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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A LA CONVERSION DES COMBUSTIBLES .LIQUIDES EN
GAZ FIXES.
La présente invention est relative à une méthode et à un appareil pour la conversion de combustibles liquides et de combustibles carbonés liqué- fiables, en gaz fixes. L'expression "gaz fixes" comprend tout mélange de com- posés et d'éléments qui restent à l'état gazeux aux températures et aux pres- sions atmosphériques ordinaireso De tels mélanges peuvent être dans leur entiè- reté consommés directement comme combustiblesou peuvent être soumis à traite- ment en vue de l'obtention de certaines substances qui peuvent être utilisées dans d'autres buts.
L'invention se rapporte plus particulièrement à la conversion, en gaz fixes, de liquides carbonés, tels que goudron de houille et brai gras, qui sont actuellement largement consommés comme combustibles liquides,d'huiles hy- drocarburées, tel le pétrole brut, et de résidus résultant des traitements à haute température des produits ci-dessus, lesquels résidus ont été utilisés jusqu'ici principalement comme combustibles liquides dans certains types de fours et pour des procédés opérant à hautes températureso En plus des liquides susnommés, le procédé est aussi conçu pour la conversion, en gaz fixes, de cer- taines huiles animales et végétales, et à la conversion, en gaz fixes, de beau- coup-,de produits résiduels,tels que les huiles utilisées d'automobile,
les huiles de dépôt éliminées, etc
Les avantages d'un combustible gazeux fixe, tel que du gaz natu- rel, pour l'utilisation dans certains procédés industriels, aussi bien que pour l'usage domestique, 'sont bien connus. Dans beaucoup de régions, on ne dispose pas de gaz naturel. Dans d'autres contrées qui sont alimentées en gaz naturel ou manufacturée il y a souvent des pénuries
Un objet de la présente invention est de suppléer à ces déficien- ces avec un gaz combustible de haut pouvoir calorifique, gaz combustible trai- té à partir d'un liquide carboné disponible quelconque, y compris des résidus tels que ceux mentionnés précédemment
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La plupart des producteurs d'acier fabriquent du coke et, en cours de procédés,
de grandes quantités de goudrons de houille et/ou de brais gras sont produites et utilisés comme combustible. Mais l'utilisation de goudron comme combustible est limitée à certains fours, tels que les fours Siemens-Mar- tinqui opèrent à hautes températures. Le goudron ou le brai est visqueux,, et coûteux à manier, particulièrement par temps froid. De même., de tels matières visqueuses sont généralement produites à une certaine distance des points de consommation et doivent y être transportées dans des wagons-citernes ou ca- mions-citernes .
Un autre objet de la présente invention est de présenter un pro- cédé et un appareil grâce auxquels le goudron et le brai peuvent être conver- tis, d'une manière 'économique,, à l'endroit de production ou d'origine, en un gaz fixe désulfuré, et alors envoyés aux points de consommation par des condui- tes à gaz (qui existent déjà en grand nombre).
Des gaz fixes convenant pour l'utilisation comme combustibles ga- zeux ont, depuis de nombreuses années, été produits à partir de résidus de pé- trole. Ces gaz sont communément appelés gaz d'huile,. En général, un gaz d'huile varie, en composition et en pouvoir calorifique, approximativement comme suit :
EMI2.1
<tb> Gaz <SEP> d'huile <SEP> Pourcentage <SEP> Analyses <SEP> typiques
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<tb> Constituants <SEP> par <SEP> % <SEP> par <SEP> volume <SEP> de
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<tb> volume <SEP> 3 <SEP> spécimens.
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Méthane <SEP> CH4 <SEP> 27,6 <SEP> à <SEP> 43,2 <SEP> 27,6 <SEP> 43,2 <SEP> 30,0
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<tb> Ethane <SEP> C2H6 <SEP> et
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<tb> Propane <SEP> C3H8 <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 6,4 <SEP> 0,0 <SEP> 6,4 <SEP> 1,0
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<tb> Ethylène <SEP> C2H4 <SEP> et
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<tb> autres <SEP> oléfines <SEP> 3,5 <SEP> à <SEP> 17,0 <SEP> 3,5 <SEP> 17,0 <SEP> 26,0
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<tb> Acétylène <SEP> C2H2 <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 0,5 <SEP> 0,0 <SEP> 0,5 <SEP> 1,1
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<tb> Hydrogène <SEP> H2 <SEP> 50,8 <SEP> à <SEP> 23,2 <SEP> 50,8 <SEP> 23,2 <SEP> 9,4
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<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> carbone <SEP> CO <SEP> 10,2 <SEP> à <SEP> 3,6 <SEP> 10,2 <SEP> 3,6 <SEP> 2,
7
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<tb> Acide <SEP> carbonique <SEP> CO2 <SEP> 2,6 <SEP> à <SEP> 1,1 <SEP> 2,6 <SEP> 1,1 <SEP> 3,0
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<tb> Oxygène <SEP> O2 <SEP> 0,2 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> 0,2 <SEP> 1,0 <SEP> 2,8
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<tb> Azote <SEP> et <SEP> autres <SEP> gaz
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<tb> inertes <SEP> 5,1 <SEP> à <SEP> 4,0 <SEP> 5,1 <SEP> 4,0 <SEP> 25,0
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<tb> Total <SEP> Btu <SEP> par <SEP> pied
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<tb> cube <SEP> 548 <SEP> à <SEP> 975 <SEP> 548 <SEP> 975 <SEP> 1030
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Un autre objet encore de la présente invention est de contrôler le pouvoir calorifique d'un gaz fixe produit à partir des matières indiquées, à toute valeur désirée entre 500 et 1000 Btu par pied cube, et de produire un gaz propre., libre de vapeur,
ayant un pouvoir calorifique pratiquement constant de sorte que les brûleurs peuvent être réglés et la consommation soigneusement contrôlée pendant toute période de temps désirée; aussi, un autre objet de l' invention est de pourvoir, lorsqu'on le. désire,au contrôle de la densité du gaz produit dans les circonstances susditeso
A l'exception des procédés qui prévoyent l'application du prin- cipe d'une combustion partielle de l'huile.
avec de l'air ou de l'oxygène, et de ceux utilisant des catalyseurs au nickel (qui sont corrompus par le soufre dans les huiles minérales), pratiquement tous les procédés et appareils utili- sés jusqu'ici pour la conversion des hydrocarbures liquides en gaz fixes., ne
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sont utilisés que par intermittence, ce qui requiert l'utilisation d'un jeu de deux unités productrices, ces unités consistant essentiellement en deux ou plu- sieurs chambres de contrôle en briquesdans l'une desquelles de l'huile et de la vapeur sont injectées, tandis que l'autre est chauffée pour rétablir sa. température de travail et éliminer les dépôts de carbone.
Un tel fonctionne- ment intermittent est très inefficace pour des raisons qu'il n'est pas néces- saire d'expliquer dans la présente spécification.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un procédé continu qui peut être mis en oeuvre dans une seule unité ou appareil producteur, ce qui permet de produire du gaz d'une manière continue à partir d'une huile combusti- ble donnée,et à un taux contrôlé sur de longues périodes de temps.
D'autres objets encore de l'invention apparaîtront de la descrip- tion suivante.
Aux dessins annexés, un appareil est illustré, dans lequel et dans le fonctionnement duquel l'invention est mise en oeuvre, l'appareil choi- si, dans ce cas, étant une petite unité, conçu pour convertir environ 15 gal- lons d'huile par heure en 4000 pieds cubes de gaz environ, avec un pouvoir ca- lorifique de 500 à 600 Btu par pied cube.
La figure 1 est une vue schématique représentant l'appareil en coupe longitudinale verticale.
La figure 2 est une vue en coupe horizontale de l'unité généra- trice de gaz de l'appareil, suivant le plan II-II de la figure 1.
La figure 3 est une autre vue en coupe horizontale de l'unité gé- nératrice, suivant le plan III-III de la figure 1.
La figure 4 est encore une a.utre vue en coupe horizontale de cette unité génératrice, suivant le plan IV-IV de la figure 1.
La figure 5 est une vue en coupe verticale d'un interrupteur électrique de régulation de pression, compris dans l'appareil pour contrôler automatiquement la production de gaz suivant le taux auquel il est consommé.
La figure 6 est une vue développée ou schéma d'un vaporisateur ou chaudière comprise dans ''.-,appareil.
En se référant aux dessins, l'appareil comprend une unité généra- trice de gaz 1, une unité de lavage ou de purification des gaz 2, et un ré- servoir 3 qui reçoit ces gaz. Le réservoir 3 peut être de conception et de di- mensions variables.En effet, il peut consister simplement en un élargissement dans la conduite principale,ou il peut consister en un réservoir d'accumula- tion des gaz d'une capacité quelconque désirée. Le but de l'unité 2 de lavage et de purification des gaz est de refroidir ceux-ci, ou de les libérer des va- peurs d'huile et d'eau, et/ou des composés sulfurés.
L'unité génératrice 1 comprend une chambre de catalyseur 5, cons- truite en métal résistant à la chaleur, par exemple un alliage d'acier au chro- me-nickel-molybdène. Cette chambre qui est verticale est de section transversa- le progressivement croissante, à partir du bas vers le haut. Cette chambre con- tient un corps catalyseur poreux 6 formé d'hématite dure broyée et triée en blocs ou pièces ayant des dimensions de 1/2 à 3/4 de pouce. La chambre du ca- talyseur est disposé à l'intérieur d'une chambre de chauffage 7.
Dans les gé- nérateurs de gaz de plus petites dimensions, il peut être pratique de fournir la chaleur nécessaire à la chambre 7 au moyen de résistances électriques mais, dans l'unité représentée, aussi bien que dans les unités plus grandes, la cha- leur est fournie de préférence en brûlant de l'huile et/ou du gaz. Dans le présent cas, un brûleur 8 (figure 2) à huile et gaz combinés est monté sur le corps du générateur à ou près de la zone du plan de coupe II-II de la figure 1, et est d'une construction du type montré à la figure 2 de manière à projeter sa flamme parallèlement à une ligne tangente à la face intérieure de la paroi de la chambre de combustion 7. Un tube 73 pour les produits de combustion dé- bouche au sommet du générateur.
En débutant avec le générateur froid, ce brûleur fonctionne grâce à une huile combustible légère injectée avec de l'air à une
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pression supérieure à la pression atmosphérique, jusqu'à ce que le générateur produise du gaz; à ce moment, l'alimentation en huile est coupée et le généra- teur est chauffé grâce à une petite quantité de gaz produit, envoyé au brûleur par une conduite 9 partant du conduit distributeur de gaz 463 de l'appareil.
Les parois de la chambre 7 sont réalisées en plaques d'acier 11, revêtues de matière réfractaire. Un compartiment d'approvisionnement 12 est prévu au sommet de la chambre 5 du catalyseur et contient assez d'hématite calibrée pour remplir ladite chambre 5. A la base du générateur, est disposé un réceptacle 13 à catalyseur, réalisé en acier au carbone ordinaire.
