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Perfectionnements à la conversion d'hydrocarbures par traite- ment thermique.
Cette Invention concerne la transformation d'hydro- carbures par traitement thermique et comprend les transforma- tions qui ont lieu en présence ou en l'absence d'un catalyseur
Plus particulièrement, l'invention concerne la réa- lisation de transformations d'hydrocarbures du type comprenant deux stades consécutifs de réaction répondant à des exigences différentes de chaleur, le premier stade étant endothermique et réclamant un grand apport de chaleur, et le second stade étant essentiellement thermiquement neutre, ou légèrement
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exothermique et ne réclamant pas d'apport substantiel de chaleur.
Des exemples de transformations de ce genre sont les transformations d'hydrocarbures qui sont en totalité ou principalement non aromatiques (opérées pour convertir ceux- ci) de façon essentiellement complète en gaz renfermant des oléfines et en hydrocarbures aromatiques. De telles conver- sions sont considérées dans le brevet britannique N 575.383 et consistent essentiellement en une réaction de cracking suivie d'une réaction d'aromatisation bien que les deux réac- tions puissent se superposer dans une certaine mesure. La réaction de cracking exige un apport de chaleur important et rapide tandis que la réaction d'aromatisation n'exige pas d'apport substantiel de chaleur.
Conformément à l'invention, une méthode de ou un procédé pour la réalisation de transformations d'hydrocarbures du genre envisagé ci-dessus, comporte le passage de la matière hydrocarbonée de départ sous forme de fluide à travers un certain nombre-de chambres de réaction trav-ersant un four chauffé par un ou plusieurs brûleurs à combustible fluide brillant dans le four ou par des gaz chauds pénétrant dans le four du coté où le fluide hydrocarboné est introduit dans les chambres de réaction, les gaz chauds,produits par le brûleur ou les brûleurs ou introduits dans le four, passant à travers le four dans la même direction que le fluide hydrocarboné pour en sortir par un carneau disposé à l'autre extrémité ou extrémité de sortie du four,
une couche refroidissante de gaz étant introduite en une zone du four située entre ses ex- trémités et correspondant à l'endroit auquel la transforma- tion, s'effectuant dans les chambres de réaction, passe du stade endothermique au stade thermiquement neutre ou légère- ment exothermique.
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Le chauffage du four est réglé de façon à fournir la chaleur exigée pour le premier stade endothermique de la transformation,et la température et la quantité de gaz re- froidissants sont réglées de façon à réduire la température, dans la zone suivante du four, à celle exigée pour le second stade de la transformation et à maintenir cette température dans la zone suivante du four. Tous les gaz introduits quittent le four par le carneau disposé à l'extrémité de sortie.
Les gaz refroidissants peuvent comprendre une por- tion des gaz de carneau qui ont quitté le four et ont été refroidis, ainsi qu'on le jugera généralement nécessaire, en assurant une opération de chauffage complémentaire qui peut, par exemple, consister en, ou comprendre la vaporisa- @ tion ou le pré-chauffage du flyide alimentant les chambres de réaction.
L'appareillage, en conformité avec l'invention, pour la réalisation de transformations d'hydrocarbures du type considéré, comporte un four traversé par une ou plu- sieurs chambres de réaction, des dispositifs de chauffage à l'extrémité d'entrée du four fournissant des gaz chauds qui traversent le four, une sortie pour les gaz à l'autre ex- trémité ou extrémité de sortie du four et des dispositifs pour l'introduction d'une couche de gaz dans le four entre ses deux extrémités.
Les- dispositifs pour l'introduction d'une couche de gaz dans le four peuvent comporter un conduit entourant le four et pourvu de tuyères pénétrant dans le four. Des dis- positifs peuvent aussi être prévus pour la recirculation, dans ce conduit, d'une partie des gaz de carneau quittant le four. On jugera généralement nécessaire de refroidir les gaz avant recirculation dans le four et la chose sera de pré-
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férence réalisée par le passage de ces gaz sur des préchauf- feurs ou des vaporiseurs de la charge, disposés dans une cham- bre contigüe au four. Un refroidissement complémentaire, si nécessaire, peut être réalisé par le passage des gaz sur une chaudière à chaleurs perdues.
