FR2521708A1

FR2521708A1 - METHOD AND HEAT EXCHANGER FOR THE PROGRESSIVE COOLING OF A HOT GAS STREAM

Info

Publication number: FR2521708A1
Application number: FR8302179A
Authority: FR
Inventors: Walter Muller
Original assignee: Anstalt Mura
Current assignee: Anstalt Mura
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-08-19
Also published as: CA1212664A; NL8300305A; IT8319366A0; SE8300703L; BR8300648A; NO830461L; SE8300703D0; GB2115130A; AU558967B2; BE895847A; DK61783A; SU1301325A3; RO86102A; CH657072A5; GB2115130B; RO86102B; AU1118783A; DD209684A5; GB8302810D0; DE3304174A1

Abstract

L'ENCEINTE 2 PAR EXEMPLE UN REACTEUR 1 PRESENTE UN ESPACE INTERIEUR 3, LIMITE PAR UNE CHEMISE INTERIEURE 6, ENTOUREE PAR UNE PAROI EXTERIEURE 4, FORMANT UN ESPACE INTERMEDIAIRE 7 ET ASSOCIEE A UN ECHANGEUR 5 AVEC TUBULURES D'ENTREE 12 ET DE SORTIE 13. LE MELANGE REACTIF PROVENANT DE CHAMBRES MELANGEUSES 20 PRODUIT UNE REACTION EXOTHERMIQUE. LA CHALEUR LIBEREE PAR LA REACTION EST DISSIPEE D'UNE MANIERE DOSEE DE SORTE QUE LA TEMPERATURE A LA SORTIE S RESTE DANS UNE PLAGE DE TEMPERATURES ETROITE, PAR DOUBLE RAYONNEMENT DU GAZ DE REACTION VERS LA CHEMISE INTERIEURE 6 ET DE LA VERS LA PAROI EXTERIEURE 4; LES POINTES DE TEMPERATURES DECOULANT DE RAPPORTS DE MELANGES DIFFERENTS N'ONT QU'UNE FAIBLE INFLUENCE SUR LA TEMPERATURE A LA SORTIE S DU REACTEUR, SANS INTERVENTION EXTERIEURE SUR LA COMMANDE DU SYSTEME DE REFROIDISSEMENT.THE ENCLOSURE 2 FOR EXAMPLE A REACTOR 1 HAS AN INTERIOR SPACE 3, BOUNDED BY AN INTERIOR SHIRT 6, SURROUNDED BY AN EXTERIOR WALL 4, FORMING AN INTERMEDIATE SPACE 7 AND ASSOCIATED WITH AN EXCHANGER 5 WITH INLET 12 AND OUTLET TUBES 13 REACTIVE MIXTURE FROM MIXED CHAMBERS 20 PRODUCES AN EXOTHERMIC REACTION. THE HEAT RELEASED BY THE REACTION IS DISSIPATED IN A DOSE WAY SO THAT THE TEMPERATURE AT THE OUTPUT S REMAINS IN A NARROW TEMPERATURE RANGE, BY DOUBLE RADIATION OF THE REACTION GAS TO THE INSIDE SHIRT 6 AND TO THE OUTSIDE WALL 4 ; TEMPERATURE RISKS ARISING FROM DIFFERENT MIXTURE REPORTS HAVE ONLY A LITTLE INFLUENCE ON THE TEMPERATURE AT THE REACTOR S, WITHOUT EXTERNAL INTERVENTION ON THE COOLING SYSTEM CONTROL.

Description

Procédé et échangeur de chaleur pour le refroidisse-Process and heat exchanger for cooling

ment progressif d'un courant de gaz chaud. gradual flow of a hot gas stream.

L'invention concerne un procédé pour le re- The invention relates to a method for

froidissement progressif d'un courant de gaz chaud dans une enceinte, qui est refroidie par un fluide de refroidissement passant dans sa paroi ainsi qu'un progressive cooling of a stream of hot gas in an enclosure, which is cooled by a coolant passing through its wall as well as a

échangeur de chaleur pour l'exécution du procédé. heat exchanger for carrying out the process.

Par enceinte on entend des conduites et réci- By enclosure is meant pipes and tubes

pients en liaison avec l'invention et en particulier des récipients de réaction, qui fonctionnent avec une pression effective ou avec une dépression et o pients in connection with the invention and in particular reaction vessels, which operate with an effective pressure or with a vacuum and o

règnent des températures élevées. high temperatures prevail.

