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" Procédé pour produire des réactions chimiques ".
La présente invention se rapporte au procédé de traitement de solides broyés, de fluides, y compris de z, ou des. deux afin de produire des modifications physiques, chimiques ou à la fois chimiques et physiques dans lesdits solides, les fluides, ou à la fois les solides et les fluides.
Essentiellement, il s'agit d'un procédé dans lequel des solides broyés enfermés sont fluidifiés, par mise en suspen- sion dans un courantfluide, et sont traités sous cette forme par un fluide dont la nature, la température ,la.;pression, l'humidité et d'autres constantes, de même que la vitesse, sont réglées.
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La portée réelle de l'invention ressort davantage des nombreux objets dont certains sont cités ci-dessous : (1) Carboniser du charbon par passage d'un fluide à une tempé- rature convenable fixée a l'avance, au travers d'une masse fluidifiée d'un charbon broyé convenablement.
(2) Enlever l'humidité ou une autre substance volatile de solides fluidifiés.
(3) Provoquer un changement chimique dans la composition d'un fluide en le faisant passer au travers d'une masse fluidifiée de solides, par exemple, une production de noir de carbone à partir de gaz naturel.
(4) Régler l'allure du chauffage et par conséquent la nature et le rendement des sous-produits dans la carbonisation du charbon.
(5) Le réglage de la température d'une masse de solides utilisés dans le traitement des gaz, ou d'une manière plus gé- nérale, dans le traitement des fluides.
D'autres objets deviendront plus apparents au cours de l'exposé fait au cours d'une partie ultérieure des spéci- fications; de même, le champ d'application de l'invention deviendra évident.
En bref, le procédé selon l'invention consiste à faire passer un courant d'un fluide particulier dont la composition la température, la vitesse, l'humidité et la densité sont prédéterminées, sous pression réglée dans une masse de solides broyés, ou l'équivalent, provoquant la fluidification de la masse de solides, c.à.d. son comportement comme un liquide, et pro- voquant des modifications physiques, chimiques, ou à la fois physiques et chimiques, dans les solides ou le fluide ou à la fois dans lessolides et le fluide.
Considérant, à titre d'exemple, la carbonisation du charbon, on sait que, par suite des difficultés de transmission de chaleur, le développement commercial des procédés de carbo- nisation à basse température a été 'grandement contrecarré.
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Le fait de dépendre du passage de la chaleur au travers des parois réfractaires avec un faible gradient de température, a rendu nécessaire la dépense de sommes d'argent prohibitives pour des appareils de carbonisation. En appliquant le procédé on peut, pour autant qu'on le sache, aboutir au résultat cher- ché à moins de frais et avec plus d'efficacité qu'avec les autres procédés, et avec un réglage de température absolu, en faisant passer de bas en haut un fluide chauffé au travers d'une masse de charbon broyé, contenvedans une chambre conve- nable, avec une vitesse telle que les particules ou les mor- ceaux de charbon soient en mouvement continuel, la masse ac- quérant, à l'état @@ fluidifié, les propriétés d'un liquide bouillant.
Si les particules sont toutes de dimension uniforme, 1/4 de pouce comme diamètre moyen, il y a tendance pour les plus chaudes à s'élever et pour les particules plus froides et plus lourdes à descendre au fond. La température du fluide peut être élevée avec le temps jusqu'à n'importe quel maximum désiré et lesparticules de charbon ne deviendront donc pas surchauffées. Le fluide utilisé dans cet exemple peut être une vapeur ou un gaz (combustible, inerte, ou un gaz ou des mélanges de gaz contenant de l'oxygène), de la vapeur ou un autre fluide convenable;certains des produits dégagés peuvent être remis en circulation comme moyen de réglage de la tempé- rature et de l'atmosphère dans la chambre.
Dans cet exemple, les solides sont modifiés physique- ment et chimiquement et le fluide primaire ce initial peut être modifié ou non, selon la température atteinte et la composition du fluide en question. Ainsi, si l'air est le milieu fluide, une partie de son oxygène est consumée par l'oxydation du charbon ; lorsque le milieu fluide est la vapeur, il réagit aux températures élevées selon la réaction bien connue du gaz à l'eau.
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Un autre exemple, est le passage de mélanges d'hydrogène et d'oxyde de carbone dans une masse de particules fluidifées d'un catalyseur cuivre-fer (ou tout autre catalyseur convena- ble) à une température de 300 C environ (200 à 450 C). Ici le milieu fluidifiant comprend le CO et le H2mélangés qui réagisssent l'un sur l'autre en donnant des hydrocarbures ou d'autres composés et la nature chimique des solides reste pratiquement inchangée. La réaction étant exothermique, la température a une tendance à s'élever dans la masse. Une aug- mentation de la vitesse du fluide abaisse la durée et l'inti- mité de son contact avec le catalyseur et c'est pourquoi le rendement de la réaction baisse et la tempétature s'élève.