Les- chambres de réaction utilisées, dans la réali- sation de l'invention, comportent une portion initiale d'un rapport surface/volume relativement élevé conçue pour la réalisation du stade de réaction endothermique et une por- tion suivante d'un rapport surface/volume relativement faible conçue pour la réalisation du stade de réaction thermique- ment neutre ou exothermique, comme décrit dans le brevet britannique N 575,383, Ainsi, par exemple, en appliquant l'invention à la transformation de fractions de pétrole en gez renfermant des oléfines et en hydrocarbures aromatiques,la chambre de réaction peut consister en un tube de 3 pauces de diamètre s'élargissant en un tube de 10 pouces de diamètre.
Une méthode de réalisation de l'invention, appliquée à la transformation d'hydrocarbures, lesquels sont en totalité ou principalement des non aromatiques, de façon essentielleme . complète en gaz renfermant des oléfines et des hydrocarbures aromatiques, sera décrite ci-dessous en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 donne une vue perspective d'une cons- truction d'appareillage en conformité avec l'invention.
La figure 2 montre une coupe à travers le four de l'appareillage.
En se référant aux dessins, l'appareillage comprend un four vertical 10 de section rectangulaire comportant un certain nombre de brûleurs à gaz 11 brûlant dans le four le long de l' axe principal du sommet du four et un carneau de sortie 12 le long de l'axe central de la base du four dans
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lequel passent les produits gazeux de combustion sortant par les fentes 13. Un certain nombre de chambres de réaction . tubulaires 14 (dont deux seulement apparaissent dans la fi- gure 1) sont disposées le long de chacune des faces longitu- dinales du four 10.
Chaque chambre de réaction 14 comprend un tube 15 relativement étroit de 3 pouces de diamètre se prolongeant par un tube relativement large 16 de 10 pou- ces de diamètre, la partie étroite 15 de la chambre de réac- tion étant conçue pour la réalisation du stade de cracking de la transformation lequel est endothermique et la partie la plus large 16 du tube étant conçue pour la réalisation du stade d'aromatisation de la transformation lequel est thermiquement neutre, ou légèrement exothermique.
Entourant le four 10 à ce niveau auquel la partie étroite 15 de la chambre de réaction 14 péhètre dans la partie plus large 16, se trouve une conduite 17 pourvue d'une série de tuyères 18, 19 pénétrant dans le four, un certain nombre de tuyères 18 étant disposées le long de la partie supérieure de la conduite 17 et un nombre de tuyère 19 étant disposées le long de la partie inférieure de la conduite 17 et en po- sition alternée par rapport aux tuyères supérieures 18.
Une chambre 20,adjacente au four, renferme un certain nombre de serpentins vaporiseurs 21, chacun de ceux-ci est relié au sommet d'une chambre de réaction 14 à une extrémité,par une conduite d'alimentation 38 et à une source commune d'hydre carbure liquide, à l'autre extrémité, par une conduite d'ali- mentation 39. Les conduites d'alimentation 38 reliant les vaporiseurs 21 aux chambres de réaction 14 passent dans des canalisations 40 et 41 le long de chaque face du sommet du four 10. Chaque chambre de réaction 14 est pourvue à son extrémité inférieure d'une conduite de sortie 42 alimentant par une vanne 43 un collecteur commun 44. Des dispositifs 45 sont prévus pour le refroidissement des produits quittant
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les chambres de réaction 14.
Le carnaau de sortie 12 sous le fond du four 10 communique avec un conduit 22 lequel est relie à 1a chambre 20, les gaz de carneau passant dans le conduit 22 et par dessus le mur 23 dans la chambre 20.
Sous la chambre 20 est disposée une chambre 24 dans laquelle une chaudière à vapeur à basse pression 25 peut être ins- tallée.
Des deux cotés des chambres 20 et 24 sont ins tallés une sériede conduits 26, 27, 28, 29 et 30; le dernier de ceux-ci communique par le conduit 31 avec le ventilateur 32 pour la circulation des gaz par le conduit 33 dans le con- duit 17. Des registres 34, 35 et 36 sont prévus pour contrô- ler le débit des gaz du carneau 12, Ce système de conduits, registres et ventilateur est prévu des deux eûtes des cham- bres 20 et 24 bien qu'un système seulement n'apparaisse dans les dessins.
Lorsque tous les registres sont fermés les gaz du carneau 12 s'écoulent par le conduit 22 par dessus le mur 23 dans la chambre 20, passant sur les serpentins vaporiseurs 21, par la chambre 24, passant sur la chaudière 25, et, en- suite, par le canal 37 vers la cheminée principale.
