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Il PROCEDE D'ELIMINATION DE L SUIE DES GAZ".
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L'invention concerne un procédé d'élimination de la suie des gaz, en particulier de ceux qui n'en contiennent qu'un faible pourcentage.
Le procédé peut servir par exemple à éliminer la suie d'un courant d'un gaz de synthèse obtenu par combustion partielle d'hydrocarbures par l'oxygène ou l'air enrichi d'oxygène, si on le désire en présence de la vapeur. Ce gaz de synthèse consiste principalement en hydrogène et oxyde de carbone et contient une faible proportion de suie (noir de carbone).
Un procédé connu d'élimination de la suie des mélanges de gaz consiste à y injecter de l'eau à l'état de fine dispersion. Un procédé d'épuration en deux stades de ce. type est décrit par exemple dans @ le brevet No. 559.914 au nom de la demanderesse.
Si les mélanges de gaz à purifier sont à haute température, l'addition d'eau a pour effet, en premier lieu, de les refroidir et l'eau ajoutée s'évapore complètement.
C'est seulement lorsque le point de rosée est atteint qu'en continuant à ajouter de l'eau il se forme une suspension de suie dans l'eau. Mais on a constaté que l'addition d'eau, une fois le point de rosée atteint, est un procédé relative- ment inefficace d'élimination de la suie des gaz, car il faut une grande quantité d'eau pour éliminer à peu près complètement la suie des Mélanges de gaz et on obtient ainsi des suspensions de suie relativement diluées.
Il y a lieu de remarquer à ce propos que l'expression "point de rosée" désigne la température à laquelle la vapeur commence à se condenser drns le mélange de gaz.Etant donné
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que la quantité de vapeur d'eau du mélange de gaz augmente du fait de l'injection de l'eau de refroidissement, tandis que le degré auquel s'abaisse la .température du mélange des gaz est fonction de la température de l'eau de refroidisse- ment, la température à laquelle la valeur d'eau commence à se condenser dépend de la température et la teneur en vapeur d'eau du mélange de gaz initial et de la température de l'eau de refroidissement.
Or, il a été découvert avec surprise qu'il est possible d'éliminer la suie d'une manière plus efficace et avec une quantité d'eau moindre en injectant de la vapeur après le traitement d'épuration par l'eau à l'état de fine dispersion. L'invention a donc pour objet un procédé d'élimination de la suie des gaz qui consiste à ajouter de l'eau au gaz contenant la suie, de façon à le saturer et à le refroidir en même temps à une température Inférieure de moins de 40 C au point de rosée, à séparer à peu près complètement la suspension ainsi obtenue de suie dans l'eau et les gouttelettes d'eau éventuellement entraînées du gaz, à ajouter de la vapeur saturée au gaz, à refroidir davantage le gaz par échange de chaleur direct ou indirect et, au cours de ce refroidissement,
à éliminer à peu près complè- tement la suie qui reste dans le gaz.
Les résultats avantageux obtenus par le procédé de l'invention peuvent s'expliquer probablement en supposant que l'élimination de la suie est due principalement au fait que les particules de suie constituent des noyaux de conden- sation de la vapeur d'eau, de sorte qu'à un moment donné chaque particule est entourée par une pellicule d'eau. Le refroidissement se poursuivant et la vapeur d'eau se
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condensant, la pellicule d'eau qui entoure une particule de suie grossit suffisamment pour ou'elle puisse facilement être séparée du courant de gaz. Mais on a constaté que, lorsque le courant gazeux s'est saturé de vapeur d'eau, l'avantage qui résulte d'une nouvelle injection d'eau à l'état de fine dispersion est peu important, d'pù il ré- sulte qu'une grande quantité d'eau est nécessaire pour éliminer complètement la suie.
On suppose qu'en continuant à injecter l'eau d'épuration à une température dépassant le point de rosée, la vapeur d'eau se condense de préférence sur les gouttelettes d'eau froide par rapport aux particules de su.ie, d'où il résulte que les particules sur lesquelles l'eau ne se condense pas au début, lorsque le point de rosée est atteint, ne peuvent général,ment être éliminées qu'au moyen d'une quantité d'eau excessive. C'est pourquoi il est in- dispensable, dans le procédé de l'invention, que la totalité des gouttelettes de liquide contenues dans le courant gazeux soit à peu près complètement éliminée à la fin de l'opération initiale d'épuration par l'eau.