De cette façon, ou en faisant circuler le catalyseur fluidifié au travers d'un système réfrigérant, la température du cataly- seur est facilement réglée. Les gaz remis en circulation peu- vent d'abord être refroidis. En faisant passer du gaz naturel ou un autre hydrocarbure gazeux ou hydrocarbure vaporisé, de bas en haut au travers d'une masse de matière carbonée, ou d'un autre catalyseur, fluidifiée et chauffée, il est possible de produire du noir de carbone dans des conditions optima, puisque la température et la concentration des gaz et la durée de contact peuvent être réglées avec précision dans des limites définies,tout comme la température de la masse de catalyseur.
Lorsque du charbon anthraciteux, du coke ou une autre matière
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carbone9eapable de résister à une haute tempra,tu,"ra, et apte à être fluidifiée, est utilisée comme catalyseur, l'air ou un autre agent oxydant peut être introduit avec les gaz @ trai,; ter, ou bien l'opération peut être intemittente.
Ayant brièvement décrit les aspects marquants par- ticuliers à l'opération du procédé, selon l'invention, une des cription plus détaillée est donnée dans ce qui suit, avec référence particulière, aux dessins. Ce procédé se prête à être utilisé dans de nombreux et divers types d'appareils mais il entre dans l'intention de l'inventeur de n'en présenter que quelques-uns,de ceux-ci, de façon largement schématique,' en ne
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se limitant pas aux types indiqués, dans la mise en pratique de la présente invention. , la fig. 1 est une -élévation schématique montrant une forme d'appareil pour réaliser le procédé, relié à un survolt teur et à un appareil de condensation et d'épuration; une partie de la paroi de la chambre as réaction a été enlevée afin de montrer l'intérieur.
La fig. 2 est une élévation schématique d'une modifica- tion de la chambre à réaction, disposée pour la circulation des solides fluidités.Une partie des enveloppes a été enlevée afin de montrer l'intérieur en coupe.
Dans la fig.l, le numéro 1 désigne la chambre de réaction contenant une masse de solides fluidifiés 2 et présen- tant une admission pour solides 5, reliée à la trémie 4. Un mécanisme mélangeur est indiqué par 9 et est actionné par un moteur 10. La soupape de commande d'évacuation 11 règle la distribution des solides dans un récepteur 12. Une autre sou- pape d'évacuation est indiquée par 6. Une grille, une plaque perforée, une plaque poreuse ou quelque chose d'équivalent est indiqué par 7. Les fluides venant de 1 se déversent par la sortie 13 reliée à un absorbeur de poussières 14, un condenseur ou un échangeur de chaleur 15, un épurateur ou un séparateur 16 et une soupape d'échappement 18. Un moyen pour propulser le milieu de fluidification, -- le fluide-- est indiqué par 17.
D'autres soupapes dans le système sont indiquées par 19 jusqu'à 43 inclusivement. Ainsi, un moyen pour faire recirculer une partie ou la totalité du fluide consiste à régler les soupapes 19,20,24, 25 et 26, les soupapes 22,35,36 et 40 étant fermées. En fermant les soupapes 24,27,21 et 19 et en ouvrant les soupapes 18,20,22,23 et 25, la chaleur sensible du fluide sortant est partiellement recouvrée à partir du condensateur ; la soupape 26 peut être fermée ou partiellement fermée , selon le montant relatif de recirculation désiré. De même, les soupapes 40,27,35,36,21 ou leurs-: combinaisons peu-
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vent être ouvertes ou partiellement ouvertes pour produire un effet désiré en ce qui concerne le replace de la tempéra- ture et le règlage de la composition du fluide entrant dans la chambre 1.
Des vapeurs, particulièrement de gaz autres que l'air, peuvent être admises en 1 par les soupapes 35 et 36.
Dans la fig. 2, on utilise le même système de numé- rotage que dans la fig.l. 5A est une soupape semblable à 5 et 2A est une masse de solides divisés qui peut ou non être fluidifiée. La masse de solides 2 est à l'état fluidifié durant l'opération tout comme avec l'appareil indiquéà la fig.l.
L'absorbeur de poussières 14 possède des moyens pour empêcher que les particules, entraînées par le passage dugaz venant de la chambre 1, ne soient transportées en 15 ; cesmo- yens sont représentés en coupe sur la fig. l par les chicanes 44 et 45.