Un pyromètre thermo-électrique 14 se projette à l'intérieur de la chambre de combustion, et, quand le générateur produit du gaz, ce pyromètre (conjointement avec des dispositifs de contrôle habituels, non représentés) contrôle automatiquement le flux de gaz vers le brûleur, pour maintenir la température au point quelconque désiré compris dans les limites de travail de 1500 à 1700 F, comme montré par un indicateur 140.
De tels dispositifs de contrôle sont bien connus en pratique et il n'est pas nécessaire, pour la compréhension de la présente invention, de les représenter, ou de décrire ici leur fonctionnement en détails. Dans le gé- nérateur, des moyens sont prévus pour produire de la vapeur surchauffée, qui est un agent oxydant gazeux, pour l'utilisation dans la production de gaz fixe.
De tels moyens peuvent comprendre une chaudière formée de quatre paires de tu- bes verticaux 21, 21a, 21b et 21c (figures 3 et 6) qui sont de préférence en- robés dans la conduite réfractaire 10 de la chambre de combustion, et reposent dans les brides de canaux d'acier 22 qui supportent ou renforcent les parois d'acier 11 de la chambre 7. Les deux tubes de chaque paire sont connectés entre eux par des tubes 21d voisins de leurs extrémités inférieures et par des tubes 21e au voisinage de leurs extrémités supérieures, et les quatre paires de tu- bes sont connectées entre elles en série, au voisinage de leurs extrémités su- périeures, grâce à des conduits 21f.
De l'eau est envoyée par un conduit 15 à un réservoir supérieur 16 qui comporte une soupape à flotteur 17 pour le main- tien de l'eau dans le réservoir à la hauteur hydrostatique désirée. De l'eau en provenance du réservoir 16 est envoyée par une tuyauterie 18 à la base des tubes bouilleurs 21-21f, l'intensité de l'écoulement étant mesurée par un dé- bit-mètre 19 et réglée par une soupape 20; et la vapeur engendrée dans ces tubes est envoyée par une conduite 23 à une tubulure 24 qui entoure et est soudée à la paroi conductrice de la chaleur de la chambre 5 du catalyseur, dans la position montrée à la figure 1. Au cours de son déplacement dans le tube 23 et dans la tubulure 24, la chaleur est hautement surchauffée en vue des réactions chimiques qui vont bientôt être considérées.
Des robinets d'es- sai 51 et 52 sont connectés en des endroits convenables des tubes bouilleurs pour les tests. La disposition des tubes décrite procure une chaudière qui utilise, pour la production de vapeur, de la chaleur qui autrement serait per- due, par radiation, par les parois du générateur.
Depuis la tubulure 24, la vapeur surchauffée à la température des gaz chauds dans la chambre de combustion 7 est projetée à travers les orifi- ces 25 dans la chambre de catalyseur 5.
De l'huile est injectée à l'intérieur du corps catalyseur po- reux au moyen d'une pompe à moteur 26 qui aspire de l'huile par la conduite 27 depuis un réservoir conventionnel (non représenté) qui peut être placé sous le niveau du sol et chauffé. Dans le cas d'huiles ou d'autres liquides carbonés combustibles très visqueux qui peuvent être utilisés pour la produc- tion de gaz fixe, les produits de combustion dans la chambre 7 peuvent être employés pour préchauffer de tels liquides. A titre d'exemple de la marche qui peut être suivie, un serpentin 300 est représenté au sommet de la chambre de combustion, et le liquide visqueux peut y passer, ce qui amènera une dimi- nution de la viscosité du liquide et une augmentation de la température.
Le combustible liquide, aspiré à travers le conduit 27 à partir du réservoir, est envoyé, en passant par un débit-mètre 28 et un conduit d'ali- mentation 30, à une canalisation d'injection 29 disposée à une zone intermé- diaire de la chambre du catalyseur comme représenté. Cette canalisation 29, qui
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est d'ailleurs fermée à son extrémité intérieure à la chambre,présente un pe- tit trou (1/32 à 1/16 de pouce) prévu dans sa paroi, pour diriger un jet d'hui- le vers le bas. La canalisation d'injection 29 est reliée à la conduite d'ali- mentation en huile 30 par une jonction 31, et traverse un tube de protection 32 résistant à la chaleur, qui se projette à travers et est soudé à la-paroi de la chambre de catalyseur 5.
Il est important que le jet d'huile soit diri- gé vers le bas à travers un petit orifice. On a trouvé qu'un tube injecteur a- vec son extrémité ouverte ou avec un grand orifice de sortie est rapidement bouché par le carbone. Il est de plus important que la vapeur soit injectée ou soit effective sous le ou les points d'admission d'huile au catalyseur et il faut observer que les orifices 25 du jet de vapeur soient placés à une grande distance en dessous de la canalisation d'injection d'huile 29.
Le moteur 260 qui commande la pompe 26 démarre par la fermeture d'un interrupteur 33. Ensuite, le fonctionnement de la pompe et de son moteur est contrôlé par la pression de gaz dans le réservoir 3, grâce à un interrup- teur électrique spécial 34 de régulation de pression (figure 3), décrit ci-après en détails. Grâce à cet interrupteur 34, qui peut être réglé pour répondre à une pression comprise entre une demi-livre et deux livres dans le réservoir 3, le circuit d'alimentation du moteur 260 de la pompe est coupé,lorsque la pres- sion dans le réservoir 3 atteint la valeur à laquelle ledit interrupteur 34 de régulation de pression est réglé. Le circuit est refermé quand la pression du réservoir tombe sous la valeur à laquelle ledit interrupteur est réglé.
De cet- te manière,la production de gaz est automatiquement contrôlée et réglée au taux d'utilisation du gaz,jusqu'à la capacité maximum du générateur. La sou- pape à flotteur dans le réservoir 16 et la soupape 20 contrôlent l'écoulement de l'eau vers le générateur, et ces soupapes, conjointement avec la pompe à huile 26, pourvoient à l'envoi de la proportion correcte d'huile et d'eau dans le générateur. D'autres dispositifs peuvent être conçus ou peuvent exis- ter pour arriver aux mêmes résultats, mais ils sont plus coûteux et moins sûrs que le dispositif 34.
Par exemple, si une pompe à eau et une pompe à huile sont commandées par un moteur unique qui arrêtent en même temps l'écoulement d'huile et d'eau, les résultats seraient imparfaits, puisque l'écoulement d'eau devrait être maintenu pendant plusieurs minutes après que l'écoulement d'huile a été coupé, afin d'empêcher la formation de charbon de coke et pour permettre la régénération du catalyseur dans la chambre 5.
Lors de la préparation de l'appareil pour son utilisation, la chambre de catalyseur 5 et le compartiment d'emmagasinement 12 sont remplis d'hématite dure concassée et calibrée, et des couvercles à garniture 35 et 35a sont boulonnés solidement en place sur les ouvertures de chargement prévues au sommet du compartiment 12. Le générateur est graduellement chauffé jusqu'à la température de 1650 F, qui sera signalée par l'indicateur 140.
Pendant le chauffage dudit générateur, on prépare les unités de lavage et de purification des gaz. Ces unités comprennent une unité de re- froidissement et de lavage 36, un séparateur d'huile 37, un dispositif d'enlè- vement du soufre 45 (utilisé uniquement lorsque l'enlèvement au soufre est né- cessaire), et un laveur à huile 46. Le laveur 36 et le séparateur d'huile 37 sont alimentés en eau froide en ouvrant une soupape 38 dans une conduite par- tant de la canalisation d'alimentation en eau 15.
Le laveur 36 comprend un réservoir métallique vertical compor- tant une conduite 360 partant d'un point médian de sa dimension verticale et se dirigeant vers le bas en direction du séparateur d'huile 37,qui comporte également un réservoir vertical disposé à un niveau inférieur à celui du ré- servoir 36. Lorsque le niveau deau qui s'élève dans le réservoir 36 atteint l'orifice de la conduite 36-, de l'eau s'écoule par cette conduite dans le sé- parateur d'huile 37, et quand le niveau d'eau qui s'élève dans ce dernier at- teint le point où il apparaît dans l'indicateur à voyant 39, la soupape d'ad- mission d'eau 38 est fermée.
Ensuite, si on désire du gaz désulfurés quelques livres de chaux éteinte sont introduites par le couvercle 40 d'un réservoir hermétique 42, la chaux étant placée et supportée sur une paroi ou écran perfo- ré 41. Le couvercle 40 est alors remis en place au sommet du réservoir 42, et
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une soupape 43 est ouverte pour admettre de l'eau depuis la conduite d'ali- mentation 15. L'eau s'élève dans le corps de la chaux disposée sur l'écran 41 jusqu'à ce que son niveau atteigne l'ouverture de la canalisation 420 con- duisant du réservoir 42 au sommet du dispositif pour l'enlèvement du soufre 45.
Ce dernier dispositif 45 comprend un réservoir vertical comportant une conduite de trop-plein d'eau 450 menant dans le réservoir à séparation d' huile 37. Lorsque l'eau s'élevant dans le réservoir 45 atteint 1-*orifice de la conduite 450, elle s'écoule par cette dernière conduite dans le réservoir à séparation d'huile 37, avec, pour effet,un commencement d'élévation du ni- veau de l'eau dans l'indicateur à voyant 39. A ce moment, la soupape 43 est ré- glée dans une position qui (dans le cas d'un appareil produisant 5000 p.c.h. tel que représenté ici) réduit l'écoulement à environ un quart par minute.
L'intensité d'écoulement est déterminée par ouverture de la soupape 44 sur la conduite 440 partant de la base du séparateur d'huile 37 et en mesurant l' eau qui s'écoule. La soupape 43 est réglée jusqu'à ce qu'elle atteigne la po- sition à laquelle l'écoulement par la conduite 440 arrive au taux désiré.
L'eau qui s'écoule par cette conduite 440 peut être menée à un tuyau de drai- nage, à l'égoût, ou à un autre point adéquat d'évacuation. Quand l'écoulement d'eau désiré à ainsi été établi à travers le réservoir à chaux 42, le réser- voir 45, le réservoir 37, et la conduite d'évacuation 440, la soupape 38 est réouverte et réglée dans une position telle que l'écoulement total d'eau en provenance de la conduite d'évacuation 440 est égal à environ un gallon par mi- nute lorsque l'eau a une température de 40 F, et à un et demi gallon par minu- te lorsque la température est de 65 Fa Le niveau de l'eau est ainsi établi aux niveaux de fonctionnement dans le laveur 36, le dispositif d'enlèvement du soufre 45, le réservoir à chaux 42,
et le séparateur d'huile 37. Ensuite., les positions, dans lesquelles les soupapes 38 et 43 ont été réglées,sont marquées et les soupapes sont fermées.
