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Dispositif pour la réalisation de réactions exothermiques entre gaz au contact d'un catalyseur solide.
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8'reante invention a pour obJaun 1)o-j e:Í:tif:pol1r" la réalisation de "réaotions .xBxé+à14càt+' entre gaz' al.1 contaèt- d tun catâ1:féJ'nXi 01a1!f/et7t\ii'R1'1ft:¯- métt .paa:-'f'â'b'ica^iiin ntl'ti,o.,btâ"é aax dépens 'de mélangs. drg S'é'f t"; T'd. , Ç-'''â ''.'". . .,.o;",'ip' de bÍè1ânl?;os \'d:'hfd²bh4'èthd 'b\t"stéo/'ât1bi; un f a:t.ij\'tt6si tif ètr11Wh't:1'\et:fg''tti'n1tilàf/!t'ffpÓtlr' "9.a r6Ss.38a-'ti-'a"''Lyr''3C3 k ',',s'"'n'i'9''t \ù.fr 'cén- tact 'd "## "oa.1"se '"1àt\Jll\i!(i\;}Ij, ÓJ:ti.:l':iêi'14 -9 orânsaante:
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un échangeur, an tube catalyeour et an oa plisieurs ap- pareils de chauffage da mélange gazeux frais, ces organes pouvant être suivant les cas,placés dans une ou plusieurs enveloppes distinctes.
Trois formes d'exécation d'un dispositif suivant cette invention sont représentées au dessin ci-annexé à titre d'exemple.
La fig. 1 est un schéma d'une forme dans la- quelle les trois organes précités sont séparés l'on de l'antre.
La fig. 2 montre schématiquement une seconde forme dans laquelle le tube catalyseur et l'appareil de chauffage sont réunis dans une même enveloppe.
Les fig. 3 et 4 représentent an coupe verticale et de façon détaillée les organes essentiels de cette se- oonde forme d'exécution.
Les fig. 5 et 6 représentent schématiquement ane troisième forme d'exécution comportant divers perfection- nements aux dispositifs ci-dessus.
La fig. 7 est une coupe verticale de l'appareil de chauffage et de catalyse utilisé dans cette troisième forme d'exécution., cette coupe étant faite suivant la ligne brisée VII-VII de la fig. 9.
La fig. 8 est une coupe verticale partielle du bas de cet appareil, suivant la ligne VIII- VIII de la fig. 9.
La fig. 9 est une coupe suivant la ligne IX-IX de la fig. 7.
La fig. 10 est une coupe horizontale partielle suivant la ligne X-X de la fig. 7.
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Suivant la fig. 1, le mélange gazeux frais arri- vant par 1,2 dans l'échangeur, A, circule dans l'espace 3 compris entre les tubes 4, sorttpar 5, entre par 6 dans l'espace 7 compris entre les tabes 8 du faisceau cataly- qeur B,en sort par 9 et se rassemble,après avoir tra- versé le dispositif de chauffage 10.,dans la capacité 11, d'où il passe dans les tabes 8 qui contiennent la masse de contact 8a; les produits de la réaction sont amenés, par 12 et 13, à l'échangent d'où ils sortent par 14.
Une des caractéristiques du dispositif qui fait l'objet de la présente invention consiste à court-circui- ter, d'une part, l'échangeur A, d'autre part, l'espace intertubulaire du catalyseur B, par exemple aa moyen d'an by-pass 16, 16 à robinet 17, qczi met la tuyauterie 1 amenant le mélange frais à l'échangeur en communication directe avec la tuyauterie 5 de sortie de cet appareil; et d'un by-pass 18-19 à robinet 20,qui relie la tuyauterie 6 amenant le gaz dans l'espace intertubu- laire da faisceau catalyseur à la tuyauterie 9 d'adduc-. tion du gaz dans l'appareil de chauffage.
Un autre mode d'application de ce principe consiste, comme le représente à titre d'exemple la fig.
2, à disposer sur les tuyauteries deux appareils iden- tiques C et D qu'on désignera dans ce qui sait du nom de répartiteurs; ces appareils sont représentés sous la forme de robinets à boisseau dont la carotte porte trois canaux et ane encoche, mais on peutles constituer de toute autre manière susceptible de réaliser le fonction- nement ci-après:
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Le répartiteur C sert à diviser le courant du mélange gazeux utilisé comme matière première en deux branches, dont il permet de régler à volonté le rapport des débits, et dont une seule traverse l'échangeur A;
avec le mélange de la figure 2, par exemple, une rota- tion de la carotte dans le boisseau dans le sens de la flèche X a pour effet de diminuer le débit à travers 1'- échangeur A en augmentant d'autant le débit du courant qui,par 1, 21 et 22,se rend directement au répartiteur
D.