En considérant le procédé, en particulier lorsqu'il s'agit de la carbonisation de substances carbonées telles que le charbon, lignite et analogues, l'opération se rapportant à la fig. 1 se passe comme suit : On suppose que la substance à traiter soit un charbon ne formant pas de coke, ou du lignite, et que toutes les soupapes énumérées soient fermées, excepté 38 qui fournit un petit regard de contrôle sur les matières initiales prémélangées, c.à'd. du gaz mélangé à suffisamment d'air pour assurer sa combustion ; onouvre la sou- pape 5 et on admet le charbon convenablement broyé, ayant comme dimension moyenne 1/8,1/4 de pouce, ou plus, ou moins, et de préférence, de dimension uniforme, dans la chambre de réaction 1, à une profondeur d'environ 2 pieds.
On ferme alors la soupape 5, @2ouvre les soupapes 18,19,32 et 26 et on met la soufflerie 17 en action. Le dispositif mélangeur 9 peut être abaissé jusqu'à ce qu'il soit,dans une -oosition telle qu'il mélange le charbon, le moteur 10 ayant préalablement été mis en route. Les moyens mécaniques pour élever ou abaisser 9 ne sont pas détaillés parce qu'on ne revendique aucune nouveauté brevetable à ce sujet et aussi parce que l'on désire éliminer les détails¯inutiles. Un arbre.; extérieur creux, avec un
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'arbre intérieur équilibré supportant les palettes mélangeuses constitue un des moyens pour réaliser le but. Le mélangeur évite la formation de vacuoles dans le fond et aide au démar- rage pour produire une masse de charbon fluidifiée.
De l'air passe par26. 17 et la tuyère 3 et au travers de la masse fluidi- fiée. L'air est l'agent fluidifiant, à cette étape ou stade du procédé de l'exemple. Un feu est ensuite allumé dans la .masse. Si l'air utilisé est chaud, l'inflammation sera sponta- née. Sinon, il est préférable de l'amorcer. Ceci peut s'effec- tuer en ouvrant la soupape 37 qui admet du gaz mélangé brûlant et de l'air dans la chambre 1, en dessous du fond poreux 7. Un équilibre de pression convenable est maintenu dans les sternes de gaz et d'air, et les particules de charbon deviennent bientôt chaudes et ignées. La soupape 37 est alors fermée.
La chambre peut maintenant être considérée comme un four dans lequel la masse fluidifiée se comporte comme un liquide bouillant, les particules de combustible solide étant en mouvement en suspension. La combustion et la vitesse de combustion sont maintenant réglées en limitant la quantité d'air introduite et en introduisant d'autres fluides comme, par exemple, de la vapeur ou des gaz chauds, combustibles ou non combustibles. Cette dernière opération peutt s'effectuer en commandant et en réglant les soupapes 26,19,20,24,25,34, 35,
36,39 et 40. Puisqu'il est désirable de maintenir les solides à l'état fluidifié, la vitesse et l'écoulement du fluide seront maintenus dans la tuyère 3. Du nouveau charbon est admis pério- diquement ou continuellement par la soupape 5.
Le mélangeur
9 est relevé, car l'addition de combustible élève le niveau delagmasse fluidifiée, ou même il peut être sorti entièrement de la masse ; cen'est habituellement pas nécessaire une fois que la masse est convenablement fluidifiée, à moins que le fortement charbon ne se transforme/en coke et ne soit introduit dans la chambre 1 à une vitesse trop grande.
La soupape 26 est une soupape de commande d'air primaire. Lorsqu'on utilise de l'air préchauffé,il peut être
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introduit par 21, le condenseur 15, les soupapes 22 et 25, le propulseur ou la soufflerie 17. Le gaz peut être préchauffé de la même manière. Le gaz et l'air peuvent à la fois être préchauffés dans la chambre 15, d'une manière similaire, en introduisant l'air par la soupane 40 et le gaz par 20. D'autres combinaisons possibles sont mises en évidence par la fig.l. la vapeur est introduite pn 1 par la soupape 34.
Bien que cette méthode pour carboniser du charbon comprenne essentielle- ment le passade de gaz chauds du bas vers le haut au travers d'une couche de charbon fluidifié, il n'est pas moins vrai que les étapes, à partir de ce moint, sont quelque peu facultati- ves, dépendant des résultats cherchés. Par exemple, lorsqu'on désire un rendement maximum en sous-produits condensables, on peut avantageusement utiliser de la vapeur comme fluide de chauffage, soit avec unp eu d'air ou de gaz, soit seul soit avec addition simultanée d'air et de gaz, ce dernier étant brûlé par l'air, et lachaleur dégagée utilisée pour la carboni- sation. A n'importe quelle vitesse, le combustible est maintenu fluidifié et on fait passer des gaz chauds au travers de la masse jusqu'à ce que le degré de carbonisation désiré soit atteint.