On prépare alors le laveur à huile 46. Il consiste en un réser- voir vertical comportant deux parois horizontales 460 et 461, comme représen- té. La chambre 470, au-dessus de la paroi 460, comporte un dispositif barboteur 67, dont le bord inférieur est entaillé, comme représenté. Le barboteur 67 re- pose sur l'extrémité supérieure du tube 68 qui s'étend vers le bas, en passant au travers de la paroi 460, jusqu'à un barboteur 69 à la base du réservoir.
Lors de la préparation pour la mise en service du laveur à huile, de l'huile légère (par exemple de l'huile combustible n 1 ou n 2) est introduite dans la chambre supérieure 47 par une admission à entonnoir 48 comportant une soupa- pe 480. De la chambre 47, l'huile s'écoule dans la chambre 470 par une dériva- tion 490 qui présente une soupape 49. L'huile s'élève dans la chambre 470 jus- qu'au niveau auquel elle déborde le bord supérieur du tube, pour tomber ensui- te dans ce tube vers la base du réservoir 46, où elle forme une masse d'huile entourant le barboteur 69.
Quand des nappes d'huile adéquates ont ainsi été for- mée autour des barboteurs 67 et 69, la soupape 49 est fermée et la chambre 47 est remplie; après quoi, le versement d'huile dans l'entonnoir 48 est inter- rompu et la soupape 480 fermée. Ensuite, la soupape 49 est ouverte, et est ré- glée dans une position telle que l'huile s"écoule par la dérivation 490 à un taux d'environ six gouttes par minute, ce qui peut être contrôlé grâce à un voyant 50 compris dans la dérivation. Un tube d'aération 471 s'ouvre au travers de la paroi 46l et s'étend presque jusqu'au sommet de la chambre 47. L'huile est alimentée au taux d'environ six gouttes à la minute, aussi longtemps que le générateur reste en fonctionnement.
Pendant qu'on amène les unités de lavage et de purification aux conditions de service, comme décrit ci-avant, le chauffage de la chambre de combustion est continué jusqu'à ce que sa température atteigne 800 à 900 F.
Alors, le robinet d'essai 51 et la soupape 20 sont ouverts, pour l'admission de l'eau à l'intérieur de la chaudière ou bouilleur 21-21f. Lorsque l'eau s'é- coule dudit. robinet d'essai, ce dernier ainsi que la soupape 20 sont fermés et le robinet d'essai 52 ouvert. Ce dernier reste ouvert jusqu'à ce que la tempé- rature dans la chambre de combustion 7 atteigne 1650 F;
à ce moment, le robi- net 52 est fermé, et la soupape 20 est réglée de manière à fournir un écoule-
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ment d'eau d'un taux volumétrique égal à la moitié de celui de l'huile délivrée par la pompe 26 pour la conversion en gazo
Dans le cas particulier du générateur illustré et décrit ici, l' écoulement d'eau peut être d'un taux égal à une pinte par minute. Ensuite, toute eau en excès dans les laveurs est chassée et l'appareil vérifié pour les fuites,en admettant de Pair comprimé par la canalisation 57 à travers une admission 570, jusqu'à ce que la pression dans le réservoir 3 s'élève à deux livres.
L'écoulement spécifié de--au de refroidissement et de lavage est alors établi en ouvrant et en réglant les soupa.pes 38, 43 et 44, les soupa- pes 38 et 43 étant ouvertes aux positions marquées précédemment, déjà détermi- nées pour l'écoulement requis.
Pour commencer la production de gaz , une soupape principale de distribution 53 est ouverte, l'interrupteur 33 est fermé pour le démarrage de la pompe d'huile, et la soupape 54 est ouverte jusqu'à ce que le débit-mètre 28 indique l'écoulement d'huile désiré (un quart par minute pour le généra- teur représenté). Du gaz est immédiatement formé et déplace aussitôt tout l'air qui se trouve dans l'appareil. Lorsque la chambre de catalyseur 5 est remplie avec de l'hématite fraîchement préparée,, la teneur du gaz en CO2 et 112 est élevée pendant cinq à dix minutes, et ce gaz peut être envoyé au rebut en fermant temporairement la soupape 53 et en ouvrant la soupape d'essai 530. Le gaz qui s'échappe par cette dernière soupape peut être brûlé.
Après dix minu- tes environ, on ferme la soupape 530 et on ouvre la soupape principale de dis- tribution 53, ce qui permet au gaz de s'échapper vers les points de consomma- tion désirés.
La conversion de l'huile en gaz est effectuée en une fraction de seconde par une série de réactions physiques et chimiques.Par exemple, quand de l'huile combustible n 2 est injectée, en 29, dans l'hématite chauffée, el- le est d'abord volatilisée et puis décomposée, par le procédé connu sous le nom de cracking, en composés plus légers et plus volatils et en carbone.
Aus- sitôt que le carbone est formé,il réagitsoit avec le minerai, soit avec la vapeur surchauffée injectée (en 25), pour former du gaz CO ou du gaz CO et H2 suivant les réactions types suivantes :
EMI7.1
<tb> (a) <SEP> 3 <SEP> Fe2 <SEP> O3 <SEP> + <SEP> C <SEP> 2 <SEP> Fe3 <SEP> O4 <SEP> + <SEP> CO, <SEP> ou
<tb>
<tb> (b) <SEP> Fe3 <SEP> 04 <SEP> + <SEP> C <SEP> 3 <SEP> Fe <SEP> O <SEP> + <SEP> CO
<tb> (c) <SEP> H2O <SEP> + <SEP> C <SEP> H2 <SEP> + <SEP> CO
<tb>
<tb> (d) <SEP> 3 <SEP> FeO <SEP> + <SEP> H2O <SEP> Fe3O4 <SEP> + <SEP> h2
<tb>
La réaction (a) se réalise uniquement quand le catalyseur est nouveau.
Les surfaces des morceaux d'hématite (Fe2O3), qui forment le catalyseur, sont rapidement réduites en magnétite ((Fe3O,) 9 après quoi, seule la réaction (b) peut se réaliser, une telle réaction (b) seffectuant seulement sur les surfaces des morceaux de minorai. Ces changements et ces réactions don- nent un mélange de gaz fixes composé de CO et de H2, plus des vapeurs compo- sées d'eau et d'huiles légères.
Lorsque ces mélanges montent à travers la mas- se de minerai chauffée susdites certaines des huiles légères subissent, pen- dant quelles passent dans les tubes surchauffés 55 et 55a, une pyrolyse qui a principalement pour résultat la formation d'hydrocarbures non saturés con- nus tels que des oléfines, tandis que d'autres huiles légères réagissent avec le minerai et l'eau pour former du CH4, du H2 et du CO. Si le gaz n'est pas refroidi rapidement, les oléfines tendent à se polymériser, en formant des com- posés aromatiques et du H2.
De plus,, si le générateur fonctionne à sa capacité maximum, et particulièrement aux températures voisines de 1500 F, un peu de vapeur d'huile s'échappe non transformée avec le gaz en passant à grande vi- tesse dans les tubes surchauffés 55 et 55a.
Dans la chambre 5, les gaz,en même temps qu'une certaine quanti- té de vapeurs d'eau et d'huile, quittent la masse du minerai à une température comprise entre 1300 et 1500 F, et passent à travers un conduit 57 dans le re-
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froidisseur et laveur 36. Au sommet de ce laveur, de l'eau froide pénétrant par une tubulure 58, est répandue,, par des orifices 580, dans le gaz, et re, froidit ce dernier. Le gaz se dirige vers le bas par un conduit 59 dans un barboteur ou dispositif de distribution 60, de la base duquel le gaz s'élève et barbote à travers une colonne 600 comprenant de l'eau qui s'élève à une hauteur légèrement supérieure à celle du côté inférieur de l'orifice du tuyau de trop-plein 360.
Par cette action combinée de refroidissement et de lavage, la plus grande partie des vapeurs d'eau et d'huile est condensée, et l'huile en forme de globules s'échappe avec l'eau de refroidissement par le trop-plein 360. Dans ce laveur 36, un certain nombre de composés sulfurés et autres, solu- bles dans l'eau, sont séparés du gaz. La température de l'eau de trop-plein provenant de ce laveur est gardée inférieure à 120 F. Si la température s'é- lève au-dessus de cette valeur, l'écoulement d'eau est activé en réglant la soupape 38.
Si, en vue de garder la température de l'eau inférieure à la va- leur prévue, l'écoulement est augmenté à un taux tel que le niveau d'eau s' élève au-dessus du tube de niveau 62, une soupape de drainage 63, disposée à la base du laveur, est ouverte jusqu'à ce que l'eau reprenne le niveau normal; après quoi, la soupape 63 est fermée et l'écoulement par la soupape 44 est ré- glé à nouveau. La propreté du gaz est vérifiée en ouvrant un robinet d'essai 64 prévu au sommet du laveur 36. Le gaz qui s'en échappe est allumé et une flamme est obtenue, flamme longue comme celle d'une bougie.
Le gaz quittant le laveur 36 à une température de 100 à 120 F en- mène avec lui une certaine quantité d'eau et d'huile entraînée, une sorte de brouillard, et une partie du soufre du gaz développé dans le générateur prin- cipalement sous forme de H2S, un gaz acide. Pour enlever ces impuretés, le gaz est envoyé à travers ' ' @ un second laveur 45 qui est pratiquement une réplique du premier, mais de dimensions un peu plus petites. Lorsque le gaz pé- nètre dans le second laveur par un conduit 361, il est lavé avec de l'eau de chaux diluée en provenance du réservoir 42, l'eau de chaux étant introduite par un vaporisateur 65 au sommet d'un tube 66.
A la base de ce laveur, le gaz est forcé de passer par un barboteur submergé 61, et comme le gaz est maintenant à une température bien inférieure à 90 F, les vapeurs d'huile et d'eau sont toutes deux condensées. L'eau de chaux enlève aussi le H2S et certains des au- tres gaz acides présents, comme le CO2, par exemple. L'eau de chaux peut être très diluée, car de l'eau ayant une concentration en ions d'hydrogène de pH8 est capable d'enlever 90% du H2S se trouvant dans le gaz, en supposant bien entendu qu'une quantité suffisante d'eau de chaux est utilisée.
Le gaz produit à partir de certaines huiles contient certains com- posés organiques de haut poids moléculaire, en suspension moléculaire, qui ne sont pas enlevés en lavant le gaz avec de l'eau ou des solutions aqueuses.
Pour enlever ces composés, du type gomme, on fait passer le gaz en provenance du laveur 45, par un conduit 451, dans un laveur double à huile 46. Dans ce der- nier laveur, le gaz est forcé de barboter en direction du bas à travers une masse d'huile légère dans une chambre 470, d'où il entre dans un barboteur 67, l'huile formant une vapeur qui est emportée avec le gaz vers le bas dans un tu- be 68 et dans un second barboteur 69. Le gaz barbote ensuite vers le haut à tra- vers la masse d'huile, dans le laveur 46, ce qui a pour effet de séparer la va- peur d'huile du gaz. De cette manière, pratiquement tous les composés organi- ques en suspension dans le gaz sont abandonnés en dissolution dans l'huile qui, le processus continuant, s'élève dans le laveur et s'écoule, par trop-plein, dans le conduit 462 vers le réservoir 37 de séparation d'huile.