D'ane manière analogue, le répartiteur D sert à diviser le courant gazeux sortant du répartiteur C en deux branches,dont il permet de régler à volonté le rap- port des débits, et qui sont ensuite dirigées, liane, sar l'espace intertubulaire 7 du faisceau catalyseur B, pais sur le dispositif de chauffage 10, l'autre directement sar ce dispositif de chauffage. Dans le cas de la fig. 2, par exemple, la première branche du course passe par 23,24, 6,7,25 et 26, la seconde par 23,27 et 9;une rotation de la carotte du boisseau dans le sensée la flèche Y augmente le débit de la première aux dépens du débit de la seconde.
L'emploi des deux répartiteurs qu'on vient de ce. orire permet de régler convenablement la témpétature de la masse de contact,et,par voie de conséquence, d'une part, de combattre aussi bien le développement de certaines réac- tions parasites de la réaction principale que les effets pernicieux qui résultent, pour l'activité d'un grand nombre de cataly seurs, de leur maintien à une température trop éle- vée; d'autre part, de rendre la production horaire par litre de volume catalytique indépeante des variations
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d'activité de la masse de contact.
Sur la fig. 2, les deux répartiteurs sont repré- sentés dans la position qui correspond pour les tubes da faisceau au catalyseur B au régime le plus chaud; une rota- tion de leurs carottes dans le sens des flèches X et Y per- met de modifier ce régime par suite de la mise en circula- tion dans l'espace intertubulaire d'an courant gazeux dont le débit est réglable et dont on peut en outre faire varier la température initiale entre des limites écartées.
De son côté le tube de catalyse B représenté sché matiquement par la figo 3,présente cinq caractéristiques essentielles, savoir:
1 ) La masse de contact est chargea dans une série de tubes verticaux 8 fixés à leurs deux extrémités sur deux plaques métalliques horizontales 28,29;la plaque supérieure 28 est fixée par des vis ou des boulons sur un rebord 30 de l'enveloppe en acier 31 qai supporte la pres- sion de marche,tandis que la plaque inférieure 29 est laissée libre de se déplacera l'ensemble du faisceau se trouve ainsi suspendu à l'intérieur de l'enveloppe.
2 -¯)La masse de contact est retenue à l'inté- rieur des tubes 8 par une plaque perforée 32 qui fait partie d'une pièce métallique 33, endorme de boîte creuse assemblée avec la plaque de fond par un joint étanche 34.
Le serrage de 33 sur 29 est assuré par des vis de serrage
35 portées par une pièce 36, laquelle prend appui sur un bossage 37 de la plaque de fond 29 par un filetage à filets interrompus, ou de toute autre manière permettant un démontage rapide.
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3 ) Une chambre 10 est ménagée suivant l'axe , du tube à catalyse et renferme le dispositif de chauffage du mélange gazeux frais; ce dispositif de chauffage, indiqué schématiquement en 38 et suspendu à un bouchon auxiliaire 39, est complètement indépendant du reste de l'appateil.
4 ) Le gaz de l'espace intertubulaire est amené au contact du dispositif 38 par un organe famé de deux tubes coaxiaux 40 et 41, assemblés de manière rigide, à leur partie supérieure, sur on même couvercle annualire;à la partie inférieure, l'on de ces tubes est fixé à deneu- re sur la plaque de fond 29,tandis que l'autre est laissé libre de glisser sur un épaulement 29a de cette même pla- que. L'ensemble des deux tubes glisse d'autre part libre- ment, à la partie supérieure, µ travers un orifice circu- laire ménagé dans la plaque 28, t'étanchéité du joint étant assurée par une garniture plastique 42.
Si) Deux tubes coaxiaux de faible diamètre,43 et ,, 44, fixés sur la plaque de fond,sont engagés à frottement doux dans des alésages correspondants du bouchon infé- rieur 45 de l'enveloppe en acier 31, l'étanchéité des assemblages étant assurée par des garnitures plastiques 46 et 47 serrées l'une pas? le bouchon 45, l'autre par un presse-étoupe 48.
Le tube 43 sert à l'introduction directe dans la chambre de chauffage 10 du mélange gazeux frais amené par la tuyauterie 9.
Le tube 44 sert à l'évacuation à l'extérieur de l'enveloppe des produits de la réaction qui, à la sortie des tubes du faisceau,se rassemblent dans la
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botte 33 et s'écoulent par un orifice 49 dans l'espace annulaire compris entre 43 et 44.