Les vapeurs et produits gazeux sont enlevés de 1 par 13, l'échangeur de chaleur 15, le séparateur 16 et sortent par 18 et 19. Lorsqu'on cherche à faire recirculer une partie du gaz, la soupape 19 est est en partie fermée, la soupape 20 en partie ouverte, et les soupapes 1 24 et 25\[sont ouvertes.
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Lorsqu'on BfieFeHe à fatte FeBÍFeBeF ene p**##à B désire utiliser du gaz préchauffé remis en circuit, la soupape 24 est fermée, les soupapes 20,22,23 et 25 sont ouvertes. Lorsqu'on désire comme fluide de l'air préchauffé, les soupapes 23,24,26 et 27 sont fermées et les soupapes 21,22 et 25 sont ouvertes.
Le procédé est rendu continu en éliminant simplement un peu du produit solide de la carbonisation, du coke ou du fusain dans le présent exemple,par la soupape 11 et en chargeant du combustible à traiter par la soupape 5. Après avoir fermé
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la soupape 5,%le fusain peut être refroidi en faisant passer un fluide réfrigérant par la soupape 29, la chambre 12 et la sortie 30 et en le laissant échapper ultérieurement par la soupape, 28.
Puisque la température tend à s'égaliser d'elle-même dans toute la masse fluidifiée - tendance à l'homogénéité - par le fait que les. particules les plus froides tendent à descendre dans la zone de combustion et que les particules chaudes tendent à s'élever, on peut utiliser un thermocouple et un pyromètre pour indiquer l'état et le degré de carbonisa- tion, le premier étant placé dans la masse fluidifiée. Par raison de simplicité, le pyromètre ou le thermocouple ne sont pas représentés sur les figures.
Il est possible ,dans la disposition indiquée à la fig. 1, d'utiliser comme fluide, (le l'air, de la vapeur, du gaz, une vapeur ou un autre fluide ou des mélanges de fluides, et ils peuvent être chauds ou froids ou varier avec le temps.
Pour expulser une certaine matière volatile hors du charbon ou d'autres solides, on peut avantageusement utiliser des liquides vaporisés tels que le benzène, le phénol, le toluène ou d'autres hydrocarbures et composés d'hydrocarbures. Le choix de l'hydrocarbure ou du produit semblable peut à la foisdépendre et varier avec la température et l'action dissol- vante désirée.
Il est constaté que, lorsque certains acides ou agents oxydants sont utilisés pour traiter le charbon fluidi- fié, les propriétés de gonflement du charbon sont éliminées et on obtient un produit à basse température qui peut être mélangé à un charbon bitumeux, mis en briquettes avec ou sans liant et ultérieurement carbonisé, la briquette carbonisée étant plus dense que le coke ordinaire. Nous avons trouve que SO2,SO4H2, C12,HC1, NO3H les oxychlorures et d'autres produits contribuent à atteindre ce résultat. Ils peuvent être utilisés sans air, seuls ou en mélanges. Le procédé, pour lequel il est demandé un brevet, comprend le passage de telles
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substances au travers d'une couche de solides fluidifiés.
La fig.l indique des moyens pour amener un fluide à fluidifier une masse de solides divisés, des moyens pour faire passer un fluide prédéterminé ou un mélange de fluides au travers de ladite masse fluidifiée, des moyens pour régler la température de la masse en question, des moyens pour changer milieu à volonté la composition et la nature du fluide et du/fluidi- fiant, des moyens pour introduire des solides dans la masse @@ fluidifiée, et des moyens pour évacuer les fluides et les solid.es hors de la chambre de réaction. Dans la carbonisation ou la distillation du charbon ou du schiste, la chambre 15 désignée comme échangeur de chaleur, peut être un condenseur et la chambre 16, un épurateur.
Un autre exemple du fonctionne- ment du procédé selon l'invention est constitué par la produc- tion de noir de carbone à partir d'hydrocarbures. Au cours de ce procédé, on a rencontré une difficulté pour éviter la forma- tion de "noir de lampe ", une substance carbonée, de couleur brun-noir à grisènoir, comprenant des particules qui sont, en général, plus grandes que celles du véritable noir de carbone.
Le secret réside dans le réglage précis des températures durant la décomposition - cracking - des vapeurs d'hydrocarbu- res et dans le réglage du temps (durée) de leur exposition à l'action de la chaleur. Lorsque ces vapeurssont amenées en contact d'une masse fixe de matières réfractaires, accidentées ou assemblées de manière lâche, chauffées par in- termittence et contenues dans une chambre ordinaire, la tem- pérature superficielle des matières réfractaires décroît tellement rapidement qu'il se forme habituellement du noir de lampe plutôt que du noir de carbone.