Dans ce dernier, l'écoulement des liquides est très lent, l'eau étant enlevée à la base grâce à la conduite 440, comme déjà signalé. Les huiles, ayant toutes une densité moindre que celle de l'eau, s'élèvent à la surface de celle-ci dans le ré- servoir 37 et, en maintenant le niveau d'eau, dans ledit réservoir, bien au- dessus de la sortie d'eau, les huiles s'accumulent dans la moitié supérieure de la chambre, d'où elles sont évacuées périodiquement par un conduit 59 con- trôlé par une soupape 590. L'huile, ainsi enlevée par ce conduit 59, est ren- voyée au réservoir d'alimentation en huile pour être réintroduite dans le géné- rateur. Le procédé permet pratiquement 100% de conversion d'huile en gaz.
Le gaz propre, qui s'élève depuis la base du laveur 46, se dirige
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par une conduite 463 dans un réservoir de réception 3, d'où % est délivré aux points de consommation sous contrôle de la soupape 53.
De la description ci-avant, il apparaît que le fonctionnement du générateur et des unités de refroidissement et de purification du gaz est pra- tiquement automatique aussi longtemps que les taux d'écoulement d'eau et dhui- le sont maintenus, comme ils ont été réglés au départ du processus. Cependant, la quantité de gaz qui peut être utilement consommée par les usages industriels ou domestiques varie, non seulement de jour en jour, mais aussi pendant diffé- rentes périodes au cours de chaque jour; c'est pourquoi, il est hautement dé- si.rable de ne produire du gaz qu'à la vitesse à laquelle il peut être consommé d'une manière profitable et utile.
Puisque la proportion d'huile et d'eau injec- tées dans le générateur peut varier sans affecter le procédé, à savoir aussi longtemps qu'une certaine proportion minimum d'eau est fournie, l'intensité de production du gaz peut varier en réglant la quantité d'huile injectée.Lorsque la consommation de gaz est constante pendant plusieurs heures et peut être pré- vue à l'avance, un réglage grossier de l'intensité d'écoulement de l'eau et de l'huile peut être réalisé grâce aux mesureurs de débit prévus, mais un tel réglage n'est pas suffisant pour les petites variations inévitables dans le volume de gaz consommépar rapport au volume produit.
Il est désirable que le gaz soit fourni à une pression constante qui, pour la plupart des usages commerciaux, varie d'une demi-livre à deux li- vres par pouce carré.
Pour réaliser cette exigence,,, un interrupteur électrique particu- lièrement efficace de régulation de pression a été imaginé, cet interrupteur étant représenté comme attaché au réservoir à gaz 3, à la figure 1. Une coupe verticale centrale de cet interrupteur est montrée, à plus grande échelle, à la figure 5. L'interrupteur 34 comprend un tube 74 en forme de U à grosses parois de verre. Le tube est de diamètre interne d'un demi-pouce, et sa longueur de deux pouces et demi, mesurée à partir de l'intérieur de la courbure du U.
Un bras de ce tube en U est plus long que l'autre, et présente une inclinaison à 90 à son extrémité supérieure qui est munie d'un collier en caoutchouc 75 scellé et bloqué dans un orifice prévu dans la paroi latérale du réservoir, comme montré à la figure 1. Le tube est supporté et protégé par un dispositif de protection en acier 76, attaché à la paroi du réservoir 3. Le plus long bras du U est calibré en centimètres et millimètres à partir d'une ligne située à 5/16 de pouce au-dessus de la courbure, et sur -une distance de cinq centimètres.
Du mercure pur est placé dans le tube jusqu'au- niveau indiqué par 90 à la figu- re 5, qui correspond à la graduation de 25 mm. sur la paroi du tube.
Au sommet du bras le- plus court du U, un jeu de contacts élec- triques 77 et 81 est prévu. Le contact 77 comprend un anneau réalisé en tube de cuivre ou de bronze, ayant un diamètre légèrement supérieur au diamètre ex- térieur du tube. Le bord supérieur de l'anneau est poli de manière à former un siège plane, et le corps dudit anneau est fendu longitudinalement. Un man- chon 78 en caoutchouc est inséré à l'intérieur de l'anneau; un conducteur élec- trique 770 est soudé à cet anneau et un dispositif de serrage 79 assure l'assem- blage de l'anneau dans la position verticale désirée sur le bras le plus court du tube en U.
Un flotteur 80, réalisé en tube de verre de 10 mm de diamètre ex- térieur, fermé à sa base, est monté librement à l'intérieur de l'extrémité ou- verte du bras court du tube en U.La longueur du flotteur 80 nest pas infé- rieure à un pouce et demi, et l'extrémité ouverte dudit flotteur est prévue à gorge et fermée au moyen d'un bouchon 83 réalisé en un matériau isolant.
Le contact 81 comprend un anneau de tube de cuivre de faible ca- libre,dont le sommet est fermé par un disque de cuivre 82 soudé au bord de l'anneau. L'élément de contact 81 est fixé au flotteur par une vis 84 qui pé- nètre, à travers la paroi d'extrémité 82,dans le corps.du bouchon 83. La vis 84 procure la borne pour la liaison d'un conducteur électrique 810 à Isolé- ment de contact 81. Celui-ci porte normalement, par son bord inférieur, sur le siège formé par le bord supérieur de l'anneau de contact 77, comme montré à la figure 5. Un capot de protection 85 en matériau isolant, ou en métal recou- vert de matériau isolant, est mis en place par dessus les éléments de contact
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assemblés.
Aussi longtemps que la pression dans le réservoir 3 reste infé- rieure à celle désirée, le flotteur 80 reste stationnaire, avec les anneaux de cuivre 77 et 81 en contact, le circuit électrique de commande du moteur 260 de la pompe à huile étant fermé grâce aux conducteurs 810 et 770 qui sont reliés à l'interrupteur 33. S'il y a une baisse de la quantité de gaz consom- mé, la pression dans le réservoir 3 augmente, ce qui abaisse le niveau du mer- cure dans le long bras du tube en U et élève le niveau de mercure en dessous du flotteur. Celui-ci s'élève avec le mercure et coupe le circuit du moteur 260 de la pompe à huile, en interrompant ainsi l'écoulement d'huile jusqu'au mo- ment où plus de gaz est consommé et où la pression dans le réservoir 3 a dimi- nué.
Ce contrôle est parfaitement adapté au procédé, puisque le générateur continue à produire du gaz pendant quelques minutes après que l'alimentation en huile a été coupée, et fabrique du gaz immédiatement lorsque l'écoulement d'huile dans le générateur est de nouveau permis. Ce décalage, ou la diminu- tion graduelle de la production de gaz après que l'alimentation en huile a été coupée, augmente les intervalles entre l'arrêt et le démarrage du moteur. Il sera manifeste que, en réglant la position verticale à laquelle l'ensemble des contacts 77-81 est fixé sur le court bras du tube en U, l'appareil peut être rendu automatiquement sensible à toute pression d'échappement choisie.
La composition, la pesanteur spécifique et le pouvoir calorifique du gaz produit varient quelque peu suivant le type d'huile utilisé et la tem- pérature à laquelle le générateur fonctionne. Avec un catalyseur bien condition- né, dans le générateur fonctionnant à une température de 1500 F, le gaz aura une pesanteur spécifique d'environ 0,7, et un pouvoir calorifique d'environ 950 Btu par pied cube. Avec le générateur fonctionnant à 1600 à 1650 F, le gaz contiendra un plus haut pourcentage de Il± et de CO, qui abaisseront le pouvoir calorifique du gaz, mais augmenteront le volume de gaz produit à partir d'une quantité d'huile donnée.
En introduisant de l'air par la soupape 570, le pou- voir calorifique du gaz peut être à nouveau abaissé à toute valeur désirée, tandis que la pesanteur spécifique et la quantité de gaz produit seront aug- mentées d'une manière correspondante, ce qui est dû à la formation de CO et à la dilution avec du N2. En général, le volume de gaz produit à partir d'un vo- lume d'huile donné varie de 150 à 250 pieds cubes par gallon d'huile, suivant le type d'huile utilisé, et le pouvoir calorifique du gaz produit.
Avec certaines huiles qui donnent des résidus élevés à la distil- lation, telles que l'huile n 6 ou ''Bunker C", il est judicieux d'injecter un peu d'air d'une manière continue par la conduite 57 qui s'élève, vers le haut, au-dessus du compartiment 13, pour empêcher la formation de coke dans le fond du générateur. Avec des huiles qui donnent peu ou pas de résidu, il est seule- ment nécessaire d'introduire de l'air à suffisance dans le compartiment 13 pour équilibrer la pression de gaz dans le générateur; ceci empêchera des va- peurs d'eau et d'huile de se diriger à travers la masse du catalyseur 6 dans le compartiment 13.
Si des vapeurs peuvent pénétrer dans le compartiment 13, elles s'y condensent, en créant un vide partiel qui a pour effet de permettre la continuation de la pénétration non désirée.
Gomme on l'a déjà mentionné, le minerai de fer dans la chambre 5 agit comme catalyseur pour empêcher la formation de carbone, et il est forte- ment auto-régénérant, pourvu. qu'on utilise un excès de vapeur (ou un peu d'air); la température du minerai est maintenue supérieure à 1300 F dans toutes les parties de la chambre 5. D'autre part, si la température est élevée au-dessus de 1700 F, l'oxyde sur la surface des morceaux de minerai peut être réduit en fer métallique ce qui provoquera l'adhérence des morceaux l'un à l'autre, ou leur agglutinement, en particulier si on ajoute trop peu d'air lorsqu'il s'agit d'une huile à résidus élevés. Cette dernière situation est évitée en limitant la température de fonctionnement dans la chambre de combustion.
La température du minerai, qui est un pauvre conducteur de la chaleur et qui est continuellement refroidi par l'huile injectée, est maintenue à une vapeur com- prise entre 1500 et 1550 F au sommet de la chambre de catalyseur, et à une valeur encore plus faible en dessous du point où l'huile est injectée. A une
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température inférieure à 1400 F, le minerai ne réagira pas avec du carbone et l'huile ne sera pas fractionnée suffisamment pour former des gaz fixes.
Des difficultés provenant des causes susdites sont évitées en conformant la chambre de manière qu'elle soit de diamètre progressivement décroissant depuis le haut jusqu'en bas, et en préchauffant la vapeur injectée, à une tempéra- ture voisine de celle qui existe dans la chambre de combustion En opérant a.ux températures plus élevées et en utilisant une huile hautement suif orée le minerai aura tendance à absorber une certaine quantité de soufre., en for- mant du FeS à la surface des morceaux, mais ce sulfure est reconverti en oxy- de par réaction avec l'air ou Peau aux températures élevées de fonctionne- ment.
