LU84208A1 - Procede et appareil pour le refroidissement d'un courant chaud de procede charge de particules - Google Patents

Description

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La présente invention concerne, de manière générale, le refroidissement de courants de· procédés chargés de particules et elle concerne plus spécifiquement un procédé et un'élément intégrés en vue de refroidir des 5 courants chauds de procédés chargés de particules en en séparant les charges de particules par filtration sur toile.

Dans bon nombre de procédés industriels, il se forme des produits ou des sous—produits sous forme »10 de particules en suspension , c’est-à-dire sous forme d’une composante de matière solide en particules entraînée dans une composante constituée d’un courant gazeux chaud. Par exemple, des noirs de carbone de fours sont formés par la décomposition thermique et/ou 15 la combustion partielle de charges hydrocarbonées et ils sont normalement obtenus initialement sous forme d’un aérosol ou d’une suspension de noir de carbone en particules dans des gaz de fumées- chauds formés comme sous-produits. Le courant du procédé de forma-20 tion de noir de carbone est soumis à un refroidissement brusque dans le réacteur de formation de noir de carbone afin d’achever cette réaction de .formation, après quoi il est refroidi davantage, puis traité par filtration sur toile afin de recueillir le noir de „ 25 carbone formé. Parmi certains autres exemples de procédés industriels au cours desquels un courant chaud de procédé chargé de particules est refroidi, puis soumis à une filtration sur toile, procédés pour lesquels la présente invention peut être efficacement 30 adoptée, il y a : le traitement des gaz de fumées d’installations de production d’énergie fonctionnant au charbon, avant d’en séparer la charge en particules par filtration, le refroidissement de courants de calcination d’un ciment de procédé par voie sèche, le 35 refroidissement de courants contenant de la poussière t i.

3 de roches ou des minerais calcinés et analogues.

Plus spécifiquement, les procédés de filtration sur toile adoptés dans 1*industrie consistent à faire passer un courant gazeux chargé de particules 5 à travers un ou plusieurs éléments de filtration cons titués d'une toile ou d’un tissu poreux, ces éléments ayant une porosité ou une transmissibilité choisie qui, d’emblée, est suffisante pour laisser passer la composante gazeuse du courant du procédé, cependant » 10 qu’elle est insuffisante pour permettre le passage de la composante en particules. En conséquence, la composante en particules est séparée de la composante gazeuse et elle est déposée sur le côté d'amont ou le côté collecteur des éléments de filtration en toile.

15 On prévoit habituellement des éléments ayant pour but de retirer plus aisément la charge en particules des éléments de filtration, par exemple, une remise sous pression périodique ou l'inversion du courant gazeux à travers ces éléments, une agitation ou des vibrations 20 mécaniques et analogues. La charge en particules ainsi séparée est généralement envoyée dans une trémie collectrice d’où, elle est périodiquement retirée pour „ être conditionnée et/ou pour subir un traitement com plémentaire pouvant être souhaitable ou nécessaire 25 pour obtenir un produit fini en particules. Dans les procédés industriels de fabrication de noir d.e carbone de four, le noir de carbone dit "duveteux” recueilli du dispositif de filtration sur toile peut être soumis à des traitements complémentaires tels que : un pas— 30 tillage par voie humide 3 un pastillage par voie sèche 3 une densification ; une calcination 3 une oxydation superficielle à l’air, à l’ozone ou aux acides minéraux, un broyage tel qu’un broyage ù "chevilles, un broyage aux marteaux ou un broyage par 35 l’énergie d’un fluide; un traitement avec des agents

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4 tensio-actifs, des huiles ou des émulsions d'huiles et analogues»

Les toiles utilisées pour la fabrication des éléments de filtration sont habituellement cons— 5 tituées de fibres textiles tissées ou non tissées telles que les fibres de verre, de coton, de laine, de polyamide, de polyester, de polytétrafluoréthylène ou de leurs mélanges. Ces matières sont façonnées ou cousues en formes géométriques requises pour le dis-, 10 positif particulier de filtration sur toile utilisé.

Un dispositif de filtration habituellement employé est ce que l'on appelle un "filtre à sac" dont les éléments de filtration en toile ont une forme tubulai-: re allongée. Dans d'autres dispositifs connus de 15 filtration sur toile, on emploie des éléments de filtration en toile sous forme d'enveloppes, de feuilles, de boulons ou de disques. Dans certains autres dispositifs connus de filtration sur toile, on utilise des éléments de filtration en toile qui n'ont essentielle-20 ment aucune forme, la matière de filtration sur toile étant simplement utilisée sous forme d'un bourrage ou d'une .charge pour un élément à cartouche à travers lequel passe le courant de procédé chargé de particules .

25 Toutefois, quel que soit le dispositif particulier de filtration sur toile utilisé, il est essentiel que le courant de procédé chargé de particules conduit dans ce dispositif ait une température qui n'est pas élevée au point d'exercer un effet 30 néfaste sur les éléments de filtration en toile de ce dispositif. De même, il importe également que la température du courant de procédé conduit dans ce dispositif de filtration soit suffisamment élevée pour maintenir l'atmosphère régnant dans ce dernier à une 35 température supérieure au point de rosée de la compo- 5 santé gazeuse du courant de procédé, atténuant ainsi la condensation des produits condensables hors de ce courant. Si l’on ne parvient pas à respecter le premier critère -de température, on raccourcit bien enten-5 du excessivement la durée de vie de 1*élément de fil tration en toile. Si l’on ne parvient pas à respecter le deuxième critère de température, on recueille alors un produit en particules altéré et/ou imprégné obstruant les éléments de filtration en toile. Dans le cas î 10 d’opérations de fabrication de noir de carbone de four, si l’on recueille le noir de carbone humide dans le dispositif de filtration sur toile, on exerce des effets néfastes non seulement sur l’efficacité de : l’étape au cours de laquelle le noir de carbone est 15 recueilli, mais également sur l’efficacité et la qualité des opérations de parachèvement effectuées en aval, par exemple, le pastillage, la densification ou le traitement chimique ultérieur du noir de carbone recueilli, de même que sur la qualité et l’uniformité 20 du noir de carbone définitif.