Pour dissiper la chaleur d'une enceinte, il est connu d'associer à sa paroi des dispositifs d'échange de chaleur Suivant la pression de service régnant dans l'enceinte, des chemises peuvent être soudées sur sa paroi On connaît encore des conduites de chauffage ou de refroidissement soudées sur la paroi de l'enceinte et des conduites disposées dans To dissipate the heat of an enclosure, it is known to associate heat exchange devices with its wall. Depending on the operating pressure prevailing in the enclosure, jackets can be welded to its wall. heating or cooling welded to the wall of the enclosure and pipes arranged in

sa paroi, par exemple des parois à ailettes, à mem- its wall, for example fin walls, with

branes ou autres S'il faut par exemple dissiper des branes or others If it is necessary for example to dissipate

quantités de chaleur différentes et s'il faut mainte- different amounts of heat and if necessary

nir alors une certaine température à la sortie de then set a certain temperature at the outlet of

l'enceinte, des mesures spéciales sont nécessaires. enclosure, special measures are required.

Il faut en particulier régler le circuit de refroi- In particular, the cooling circuit must be adjusted.

dissement de manière qu'un abaissement de la tempé- so that a lowering of the temperature

rature au-dessous de la température de sortie défi- rature below the set outlet temperature

nie soit évité avec certitude Ceci est vrai spécia- deny be avoided with certainty This is true special-

lement quand l'enceinte est utilisée pour l'exécu- when the speaker is used for the execution

tion de réactions et que le maintien de cette tempé- tion of reactions and that maintaining this temperature

rature de sortie est très important pour la qualité output scratch is very important for quality

du produit à obtenir.of the product to be obtained.

Si l'enceinte est prévue pour l'exécution de réactions exothermiques, il se produit dans la zone de réaction des quantités de chaleur importantes et If the enclosure is intended for the execution of exothermic reactions, significant amounts of heat are produced in the reaction zone and

différentes, qui demandent un refroidissement inten- different, which require intensive cooling

sif de la zone de réaction Avec des échangeurs connus, ce refroidissement ne peut pas être assuré ou seulement d'une manière compliquée, de sorte que d'autres solutions sont recherchées On connaît le procédé du refroidissement direct, dans lequel un fluide de refroidissement est introduit directement dans la zone de réaction Ce procédé est utilisé par exemple dans la fabrication de noir de carbone par sif of the reaction zone With known exchangers, this cooling cannot be ensured or only in a complicated manner, so that other solutions are sought. The process of direct cooling is known, in which a cooling fluid is introduced directly into the reaction zone This process is used for example in the production of carbon black by

combustion infra-stoechiométrique d'hydrocarbures. infra-stoichiometric combustion of hydrocarbons.

Comme fluide de refroidissement, on utilise alors de l'eau Mais ce procédé a des défauts, parce que le noir s'agglutine en partie en grumeaux, qui doivent Water is used as the cooling fluid. However, this process has faults, because the black partially clumps into lumps, which must

être ensuite moulus pour être utilisables. then be ground to be usable.

C'est ici qu'intervient l'invention, dont le This is where the invention comes in, the

but est un procédé du type précité évitant les dé- goal is a process of the aforementioned type avoiding the

fauts des solutions connues, la courbe de températu- of known solutions, the temperature curve

re sur le côté de sortie de l'enceinte étant large- re on the outlet side of the enclosure being wide-

ment indépendante des quantités de chaleur à dissi- independent of the amount of heat to dissipate

per sur son côté d'entrée.per on its entry side.

Ce but est atteint suivant l'invention en ce que la quantité de chaleur qui doit être dissipée à partir du courant de gaz est cédée au fluide de refroidissement à l'aide d'une surface de rayonnement se trouvant entre le courant gazeux et le fluide de This object is achieved according to the invention in that the quantity of heat which must be dissipated from the gas stream is transferred to the cooling fluid using a radiation surface located between the gas stream and the fluid. of

refroidissement.cooling.

L'invention a également pour objet un échan- The subject of the invention is also an exchange

geur de chaleur, mettant en oeuvre un tel procédé, disposé sur la paroi extérieure de l'enceinte et comportant, entre l'espace intérieur de l'enceinte et l'échangeur, une chemise intérieure conduisant la chaleur et se trouvant à une certaine distance de l'échangeur. L'invention va être expliquée plus en détail à l'aide des dessins joints Sur ces dessins: heat gor, implementing such a process, disposed on the outer wall of the enclosure and comprising, between the interior space of the enclosure and the exchanger, an inner jacket conducting the heat and being at a certain distance of the exchanger. The invention will be explained in more detail using the accompanying drawings. On these drawings:

la figure 1 représente une coupe longitudina- Figure 1 shows a longitudinal section

le schématique d'un réacteur destiné à produire du noir de carbone, et la figure 2 représente un diagramme de la the diagram of a reactor intended to produce carbon black, and FIG. 2 represents a diagram of the

courbe de température régnant dans un réacteur con- temperature curve prevailing in a con-

forme à l'invention, pour deux conditions de marche. form of the invention, for two operating conditions.