En ouvrant le registre 35 au degré voulu, la. quanti- té désirée des gaz quittant la chambre 24 peut être entraî- née par les conduits 29, 30 et 31 vers le ventilateur 32 et amenée par le conduit 33 dans le conduit 17 et distribuée par les tuyères 18 et 19 dans le four.
En ouvrant le regis- tre 36 au degré voulu, la quantité désirée des gaz quittant la chambre 20 peut éviter par by-pass la chambre 24 et pas- ser directement au ventilateur 32 par les conduits 28,30 et 31, En ouvrant le registre 34 au degré voulu, la quantité désirée des gaz venant du carneau 12 peut éviter par by-pass la chambre 20 et passer au lieu de cela par les conduits 26,
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27 dans la chambre 24 et de là, comme déterminé par la posi- tion du registre 35, vers le ventilateur 32 ou le conduit 37 ou les deux.
Au moyen du système de conduit et de registre,décrit ci-dessus, on réalise un contrôle rigoureux de la quantité et de la température des gaz de refroidissement distribués dans le four par les tuyères 18, 19.
Le four peut être chauffé par des brûleurs à huile au lieu des brûleurs au gaz considérés ci-dessus.
La conversion en phase vapeur à 650 à 750 C d'un maphte de pétrole non aromatique ou de kérozène en gaz renfer- mant des oléfines et en hydrocarbures aromatiques est réalisée dans l'appareillage décrit ci-dessus de la mani-ère suivante.
La charge est amenée d'un réservoir à liquide par les conduites d'alimentation 39 dans les vaporiseurs 20, dans les quels elle est vaporisée et surchauffée et envoyée ensuite par les conduutes d'alimentation 38 dans les chambres de réaction 14, lesquelles peuvent être garnies du catalyseur métallique d'hydrogénation et de déshydrogénation considéré dans le brevet britannique N 552.216 ou avec des corps cons- titués d'un matériau céramique vitreux, réfractaire tel la porcelaine dure comme décrit dans la demande de brevet belge N , 380. 052 déposée le 9 avril 1949.
La charge est introduite dans les chambres de réac- tion à une pression d'environ 5, et de préférence entre 1 et 3 atmosphères et avec une vitesse spatiale entre 0,05 et 0,6 et de préférence entre 0,2 et 0,6 litres en liquide de charge par heure, par litre de volume de chambre de réaction.
Les produits quittant :les chambres de réaction 14 passent, après refroidissement, par le dispositif 45, par les conduites de sortie 42 dans le collecteur 44.
Le four est chauffé par les brûleurs au gaz 11, dis- posés le long de la partie supérieure, pour donner une tempé- rature d'environ 800 à 900 C au sommet du four, cette tempe-
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rature tombant graduellement à environ 750 à 800 C juste au- dessus du niveau de la conduite 17. Les régions supérieures des chambres de réaction sont chauffées principalement par radiation des flammes des gaz.
Une couche refroidissante de gaz à une température de de 300 à 400 C est introduite de la conduite 17 dans le four par les tuyères 18, 19 de façon à réduire la température du four à environ 700 C et cette température est maintenue vers le bas jusqu'au fond du four, les gaz perdus passant par les fentes 13 dans le carneau 12 et de là, ils sont partiellement @ envoyés à la cheminée et partiellement recirculés par le conduit 17, après avoir traversé l'une ou l'autre ou les.
deux chambres 20.et 24
Bien que l'appareillage ait été décrit en s.e référant à des chambres de réaction tubulaires, il peut être utilisé avec d'autres formes de chambres de réaction, par exemple, la première et la seconde partie de chaque chambre de réaction peuvent être constituées de serpentins mais il est essentiel que la première partie soit localisée dans la première région du four du niveau de combustion (allumage) au niveau du con- duit et la seconde partie de la chambre de réaction localisée dans la région suivante du four du niveau du conduit au car- neau de sortie.
REVENDICATIONS.
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Improvements in the conversion of hydrocarbons by heat treatment.
This invention relates to the transformation of hydrocarbons by heat treatment and includes the transformations which take place in the presence or absence of a catalyst.
More particularly, the invention relates to carrying out transformations of hydrocarbons of the type comprising two consecutive reaction stages meeting different heat requirements, the first stage being endothermic and requiring a large supply of heat, and the second stage being essentially thermally neutral, or slightly
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exothermic and requiring no substantial heat input.