Bien qu* il soit possible de refroidir un * · courant chaud de procédé chargé de particules en répondant aux critères de températures mentionnés ci—dessus au moyen d’échangeurs de chaleur indirects, î 25 le fonctionnement efficace et économique de ces échan geurs de chaleur pose un problème. Normalement, les températures que doit atteindre un courant de procédé chargé de particules pour être traité par filtration sur toile, se situent entre environ 149°C et environ 30 371°C. Un échange de chaleur indirect est habituel lement un procédé économiquement justifiable pour l’extraction de chaleur uniquement lorsque la chute de température devant être atteinte est relativement importante, par exemple, de l’ordre de 300°C ou plus, 35 dé même que, lorsque le courant chaud de procédé 6 devant être refroidi est à une température sensiblement supérieure à environ 5‘38°C. C’ est ainsi que, par exemple, pour refroidir un courant de procédé chargé de particules d’une température de 538°C à S environ 200°C par une technique d’échange de chaleur indirect, il faut généralement un équipement important et coûteux dont les facteurs économiques ne sont habituellement pas justifiés, même en supposant qu’il y ait un dédommagement total de l’énergie calorifique î 10 extraite# De plus, un équipement d’échange de chaleur indirect est habituellement conçu pour des opérations s’effectuant dans des conditions relativement statiques et, par conséquent, cet équipement est habituellement mal adapté pour effectuer un contrôle raison-15 nablement précis en réponse à des conditions opératoires fluctuantes· En conséquence, compte tenu des déficiences précitées, il est de pratique courante, dans les opérations se déroulant dans des installations chimiques, d’extraire tout d’abord et de récupé-20 rer9 du courant chaud de procédé et par échange de chaleur indirect, la plus grande quantité possible de chaleur que l’on peut envisager du point de vue économique, puis de refroidir davantage le courant de procédé à des températures appropriées pour la filtration 25 sur toile en y atomisant de l’eau à l’état liquide.

Ce refroidissement brusque du courant de procédé à des températures appropriées pour la filtration sur toile est normalement effectué en atomisant l1eau à l’état liquide sous pression ou avec 30 deux fluides dans le courant du procédé en un certain point situé relativement loin en amont de l'entrée du courant refroidi dans le dispositif‘de filtration sur toile. Par opposition à-la pulvérisation, 1’atomi- -sation est effectuée pour donner de minuscules gout-35 telettes qui, bien entendu, s’évaporent plus rapide- 7 ment que les gouttelettes relativement plus grosses pouvant être obtenues par des techniques habituelles de pulvérisation. Le conduit allongé intercalé entre le point d'atomisation de l'eau de refroidissement 5 dans le courant de procédé et le dispositif de filtra tion est prévu pour que l’eau liquide atomisée ait suffisamment le temps de s’évaporer complètement avant l'entrée du courant de procédé refroidi dans le dispositif de filtration sur toile. Bien entendu, il * 10 est évident que, si l’eau liquide ne s’évapore pas complètement dans le courant du procédé, il peut en résulter des difficultés semblables à celles qui ont déjà été mentionnées ci-dessus à propos de la condensation de la composante gazeuse du courant de procédé à 15 l’intérieur du dispositif de filtration sur toile,

La raison sous-jacente pour laquelle on prévoit un temps de séjour relativement long après l’atomisation de l’eau de refroidissement liquide dans le courant de procédé réside dans le fait qu’à • 20 la connaissance de la Demanderesse, ni les techniques d’atomisation à deux fluides, ni les techniques d’atomisation sous pression auxquelles on recourt habituellement dans des opérations industrielles, ne se prêtent à la formation de gouttelettes d’une dimension ’ 25 minuscule dans une gamme de conditions opératoires suffisamment large pour en assurer l’évaporation uniforme, rapide et complète dans le courant de procédé, Lors de l’atomisation sous pression, l’eau est chassée à travers un ajutage ayant un orifice res— 30 treint, tandis que l’efficacité à laquelle l’eau injectée est fractionnée en gouttelettes, et la grosseur moyenne de ces dernières dépendent largement des dimensions de l’orifice de l’ajutage d'atomisation et de la perte de charge engendrée en travers de cet 35 orifice, A son tour, le débit de l’eau à travers un 8 orifice ayant des dimensions données est évidemment fonction de la perte de charge î plus la perte de charge est élevée, plus le débit est important* Des variations mineures apportées dans l’un ou 1*autre 5 des paramètres ci-dessus exercent un effet très pro noncé sur 1*uniformité et la dimension des gouttelettes formées. Pour la plupart des installations chimiques industrielles, la dimension de l’orifice d’un ajutage donné de pulvérisation sous pression peut 5 10 être considérée comme un paramètre invariant. Toute fois, ce n’est normalement pas le cas en ce qui concerne ies débits et les pertes de charge. Dans des opérations effectuées dans des installations industrielles, la pression et le débit dans les canalisa-15 tions d’eau, de même que la température et le débit du courant de procédé devant être refroidi subissent · normalement d’importantes variations. Si la température et/ou le débit du courant chaud de procédé changent, par exemple, par suite de changements survenant dans 20 les conditions du réacteur en vue de modifier les propriétés du produit, il est habituellement également nécessaire de modifier le débit de l’eau de re-, froidissement brusque atomisée dans ce courant afin d*atteindre la température envisagée avant le traite-- 25 ment de filtration sur toile. Dès lors, d’importantes variations peuvent se produire incidemment ou à dessein dans la pression de l’eau amenée aux ajutages d’atomisation et, lors de la mise en oeuvre du procédé, il peut en résulter des périodes au cours desquelles 30 les ajutages d’atomisation sous pression ne fonctionnent pas et ne peuvent fonctionner jusqu’aux pertes de charge et aux débits pour , les quels. .ils ont été . conçus. Dans ces conditions, les gouttelettes formées par des techniques d’atomisation sous pression peuvent 35 être beaucoup plus grosses et leur uniformité peut 9 être réduite, ce qui nécessite des temps de séjour beaucoup plus longs dans le courant de procédé soumis · à un refroidissement brusque afin d’y assurer une évaporation complète de l’eau. Dans les ajutages 5 d’atomisation à deux fluides, on utilise un gaz propulseur en vue de fractionner un courant d’eau en gouttelettes minuscules à l’intérieur des ajutages, de . même que pour projeter ces gouttelettes (entraînées dans ce gaz) dans le courant gazeux de procédé. Afin 10 d’assurer un fonctionnement efficace de ces ajutages à deux fluides, on adopte généralement des débits volumétriques relativement importants pour le gaz propulseur, ce dernier n'étant normalement pas disponible en lui-même à l’endroit de l’installation et, 1-5 en tout cas, il constitue,dans le courant de procédé, une charge gazeuse supplémentaire qui, en définitive, doit être traitée dans le dispositif de filtration sur toile situé en aval.