Le fonctionnement du tube catalyseur qui vient d'être décrit est le suivant:Les deux branches da mélange gazeux frais.,que sépare le répartiteur D, pénètrent dans le tube de catalyse, l'une par 6, l'autre par 9. Le gaz introduit par 6 parcourt en s'élevant l'espace intertubu- laire 7, pénètre par les orifices 26 dans l'espaoe annu- @ laire compris entre les tabes 40 et 41, curcule de haut en bas entre ces tabes, et, par les orifices 26, entre dans la chambre eehehauffage 10, où il se mélange au gaz arrivant par 9.
Le mélange monte le long du dispositif de chauffage 38 jusqu'à, la chambre supérieure 11, d'où il passe dans les tubes 8 contenant la masse de contacta il parcourt ces tubes de haut en bas et se rassemble dans ba botte 33 pour être finalement évacué par l'orifice 49, l'espace annulaire compris entre 43 et 44 et la tuyau- terie 13.
Les propriétés caractéristiques de l'appareil ainsi agencé sont les suivantes a) L'étanchéité du dispositif qai règle la oirculation daùgaz est assurée au moyen d'un nombre mini- me de garnitures plastiques, lesquelles n'ont en oratre que de (faibles diamètres. b) Les différents éléments de ce dispositif sont néanmoins entièrement libres de se dilater; cela permet de faire abstraction, dans le choix des métaux employés pour les construire, des valeurs des coefficients de dilatation pour se préoccuper exclusivement des condi- tions mécaniques et chimiques à satisfaire.
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c) La masse de contact chargée dans les tubas 8 du faisceau peut être vidangée rapidement;
il suffit en effet, pour cela, de desserrer les vis 35, de dégager la pièce 36 du bossage 37 par rotation d'une fraction de tour et de descendre les pièces 36 et 33. d) Le dispositif de chauffage est complètement indépendant du dispositif de catalyse et de circulation du gaz; cela permet, d'une part, d'employer les sources de chauffage les plus variées, électricité, fluide gazeux ou liquide, combustion interne, etc..., d'autre part de changer l'appareil de chauffage, par simple dévissage du bouchon 39,- sans avoir à toucher à quelque autre organe que ce soit. e) Le dispositif de catalyse et de circulation des gaz ne touche l'enveloppe en acier que'par un très petit nombre de pointa;
cette particularité facilite l'application sur la face interne de cette dernière des revêtements qu'il peut y avoir intérêt à utiliser pour empêcher que le mélange gazeux ne vienne à son contact' f) Le montage et le démontage du tube s'effec- tue avec une grande facilité.
L'échangeur A représenté en eétail par la fig. 4 présente trois caractéristiques essentielles, savoir :
1 ) Les tubes verticaux 4 du faisceau qui en constitue l'un des éléments essentiels sont fixés à leurs extrémités sur deux plaques métalliques horizonta- les 50 et 51;la plaque supérieure 50 est fixée par des vis sur un rebord intérieur de l'enveloppe en acier qui supporte la pression de marche, tandis que la plaque @
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inférieure 51 est laissée libre de se déplacer. Le faisceau est ainsi. suspendu à l'intérieur de l'enveloppe.
2 ) La plaque inférieure 51 est complétée par une pièce 53, en forme de botte, avec laquelle elle est assemblée suivant un joint étanche 54.
3 ) Deux tuyaux de faible diamètre 55 et 56 mettent en communication avec l'extérieur: l'un,55 fixé sur la pièce 53, 1 intérieur de celle-ci et des tubes 4 du faisceau; l'autre, 56,fixé sur la plaque supépreure 50, l'espace intertubulaire 3.
Ces deux tubes traversent les bouchons inférieur 57 et supérieur 58, de l'enveloppe par des orifices dans lesquels ils sont libres de glisser, l'étanchéité des joints étant assurée par des garnitures plastiques 59 et 60.
Le fonctionnement de cet échangeur est le sui- vant 0 La fractinndu mélange gazeux frais que le répar- titeur G dirige sur l'échangeur y pénètre par la tuyaute- rie 2, circule dans l'espace intertubulaire 3 et sort par le tube 56 et la tuyauterie 5. Les produits de la réaction qui viennent du tube de catalyse pénètrent dans l'échangeur par la tuyauterie 13, circulent de haut en bas dans les tubes 4, se rassemblent dans la pièce creuse 53 et sortent par 55 et 14.
La caractéristique de cet appareil échangeur de chaleur réside dans le fait que 1 étanchéité du dis- positif qui assure la circulation des gaz est obtenue sans nuire à la libre dilatation de ses organes.
