuit of cooling agent.
CLAIMS.
1) Method of using the enthalpy of hot gases by direct heat exchange with a liquid, in the same direction or against the current, characterized in that the heat exchange takes place with a re- liquid. non-aqueous cooling which is of such a nature that its boiling point under normal pressure is notably greater than 100 and its partial pressure, at the temperature which the liquid assumes in the vicinity of its entry into the direct refrigerant , is practically equal to zero, while the coolant heated, by direct heat exchange with the gas, to a temperature close to that of the gas at its inlet, gives up at least the major part of its heat to water or to another liquid or gas, while the coolant,
after having been possibly cleaned of dust or other impurities, is returned preferably to the direct refrigerant.