A titre de précaution contre tous les facteurs qui tendent à diminuer Inefficacité du catalyseur à l'oxyde de fera il est prévu de dépla- cer le minerai-, à travers la chambre de catalyseur, depuis la chambre de réser- ve 12 au sommet du générateur jusqu'au compartiment 13 à la base., Ce mouve- ment est obtenu grâce à un pousseur 70 qui est déplacé en avant et en arrière d'une distance de 2 à 3 pouces en faisant osciller 'un levier 72. Chaque course du levier pousse trois à quatre livres de minerai dans le compartiment 13. Huit à dix courses du pousseur,durant chaque heurs, sont suffisantes.
L'air introduit par la conduite 57 dans le compartiment 13 tend à empêcher les vapeurs de descendre de la chambre de catalyseur, et sert à ré- générer ou réactiver le catalyseur qui est délivré dans ce compartiment 13, grâce à quoi ledit catalyseur peut être réutilisé, Lorsqu'on utilise des huiles combustibles donnant peu ou pas de résidu, le mouvement du minerai nest pas nécessaire, spécialement si l'air de régénération du catalyseur est injecté de temps en temps à la base de la cham- bre 5 en passant par le compartiment 13
En considérant le rendement total du générateur, les réactions qui s'effectuent dans la chambre de catalyseur sont à la fois exothermiques et endothermiques,
mais en fait légèrement plus endothermiques.La source prin- cipale d'absorption de chaleur dans la chambre de catalyseur est celle qui est requise pour vaporiser 1-'huile injectée, et qui,, ajoutée à la chaleur absorbée par les réactions chimiques s'élève à environ 600 Btu par livre d'huile in- jectée. Les autres pertes de chaleur sont la chaleur sensible dans les gaz for- més et dans les produits de combustion qui s'échappent par le tube 73' Dans les grandes installations,ces derniers peuvent tre utilisés pour préchauffer l' huile lorsqu'elle est pompée vers le générateur, et la perte par radiation peut être réduite au minimum en isolant la chambre de combustion.
De cette maniera;., le rendement total, en entendant par cette expression le pouvoir calorifique total de l'huile utilisée comparé au pouvoir calorifique total du gaz fourni., s'élève depuis environ 80% pour le petit générateur décrit ici jusqu'à 85% et plus pour les plus grandes unités.
On reconnaîtra que la méthode de la présente invention comprend non seulement les changements physiques et chimiques connus sous le nom de "cracking",et les transformations connues sous le nom de "pyrolyse", mais en- core comprend certaines réactions chimiques parmi les composants du liquide carboné le minerai,. et Peau et/ou l'oxygène de l'air utilisé.De tels li- quides carbonés, comme les huiles combustibles dérivées du pétrole, sont prin- cipalement composés de résidus des procédés de distillation et de cracking quisont répétés jusqu'à ce que le résidu ne comprenne plus un hydrocarbure plus léger, de valeur.
Quand un mélange de tels liquides stables à la chaleur est injecté à 1-'intérieur de la chambre de catalyseur de l'invention, chauffée à une température, supérieure à 1450 F, Inaction initiale est celle de la va- porisation de l'huile. Cette transformation physique est instantanément suivie d'une action chimique, dans laquelle les molécules hydrocarburées sont d'abord décomposées par réaction avec l'oxygène provenant du catalyseur oxyde.Cette réaction est en principe limitée à 1:
1 oxygène disponible sur les surfaces de la masse de catalyseur, et on peut dire quedans certaines aires de surface des morceaux formant le catalyseur, l'oxyde est réduit d'un oxyde plus élevé a un oxyde inférieur., avec possibilité de formation d'une sorte de légère quan-
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tité de métal. Après la décomposition des molécules hydrocarburées ainsi com- mencée, suit immédiatement une réaction de cracking dans laquelle des molé- cules de poids moléculaires plus petits sont formées avec le dépôt habituel de carbone. Le carbone est converti en CO par réaction avec l'oxygène fourni par le catalyseur, ou en CO et H2 par réaction avec la vapeur d'eau- fournie.
Finalement, les hydrocarbures ayant des poids moléculaires supérieurs à ceux de l'éthane et du butane éprouvent une pyrolyse ou décomposition sans dépôt de carbone, et des hydrocarbures non saturés connus sous le nom d'oléfines sont formés.
En l'absence de gaz oxydant, tel que la vapeur d'eau, l'oxyde ca- talyseur serait vite réduit au point où'il devient inactif, mais, avec de l'eau injectée sous forme d'une vapeur surchauffée comme on l'a décrit, l'oxy- de inférieur sur les surfaces des morceaux est oxydé en oxyde supérieur, ( et cette mince quantité de métal qui existe est oxydée), et l'eau est réduite en Toutes ces réactions tendent à l'équilibre qui dépend de la température et de la proportion de vapeur d'eau infectée.
Le catalyseur devra être formé d'une substance qui produit ou provoque la libération d'oxygène en décomposant les hydrocarbures stables à la chaleur,comme décrit ci-avant. En présence de chaleur et d'un gaz oxydant comme la vapeur, la substance du catalyseur est au moins partiellement conver- tie ou rétablie en un oxyde supérieur en partant d'un oxyde inférieur. Pour la commodité, un catalyseur formé d'une telle substance est appelé un cataly- seur "X".
Bien que de l'hématite dure soit préférée en tant que substance ou matière pour former le catalyseur, d'autres oxydes de métal ayant une valen- ce d'au moins deux, peuvent servir, tels le peroxyde de manganèse, l'oxyde de nickel, et les oxydes chromique, cobaltique, molybdique et tungstique.
Par exemple, du gaz a été produit en utilisant du peroxyde de manganèse comme catalyseur, mais on a remarqué que l'oxyde réduit est une poudre qui ou bien obstrue le générateur, ou bien est emportée avec le gaz,en provoquant ainsi la nécessité d'une phase supplémentaire d'enlèvement de cette poussière hors du gaz. De même,les autres oxydes mentionnés présentent certaines difficul- tés en cours de fonctionnement, difficultés qui sont toutes évitées en uti- lisant de l'hématite. Cependant,comme ceux qui sont versés dans la pratique chimique le savent, les difficultés rencontrées peuvent être surmontées en renforçant, en transformant en boulettes ou en capsulant la substance catalyti- que à l'intérieur de parois ou de revêtements réalisés en une substance con- venablement perméable.
Grâce à l'invention expliquée ci-avant, on produit un combustible gazeux, fixe, propre, comprenant au moins un gaz hydrocarbure. Le gaz déve- loppé dans le générateur n'est pas seulement nettoyé des vapeurs d'eau et d'huile dans le laveur 36, mais le gaz est refroidi sous la température à la- quelle le gaz hydrocarburé se polymérise ou se décompose sous 3..'effet de la chaleur seule, et, comme on l'a déjà décrit en détail, les unités 45 et 46 net- toyent le gaz produit des inclusions organiques, acides ou du type gomme.
Il doit être compris que les expressions "gaz oxydant" et "agent oxydant gazeux" comprennent la vapeur d'eau ou d'air, ou un mélange de vapeur d'eau avec de :L'air ou de l'oxygène.
De nombreuses modifications et variantes dans la méthode et l'ap- pareil peuvent être apportées par les techniciens en la matière:, mais sans sor- tir, pour cela, du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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IMPROVEMENTS RELATED TO THE CONVERSION OF LIQUID FUELS INTO
STATIONARY GASES.
The present invention relates to a method and to an apparatus for the conversion of liquid fuels and of liquefied carbonaceous fuels into stationary gases. The term "stationary gases" includes any mixture of compounds and elements which remain in the gaseous state at ordinary temperatures and atmospheric pressures. Such mixtures may in their entirety be consumed directly as fuel or may be subjected to treatment with a view to obtaining certain substances which can be used for other purposes.
The invention relates more particularly to the conversion, into stationary gases, of carbonaceous liquids, such as coal tar and fatty pitch, which are currently widely consumed as liquid fuels, of hydrocarbon oils, such as crude oil, and of residues resulting from the high temperature treatments of the above products, which residues have hitherto been used mainly as liquid fuels in certain types of furnaces and for processes operating at high temperatures o In addition to the above-mentioned liquids, the process is also designed for the conversion, into fixed gases, of certain animal and vegetable oils, and for the conversion, into fixed gases, of many residual products, such as automotive oils,
the deposition oils removed, etc.
The advantages of a stationary gaseous fuel, such as natural gas, for use in certain industrial processes, as well as for household use, are well known. In many areas, natural gas is not available. In other regions that are supplied with natural or manufactured gas there are often shortages
An object of the present invention is to make up for these deficiencies with a fuel gas of high calorific value, a fuel gas treated from any available carbonaceous liquid, including residues such as those mentioned above.
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Most steel producers make coke and, in the process,
large quantities of coal tars and / or fat pitches are produced and used as fuel. But the use of tar as fuel is limited to certain furnaces, such as the Siemens-Martinqui furnaces, which operate at high temperatures. Tar or pitch is viscous, and expensive to handle, especially in cold weather. Likewise, such viscous materials are generally produced some distance from points of consumption and must be transported there in tank cars or tank trucks.
Another object of the present invention is to provide a method and apparatus by which tar and pitch can be converted, in an economical manner, at the place of production or origin, into a fixed desulphurized gas, and then sent to the points of consumption by gas pipes (which already exist in large numbers).
Fixed gases suitable for use as gaseous fuels have for many years been produced from petroleum residues. These gases are commonly referred to as oil gases. In general, an oil gas will vary, in composition and calorific value, approximately as follows:
EMI2.1
<tb> Oil <SEP> gas <SEP> Percentage <SEP> Typical <SEP> analyzes
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<tb> Constituents <SEP> by <SEP>% <SEP> by <SEP> volume <SEP> of
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<tb> volume <SEP> 3 <SEP> specimens.