Afin de porter au maximum le temps de sé-20 jour, dans le courant de procédé, de l’eau de refroidissement brusque atomisée sous pression ou par deux fluides, ainsi qu’on l’a mentionné, la méthode habituelle a consisté à intercaler un conduit d’un volume important ou ce que l’on appelle une "colonne montante" ' 25 entre le point d’atomisation de l’eau de refroidissement brusque dans le courant de procédé et le dispositif de filtration sur toile. Dans ces conditions dans lesquelles les dimensions des gouttelettes de l’eau de refroidissement brusque atomisée sont rèlativement 30 importantes, la vitesse d'évaporation de cette dernière peut être considérablement réduite dans le courant de procédé s’écoulant à travers la colonne montante.

Dans' des opérations de fabrication de noir de carbone de four, ces vitesses d’évaporation réduites peuvent 35 accroître les risques d'imprégnation et d*aggloméra- ίο tion de la composante en particules du courant de procédé à l’intérieur de la colonne montante, tandis que l’on recueille ainsi un noir de carbone comportant d’importantes.quantités de gros agglomérats durs. De 5 plus, étant donné que le courant de procédé peut très souvent être hautement corrosif, le conduit de la colonne montante doit également être très souvent réalisé en alliages coûteux résistant à la corrosion. Néanmoins, jusqu’à présent, la nécessité d’éviter la « 10 présence de liquides à l’intérieur du dispositif de filtration sur toile l’a emporté sur les déficits économiques considérables imposés par la construction et la mise en oeuvre d’une colonne montante d’un volume important en un alliage résistant à la corrosion 15 installée en amont, ainsi que sur le risque de rencontrer le phénomène précité de formation d’agglomérats de la composante en particules dans cette colonne montante j or, avant la présente invention, l’industrie a accepté à contrecoeur ces déficiences afin 20 d’assurer l’évaporation complète de l’eau de refroidissement brusque introduite dans le courant de pro-. cédé dans une large gamme de conditions opératoires. Suivant la présente invention, on élimine complètement ou, du moins, on remédie sensiblement aux 25 difficultés précitées.

Un objet principal de l’invention est de fournir un nouveau procédé pour le refroidissement d’un courant gazeux chaud chargé de particules.

Un autre objet de l’invention est de four-30 nir un nouvel appareil pour le refroidissement d’un courant gazeux chaud chargé de particules.

Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé intégré perfectionné en vue de séparer la composante en particules d’un courant chaud 35 de procédé chargé de particules.

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Un autre objet de la présente invention est de fournir un système intégré et perfectionné pour séparer la composante en particules d’un courant chaud de procédé chargé de particules* 5 Un autre objet encore de la présente inven tion est de fournir un procédé et un système intégrés et perfectionnés en vue de séparer un noir de carbone de four d’un courant chaud de procédé contenant ce type de noir de carbone* * 10 D’autres objets et avantages de la présente invention seront,en partie,évidents et apparaîtront, en partie également, à la lecture de la description ci-après *

Suivant la présente invention, on fait 15 passer un courant gazeux chaud chargé de particules à travers un conduit en forme de venturi ayant des dimensions et une géométrie conçues pour accélérer le courant de procédé à au moins Mach 0,25. Dans l’étranglement du conduit en forme de venturi, de 20 l’eau à l’état liquide est pratiquement injectée transversalement dans ce courant gazeux via un certain nombre d’orifices non restreints. En raison de l’écoulement énergétique du courant de procédé aux points d’introduction de l’eau liquide dans ce der-25 nier, les différents courants d’eau sont rapidement fragmentés, désintégrés et cisaillés en gouttelettes uniformes d’une dimension relativement minuscule, ce qui permet d’extraire la chaleur du courant gazeux par évaporation rapide des gouttelettes d’eau ainsi 30 formées. Le courant de procédé ou le gaz ainsi refroidi est conduit à travers un dispositif de filtration sur toile de façon à séparer la composante.en particules de la composante gazeuse.

Dans les dessins annexés : 35 12 la figure 1 est un schéma synoptique dont les traits pleins illustrent un appareil de refroidissement suivant 1*invention intégré dans une ligne spécifique de.fabrication de noir de carbone de four, 5 tandis que les traits discontinus représentent un ap pareil de refroidissement classique de la technique antérieure à une échelle relativement comparable ; la figure 2 est une coupe longitudinale schématique de la forme de réalisation de l’appareil * 10 de refroidissement de l’invention tel qu’il est il lustré en figure 1 ; la figure 3 est une coupe longitudinale schématique agrandie d’une partie de l’appareil de refroidissement illustré en figure 2.