Lorsqu'on fait passer les vapeurs au travers d'une couche de combustiblessolides chauffée de façon similaire, il se forme une quantité de noir de carbone plutôt faible.', mais il n'est pas facilement récupéré; la plus grande partie adhère à la surface du combus- tible ou reste dans les interstices et est ultérieurement consumée (brûlée) durant la phase de chauffage de l'opéra- tion, notamment durant la période d'insufflation d'air.
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Lorsqu'on fait passer les vapeurs ou des hydrocarbures gazeux au travers d'une masse fluidifiée de particules ou de morceaux fortement chauffés de substance solide - catalyseur - on obtient une bonne qualité de noir de carbone et une pro- duction élevée de celui-ci. Heureusement, le coke et certaines autres substances combustibles catalysent les réactions et, ainsi, cela revient simplement à régler la température de la surface du catalyseur. Du fer, de l'oxyde de fer et d'autres substances jouent égalément le rôle de catalyseurs dans la production du noir de carbone. Un peu d'air ou un autre agent oxydant peut être utilisé pendant (simultanément) l'introduc- tion des vapeurs d'hydrocarbure ou alternativement par rapport à ces dernières vapeurs.
La concentration et la température du gaz et du catalyseur peuvent être facilement réglées à l'aide de moyens déjà décrits, y compris la remise en circu- lation des gaz, et par la combustion des gaz en contact avec la nasse fluidifiée.
Lorsqu'on utilise un catalyseur autre qu'une substance combustible, dans la chambre 1, la température peut être main- tenue uniforme soit par remise en circulation du catalyseur soit en utilisant l'air ou un autre fluide dont la température est réglée. De l'air froid peut être introduit par 26 et 17 et de l'air chaud par 21,15,22,25 et 17. Il convient de maintenir une température bien définie dans la masse fluidifiée durant le cracking des hydrocarbures et les températures optima ne sont pas identiques pour tous les gaz et vapeurs, mais sont déterminées expérimentalement. Tous les détails de l'opération ne sont pas reproduites ici puisque les revendications ne se limitent pas à cette opération mais plutôt au procédé d'une façon générale.
Toutefois, on notera que dans cet exemple, l'usage d'un dispositif mélangeur 9 n'est pas nécessaire, particulièrement lorsque les solides ont été fluidifiés.
La dimension moyenne des solides - coke ou équiva- lent - sera petite, de préférence inférieure à 3/4 pouce; le
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diamètre moyen de l@pouce est très satisfaisant. Les solides sont introduits dans la chambre de réaction par la soupape 5, si nécessaire, et sont enlevés de temps en temps pour éviter l'accumulation de mâche fer. Avec du coke de pétrole ou du char- bon fortement anthraciteux, il ne faut pas faire aussi atten- tion car il s'accumule moins de cendres.
Au cours de la production continie de noir de carbone à partir d'hydrocarbures tels que du méthane ou un gaz naturel, l'hydrogène est éliminé comme produit de décomposition, la ré- action étant symbolisée ou représentée par l'équation suivante .
CH4=C+ 2H2.
Lorsque l'hydrogène recircule. et qu'on introduit simultanément de l'air dans la chambre de réaction (indiquée par 1 à la fig.l) une quantité appréciable de l'hydrogène est brûlée, formant de la vapeur d'eau. Ceci semble contribuer à produire du noir de carbone très supérieur tout en constituant les moyens permettant de fournir la chaleur nécessaire. En d'autres mots, la présence de vapeur H20 paraît exercer un effet favorable sur la qualité du noir produit. La consommation du carbone solide comprenant la masse fluidifiée est très faible lorsque l'énergie thermique nécessaire au procédé est fournie par l'hydrogène.
Dans ces conditions, on obtient de petites quantités de sous-produits comprenant du benzène, variables en composition et quantité, selon la température employée dans la masse fluidifiée et la nature de l'hydrocarbure utilisé comme matière première. Le noir de carbone est séparé des gaz et des autres produits à l'aide de moyens bien connus.
Le schiste huileux peut être traité par ce procédé et fournir des rendements élevés en huile. Il est préférable, dans ce cas, d'utiliser de la vapeur comme fluide, ou compo- sant de fluide, et de brûler ,une partie des gaz remis en cir- culation en tant que moyen pour chauffer les schistes par contact. Une combustion excessive et l'emploi d'une quantité excessive d'air sont à écarter pour éviter la combustion de quantités appréciables de l'huile de schiste. Il est à noter qu'on prévoit des moyens pour admettre le gaz de chauffage
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avec juste assez d'air pour sa combustion et per suite dans l'usagé de gaz remis en circulation,de vapeurs d'hydrocarbures sélection- nés, de vapeur de mélanges ou analogues, il n'est pas néces- saire du'une combustion excessive ait lieu dans la chambre de réaction.