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Methane <SEP> CH4 <SEP> 27.6 <SEP> to <SEP> 43.2 <SEP> 27.6 <SEP> 43.2 <SEP> 30.0
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<tb> Ethane <SEP> C2H6 <SEP> and
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<tb> Propane <SEP> C3H8 <SEP> 0.0 <SEP> to <SEP> 6.4 <SEP> 0.0 <SEP> 6.4 <SEP> 1.0
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<tb> Ethylene <SEP> C2H4 <SEP> and
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<tb> other <SEP> olefins <SEP> 3.5 <SEP> to <SEP> 17.0 <SEP> 3.5 <SEP> 17.0 <SEP> 26.0
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<tb>
<tb> Acetylene <SEP> C2H2 <SEP> 0.0 <SEP> to <SEP> 0.5 <SEP> 0.0 <SEP> 0.5 <SEP> 1.1
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<tb>
<tb> Hydrogen <SEP> H2 <SEP> 50.8 <SEP> to <SEP> 23.2 <SEP> 50.8 <SEP> 23.2 <SEP> 9.4
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<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> carbon <SEP> CO <SEP> 10.2 <SEP> to <SEP> 3.6 <SEP> 10.2 <SEP> 3.6 <SEP> 2,
7
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<tb> Carbonic acid <SEP> <SEP> CO2 <SEP> 2.6 <SEP> to <SEP> 1.1 <SEP> 2.6 <SEP> 1.1 <SEP> 3.0
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<tb>
<tb>
<tb> Oxygen <SEP> O2 <SEP> 0.2 <SEP> to <SEP> 1.0 <SEP> 0.2 <SEP> 1.0 <SEP> 2.8
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<tb> Nitrogen <SEP> and <SEP> other <SEP> gases
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<tb> inert <SEP> 5.1 <SEP> to <SEP> 4.0 <SEP> 5.1 <SEP> 4.0 <SEP> 25.0
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<tb> Total <SEP> Btu <SEP> per <SEP> foot
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<tb> cube <SEP> 548 <SEP> to <SEP> 975 <SEP> 548 <SEP> 975 <SEP> 1030
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Yet another object of the present invention is to control the calorific value of a stationary gas produced from the materials indicated, to any desired value between 500 and 1000 Btu per cubic foot, and to produce a clean gas, free of vapor. ,
having a substantially constant calorific value so that the burners can be regulated and consumption carefully controlled for any desired period of time; also, another object of the invention is to provide, when it is. desires, to control the density of the gas produced under the above circumstances
With the exception of processes which provide for the application of the principle of partial combustion of the oil.
with air or oxygen, and those using nickel catalysts (which are corrupted by sulfur in mineral oils), virtually all of the processes and apparatus heretofore used for the conversion of liquid hydrocarbons in fixed gases., do not
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are used only intermittently, requiring the use of a set of two producing units, these units essentially consisting of two or more brick control chambers, into one of which oil and steam are injected , while the other is heated to restore its. working temperature and remove carbon deposits.
Such intermittent operation is very inefficient for reasons not necessary to be explained in this specification.
Another object of the invention is to provide a continuous process which can be carried out in a single production unit or apparatus, which makes it possible to produce gas in a continuous manner from a given fuel oil, and at a controlled rate over long periods of time.
Still other subjects of the invention will emerge from the following description.
In the accompanying drawings an apparatus is illustrated in which and in the operation of which the invention is embodied, the apparatus chosen in this case being a small unit, designed to convert about 15 gallons of gas. oil per hour in approximately 4000 cubic feet of gas, with a calorific value of 500 to 600 Btu per cubic foot.
FIG. 1 is a schematic view showing the apparatus in vertical longitudinal section.
Figure 2 is a horizontal sectional view of the gas generator unit of the apparatus, taken along the plane II-II of Figure 1.
FIG. 3 is another view in horizontal section of the generator unit, taken on the plane III-III of FIG. 1.
Figure 4 is yet another horizontal sectional view of this generator unit, taken along the plane IV-IV of Figure 1.
Figure 5 is a vertical sectional view of an electrical pressure regulating switch included in the apparatus for automatically controlling the production of gas at the rate at which it is consumed.
Figure 6 is a developed view or diagram of a vaporizer or boiler included in '' .-, apparatus.
Referring to the drawings, the apparatus comprises a gas generator unit 1, a gas washing or purification unit 2, and a tank 3 which receives these gases. The tank 3 can be of varying design and dimensions. Indeed, it can consist simply of an enlargement in the main line, or it can consist of a gas storage tank of any desired capacity. The purpose of the gas washing and purification unit 2 is to cool the latter, or to free them from oil and water vapors, and / or from sulfur compounds.
The generator unit 1 comprises a catalyst chamber 5, made of heat resistant metal, for example a chromium-nickel-molybdenum steel alloy. This chamber, which is vertical, has a progressively increasing cross-section, from the bottom to the top. This chamber contains a porous catalyst body 6 formed of hard hematite crushed and sorted into blocks or pieces having dimensions of 1/2 to 3/4 inch. The catalyst chamber is placed inside a heating chamber 7.
In smaller gas generators, it may be practical to supply the necessary heat to chamber 7 by means of electrical resistors, but in the unit shown, as well as in the larger units, the heat is supplied to chamber 7. is supplied to them preferably by burning oil and / or gas. In the present case, a combined oil and gas burner 8 (figure 2) is mounted on the generator body at or near the area of the section plane II-II of figure 1, and is of a construction of the type shown in FIG. 2 so as to project its flame parallel to a line tangent to the inner face of the wall of the combustion chamber 7. A tube 73 for the combustion products exits at the top of the generator.
Starting with the cold generator, this burner works thanks to a light fuel oil injected with air at a
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pressure greater than atmospheric pressure, until the generator produces gas; at this time, the oil supply is cut off and the generator is heated by a small quantity of produced gas, sent to the burner through line 9 from the gas distributor line 463 of the appliance.
The walls of the chamber 7 are made of steel plates 11, coated with refractory material. A supply compartment 12 is provided at the top of the catalyst chamber 5 and contains enough calibrated hematite to fill said chamber 5. At the base of the generator, there is a catalyst receptacle 13, made of ordinary carbon steel.
A thermo-electric pyrometer 14 projects inside the combustion chamber, and, when the generator produces gas, this pyrometer (together with usual control devices, not shown) automatically controls the flow of gas to the burner , to maintain the temperature at any desired point within the working limits of 1500 to 1700 F, as shown by indicator 140.
Such control devices are well known in the art and it is not necessary, for the understanding of the present invention, to represent them, or to describe here their operation in detail. In the generator, means are provided for producing superheated steam, which is a gaseous oxidizing agent, for use in the production of stationary gas.
Such means may comprise a boiler formed of four pairs of vertical tubes 21, 21a, 21b and 21c (Figures 3 and 6) which are preferably encased in the refractory pipe 10 of the combustion chamber, and rest in the steel channel flanges 22 which support or reinforce the steel walls 11 of the chamber 7. The two tubes of each pair are connected to each other by tubes 21d adjacent to their lower ends and by tubes 21e in the vicinity of their upper ends, and the four pairs of tubes are connected to each other in series, in the vicinity of their upper ends, by means of conduits 21f.
Water is sent through a conduit 15 to an upper reservoir 16 which has a float valve 17 for maintaining the water in the reservoir at the desired hydrostatic height. Water from the reservoir 16 is sent by a pipe 18 to the base of the boiling tubes 21-21f, the intensity of the flow being measured by a flow meter 19 and regulated by a valve 20; and the vapor generated in these tubes is sent through a pipe 23 to a tubing 24 which surrounds and is welded to the heat conducting wall of the chamber 5 of the catalyst, in the position shown in FIG. 1. During its movement in tube 23 and in tube 24, the heat is highly superheated for the chemical reactions which will soon be considered.
Test taps 51 and 52 are connected at suitable places on the boiling tubes for the tests. The tubing arrangement described provides a boiler which uses heat which would otherwise be lost by radiation through the walls of the generator for the production of steam.
From the manifold 24, the superheated vapor to the temperature of the hot gases in the combustion chamber 7 is projected through the orifices 25 in the catalyst chamber 5.
Oil is injected inside the porous catalyst body by means of a motor pump 26 which sucks oil through line 27 from a conventional reservoir (not shown) which can be placed below the level. from the ground and heated. In the case of oils or other highly viscous combustible carbonaceous liquids which can be used for the production of stationary gas, the combustion products in chamber 7 can be employed to preheat such liquids. As an example of the course that can be followed, a coil 300 is shown at the top of the combustion chamber, and viscous liquid can pass through it, which will lead to a decrease in the viscosity of the liquid and an increase in temperature. temperature.
The liquid fuel, sucked through the pipe 27 from the tank, is sent, passing through a flow meter 28 and a supply pipe 30, to an injection pipe 29 arranged in an intermediate zone. of the catalyst chamber as shown. This pipe 29, which
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is moreover closed at its interior end to the chamber, has a small hole (1/32 to 1/16 of an inch) provided in its wall, to direct a jet of oil downwards. The injection line 29 is connected to the oil supply line 30 by a junction 31, and passes through a heat-resistant protective tube 32, which projects through and is welded to the wall of the tube. catalyst chamber 5.
It is important that the oil jet is directed downwards through a small orifice. It has been found that an injector tube with its end open or with a large outlet port is quickly clogged with carbon. It is furthermore important that the steam is injected or is effective below the point (s) of oil inlet to the catalyst and it should be observed that the orifices of the steam jet are placed at a great distance below the pipeline. oil injection 29.
The motor 260 which controls the pump 26 starts by closing a switch 33. Then, the operation of the pump and its motor is controlled by the gas pressure in the tank 3, thanks to a special electric switch 34. pressure regulator (Figure 3), described in detail below. Thanks to this switch 34, which can be set to respond to a pressure between half a pound and two pounds in the tank 3, the supply circuit of the pump motor 260 is cut, when the pressure in the tank. tank 3 reaches the value to which said pressure regulation switch 34 is set. The circuit is closed when the tank pressure drops below the value at which said switch is set.
In this way, gas production is automatically controlled and regulated at the rate of gas utilization, up to the maximum capacity of the generator. The float valve in tank 16 and valve 20 control the flow of water to the generator, and these valves, together with the oil pump 26, provide for sending the correct proportion of oil. and water in the generator. Other devices may be designed or may exist to achieve the same results, but they are more expensive and less secure than device 34.
For example, if a water pump and an oil pump are controlled by a single motor which simultaneously shut off the flow of oil and water, the results would be imperfect, since the water flow would have to be maintained. for several minutes after the oil flow has been shut off, in order to prevent the formation of coking carbon and to allow regeneration of the catalyst in chamber 5.
In preparing the apparatus for use, the catalyst chamber 5 and storage compartment 12 are filled with crushed and sized hard hematite, and gasket covers 35 and 35a are bolted securely in place to the openings. provided at the top of compartment 12. The generator is gradually heated up to a temperature of 1650 F, which will be indicated by indicator 140.
During the heating of said generator, the gas washing and purification units are prepared. These units include a cooling and washing unit 36, an oil separator 37, a sulfur removal device 45 (used only when sulfur removal is required), and a scrubber. oil 46. Scrubber 36 and oil separator 37 are supplied with cold water by opening a valve 38 in a line from the water supply line 15.
The scrubber 36 comprises a vertical metal tank having a line 360 starting from a midpoint of its vertical dimension and running downwards towards the oil separator 37, which also has a vertical tank disposed at a lower level. to that of the tank 36. When the water level which rises in the tank 36 reaches the orifice of the pipe 36-, water flows through this pipe into the oil separator 37, and when the rising water level therein reaches the point where it appears in the sight glass 39, the water inlet valve 38 is closed.
Then, if desulfurized gas is desired a few pounds of slaked lime are introduced through the cover 40 of a sealed tank 42, the lime being placed and supported on a perforated wall or screen 41. The cover 40 is then replaced. at the top of tank 42, and
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a valve 43 is opened to admit water from the supply line 15. The water rises in the body of lime placed on the screen 41 until its level reaches the opening of the pipe 420 leading from the reservoir 42 to the top of the device for removing sulfur 45.