15 En figure 1, on représente une ligne clas sique de fabrication de noir de carbone de four dont les éléments principaux sont désignés par les chiffres de référence 1, 9* 14 et 15· Une charge hydrocarbonée, un combustible et un agent oxydant gazeux 20 (habituellement l’air) sont introduits dans un réacteur 1 de fabrication de noir de carbone. Dans ce réacteur, le mélange obtenu est allumé et le mélange réactionnel en cours de combustion passe dans la chambre réactionnelle 5 à garnissage intérieur réfrac-25 taire où sont maintenues des conditions de formation de carbone. Habituellement, la température régnant dans cette chambre réactionnelle 5 est maintenue entre environ 1.315°C et environ 1*760°C, la température exacte dépendant principalement des propriétés 30 désirées du noir de carbone. Le contrôle de la température à l’intérieur de cette chambre réactionnelle 5 est habituellement assuré en calculant des proportions appropriées pour l’agent oxydant, le combustible et la charge qui sont acheminés vers le réacteur 1.

35 L’achèvement de la réaction de formation de carbone 13 est amorcée par ce que l’on appelle un "refroidissement brusque primaire" au cours duquel de l’eau est pulvérisée, par un ajutage 6, dans le mélange réactionnel à mesure que ce dernier avance à travers la 5 partie d’aval de la chambre réactionnelle 5· La vitesse à laquelle l’eau de refroidissement brusque est pulvérisée dans le mélange réactionnel, est calculée de manière appropriée de façon à abaisser rapidement la température du courant de procédé à environ ' 10 1.204°C ou moins. Etant donné qu’à ce stade du pro cédé, l’énergie thermique contenue dans le mélange réactionnel est relativement élevée, l’évaporation rapide de l’eau du refroidissement brusque primaire est assurée par inhérence et, normalement, le fonc-15 tionnement dè l’ajutage de refroidissement brusque 6 n’est pas critique.

Le courant de procédé ainsi obtenu et comprenant du noir de carbone en suspension dans des gaz de fumées est ensuite conduit du réacteur 1 vers 20 un échangeur de chaleur indirect 9 dans lequel ce courant de procédé est davantage refroidi, habituellement, à une température comprise entre environ 426 et 6480C. L’échangeur de chaleur indirect 9 est habituellement refroidi par l’agent oxydant de la com— 25 bustion utilisé dans le procédé de formation de noir de carbone afin de préchauffer cet agent avant son introduction dans le réacteur 1, permettant ainsi de récupérer d’importantes quantités de chaleur qui, dans'd’autres conditions, seraient perdues, tout en 30 améliorant l’efficacité thermique de l’ensemble du procédé.

Le noir de carbone est habituellement séparé du courant de procédé dans un dispositif de filtration sur toile 15 tel qu’un filtre à sac, le 35 courant de procédé passant à travers des éléments de •i- 14 filtration en toile poreuse de façon à retenir la charge de noir de carbone sur le côté d'amont de ces éléments, tout en laissant passer les gaz du procédé au travers. Le noir de carbone séparé et recueilli 5 dans ce dispositif de filtration sur toile 15 est ensuite conditionné ou traité d’une autre manière, ainsi qu’on l’a décrit précédemment.

Afin de préserver les éléments de filtration en toile du dispositif 15> il est tout d’abord 10 nécessaire de refroidir davantage le courant de procédé qui est encore relativement chaud et qui quitte l’échangeur de chaleur indirect 9* habituellement à une température comprise entre environ 149°C et environ 371°Cj la température exacte envisagée étant 15 déterminée dans une large mesure par les deux considérations suivantes : le point de rosée de la composante gazeuse du courant de procédé et la stabilité thermique des éléments particuliers de filtration en toile utilisés dans le dispositif 15· 20 Selon la méthode classique, on effectue ce refroidissement supplémentaire ou ce "refroidissement brusque secondairé" du courant de procédé de fabrication de noir de carbone de four avant sa filtration sur toile en Élisant passer le courant de procédé par-25 tiellement refroidi de l’échangeur de chaleur indirect 9 à travers un conduit vertical, allongé et d’un volume important ou une colonne montante 149 tout en atomisant de l’eau dans l’extrémité d’amont de ce conduit ou de cette colonne. A titre de comparaison, cette 30 colonne montante 14 peut avoir spécifiquement, par exemple, une longueur d’environ 30,48 m, un diamètre d’environ 1,524 m et elle est habituellement réalisée en un alliage coûteux résistant à la corrosion. A l’extrémité d’amont de cette colonne montante 14, sont 35 disposés un ou plusieurs ajutages 16 d’atomisation 15 sous pression, ou à deux fluides par lesquels de l'eau de refroidissement brusque est atomisée dans le courant de procédé à une vitesse suffisante pour refroidir ce dernier a la ..température envisagée choisie# Pour une 5 large part, la longue partie de la colonne montante 14 qui est située en aval des ajutages 16, est prévue en vue d'assurer un temps de séjour suffisant du courant de procédé soumis au refroidissement brusque afin d'évaporer complètement l'eau de refroidissement brus-• 10 que atomisée avant l'introduction de ce courant de procédé dans le dispositif de filtration sur toile 15# Pour quelque raison que ce soit, si les gouttelettes d'eau atomisées doivent avoir une dimension relativement importante, par exemple, de l'ordre d'environ 15 300 x 10"^ m ou plus, leur vitesse d'évaporation dans le courant de procédé sera relativement faible, créant ainsi un grand risque d'un contact important entre la composante constituée par le noir de carbone en particules en suspension avec l'eau liquide au cours 20 de la circulation du courant de procédé à travers la colonne montante 14# Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, si cette imprégnation des particules de noir de carbone vient à se produire, les particules ainsi imprégnées peuvent alors entrer en collision 25 l'une avec l'autre en formant de gros agglomérats#