La combustion constitue un moyen de réglage dans le procédé selon l'invention et la combustion est suscitée de manière à appliquer la chaleur dégagée, aux endroits où de la chaleur est requise, sans surchauffer des parties de la masse fluidifiée? On notera que par un simple fonctionnement de soupapes la combustion peut réaliser un cycle alterné ou un cycl e continu avec l'introduction de fluides dans la masse fluidifiée, et que les solides fluidifiés, en tout ou en partie, peuvent être introduits à volonté dans la chambre de réaction, même pendant l'opération. selon
Dans la mise en pratique du procédé de l'invention on ne se limite pas à l'utilisation de l'appareil particulier représenté aux figures.
Divers autres types d'appareils peuvent être facile- ment conçus et qui fonctionneraient aussi bien. Par exemple, les solides peuvent être introduits dans la chambre de réaction pratiquement par le fond, plutôt que par le haut, et de même, les solides peuvent être périodiquement évacués par la haut au lieu de l'être par le fond. Des fluides peuvent être introduits en des points situés à mi-chemin entre le sommet et le fond de la masse fluidifiée en plus de cex introduits par le fond. Quoi qu'il en soit, le procédé comprend la flui- dification de solides dans un fluide mobile - courant de fluide- et le réglage de la nature, de la quantité, de la vitesse et de la température du fluide.
Le fluide est, de préférence, gazeux, et peut comprendre une diversité de gaz, dont certains peuvent réagir les uns sur les autres dans des conditions de température appropriées et dont certains peuvent réagir avec une partie des solides. La sélection des gaz peut être faite dans l'idée de régler la température dans la masse fluidifiée.
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Par exemple, en utilisant du charbon comme matière solide, on peut utiliser un gazcombustible et de l'oxygène ou de l'air, avec ou sans vapeur ou produits inertes, et la quan- tité d'oxygène utilisé peut être juste celle qui est requise pour maintenir la température désirée du courant de fluide, en contact avec les solides. Une fois de plus, un excès d'oxygène peut être utilisé/sous l'effet duquel une partie de la matière volatile du charbon entre en réaction chimique avec lui.
On peut obtenir des résultats en faisant passer un fluide au travers d'une masse fluidifée de solides, résultats qui ne peuvent pas être facilement reproduits en faisant passer les fluides au travers d'une couche fixe de solides.
Ceci est particulièrement vrai, eu égard à l'uniformité de température de la surface des solides ; de vacuoles et de canaux dans la masse, l'uniformité de contact des solides avec le fluide, le temps requis par le processus et la facilité avec laquelle une réaction chimique peut être amenée à se produire dans une grande masse de solides. La durée et 1"inti- mité du contact sont réglables, dans le procédé de l'invention, sans changer d'autres conditions. Ceci n'est pas le cas lorsqu'on détruit une couche fixe de solides par un fluide.
En ce qui concerne le charbon comme substance solide fluidifiée, la dimension relative et la aensité des diffé- rentes particules importent beaucoup quant à leur localisation dans la masse fluidifiée; les particules les plus lourdes (les plus denses) et les plus grandes tendent à descendre vers les niveaux plus bas que les particules moins denses ou plus petites. En conséquence, dans le procédé selon l'in- vention, il est prévu une méthode, simultanée à la carboni- sation , pour séparer les " arêtes ", les pierres etc., du coke, abaissant ainsi la teneur en cendres.
Bien qu'il n'entre pas dans l'intention de l'inven- teur de se limiter en ce qui concerne lestempératures, dans la réalisation du procédé, il attire l'attention sur le fait que, dans beaucoup d'exemples dans lesquels le procédé est
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est applicable, on désire de hautes températures. Dans des opérations de séchage où il s'agit d'éliminer l'humidité, on préfère une tempétature supérieure à 212 F à des tempéra- tures plus basses. Dans la carbonisation du charbon à basse température, la température maximum préférée peut être compri- se entre 750 F et 1400 F. Il est bien entendu qu'en traiteet mentar charges la température du courant de fluide peut être augmentée ou modifiée autrement durant le processus.
Pour provoquer des réactions chimiques entre CO et H2, on préfère habituellement une température située au voisinage de 2750 à 400 C. Pour faire du noir de carbone, des températures beaucoup plus élevées sont habituellement nécessaires.