La figure 1 représente schématiquement un Figure 1 schematically shows a

réacteuricomportant une enceinte 2 L'enceinte 2 pré- Reactor with one enclosure 2 The enclosure 2 pre-

sente un espace intérieur 3 de section transversale quelconque, par exemple circulaire, rectangulaire ou feels an interior space 3 of any cross section, for example circular, rectangular or

polygonale Le boîtier 2 comporte des côtés d'en- polygonal The housing 2 has sides of

trée E et de sortie S Le réacteur sert à la produc- input E and output S The reactor is used for production

tion de noir de carbone à partir d'hydrocarbures; le procédé de l'invention sera expliqué en relation avec cet appareillage L'enceinte 2 présente une paroi extérieure 4, qui comporte extérieurement un échangeur de chaleur 5 en forme de chemise soudée à la paroi extérieure 4 Mais l'échangeur peut avoir aussi une autre structure, par exemple carbon black from hydrocarbons; the method of the invention will be explained in relation to this apparatus The enclosure 2 has an outer wall 4, which externally comprises a heat exchanger 5 in the form of a jacket welded to the outer wall 4 But the exchanger may also have another structure, for example

sous forme des modèles connus et décrits plus haut. in the form of the known models described above.

L'espace intérieur 3 est délimité sur son pourtour par une chemise intérieure 6, qui est à une certaine distance de la paroi extérieure 4 et forme avec elle un espace intermédiaire annulaire 7 Cet espaceintermédiaire est, sur le côté de sortie, séparé de l'espace intérieur 3 par un joint 8, qui The interior space 3 is delimited on its periphery by an interior jacket 6, which is at a certain distance from the exterior wall 4 and forms with it an annular intermediate space 7 This intermediate space is, on the outlet side, separated from the interior space 3 by a seal 8, which

n'est pas représenté plus en détail L'espace inter- is not shown in more detail The inter-

médiaire 7 est fermé sur le côté d'entrée E par une plaque de tête 9, sur laquelle la chemise intérieure 6 est fixée par une bride 10 et qui s'étend jusqu'à la chemise extérieure 4, qui est reliée par une medial 7 is closed on the entry side E by a head plate 9, on which the inner jacket 6 is fixed by a flange 10 and which extends to the outer jacket 4, which is connected by a

bride il au bord de la plaque de tête 9. clamp it to the edge of the head plate 9.

Sur le côté de sortie S est disposée une tubulure 12 et, sur le côté d'entrée E, une autre tubulure 13 Le sens des flèches indique l'entrée du fluide de refroidissement sur la tubulure 12 et sa sortie sur la tubulure 13 La paroi extérieure 4 se On the outlet side S is placed a tube 12 and, on the input side E, another tube 13 The direction of the arrows indicates the entry of the coolant on the tube 12 and its exit on the tube 13 The wall outdoor 4 se

prolonge par un cône de fermeture 14, sur l'ouver- extended by a closing cone 14, on the opening

ture de sortie 15 duquel se raccordent les autres appareils nécessaires pour le traitement des noirs outlet structure 15 from which the other devices necessary for the treatment of blacks are connected

produits, ces appareils n'étant pas représentés. products, these devices not being represented.

Sur la plaque de tête 9 on a schématisé les pièces du réacteur avec lesquelles les apports On the head plate 9 we have diagrammed the parts of the reactor with which the inputs

d'oxygène, de l'air la plupart du temps, et les hy- oxygen, mostly air, and hy-

drocarbures sont dirigés dans l'espace intérieur 3. drocarbons are directed into the interior space 3.