De même, les particules imprégpées du noir de carbone peuvent entrer en contact avec les parois de la colonne montante 14, provoquant ainsi une concrétion et une prise en masse du noir de carbone sur ces pa-30 rois #

Suivant la présente invention et en se référant aux traits pleins de la figure 1, ainsi qu'aux figures 2 et 3 d'une manière générale (dans toutes ces figures, les mêmes chiffres de référence 35 désignent les mêmes structures), le courant de pro- 16 cédé relativement chaud et chargé de particules sortant de 1*échangeur de chaleur indirect 9 est envoyé à travers un conduit en forme de venturi 20 dont la géométrie êt .la forme sont adaptées pour accélérer ce 5 courant à au moins environ Mach 0,25 dans l'étrangle ment 24 de ce conduit# Par 1* expression "nombre de Mach ", on entend le quotient numérique, sans dimension de la vitesse réelle du courant de procédé, divisé par la vitesse locale du son à l'intérieur de ce courant# 10 Dès lors, le nombre de Mach du courant de procédé dépend à la fois de la température et de la composition et il peut être aisément déterminé pour n'importe quel ensemble donné de conditions en prenant pleinement en considération la température et la composition 15 du courant de procédé particulier en cause# La dimension et la géométrie du conduit en forme de venturi 20 seront avantageusement choisies de façon à"accélérer le courant de procédé à un nombre de Mach d'au moins 0,4 à l'intérieur de l'étranglement 24.

20 Le conduit en forme de venturi 20 comprend une partie d’amont 22 d’une convergence relativement rapide, un étranglement 24 et une partie d’aval 26 d'une divergence relativement douce. Dans la forme de réalisation particulière de l'invention illustrée . 25 dans les dessins annexés, au milieu et le long de la ligne centrale longitudinale de l'étranglement 24, est située une conduite d'alimentation 25 se terminant par un chapeau en bout 27# La conduite d’alimentation 25 est maintenue dans sa position centrale au moyen 30 d'une entretoise 28 s'étendant à partir de la paroi de la partie convergente 22 du conduit en forme de venturi 20# Le chapeau en bout 27 comporte plusieurs ori— fices non restreints ^ qui sont orientés radialement par rapport à la ligne centrale longitudinale du con-35 duit en forme de venturi 20 et à travers lesquels de t » 17 l'eau de refroidissement à l'état liquide est pratiquement introduite transversalement dans le courant de procédé s’écoulant à travers l’étranglement 24· Le réglage du débit de l’eau de refroidissement brusque 5 à travers les orifices 29 peut être assuré par la combinaison d’une soupape d’alimentation d’eau 50 et d’un dispositif de réglage 51· Ce dispositif de ré-glage 51 reçoit, d’un thermocouple de sortie TQ, des informations relatives à la température du courant de * 10 procédé, puis il intègre ces données vis-à-vis d’une température présélectionnée donnée ou fixée et il réagit en réglant la soupape d’alimentation d’eau 50 de la manière requise pour atteindre la température fixée du courant de procédé soumis à un refroidisse— 15 ‘ment brusque· Etant donné que la présente invention dépend principalement de l’énergie cinétique du cou- rant’ de procédé accéléré pour fractionner 1 ’ eau de refroidissement brusque en minuscules gouttelettes et pour disperser ces dernières dans ce courant, le ou 20 les diamètres des orifices non restreints 29 et la pression (ou le débit) à laquelle l’eau de refroidissement passe à travers ces orifices, sont susceptibles de subir d’importantes variations et ils ne sont normalement pas critiques en ce qui concerne la formation 25 de gouttelettes minuscules, uniformes et pouvant s’évaporer rapidement à l’intérieur du courant de procédé. Cette caractéristique avantageuse de la présente invention s’écarte nettement des paramètres critiques intervenant normalement dans le fonctionne— 30 ment d’ajutages d’atomisation sous pression ou à deux fluides selon la technique antérieure. Le nombre et le ou les diamètres des orifices 29 sont avantageusement choisis de telle sorte que, dans la gamme envisagée pour les débits d’eau de refroidissement brusque 35 intervenant dans le procédé particulier envisagé, une 18 pression suffisante soit créée à chacun de ces orifices pour projeter le courant d’eau de refroidissement brusque qui en résulte^ dans le courant de procédé au moins à urie .faible distance de la surface du chapeau 5 en bout 27 avant que le courant d’eau de refroidisse ment brusque ne subisse une désintégration et une fragmentation importantes* L1angle inclus de divergence de la partie divergente 26 du conduit en forme de venturi 20 n’est 10 généralement pas critique. Toutefois, il est préférable que cet angle de divergence se situe dans ^intervalle compris entre environ 6 et environ 14° et, selon une caractéristique davantage préférée, dans 1*intervalle compris entre environ 7 et environ 10°.

15 Si ces limites préférées sont respe'ctées, cette partie divergente 26 agira généralement à la manière d’un diffuseur, minimisant ainsi la perte de charge créée en travers du conduit 20 pour une accélération donnée du courant de procédé, tout en prolongeant la distance 20 sur laquelle ce courant conserve une grande vitesse.

Dans une autre forme de réalisation préférée de ^invention, au moins la partie divergente 26 du conduit en forme de venturi 20 est isolée thermiquement, par exemple, au moyen d’un revêtement calorifuge 30. Cette 25 isolation 30 sert à atténuer les forces d’entrainement de dépôt thermique du courant chaud de procédé, forces qui, dans d’autres conditions, pourraient avoir tendance à provoquer au moins un certain dépôt de la composante en particules dé ce courant sur les sur-30 faces situées immédiatement en aval de l’étranglement 24.