Examples of such transformations are transformations of hydrocarbons which are wholly or predominantly non-aromatic (performed to convert these) substantially completely to olefin-containing gases and aromatic hydrocarbons. Such conversions are considered in UK Patent No. 575,383 and consist essentially of a cracking reaction followed by an aromatization reaction although the two reactions may overlap to some extent. The cracking reaction requires a large and rapid heat input while the aromatization reaction does not require a substantial heat input.
According to the invention, a method or a process for carrying out hydrocarbon transformations of the kind contemplated above, comprises passing the starting hydrocarbon material in the form of a fluid through a number of reaction chambers. traversing a furnace heated by one or more burners with brilliant fluid fuel in the furnace or by hot gases entering the furnace from the side where the hydrocarbon fluid is introduced into the reaction chambers, the hot gases produced by the burner or the burners or introduced into the furnace, passing through the furnace in the same direction as the hydrocarbon fluid to exit through a flue disposed at the other end or outlet end of the furnace,
a cooling layer of gas being introduced in a zone of the furnace situated between its ends and corresponding to the place at which the transformation, taking place in the reaction chambers, passes from the endothermic stage to the thermally neutral or light stage. exothermic.
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The heating of the furnace is regulated so as to provide the heat required for the first endothermic stage of the transformation, and the temperature and quantity of cooling gases are regulated so as to reduce the temperature, in the next zone of the furnace, to that required for the second stage of processing and to maintain this temperature in the next zone of the furnace. All the gases introduced leave the oven through the flue located at the outlet end.
The cooling gases may comprise a portion of the flue gases which have left the furnace and have been cooled, as will generally be deemed necessary, providing an additional heating operation which may, for example, consist of, or include the vaporization or pre-heating of the flyide supplying the reaction chambers.
The apparatus, in accordance with the invention, for carrying out hydrocarbon transformations of the type considered, comprises a furnace through which one or more reaction chambers pass, heating devices at the inlet end of the furnace. providing hot gases which pass through the furnace, an outlet for the gases at the other end or outlet end of the furnace and devices for introducing a layer of gas into the furnace between its two ends.
The devices for introducing a layer of gas into the furnace may include a duct surrounding the furnace and provided with nozzles penetrating into the furnace. Devices can also be provided for the recirculation, in this duct, of a part of the flue gases leaving the furnace. It will generally be considered necessary to cool the gases before recirculation in the furnace and the thing will be
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Ference produced by passing these gases over preheaters or vaporizers of the charge, placed in a chamber contiguous to the oven. Additional cooling, if necessary, can be achieved by passing the gases through a waste heat boiler.
The reaction chambers used in carrying out the invention have an initial portion of a relatively high surface to volume ratio designed for carrying out the endothermic reaction stage and a subsequent portion of a surface ratio. / relatively small volume designed for carrying out the thermally neutral or exothermic reaction stage, as described in British Patent No. 575,383, Thus, for example, in applying the invention to the transformation of petroleum fractions into gez containing olefins and aromatic hydrocarbons, the reaction chamber may consist of a 3-inch diameter tube expanding into a 10-inch diameter tube.
A method of carrying out the invention, applied to the conversion of hydrocarbons, which are wholly or mainly non-aromatics, essentially. complete in gas containing olefins and aromatic hydrocarbons, will be described below with reference to the accompanying drawings in which:
FIG. 1 gives a perspective view of a construction of apparatus in accordance with the invention.
Figure 2 shows a section through the furnace of the apparatus.
Referring to the drawings, the apparatus comprises a vertical furnace 10 of rectangular section having a number of gas burners 11 burning in the furnace along the main axis of the top of the furnace and an outlet flue 12 along the length of the furnace. the central axis of the base of the oven in
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which pass the gaseous products of combustion exiting through the slots 13. A number of reaction chambers. tubulars 14 (only two of which appear in FIG. 1) are arranged along each of the longitudinal faces of the furnace 10.
Each reaction chamber 14 comprises a relatively narrow 3 inch diameter tube 15 extended by a relatively wide tube 16 10 inches in diameter, the narrow portion 15 of the reaction chamber being designed to provide the stage. cracking of the transformation which is endothermic and the widest part 16 of the tube being designed to achieve the aromatization stage of the transformation which is thermally neutral, or slightly exothermic.
Surrounding the furnace 10 at that level at which the narrow part 15 of the reaction chamber 14 enters the wider part 16, is a pipe 17 provided with a series of nozzles 18, 19 entering the furnace, a number of nozzles 18 being arranged along the upper part of the pipe 17 and a number of nozzles 19 being arranged along the lower part of the pipe 17 and in alternating position with respect to the upper nozzles 18.