Les figo 5 à 10 se rapportent à un dispositif basé sar les mêmes principes et présentant les marnes ca-
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ractéristiques générées que ceux décrits ci-dessus, mais qui comporte en outre divers perfectionnements permettant de l'appliquer à des cas très variés.
Ce dispositif permet, par la manoeuvre du répar- titeur C, de ramener la température du gaz frais, avant son introduction dans le tube de catalyse, à telle valeur qu'o a choisie, cette valeur étant nécessairement infé- rieure ou égale à celle du gaz sortant de l'échangeur A.
Ce troisième mode de réalisation comporte des moyens pour porter cette température à talle valeur qu'on a choisie, soit au-dessous., soit au-dessus de celle qui résulte des échanges en A.
A cet effet, on monte à la sortie du répartiteur C une seconde chambre de chauffage E(voir fig.5), chauffée par exemple par un enroulement électrique 61, ou par tout autre dispositif approprié.
La position du répartiteur C que représente la Fig. 5 correspond au cas où l'on veut porter le gaz frais, avant de l'introduire dans le tube de cataly- se, à une température supérieure à celle qu'il a à la sortie de l'échangeur; la chambre de chauffage E est alors mise en fonctionnement et la totalité du gaz frais tra- verse l'échangeur A. Si, au contraire, on désire abaisser la température du gaz au-dessous de la valeur qu'elle atteint dans l'échangeur, on met la chambre E hors servi- ce et on règle la température en faisant tourner la clé du répartiteur C dans le sens de la flèche X, comme dans le second mode de réalisation.
D'autre part, il est possible, dans ce disposi. tif, d'introduire le gaz qui doit cmrculer dans l'espace
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intertabalaire de l'appareil de catalyse, soit à sa base, soit à son semmet, de manière à réaliser, dans les tubes et autour des tubes, des courants gazeux, ou bien de sens contraires, ou bien décerne sens. A cet effet, on adjoint au répartiteur unique D ci-dessus un second répartiteur F, auquel aboutissent trois conduits 62, 63, 64 qui le re- lient respectivement à la chambre de chauffage E, au répar- titeur D et à la partie supérieure de l'espace intertuba- laire de l'appareil de catalyse.
De plus, le tube 41 qui entoure la chambre de chauffage et qui est muni à sa partie supérieure d'orifices 25, peut éventuellement être remplacé par un tube étanche non muni d'orifices.
Enfin la clé du répartiteur D est remplacée par une clé à quatre voies Da (voir fig. 4 et 5).
Lorsqu'on veut faite circuler en sens contrai- res les courants gazeux dans les tubes et autour des tubes du faisceau catalyseur onale le répartiteur F dans la position qu'Indique la Fig. 5 du second mode de réalisa- tion: le tube 64 est hors circuit,le gaz frais arrivant par 62 emprunte la canalisation 63 et est divisée par le répartiteur D en deux branches qui pénètrent, l'une par 9 dans la chambre de chauffage, l'autre par 6 à la base de l'espace intertubulaire on règle le rapport des débits de ces deux branches en faisant tourner la clé Da dans le sens de la flèche Ya à partir de la position que représen- te la figure,cette position correspondant à l'envoi de tout le mélange gazeux directement à l'appareil de chauf- fage.
fage, Lorsqu'on veut au contraire faire circuler les
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deux courette gazeux dans le même sens, il suffit: a) de monter à la place du tube 41 le tube étanche ci-dessus mentionné. b) de faire tourner la clé Da de 90 dans le sens de la flèche Ya et de la caler dans la position représentée par la fig. 6.
Le gaz arrivant par 62 se divise alors en deux courants, dont on règle l'émportance relative en faisant tourner le boisseau da répartiteur F dans le sens de la flèche Z à partir de la ppbsition qu'indique la fig. 5.
L'un de ces courants, passant par 63 arrive directement par 9 au contact du''dispositif de chauffage 10; l'autre est introduit par 64 dans l'appareil de cata- lyse, en ressort par 6 après avoir circulé de haut en bas dans l'espace intertubulaire, et rejoint le premier dans la canalisation 9.
Le dispositif qui vient d'être décrit,et qui correspond au cas le plus général, comprend d'ailleurs, à titre de variante, le cas particulier ci-après:
Si les lois auxquelles obéit la réaction chi- à réaliser mique/ont pour conséquence qu'il n'y a intérêt à adopter le même sens de circulation dans les tubes du faisceau de catalyse et autour de ces tubes,on peut supprimer le tube 40 entourant le dispositif de chauffage 10, rempla- cer le tube 41 par un tube étanche et la clé Da par un simple té.