Dans une autre forme de réalisation préférée de l’invention, l’extrémité d’amont de la partie convergente 22 du conduit en forme de venturi 20 est 35 alimentée par une courte longueur d’un conduit 18 corn- 19 portant un élément de rectification d’écoulement 19. Cet élément 19 installé immédiatement avant le conduit en forme de venturi 20 a pour effet de minimiser les turbulences et les remous à 1*intérieur 5 du courant de procédé à mesure que ce dernier se rap proche de ce conduit 20, assurant ainsi une accélération efficace dans ce dernier* « Compte tenu de la désintégration et de 1*évaporation extrêmement rapides de l’eau de refroi-• 10 dissement brusque introduite dans le courant de pro cédé suivant la présente invention, tant le conduit " en forme de venturi 20 que le conduit 31 qui établit une communication entre l’extrémité d’aval de ce conduit 20 et l’entrée du dispositif de filtration sur 15- toile 15, peuvent être beaucoup plus compacts (à une échelle opératoire égale) que les systèmes de refroidissement brusque secondaire du type à colonne montante selon la technique antérieure, ce qui représente un important avantage offert par la mise en oeuvre de 20 la présente invention car, comme on l’a indiqué précédemment, les systèmes de refroidissement brusque secondaire à colonne montante de la technique antérieure impliquent habituellement des appareils ayant des longueurs et des volumes relativement très impor— 25 tants. En adoptant le procédé et l’appareil de la présente invention, par exemple, un courant de procédé de fabrication de noir de carbone de four du même type que celui envisagé pour l’établissement des dimensions de la colonne montante 14 dont il a été 30 fait mention ci-dessus à propos de la technique antérieure, peut être efficacement refroidi à une température envisagée dans un conduit en forme de venturi 20 suivant la présente invention ayant des diamètres d’entrée et de sortie d’environ 0,8128 m, un étrangle-35 ment d’un diamètre d’environ 0,4004 m et une longueur 20 totale comprise entre environ 3*6576 m et environ 4,572 m. De plusj la longueur ou le volume du conduit 31 est déterminé pratiquement uniquement par la nécessité d*établir une communication étanche aux 5 fluides pour le courant de procédé refroidi dans le dispositif de filtration sur toile 15· De plus, 1*appareil de 1'invention ne doit pas nécessairement être orienté verticalement comme c'est le cas dans les colonnes montantes de la technique antérieure mais, 10 au contraire, on peut lui donner n'importe quelle orientation appropriée en considération de l'espace disponible et de la disposition efficace de l'installation.

En outre, la présente invention est beau-15 coup moins sensible aux variations de température à l'entrée du courant de procédé que dans la technique antérieure à colonne montante selon laquelle on soumet l'eau de refroidissement brusque à une atomisation sous pression. En adoptant ce dernier procédé de 20 la technique antérieure, par exemple, une diminution d'environ 38°C de la température d'entrée du courant de procédé amené à la colonne montante 14 a pour effet de réduire d'environ 20% le débit d'eau devant être atomisée sous pression dans le courant de procédé 25 pour atteindre la température envisagée. Toutefois, si la pression dteau est réduite de 20% afin de régler le débit du courant d'eau descendant, la grosseur moyenne des gouttelettes obtenues par atomisation sous pression est nettement accrue, au même titre 30 que le temps de séjour requis pour évaporer ces plus grosses gouttelettes et le volume du conduit d'aval nécessaire pour assurer ce' temps de séjour accru. Toutefois, en adoptant le procédé et l'appareil de la présente invention, une réduction analogue de la tem-35 pérature d'entrée du courant de procédé et une réduc- 21 tion semblable du débit d’eau de refroidissement brusque n*entraînent qu'un accroissement relativement mineur de la dimension des gouttelettes et également un- accroissement relativement mineur du 5 temps de séjour requis pour assurer une évaporation complète de ces gouttelettes. Dès lors, contrairement aux systèmes de la technique antérieure à colonne montante, l’accroissement de la longueur ou du volume du conduit d’aval est faible, voire nulle dans ' 10 l’appareil de la présente invention pour établir un temps de séjour adéquat afin d’assurer une évaporation complète de l’eau de refroidissement brusque eri réponse aux fluctuations de température et de débit survenant dans le courant de procédé et le courant de 15 d’eau de refroidissement brusque. De même, bien que le cisaillement et la désintégration de l’eau de refroidissement brusque introduite dans le courant de procédé suite à la mise en oeuvre de la présente invention puissent être considérés comme un type 20 d’atomisation à deux fluides, le gaz propulseur pour l’atomisation de l’eau de refroidissement brusque ne constitue pas un diluant externe, le courant de procédé et le gaz propulseur constituant une seule et même entité. Dès lors, le procédé et le système dé 25 la présente invention permettent d’éviter une dilution complémentaire du courant de procédé et il n’est pas nécessaire d’accroître la capacité de traitement de gaz du dispositif de filtration sur toile 15·.

Bien que, à des fins d’illustration, la 30 présente invention ait été décrite en détail ci- dessus uniquement en se référant à une ligne de fabrication. de noir de carbone de four et uniquement en termes de séparation finale de la composante en particules par filtration sur toile, il est évident que 35 la présente invention peut être appliquée avantageuse- ·, < 22 ment à de nombreuses autres installations de traitement chimique dans lesquelles il est nécessaire de refroidir un courant gazeux chaud de procédé contenant des solides en particules en suspension.