L'apport d'oxygène provient d'une source d'oxygène The oxygen supply comes from an oxygen source

16 et il est dirigé, par l'intermédiaire d'une con- 16 and it is directed, through a con-

duite 17, dans un distributeur 18, qui comporte, du pick 17, in a dispenser 18, which includes,

côté de l'enceinte, des ouvertures 19, par lesquel- side of the enclosure, openings 19, through which

les l'apport d'oxygène est introduit dans des cham- the oxygen supply is introduced into chambers

bres mélangeuses 20 Là, l'apport d'oxygène est mé- bres mixers 20 There, the oxygen supply is

langé à des hydrocarbures injectés par des buses -21 auxquelles ils sont amenés par des conduites 23 à partir d'un réservoir schématisé en 22, le mélange swapped to hydrocarbons injected by nozzles -21 to which they are brought by pipes 23 from a reservoir shown diagrammatically at 22, the mixture

étant envoyé dans l'espace intérieur 3 Dans l'espa- being sent into the interior space 3 In the space

ce intérieur, le mélange est continuellement enflam- this interior, the mixture is continuously ignited-

mé et il se produit une réaction plus ou moins exo- mé and a more or less exo-

thermique La chaleur libérée par cette réaction doit être évacuée d'une manière dosée, pour assurer thermal The heat released by this reaction must be evacuated in a metered manner, to ensure

une température de sortie à l'intérieur d'une plage. an outlet temperature within a range.

de température étroite, dont le respect est important of narrow temperature, the respect of which is important

pour la qualité du produit C'est pourquoi la tempé- for product quality This is why the temperature

rature de sortie du gaz doit être largement indépen- gas outlet strip must be largely independent

dante de la quantité de chaleur libérée. the amount of heat released.

Le transfert de chaleur provenant du gaz de réaction et du produit de réaction se fait par rayon- The heat transfer from the reaction gas and the reaction product takes place by ray-

nement sur le côté intérieur de la chemise intérieu- on the inside of the inner shirt

re 6 Par conductibilité thermique la température augmente aussi sur le côté extérieur de la chemise re 6 By thermal conductivity the temperature also increases on the outside of the jacket

intérieure 6, qui forme alors de son côté une surfa- interior 6, which then forms a surface

ce irradiante et transmet, par ce rayonnement, la chaleur à la paroi extérieure 4 Comme le transfert this irradiating and transmits, by this radiation, the heat to the external wall 4 As the transfer

de chaleur par rayonnement croit suivant la puissan- of heat by radiation increases according to the power

ce 4 de la température, un transfert de la chaleur du gaz dans l'espace intermédiaire par convection et ce 4 of temperature, a transfer of heat from the gas into the intermediate space by convection and

par conduction n'a qu'une importance très limitée. by conduction is of very limited importance.

L'absorption de chaleur se faisant dans la paroi Heat absorption taking place in the wall

extérieure 4 est équilibrée par un fluide de refroi- external 4 is balanced by a cooling fluid

dissement convenable, par exemple de l'eau bouillante. suitable softening, for example boiling water.

Sur la figure 2 on voit l'effet du procédé In Figure 2 we see the effect of the process

de refroidissement suivant l'invention, qui est cons- cooling according to the invention, which is

titué par la succession de deux opérations de rayon- created by the succession of two ray operations-

nement, d'abord du gaz dans l'espace intérieur 3 vers la chemise intérieure 6, puis, de là, vers la paroi first of all, gas in the interior space 3 towards the interior jacket 6, then from there to the wall

extérieure 7.exterior 7.

Sur la figure 2 on a représenté deux réac- In FIG. 2, two reactions are shown.

tions pour la production de deux qualités différentes tions for the production of two different qualities

de noirs: les tracés continus représentent la cour- black: the continuous lines represent the course

be de température dans le gaz sur la longueur L de be of temperature in the gas over the length L of

l'espace intérieur 3, cependant que les lignes inter- the interior space 3, however that the lines between

rompues représentent la température de la chemise in- broken represent the temperature of the jacket

térieure 6 pour les deux cas de marche et que la ligne en trait mixte représente la température de la paroi de l'échangeur de chaleur 5 Dans le cas de 6 for the two operating cases and that the dashed line represents the temperature of the wall of the heat exchanger 5 In the case of

marche I, avec la température maximale du gaz d'envi- step I, with the maximum gas temperature of approx.

ron 19000 C, il s'agit de la fabrication d'une qualité ron 19000 C, this is the manufacture of a quality

de noir dans laquelle la part d'oxygène est relative- of black in which the proportion of oxygen is relative-

ment grande, cependant que dans le deuxième cas de ment large, however that in the second case of

marche Il, avec la température maximale du gaz, net- It works, with the maximum gas temperature, net-

tement plus faible, d'environ 10000 C, il s'agit de fabriquer une qualité de noir o la part d'oxygène est relativement faible On peut pourtant constater d'après la figure 2 que la courbe de température à la sortie S du réacteur dépend nettement de la pointe de température obtenue à l'entrée E du réacteur En cas de changement des conditions de marche dans la tely lower, around 10,000 C, it is a question of manufacturing a quality of black where the proportion of oxygen is relatively low. However, it can be seen from FIG. 2 that the temperature curve at the outlet S of the reactor clearly depends on the temperature peak obtained at the reactor input E In the event of a change in operating conditions in the