Les gaz, après avoir réggi au contact du cata- lyseur contenu dans les tubes 8 sont ramenés par un con- duit 13 à l'échangeur A, dans les tubes 4 duquel ils pas- sent et réchauffent le mélange frais, puis sont évacués
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par un conduit 14.
Enftn on a prévu pour l'appareil de catalyse,modi- fié ainsi qu'il vient d'être dit, un mode de réalisation qui présente les mêmes avantages que celui décrit ci-desus, à savoir un démontage aisé de ses organes internes et un mode d'assemblage qui lui assure une parfaite étanchéité tout en laissant les divers organes se dilateurlibrement sous l'influence de la température (voir fig. 5, 7,8,9).
D'une part, une tubulure supplémentaire 65 est percée dans son enveloppe 52, et communique avec le con- duit 64 ci-dessus.
D'autre part, la flasque supérieure 66 du fais- ceau tabulaire est serrée, par des boulons 67 (engagés dans des secteurs 68 que des boulons 69 maintiennent dans une rainure à T interrompue), sur une pièce intermé- diaire 70, qui prend appui sur les rebors 71 et 72 de l'enveloppe, et qui se prolonge par un tube mince 73, fermé à sa partie inférieure par les pièces 74 et 75, cette dernière pourvue d'une tubulure 76 reliée au con- duit 6 ci-dessus.
Sous la flasque inférieure 77 est fixée une boite métallique 78 pourvue de doses: tubulures 79,80, qui traversent librement la pièce 75 dans des presse- étoupes et qui sont reliées respectivement aux conduits 9 et 13 par des canalisations 79a, 80a forées dans le bou- chon inférieur de l'appareilo Des joints 81,82 assurent l'étanchéité de cette boîte.
Les trois tubulures 79, 80 et 76 s'emboîtent lorsqu'on descend l'ensemble des organes inférieurs, dans trois raccords du bouchon inférieur, ont des garnitures
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plastiques, telles que 83, serrées par des pièces telles que 84, assurent l'étanchéité, A la partie supérieure du faisceau, un couver- cle conique 85 est fixé sur la flasque 66. Il est pour- vu d'un rebord fileté susceptible de recevoir an bouchon qui permet de maintenir le catalyseur à l'abri du contact de l'atmosphère ambiante.
Le dispositif qui vient d'être décrit permet de sortir en un seul bloc de l'enveloppe l'ensemble du faisceau tabulaire avec ses deux flasques du couvercle 86 du tube 73, de la botte 78 avec des deux tubulures, des pièces 74 et 75; on peut de la sorte effectuer à l'ex- térieur de l'enveloppe les opérations de déchargement,de rechargement et, éventuellement, de réduction du cataly- seur, et, partant, améliorer de manière notable le coef- ficient d'utilisation de l'enveloppe.
Quant à la circulation à l'intérieur du tube, elle est réglée comme suit:
La fraction du gaz frais qui est envoyée direc- tement dans la chambre axiale de chauffage par le con- duit 9 (voir fig. 5) traverse le bouchon inférieur par la tubulure 80, et, circulant de bas en haut dans la cham- bre de chauffage,gagne, à la partie supérieure, la cham- bre 86 d'où elle passe dans les tubes 8 garnis de cataly- seur.
Le complément suit le chemin ci-après : a) quand on désire l'admettre à la base du faisceau,il arrive par le conduit 6, traverse le bouchon inférieur par la tubulure 76, s'élève le long du faisceau, passe par les orifices 25 dans l'espace annulaire compris
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entropies tubes 40 et 41, et descend dans ce dernier pour pénétrer car 26 dans la chambre de chauffage; b) quand on l'admet à la partie supérieure du faisceau, il arrive par le conduit 64, traverse l'envelop- pe par la tubulure 65, circule de haut en bas dans l'es- pace intertubulaire, (le tube 41 étant remplacé par un tu- be étanche ainsi qu'il a été dit) et se rassemble dans la chambre 87 régnant dans la boîte 78, puis il sort en traversant l'enveloppe par la tubulure 76;
la canalisation 6 le ramène dans la tubulure 80 et dans la chambre de chauffage.
Dans tous les cas, les produits de la réaction sont évacués par la tubulure 79, puis par la tubulure 13.
Il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-dessus décrit unique- ment à titre d'exemple, et qu'on poarrait,sans s'en écar- ter en modifier de toutes façons convenables les détails d'exécution ,et notamment le type et la disposition des appareils de chauffage et de l'échangeur, le mode de réa- lisation des conduits alimentant l'appareil de catalyse et de cet appareil lui-même, etc....
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