The latter device 45 comprises a vertical tank having a water overflow pipe 450 leading into the oil separation tank 37. When the water rising in the tank 45 reaches 1- * orifice of the pipe 450 , it flows through the latter line into the oil separation tank 37, with the effect of starting to rise in the water level in the sight glass 39. At this time, the valve 43 is set to a position which (in the case of an apparatus producing 5000 pch as shown here) reduces flow to about a quarter per minute.
The flow intensity is determined by opening the valve 44 on the line 440 from the base of the oil separator 37 and measuring the flowing water. Valve 43 is adjusted until it reaches the position at which flow through line 440 reaches the desired rate.
The water which flows through this pipe 440 may be conducted to a drainage pipe, to the sewer, or to another suitable point of discharge. When the desired water flow has thus been established through the lime tank 42, the tank 45, the tank 37, and the discharge line 440, the valve 38 is reopened and set in a position such that the total flow of water from the discharge line 440 equals about one gallon per minute when the water has a temperature of 40 F, and one and a half gallons per minute when the temperature is 65 Fa The water level is thus established at the operating levels in the scrubber 36, the sulfur removal device 45, the lime tank 42,
and the oil separator 37. Next, the positions, in which the valves 38 and 43 have been set, are marked and the valves are closed.
The oil washer 46 is then prepared. It consists of a vertical tank with two horizontal walls 460 and 461, as shown. The chamber 470, above the wall 460, comprises a bubbler device 67, the lower edge of which is notched, as shown. The bubbler 67 rests on the upper end of the tube 68 which extends downwardly, passing through the wall 460, to a bubbler 69 at the base of the reservoir.
When preparing for commissioning of the oil washer, light oil (for example, fuel oil No. 1 or No. 2) is introduced into the upper chamber 47 through a funnel inlet 48 having a valve. pe 480. From chamber 47, the oil flows into chamber 470 through a bypass 490 which has a valve 49. The oil rises in chamber 470 to the level at which it overflows the tank. upper edge of the tube, to then fall into this tube towards the base of the reservoir 46, where it forms a mass of oil surrounding the bubbler 69.
When adequate oil slicks have thus been formed around the bubblers 67 and 69, the valve 49 is closed and the chamber 47 is filled; after which the oil pouring into funnel 48 is interrupted and valve 480 closed. Then, valve 49 is opened, and is set to a position such that oil flows through bypass 490 at a rate of about six drops per minute, which can be monitored by sight glass 50 included. into the bypass. A vent tube 471 opens through wall 461 and extends almost to the top of chamber 47. Oil is supplied at the rate of about six drops per minute, also as long as the generator remains in operation.
While the washing and purification units are brought to operating conditions as described above, the heating of the combustion chamber is continued until its temperature reaches 800 to 900 F.
Then, the test tap 51 and the valve 20 are opened, for the admission of water to the interior of the boiler or boiler 21-21f. When water flows from said. test valve, the latter as well as the valve 20 are closed and the test valve 52 open. The latter remains open until the temperature in the combustion chamber 7 reaches 1650 F;
at this time, the valve 52 is closed, and the valve 20 is adjusted to provide a flow.
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ment of water with a volumetric rate equal to half that of the oil delivered by pump 26 for conversion to gasoline
In the particular case of the generator illustrated and described herein, the water flow may be at a rate of one pint per minute. Then any excess water in the washers is flushed out and the apparatus checked for leaks, admitting compressed air through line 57 through inlet 570, until the pressure in tank 3 rises to. two pounds.
The specified flow of cooling and washing water is then established by opening and adjusting valves 38, 43 and 44, with valves 38 and 43 open to the previously marked positions, already determined for the required flow.
To start gas production, a main distribution valve 53 is opened, switch 33 is closed for starting the oil pump, and valve 54 is opened until the flow meter 28 indicates l. desired oil flow (a quarter per minute for the generator shown). Gas is immediately formed and immediately displaces all the air in the device. When the catalyst chamber 5 is filled with freshly prepared hematite, the content of the CO2 and 112 gas is high for five to ten minutes, and this gas can be disposed of by temporarily closing the valve 53 and opening. the test valve 530. The gas which escapes through the latter valve can be burnt.
After about ten minutes, valve 530 is closed and main distribution valve 53 opened, allowing gas to escape to desired points of consumption.
The conversion of oil to gas is effected in a fraction of a second by a series of physical and chemical reactions. For example, when fuel oil No. 2 is injected, at 29, into the heated hematite, it is first volatilized and then broken down, by the process known as cracking, into lighter, more volatile compounds and carbon.
As soon as the carbon is formed, it reacts either with the ore, or with the superheated steam injected (at 25), to form CO gas or CO and H2 gas according to the following typical reactions:
EMI7.1
<tb> (a) <SEP> 3 <SEP> Fe2 <SEP> O3 <SEP> + <SEP> C <SEP> 2 <SEP> Fe3 <SEP> O4 <SEP> + <SEP> CO, <SEP> or
<tb>
<tb> (b) <SEP> Fe3 <SEP> 04 <SEP> + <SEP> C <SEP> 3 <SEP> Fe <SEP> O <SEP> + <SEP> CO
<tb> (c) <SEP> H2O <SEP> + <SEP> C <SEP> H2 <SEP> + <SEP> CO
<tb>
<tb> (d) <SEP> 3 <SEP> FeO <SEP> + <SEP> H2O <SEP> Fe3O4 <SEP> + <SEP> h2
<tb>
Reaction (a) takes place only when the catalyst is new.
The surfaces of the pieces of hematite (Fe2O3), which form the catalyst, are rapidly reduced to magnetite ((Fe3O,) 9 after which, only reaction (b) can be carried out, such a reaction (b) taking place only on the surfaces of minorai pieces These changes and reactions result in a fixed gas mixture of CO and H2, plus vapors of water and light oils.
As these mixtures rise through the aforesaid heated ore mass some of the light oils undergo, while passing through the superheated tubes 55 and 55a, pyrolysis which mainly results in the formation of known unsaturated hydrocarbons. such as olefins, while other light oils react with ore and water to form CH4, H2 and CO. If the gas is not cooled rapidly, the olefins tend to polymerize, forming aromatics and H2.
In addition, if the generator operates at its maximum capacity, and particularly at temperatures close to 1500 F, a little oil vapor escapes unprocessed with the gas, passing at high speed through the overheated tubes 55 and 55a.
In chamber 5, the gases, together with a certain quantity of water and oil vapors, leave the mass of the ore at a temperature between 1300 and 1500 F, and pass through a duct 57 in the re-
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cooler and washer 36. At the top of this washer, cold water entering through a pipe 58, is spread, through orifices 580, in the gas, and re, cools the latter. The gas flows downward through a conduit 59 into a bubbler or distribution device 60, from the base of which the gas rises and bubbles through a column 600 comprising water which rises to a slightly greater height. to the one on the underside of the overflow pipe port 360.
By this combined action of cooling and washing, most of the water and oil vapors are condensed, and the globular oil escapes with the cooling water through the overflow 360. In this scrubber 36, a number of sulfur and other compounds, soluble in water, are separated from the gas. The temperature of the overflow water from this washer is kept below 120 F. If the temperature rises above this value, the water flow is activated by adjusting valve 38.
If, in order to keep the water temperature below the expected value, the flow is increased at such a rate that the water level rises above the level tube 62, a pressure relief valve. drainage 63, arranged at the base of the washer, is open until the water returns to the normal level; after which valve 63 is closed and the flow through valve 44 is re-regulated. The cleanliness of the gas is checked by opening a test tap 64 provided at the top of the scrubber 36. The gas which escapes is ignited and a flame is obtained, a flame long like that of a candle.
The gas leaving the scrubber 36 at a temperature of 100 to 120 F carries with it a certain quantity of water and entrained oil, a kind of mist, and part of the sulfur of the gas developed in the mainly generator. as H2S, an acid gas. To remove these impurities the gas is passed through a second scrubber 45 which is practically a replica of the first, but somewhat smaller in size. When the gas enters the second scrubber through a pipe 361, it is washed with dilute lime water from the tank 42, the lime water being introduced through a vaporizer 65 at the top of a tube 66 .
At the base of this scrubber, the gas is forced to pass through a submerged bubbler 61, and since the gas is now at a temperature well below 90 F, both oil and water vapors are condensed. Lime water also removes H2S and some of the other acid gases present, such as CO2, for example. Lime water can be very dilute, since water with a concentration of hydrogen ions of pH8 is able to remove 90% of the H2S in the gas, assuming of course that a sufficient amount of lime water is used.
The gas produced from some oils contains certain high molecular weight organic compounds, in molecular suspension, which are not removed by washing the gas with water or aqueous solutions.
To remove these compounds, of the gum type, the gas coming from the scrubber 45 is passed through a pipe 451 into a double oil scrubber 46. In this latter scrubber, the gas is forced to bubble downwards. through a mass of light oil in a chamber 470, from where it enters a bubbler 67, the oil forming a vapor which is carried with the gas downwards in a tube 68 and in a second bubbler 69 The gas then bubbles upwardly through the mass of oil in the scrubber 46 which has the effect of separating the oil vapor from the gas. In this way, practically all the organic compounds suspended in the gas are left dissolved in the oil which, as the process continues, rises in the scrubber and flows, by overflow, into line 462. to the oil separation tank 37.
In the latter, the flow of liquids is very slow, the water being removed at the base through line 440, as already indicated. The oils, all having a lower density than that of water, rise to the surface of the latter in the tank 37 and, maintaining the water level in said tank, well above On leaving the water, the oils accumulate in the upper half of the chamber, from which they are periodically discharged through a pipe 59 controlled by a valve 590. The oil thus removed through this pipe 59 is returned to the oil supply tank to be reintroduced into the generator. The process allows almost 100% conversion of oil to gas.
The clean gas, which rises from the base of the scrubber 46, goes
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by a pipe 463 in a receiving tank 3, from where% is delivered to the points of consumption under the control of the valve 53.
From the above description, it appears that the operation of the generator and the gas cooling and purification units is virtually automatic as long as the water and oil flow rates are maintained, as they have been. been settled at the start of the process. However, the quantity of gas which can be usefully consumed by industrial or domestic uses varies, not only from day to day, but also for different periods during each day; therefore, it is highly desirable to produce gas only at the rate at which it can be consumed profitably and usefully.
Since the proportion of oil and water injected into the generator can vary without affecting the process, i.e. as long as a certain minimum proportion of water is supplied, the intensity of gas production can vary by adjusting the quantity of oil injected. When the gas consumption is constant for several hours and can be foreseen in advance, a rough adjustment of the flow intensity of water and oil can be made thanks to the flow meters provided, but such an adjustment is not sufficient for the inevitable small variations in the volume of gas consumed in relation to the volume produced.
It is desirable that the gas be supplied at a constant pressure which, for most commercial uses, ranges from half a pound to two pounds per square inch.