5 De même, bien que la présente invention ait été décrite ci—dessus en se référant à certaines de ses formes de réalisation préférées, il est à noter . que la description ci—dessus est donnée uniquement à titre d’illustration et qu’elle ne limite nullement 10 l’invention. Par exemple, bien que l’appareil spécifique illustré et décrit comporte un chapeau en bout 27 installé au centre de l’étranglement 24 du conduit en forme de venturi 20, ce chapeau 27 faisant office d’élément final pour l’introduction de l’eau de refroi-15 dissement brusque dans le courant de procédé, il est évident que l’on peut envisager d’autres' équivalents fonctionnels de ce système. Par exemple, l’élément prévu pour introduire l’eau de refroidissement brusque peut également être réalisé sous forme de plusieurs 20 orifices radiaux pénétrant dans la paroi périphérique et situés sur la périphérie de l’étranglement 24 du conduit en forme de venturi 20. Ces orifices peuvent alors être entourés d’un collecteur commun équipé d’une conduite d’alimentation d’eau.

25 Bien entendu, l’homme de métier reconnaî tra de nombreuses autres réalisations équivalentes appropriées de l’appareil et du procédé de l’invention et il est entendu que tous ces changements, variantes, modifications et analogues rentrent dans le 30 cadre et l’esprit essentiels de l’invention tels qu’ils sont définis dans les revendications ci-après.

35

Claims (28)

1· Procédé de refroidissement d'un courant gazeux chaud chargé de particules avant d'en recueillir la composante en particules, ce procédé consistant 5 à atomiser de l'eau à l'état liquide dans ce courant en une quantité calculée de façon à en extraire la chaleur par évaporation de l'eau liquide qui y est ainsi atomisée, ce courant étant refroidi à une température supérieure à son point de rosée, caractérisé en 10 , ce qu'on fait passer ce courant gazeux chaud chargé de particules à travers un conduit (20) relativement compact sous forme d'un venturi comportant une partie convergente d'amont (22), une partie divergente d'aval (26) et un étranglement (24) entre ces deux parties ; 15 'ce courant gazeux étant accéléré à un nombre de Mach d’au moins environ 0,25 dans cet étranglement (24) tandis que, dans cet étranglement, on introduit, pratiquement transversalement dans le courant gazeux, l’eau de refroidissement devant être atomisée sous 20 forme de plusieurs courants,

2, Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l’étranglement (24), le courant gazeux chaud chargé de particules est accéléré à un nombre de Mach d’au moins environ 0,4· 25

3* Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l’eau liquide est introduite pratiquement transversalement et vers 1’extérieur dans le courant gazeux à partir d’un élément central (27) installé dans l’étranglement, cet élément (27) compor-30 tant plusieurs orifices (29) non restreints orientés radialement·

‘ 4· Procédé suivant la revendication 3j caractérisé en ce que le débit de l’eau introduite----- à partir de cet élément (27) est suffisant pour pro-35 jeter chacun des courants d’eau liquide dans le cou— « « rant gazeux au moins à une faible distance de la surface de cet élément (27) avant que cette eau liquide ne subisse une désintégration et une fragmentation importantes.

5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie divergente d'aval (26) forme un angle inclus se situant dans l'intervalle allant d'environ 6 à environ 14°·

6. Procédé suivant la revendication 1, 10. caractérisé en ce qu’au moins la partie divergente d’aval (26) du conduit (20) en forme de venturi est isolée thermiquement.

7, Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pratiquement immédiatement 15 avant l’introduction du courant gazeux chaud chargé • de particules dans la partie convergente d’amont (22) du conduit (20) en forme de venturi, l’écoulement du courant gazeux est rectifié afin d’y atténuer les turbulences et les remous.

8. Procédé suivant l’une quelconque des . revendications 1 à 7} caractérisé en ce que le courant gazeux chaud chargé de particules est un courant de procédé de fabrication de noir de carbone de four* .

9. Procédé intégré en vue de séparer une 25 composante en particules d’un courant gazeux chaud chargé de particules, ce procédé consistant à refroidir ce courant gazeux chaud chargé de particules en y atomisant de l’eau à l’état liquide de façon à extraire la chaleur de ce courant par évaporation de 30 l’eau liquide qui y est ainsi atomisée, puis faire passer le courant ainsi refroidi et chargé de particules à travers un dispositif de filtration sur toile (15), la quantité d’eau ainsi atomisée étant suffisante pour refroidir le courant à mie température suffisant— 35 ment basse pour empêcher la détérioration des éléments * * de filtration en toile de ce dispositif (15)j cette température étant cependant suffisamment élevée pour maintenir 1*atmosphère régnant dans ce dispositif (15) au-delà du point de rosée de la composante gazeuse 5 de ce courant gazeux chargé de particules, caractérisé en ce que le courant gazeux chaud chargé de particules est refroidi en le faisant passer à travers un conduit (20) relativement compact en forme de venturi comprenant une partie convergente d’amont (22), une partie 10 divergente d*aval (26) et un étranglement (24) entre ces deux parties j ce courant étant accéléré à un nombre de Mach d’au moins environ 0,25 dans l’étranglement (24) tandis que, dans ce dernier, on introduit, pratiquement transversalement dans le courant gazeux, 15 plusieurs·courants de l’eau devant être atomisée, le débit de l’eau liquide ainsi introduite étant calculé de façon à refroidir ce courant à une température se situant dans les limites précitées*

10. Procédé intégré suivant la revendica— 20 tion 9, caractérisé en ce que, dans l’étranglement (24)f le courant gazeux chaud chargé de particules est accéléré à un nombre de Mach d’au moins environ 0,4.

11. Procédé intégré suivant la revendica— 25 tion 9, caractérisé en ce que le dispositif de filtration sur toile (15) est un filtre à sac.

12. Procédé intégré suivant la revendication 9p caractérisé en ce que l’eau liquide est introduite pratiquement transversalement et vers l’exté— 30 rieur dans le courant gazeux à travers un élément (27) installé au centre de l’étranglement (24), cet élément (27)_comportant plusieurs orifices (29) non restreints orientés radialement.