Il est probablement évident que la température du gaz ou du fluide quittant la chambre de réaction peut être fort élevée. Pour cette raison, la chambre 15, fig.l, est désignée comme échangeur de chaleur avec l'intention d'inclure dans ce terme une chaudière qui peut, sous certaines condi- tions, être @utype préféré d'échangeur de chaleur.
Lorsque des substances condensables telles que du benzène, du phénol, de l'eau, etc., sont sutilisé comme composants du fluide introduit dans la masse fluidifiée 2, fig.l, la chambre 15 peut être utilisée pour les volatiliser en utilisant la chaleur perdue disponible des produits de réaction gazeux. Le moyen pour admettre séparément de telles substances dans 15, n'est pas indiqué de manière distincte.
Avant d'établir les revendications spécifiques, on désire attirer l'attention sur un autre cas particulier, dans lequel il est possible d'employer le procédé de l'inven- tion et que l'on pense être inclus dansun sens large, dans les revendications. Lorsque les solides fluidifiés comprennent un catalyseur approprié, tel qu'un catalyseur contenant du Ni, du CO, du A1203, leurs mélanges ou d'autres substances connues pour catalyser les réactions entre la vapeur et les hydro- carbures, il est possible, à une température relativement basse-inférieure à 1000 C - de produire du CO et de l'H2.
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Les réactions sont représentées par les équations suivantes ;
CH4+H2O=CO+3H2
CH4 +2H2O CO2 + 4H2
CH4 + CO2= 2CO + 2H2
C2H6+ 2H2O= 2CO + 5H2
C2H4 +2H2= 2CO + 4H2 La réalisation complète des réactions vers un équilibre, varie avec la température et le temps de contact des produits de réaction avec le catalyseur, et aussi avec les concentra- tions relatives des gaz de réaction.Ces facteurs qu'il est possible de régler dans le procédé selon l'invention, consti- tuent une caractéristique que l'on croit être nouvelle et neuve.
Dans certaines réactions exothermiques, où de hautes températures favorisent une réaction particulière, le produit cherché se décompose par exposition prolongée à des surfaces fortement chauffées. De telles réactions peuvent être con- duites avantageusement grâce au procédé de l'invention. Le ternes de contact peut être réduit au point optimum.) ainsi qu'il est déterminé expérimentalement pour un cas particulier, en accroissant la vitesse des corps réagissant au travers de la masse fluidifiée. Comme exemple, d'une telle réaction, on a : 2CH4 = C2H2 + 3H2. Une équation similaire peut être écrite pour la production du benzène. Dans chaque cas, une faible pression est plus favorable pour les réactions qu'une haute pression.
Les rendements sont plus élevés lorsque la pression est réduite, mais des rendements appréciables peuvent être obtenus dans des conditions de pression existant lorsqu'on effectue le procédé sans employer de pression inférieure à celle de l'atmosphère. Toutefois, il est à noter qu'une pression inférieure à celle de l'atmesphère réduite peut être maintenue dans la masse fluidifiée, par élimination des pro- duits hors de l'enceinte, au lieu d'employer la pression comme agent de @fuidification.
On a trouvé quen lorsqu'un catalyseur prêt à l'emploi, contenant ou- comprenant du fer, est utilisé dans 1 comme agent en suspension, il est possible de produire du noir de carbone
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@'une qualité excellente à partir de gaz pauvre, de gaz de haut fourneau, de gaz à l'eau ou d'autres gaz contenant de l'oxyde de carbone, par la réaction chimique catalysée repré- sentée par l'équation 200 = C02 + C + 71.000 B.t.u., ce qui se produit facilement aux températures élevées. La tempéra- ture préférée est supérieure à 200 C etinférieure à 400 C.
La réaction est exothermique et doit se produire dans des limites définies car, aux hautes températures laréaction in- verse se produit. De plus, à environ 400 C, le fer commence à jouer le rôle d'agent réducteur vis-à-vis du C02. Des gaz refroidis, de la vapeur, ou les deux, peuvent être utilisés comme moyen de réglage de la température. Au cours de la production de fer spongieux, on obtient un produit uniforme, lorsque l'oxyde de fer (matière première) est traité en suspension dans un fluide, comme décrit.
Il a été trouvé que pour maintenir une masse de solides en suspension dans un courant croissant d'un fluide aériforme, il faut une vitesse minimum définie pour le fluide, laquelle est une fonction de divreses varia@@@bles. Considérant les particules de solides comme étant des sphéres, cette vitesse minimum s'exprime par la formule mathématique, en substance comme suit :
EMI17.1
v = / SrDg où : v = vitesse du fluide aériforme se trouvant en 1, en cm/sec. r = le rayon moyen de particules solides fluidifiées, en cm.