To achieve this requirement, a particularly efficient electrical pressure regulating switch has been devised, this switch being shown as attached to the gas tank 3, in figure 1. A central vertical section of this switch is shown, at on a larger scale, in Figure 5. Switch 34 comprises a U-shaped tube 74 with large glass walls. The tube is one-half inch internal diameter, and two and a half inches in length, measured from the inside of the bend of the U.
One arm of this U-tube is longer than the other, and has a 90-degree tilt at its upper end which is provided with a rubber collar 75 sealed and blocked in a hole provided in the side wall of the tank, as shown in figure 1. The tube is supported and protected by a steel guard 76, attached to the wall of the tank 3. The longest arm of the U is calibrated in centimeters and millimeters from a line located at 5 / 16 of an inch above the curvature, and a distance of five centimeters.
Pure mercury is placed in the tube up to the level indicated by 90 in Fig. 5, which corresponds to the 25 mm graduation. on the tube wall.
At the top of the shorter arm of the U, a set of electrical contacts 77 and 81 is provided. Contact 77 comprises a ring made of copper or bronze tube, having a diameter slightly greater than the outside diameter of the tube. The upper edge of the ring is polished so as to form a flat seat, and the body of said ring is split longitudinally. A rubber sleeve 78 is inserted inside the ring; an electrical conductor 770 is welded to this ring and a clamping device 79 assures the assembly of the ring in the desired vertical position on the shorter arm of the U-tube.
A float 80, made of a glass tube with an outer diameter of 10 mm, closed at its base, is freely mounted inside the open end of the short arm of the U-tube. The length of the float 80 is not less than an inch and a half, and the open end of said float is grooved and closed by means of a plug 83 made of an insulating material.
Contact 81 comprises a ring of low-caliber copper tubing, the top of which is closed by a copper disc 82 welded to the edge of the ring. The contact element 81 is attached to the float by a screw 84 which penetrates, through the end wall 82, into the body of the plug 83. The screw 84 provides the terminal for the connection of an electrical conductor. 810 with Contact insulation 81. This normally bears, by its lower edge, on the seat formed by the upper edge of the contact ring 77, as shown in FIG. 5. A protective cover 85 made of material insulator, or metal covered with insulating material, is placed over the contact elements
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assembled.
As long as the pressure in the reservoir 3 remains lower than that desired, the float 80 remains stationary, with the copper rings 77 and 81 in contact, the electrical circuit for controlling the motor 260 of the oil pump being closed by means of to conductors 810 and 770 which are connected to switch 33. If there is a drop in the quantity of gas consumed, the pressure in tank 3 increases, which lowers the mercury level in the long arm of the U-tube and raises the mercury level below the float. This rises with the mercury and cuts off the circuit of the motor 260 of the oil pump, thus interrupting the flow of oil until the moment when more gas is consumed and the pressure in the reservoir. 3 decreased.
This control is ideally suited to the process, since the generator continues to produce gas for a few minutes after the oil supply has been shut off, and produces gas immediately when oil flow into the generator is again enabled. This lag, or the gradual decrease in gas production after the oil supply has been turned off, increases the intervals between stopping and starting the engine. It will be apparent that by adjusting the vertical position at which the set of contacts 77-81 is attached to the short arm of the U-tube, the apparatus can be made automatically responsive to any chosen exhaust pressure.
The composition, specific gravity and calorific value of the gas produced will vary somewhat depending on the type of oil used and the temperature at which the generator is operating. With a well conditioned catalyst, in the generator operating at a temperature of 1500 F, the gas will have a specific gravity of about 0.7, and a calorific value of about 950 Btu per cubic foot. With the generator operating at 1600 to 1650 F, the gas will contain a higher percentage of Il ± and CO, which will lower the calorific value of the gas, but increase the volume of gas produced from a given amount of oil.
By introducing air through valve 570, the heat output of the gas can again be lowered to any desired value, while the specific gravity and amount of gas produced will be correspondingly increased. which is due to the formation of CO and the dilution with N2. In general, the volume of gas produced from a given volume of oil varies from 150 to 250 cubic feet per gallon of oil, depending on the type of oil used, and the calorific value of the gas produced.
With certain oils which give high residues on distillation, such as oil No. 6 or "Bunker C", it is advisable to inject a little air in a continuous manner through line 57 which s 'raises upwards above compartment 13 to prevent the formation of coke in the bottom of the generator. With oils which give little or no residue, it is only necessary to introduce air sufficient in compartment 13 to balance the gas pressure in the generator; this will prevent water and oil vapors from flowing through the mass of catalyst 6 in compartment 13.
If vapors can enter compartment 13, they condense there, creating a partial vacuum which has the effect of allowing unwanted penetration to continue.
As already mentioned, the iron ore in chamber 5 acts as a catalyst to prevent carbon formation, and it is highly self-regenerating, provided. that we use an excess of steam (or a little air); the ore temperature is kept above 1300 F in all parts of chamber 5. On the other hand, if the temperature is raised above 1700 F, the oxide on the surface of the pieces of ore can be reduced to metallic iron which will cause the pieces to stick together, or clump together, especially if too little air is added in the case of a high residue oil. The latter situation is avoided by limiting the operating temperature in the combustion chamber.
The temperature of the ore, which is a poor conductor of heat and which is continuously cooled by the injected oil, is maintained at a vapor of between 1500 and 1550 F at the top of the catalyst chamber, and at an even higher value. lower below the point where the oil is injected. To one
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temperature below 1400 F, the ore will not react with carbon and the oil will not be fractionated enough to form fixed gases.
Difficulties arising from the aforesaid causes are avoided by shaping the chamber so that it has a gradually decreasing diameter from the top to the bottom, and by preheating the injected steam, to a temperature close to that which exists in the chamber. By operating at higher temperatures and using a highly tallow-colored oil the ore will tend to absorb a certain quantity of sulfur, forming FeS on the surface of the pieces, but this sulphide is reconverted to oxy - by reaction with air or water at high operating temperatures.
As a precaution against all of the factors which tend to decrease the efficiency of the iron oxide catalyst it is intended to move the ore, through the catalyst chamber, from the reserve chamber 12 at the top of the tank. generator to compartment 13 at the base. This movement is achieved by a pusher 70 which is moved forward and backward a distance of 2 to 3 inches by oscillating a lever 72. Each stroke of the lever pushes three to four pounds of ore into compartment 13. Eight to ten strokes of the pusher, during each hour, are sufficient.
The air introduced through line 57 into compartment 13 tends to prevent vapors from descending from the catalyst chamber, and serves to regenerate or reactivate the catalyst which is delivered into this compartment 13, whereby said catalyst can be reactivated. reused, When using fuel oils giving little or no residue, movement of the ore is not necessary, especially if the catalyst regeneration air is occasionally injected into the base of chamber 5 through through compartment 13
Considering the total efficiency of the generator, the reactions which take place in the catalyst chamber are both exothermic and endothermic,
but in fact slightly more endothermic. The main source of heat absorption in the catalyst chamber is that which is required to vaporize the injected oil, and which, added to the heat absorbed by the chemical reactions, is increases to approximately 600 Btu per pound of oil injected. The other heat losses are sensible heat in the gases formed and in the combustion products which escape through tube 73 '. In large installations, the latter can be used to preheat the oil when it is pumped. to the generator, and radiation loss can be minimized by isolating the combustion chamber.
In this way;., The total efficiency, by this expression being understood the total calorific value of the oil used compared to the total calorific value of the gas supplied., Rises from about 80% for the small generator described here up to 85% and more for larger units.
It will be recognized that the method of the present invention includes not only the physical and chemical changes known as "cracking", and the transformations known as "pyrolysis", but also includes certain chemical reactions among the components of the chemical. carbonaceous liquid ore ,. and the skin and / or oxygen of the air used. Such carbonaceous liquids, like fuel oils derived from petroleum, are mainly composed of residues from the distillation and cracking processes which are repeated until the residue no longer includes a lighter, valuable hydrocarbon.
When a mixture of such heat-stable liquids is injected into the catalyst chamber of the invention heated to a temperature above 1450 F, the initial inaction is that of vaporization of the oil. . This physical transformation is instantly followed by a chemical action, in which the hydrocarbon molecules are first broken down by reaction with oxygen from the oxide catalyst. This reaction is in principle limited to 1:
1 oxygen available on the surfaces of the catalyst mass, and it can be said that in certain surface areas of the pieces forming the catalyst the oxide is reduced from a higher oxide to a lower oxide, with the possibility of formation of a kind of light quan-
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tity of metal. After the decomposition of the hydrocarbon molecules thus started, a cracking reaction immediately follows in which molecules of smaller molecular weights are formed with the usual carbon deposition. Carbon is converted to CO by reaction with the oxygen supplied by the catalyst, or to CO and H2 by reaction with the steam supplied by the catalyst.
Eventually, hydrocarbons with molecular weights greater than those of ethane and butane undergo pyrolysis or decomposition without carbon deposition, and unsaturated hydrocarbons known as olefins are formed.
In the absence of an oxidizing gas, such as water vapor, the catalyst oxide would quickly be reduced to the point where it becomes inactive, but, with water injected as superheated vapor as one. described it, the lower oxide on the surfaces of the pieces is oxidized to the upper oxide, (and that thin amount of metal that exists is oxidized), and the water is reduced in All these reactions tend to equilibrium which depends on the temperature and the proportion of infected water vapor.
The catalyst should be formed from a substance which produces or causes the release of oxygen by decomposing the heat stable hydrocarbons, as described above. In the presence of heat and an oxidizing gas such as steam, the catalyst substance is at least partially converted or re-established to a higher oxide from a lower oxide. For convenience, a catalyst formed from such a substance is referred to as an "X" catalyst.
Although hard hematite is preferred as the substance or material for forming the catalyst, other metal oxides having a value of at least two can be used, such as manganese peroxide, sodium oxide. nickel, and chromic, cobalt, molybdic and tungstic oxides.
For example, gas has been produced using manganese peroxide as a catalyst, but the reduced oxide has been found to be a powder which either clogs the generator, or is washed away with the gas, thus causing the need for 'an additional phase of removing this dust from the gas. Likewise, the other oxides mentioned present certain difficulties in operation, all of which are avoided by using hematite. However, as those versed in chemical practice know, the difficulties encountered can be overcome by strengthening, pelletizing or encapsulating the catalytic substance within walls or coatings made of a con- trollable substance. venably permeable.
Thanks to the invention explained above, a gaseous, fixed, clean fuel is produced comprising at least one hydrocarbon gas. The gas developed in the generator is not only cleaned of water and oil vapors in scrubber 36, but the gas is cooled below the temperature at which the hydrocarbon gas polymerizes or decomposes under 3. The effect of heat alone, and, as already described in detail, units 45 and 46 clean the gas produced from organic, acidic or gum-like inclusions.
It should be understood that the terms "oxidizing gas" and "gaseous oxidizing agent" include water vapor or air, or a mixture of water vapor with: Air or oxygen.
Numerous modifications and variations in the method and the apparatus can be made by the technicians in the field, but without departing, for this, from the scope of the invention.
CLAIMS.
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