13. Procédé intégré suivant la revendica— 35 tion 12, caractérisé en ce que le débit de l’eau in- â> troduite à partir de l'élément (27) est suffisant pour projeter chacun des courants d'eau liquide dans le courant gazeux au moins à une faible distance de la surface de..cet élément (27) avant que cette eau 5 liquide ne subisse une désintégration et une fragmen tation importantes.

14* Procédé intégré suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la température du courant gazeux refroidi est contrôlée continuellement, . 10 tandis que le débit de l'eau introduite dans le cou rant gazeux chaud chargé de particules est réglé en fonction de cette température.

15. Procédé intégré suivant la revendica- tion 9, caractérisé en ce que la partie divergente 15 d'aval (26) forme un angle incitas se situant dans l'intervalle compris entre environ 6 et environ 14°·

16. Procédé intégré suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'au moins la partie divergente d'aval (26) du conduit en forme de venturi (20) 20 est isolée thermiquement.

17· Procédé intégré suivant la revendication 9p caractérisé en ce que, pratiquement immédiatement avant l'introduction du courant gazeux chaud chargé de particules dans la partie convergente 25 d'amont (22) du conduit en forme de venturi (20), l'écoulement de ce courant gazeux est rectifié afin d'y atténuer les turbulences et les remous.

18. Procédé intégré suivant l'une quel- . conque des revendications 9 à 17* caractérisé en ce 30 que le courant gazeux chaud chargé de particules est un courant de procédé de fabrication de noir de carbone de four.

19· Système intégré en vue de séparer une composante en particules d'un courant gazeux chaud 35 chargé de particules, ce système comprenant un conduit * conçu pour recevoir un courant gazeux chaud chargé de particules, ainsi qu,un élément en vue d’atomiser de l’eau à l’état liquide dans ce courant gazeux s’écoulant à travers ce conduit afin de refroidir 5 ce courant par évaporation de l’eau liquide atomisée, de même qu’un dispositif de filtration sur toile (15) destiné à recevoir le courant gazeux ainsi refroidi et chargé de particules venant de ce conduit, de même que pour séparer la composante en particules de la - 10 composante gazeuse de ce courant, caractérisé en ce que ce conduit est un conduit (20) relativement com-». pact en forme de venturi comportant une partie con vergente d’amont (22), une partie divergente d’aval (26) et un étranglement (24) entre ces deux parties, ' 15 . les dimensions et la configuration de ce conduit en forme de venturi (20) étant -conçues pour accélérer un courant gazeux chaud chargé de particules à un nombre de Mach d’au moins environ 0,25 dans l’étranglement (24), de même qu’un élément en vue d’introduire plu-20 sieurs courants d’eau liquide pratiquement transversalement dans le courant gazeux dans cet étranglement • (24) à un débit calculé pour refroidir le courant gazeux suffisamment afin d'empêcher la détérioration des éléments de filtration en toile du 25 dispositif de filtration sur toile (15)> mais en maintenant la température de l’atmosphère régnant dans ce dispositif de filtration sur toile (15) au-delà du point de rosée de la composante gazeuse du courant gazeux refroidi· 20

20· Système intégré suivant la revendica tion 19, caractérisé en ce que le dispositif de filtration sur toile (15) est un filtre à sac.

21, Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce qu’il comprend également 35 un élément de rectification d’écoulement (18) situé * pratiquement immédiatement en amont de la partie convergente d’amont (22) du conduit en forme de venturi (20), cet élément de rectification d’écoulement (18) étant conçu pour atténuer les turbulences et les S remous dans le courant gazeux chaud chargé de parti cules ·

22. Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce que la partie divergente d’aval (26) du conduit en forme de venturi (20) forme 10 un angle inclus se situant dans l’intervalle allant d’environ 6 à environ 14°·

23· Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce que l’élément destiné à introduire plusieurs courants d’eau liquide comprend 15 un élément (27) situé au centre de l’étranglement (24) du conduit en forme de venturi (20), cet élément (27) comportant plusieurs orifices (29) non restreints orientés r a étalement', ainsi qu’une conduite d’alimentation d’eau (25) communiquant avec cet élément (27), 20 cette conduite .d’alimentation (25) s’étendant à tra- · vers une paroi latérale du conduit en forme de venturi (20).

24· Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce qu’il comprend un élément 25 détecteur de température (T ) situé entre l’extrémité d’aval du conduit en forme de venturi (20) et l’entrée du dispositif de filtration sur toile (15)> un élément à soupape (50) en vue de régler le débit d’eau liquide introduite dans le courant gazeux dans l’étran-30 glement (24), ainsi qu’un élément de commande (51) communiquant avec l’élément détecteur de température (Tq) et Sectionnant pour-commander. l’élément.~à soupape (50) en réponse à la température détectée par l’élément (T ). o' 35 m

25# Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce que les· dimensions et la configuration du conduit en forme de venturi (20) sont conçues poixr. accélérer le courant gazeux chaud chargé 5 de particules à un nombre de Mach d’au moins environ 0,4 dans l’étranglement (24) de ce conduit«

26, Système intégré suivant la revendication 19, caractérisé en ce qu’au moins la partie divergente d’aval (26) du conduit en forme de venturi 10 (20) est isolée thermiquement«

27« Système intégré suivant la revendication 26, caractérisé en ce que la partie divergente d’aval (26) du conduit en forme de venturi (20) forme un angle inclus se situant dans l’intervalle allant 15 d’environ 6 à environ I40·

28, Système intégré suivant l’une quelconque des revendications 19 et 20, caractérisé en ce qu’il comprend également un échangeur de'chaleur indirect (9) communiquant avec et situé en amont du con-20 duit en forme de venturi (20), de même qu’un réacteur . (l) de formation de noir de carbone de four communiquant avec et situé en amont de cet échangeur de chaleur indirect (9)· 25