fabrication de différents types de noirs par le chan- making different types of blacks by changing

gement du rapport huile/air, on obtient bien des pointes de températures très différentes, mais qui ont peu d'influence sur le profil de température vers la sortie S du réacteur, de sorte qu'on ne doit pas intervenir de l'extérieur, c'est-à-dire par la commande du système de refroidissement Ainsi les conditions désirées de réaction vers la sortie S du réacteur se règlent d'elles-mêmes sans influence extérieure, largement indépendamment de ce qui se management of the oil / air ratio, many very different temperature peaks are obtained, but which have little influence on the temperature profile towards the outlet S of the reactor, so that one does not have to intervene from the outside, that is to say by the control of the cooling system Thus the desired reaction conditions towards the outlet S of the reactor are self-regulating without external influence, largely independently of what is

passe à l'entrée E du réacteur.goes to input E of the reactor.

Le procédé de refroidissement décrit a donc The cooling process described therefore has

l'avantage que les pointes de températures se produi- the advantage that temperature spikes occur

sant à la réaction se réduisent rapidement à une température relativement basse, après quoi la suite the reaction quickly reduces to a relatively low temperature, after which the following

du refroidissement est lente par rapport à la tempé- cooling is slow compared to temperature

rature élevée de réaction Grâce à cette dissipation high reaction rature Thanks to this dissipation

sélective de la chaleur, la quantité de chaleur libé- heat selection, the amount of heat released

rée pendant la réaction et dépendant de la chaleur heat-dependent

spécifique de réaction, ainsi que de la quantité dé- specific reaction, as well as the amount

bitée n'a qu'une action très faible sur la tempéra- bitée has only a very weak action on the temperature

ture de sortie des gaz de réaction De plus la tempé- Reaction gas outlet temperature In addition, the temperature

rature du fluide de refroidissement et de la paroi extérieure 4 n'a pratiquement pas d'importance pour la courbe de température régnant dans le gaz de of the coolant and the outer wall 4 has practically no importance for the temperature curve prevailing in the

réaction Le choix du fluide de refroidissement peut- reaction The choice of coolant can

donc être adapté à d'autres nécessités, par exemple pour une récupération aussi judicieuse que possible therefore be adapted to other needs, for example for recovery as judicious as possible

de la chaleur.heat.

RÉPUBLIQUE FRAN AISEFRENCH REPUBLIC

INSTITUT NATIONALNATIONAL INSTITUTE

DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLEINDUSTRIAL PROPERTY

PARISPARIS

BREVETPATENT

2 521 7092,521,709

D'INVENTIONOF INVENTION

CERTIFICAT D'UTILITÉUTILITY CERTIFICATE

CERTIFICATCERTIFICATE

D'ADDITIONADDITION

Aucun titre n'est publié sous ce numéro No title is published under this number

Claims

1 Progressive cooling process

sif of a stream of hot gas in an enclosure (2), cooled by a coolant passing through its wall (4), characterized in that the quantity of heat to be dissipated from the stream of gas is transferred to the cooling using a

radiation surface (6) lying between the cover

gant and coolant.

2 Method according to claim 1, charac-

terized in that the radiation surface (6) is

near the wall (4) of the enclosure.

3 Heat exchanger arranged on the outer wall (4) of an enclosure (2) for setting

work of the process according to claim 1, charac-

terized in that between the interior space (3) of the enclosure (2) and the exchanger (5) is disposed an interior jacket (6) conducting the heat and

located at a certain distance from the exchanger (5).

4 Heat exchanger according to the claim

tion 3, characterized in that the intermediate space (7) preferably annular, formed by the inner jacket (6) and the exchanger (5) is closed by a seal (8) as well with respect to the interior space

(3) of the shoemaker (2) only in relation to the atmosphere.

Exchanger according to claim 3,

2 2521708

characterized in that it is integrated into the outer wall (4), for example in the form of a wall

with fins or membrane.

6 Exchanger according to claim 3, ca-

characterized in that the inner jacket (6) is in

a metal resistant to significant heat.

7 Reaction vessel with a sample

according to claim 3, for reactions

in gaseous state at elevated temperatures.

8 Reaction vessel according to claim-

tion 7, intended for exothermic reactions, by

example for the production of carbon blacks.