A chamber 20, adjacent to the furnace, contains a number of vaporizer coils 21, each of which is connected to the top of a reaction chamber 14 at one end, by a supply line 38 and to a common source of The liquid carbide hydra, at the other end, through a feed line 39. The feed lines 38 connecting the vaporizers 21 to the reaction chambers 14 pass through lines 40 and 41 along each face of the top. furnace 10. Each reaction chamber 14 is provided at its lower end with an outlet pipe 42 supplying through a valve 43 a common manifold 44. Devices 45 are provided for cooling the products leaving.
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reaction chambers 14.
The outlet duct 12 under the bottom of the furnace 10 communicates with a duct 22 which is connected to the chamber 20, the flue gases passing through the duct 22 and over the wall 23 into the chamber 20.
Below chamber 20 is a chamber 24 in which a low pressure steam boiler 25 can be installed.
On both sides of rooms 20 and 24 are installed a series of conduits 26, 27, 28, 29 and 30; the last of these communicates through duct 31 with fan 32 for the circulation of gases through duct 33 in duct 17. Registers 34, 35 and 36 are provided to control the flow of gases from the flue. 12. This duct, damper and fan system is provided on both sides of chambers 20 and 24 although only one system appears in the drawings.
When all the registers are closed, the gases from the flue 12 flow through the duct 22 over the wall 23 into the chamber 20, passing over the vaporizer coils 21, through the chamber 24, passing over the boiler 25, and, in- then, via channel 37 to the main fireplace.
By opening the register 35 to the desired degree, the. The desired amount of gases leaving chamber 24 can be drawn through conduits 29, 30 and 31 to fan 32 and fed through conduit 33 into conduit 17 and distributed through nozzles 18 and 19 into the furnace.
By opening register 36 to the desired degree, the desired quantity of gases leaving chamber 20 can bypass chamber 24 and pass directly to fan 32 through ducts 28, 30 and 31, By opening damper 34 to the desired degree, the desired quantity of gases coming from the flue 12 can by-pass the chamber 20 and pass instead through the ducts 26,
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27 into chamber 24 and thence, as determined by the position of register 35, to fan 32 or duct 37 or both.
By means of the duct and register system, described above, rigorous control is carried out of the quantity and temperature of the cooling gases distributed into the furnace by the nozzles 18, 19.
The furnace can be heated by oil burners instead of the gas burners considered above.
The vapor phase conversion at 650 to 750 C of a non-aromatic petroleum maphte or kerozene into gas containing olefins and aromatic hydrocarbons is carried out in the apparatus described above in the following manner.
The feed is fed from a liquid reservoir through the feed lines 39 to the vaporizers 20, where it is vaporized and superheated and then sent via the feed lines 38 into the reaction chambers 14, which may be. packed with the metal hydrogenation and dehydrogenation catalyst considered in British Patent No. 552,216 or with bodies made of a vitreous ceramic material, refractory such as hard porcelain as described in Belgian patent application N, 380.052 filed April 9, 1949.
The feed is introduced into the reaction chambers at a pressure of about 5, and preferably between 1 and 3 atmospheres and with a space velocity between 0.05 and 0.6 and preferably between 0.2 and 0, 6 liters of feed liquid per hour, per liter of reaction chamber volume.
The products leaving: the reaction chambers 14 pass, after cooling, through the device 45, through the outlet pipes 42 into the manifold 44.
The furnace is heated by the gas burners 11, arranged along the top, to give a temperature of about 800 to 900 C at the top of the furnace, this tempe-
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The temperature gradually falls to about 750 to 800 C just above the level of line 17. The upper regions of the reaction chambers are heated primarily by radiation from the flames of the gases.
A cooling layer of gas at a temperature of 300 to 400 C is introduced from the line 17 into the furnace by the nozzles 18, 19 so as to reduce the temperature of the furnace to about 700 C and this temperature is kept down until 'at the bottom of the furnace, the waste gases passing through the slots 13 in the flue 12 and from there, they are partially sent to the chimney and partially recirculated through the duct 17, after having passed through one or the other or the .
two bedrooms 20. and 24
Although the apparatus has been described with reference to tubular reaction chambers, it can be used with other forms of reaction chambers, for example, the first and second part of each reaction chamber may consist of coils but it is essential that the first part is located in the first region of the furnace from the combustion level (ignition) at the duct level and the second part of the reaction chamber located in the next region of the furnace from the duct level at the exit chime.
CLAIMS.
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