D = la densité du solide comprenant les particules d = la densité du fluide aériforme, et g = l'accélération due à la gravité en unités CGS.
Cette relation ne se maintient pas exactement pour des par- ticules de forme irrégulière pour lesquelles un écoulement quelque peu plus fluide est exigé.Au démarrage, sans aide mécanique, une pression est créée en dessous de la plaque perforée 7, équivalente à une valeur supérieure au poids de)la masse de solides. Par.exemple, si le poids d'une colon- ne de la masse ayant une section d' 1 pied, est.de lOOlivres
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,le pression nécessaire pour faire démarrer l'opération est sup4rieure à roof @livres par pied carré. Après que les particules sont fluidi- fiées, la pression tombe en dessous de la pression initiale.
Des vitesse beaucoup plus grandes que la "vitesse d'éléva- tion " - vitesse de fluidification nécessaire - peuvent être utilisées avec des résultats satisfaisants. Toutefois, lors- qu'il y a une différence appréciable dans la dimension des particules, les plus fines sont soufflées plus facilement hors de la chambre 1. On trouve, en utilisant du sable, à la température atmosphérique, dans une couche de 18 pouces de profondeur, que 50 pieds cubes d'air par minute, par pied carré de section de la masse (surface du support perforé) sont suffisants pour maintenir les particules dans un état fluidifié.
Une fois que l'opération à démarré, il est possible de régler l'écoulement des fluides passant au travers de 17 en commandant et en utilisant la soupape by-pass ou de dériva- tion, indiquée en 33 à la fig. 1.
Il a été question de " solides broyés " dans tout ce qui précède, mais le terme comprend de petites particules ayant les dimensions spécifiées indépendamment de la façon dont elles sont formées.
Bien que la fig. 2 présente une autre forme d'arpa- reil, ou plutôt une forme modifiée de l'appareil indiqué à la fig. l, le procédé tel qu'il y est effectué, est néanmoins considéré comme étant le même que celui qui vient d'être décrit. D'après la fig.2, la masse fluidifiée 2 peut être faite pour circuler automatiquement en ouvrant simplement les soupapes 8A et 8. Les solides fluidifiés débordent comme un liquide et descendent par 8A dans la chambre lA, comme indiqué en 2A, sortent de la chambre lA par la soupape 8 et retournent dans la chambre 1. :(::' écoulement du fluide par 3, dans la chambre 1, est à la fois le moyen pour fluidifier et faire circuler les solides.
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Le terme " masse fluidifiée " tel qu'il est utilisé ici et dans les revendications ne se rapporte pas à un gaz contenant des particules entraînées ni à un gaz au travers duquel les particules tmmbent sous forme de pluie comme dans la combustion ordinaire de combustibles pulvérisés; il est utilisé pour désigner un pseudo-fluide, tel que celui qui est formé en faisant passer un fluide aériforme de bas en haut au travers d'une masse pratiquement fixe de particules de petites dimensions, pratiquement uniformes, d'une matière solide, à une vitesse telle que les particules acquièrent une liberté de mouvement limitée, le tout ayant des propriétés physiques similaires à celles d'un liquide en ébullition.
Le "pseudo- liquide " est la masse fluidifiée ayant une densité beaucoup plus grande que celle du même fluide aériforme, avec les par- ticules entraînées de la même espèce de solide.
Donc dans une"masse fluidifiée", suivant le sens don- né ici, le déplacement linéaire des particules est beaoucoup plus faible que celui des particules entraînées dans un mi= lieu gazeux, et manière analogue, la concentration des parti- cules (masse par unité de volume) est plus grande dans le premier cas que dans le dernier. La " masse fluidifiée " peut ' être produite sous l'effet de la vitesse, en soufflant vers le haut une couche de solides initialement fixe (de préféren- ce des solides de dimension uniforme) à l'aide d'un fluide aériforme, à une vitesse telle que les particules desdits solides acquièrent un mouvement limité sans être entraînées dans le dit fluide, le fluide passant continuellement de bas en haut à travers ladite masse de solides.
Ceci différencie cette masse fluidifiée d'autres formes de suspension, pour autant qu'on le sache. L'avantage presque évident, résultant de l'emploi de la masse dense fluidifiée, est sa plus grande capacité calorifique, par unité de volume du récipient, que celle des suspensions des mêmes solides entraînés dans le fluide. Si de l'air est soufflé de bas en haut à travers une masse de sable meuble, dans les conditions de vitesse définies plus. haut, la masse de sable deviendra une " masse fluidifiée".
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