Si on élimine les gouttelettes d'eau avant d'injecter la vapeur saturée, celle-ci peut se condenser uniformément sur toutes les particules de suie.
En raison de cette condensation initiale uniforme des parti- cules de suie, il est possible de faire subir au courant gazeux une seconde épuration par une pluie consistant en gouttelettes d'eau sans que la vapeur d'eau risque de se précipiter de préférence sur ces gouttelettes, ce qui était le cas autre- fois et nécessitait l'arrivée d'une très grande quantité d'eau pour éliminer la suie. La vapeur d'eau qui se condense ains dès le début d'une manière plus uniforme sur toutes les parti- cules de suie permet d'éliminer la suie avec une quantité d'eau beaucoup moindre qu'antérieurement.
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Suivant une autre forme de réalisation, on refroidit indirectement le courant gazeux à la suite de l'injection de vapeur sans nouvelle injection d'eau. Etant donné que la vapeur d'eau comuence à se condenser uniformément sur les particules de suie, si on continue à refroidir le courant gazeux, les pellicules d'eau qui entourent les diverses par- ticules de suie grossissent progressivement jusqu'à ce que les particules de suie adjacentes s'agglomèrent et se sé- parent du courant gazeux.
On réalise un contact intime entre l'eau et le gaz contenant de la suie en faisant arriver l'eau de.préférence en pluie dans le gaz.
On peut amener le gaz frais en contact avec l'eau pendant la première opération à contre-courant dans une zone d'épuration verticale, dans laquelle on fait arriver de l'eau en pluie à la partie supérieure et em faisant sortir la sus- pension aqueuse de suie ainsi formée à la partie inférieure.
Les gaz qui sortent de la zone à la partie supérieure ou au voisinage entraînent généralement des gouttelettes d'eau, qui peuvent ou non contenir de la suie en suspension. Ainsi qu'il a déjà été dit, ces gouttelettes doivent être à peu près complètement éliminées dans une zone de séparation appropriée. De préférence, la zone de séparation (précédant l'injection de vapeur) consiste en une série de chicanes disposées dans le trajet du courant de gaz épuré par l'eau et se trouvent par exemple dans la partie supérieure de la tour qui contient la zone d'épuration. On peut aussi faire passer le courant épuré dans un cyclone.
Le contact peut aussi s'etabilr à équi-courant, par exemple en injectant de l'eau dans le gaz par une ou plusieurs pommes d'arrosage et en faisant passer
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le mélange ainsi obtenu de gaz, de liquide et de suie dans un séparateur approprié, par exemple un cyclone ou une combinaison de cyclones pour éliminer à peu près complète- ment les gouttelettes de suspension desuie dans l'eau, ainsi que les gouttelettes d'eau ne contenant éventuelle- ment pas de suie du courant..-
Le procédé de l'invention permet de réduire la teneur en suie du gaz en contenant à une valeur qui, sans injection de vapeur, ne pourrait être atteinte qu'avec une quantité excessive d'eau d'épuration. La suie peut donc être obtenue en suspension beaucoup plus concentrée que jusqu'à présent.
Ce résultat est particulièrement important lorsqu'il s'agit d'éliminer la suie du gaz de synthèse ob- tenu par combustion partielle d'hydrocarbures normalement gazeux, par exemple de gaz naturel, qui ne contient qu'une très faible proportion de noir de carbone (suie). A l'en- contre des prévisions, on a constaté qu'il est très difficile d'éliminer à peu près complètement une très faible propor- tion de suie par les procédés ordinaires d'épuration par l'eau et le procédé de l'invention donne des résultats de beaucoup meilleurs dans 'Le traitement de ces gaz.
Quoique le procédé de l'invention soit d'une im- portance primordiale dans son application aux mélanges de gaz contenant de la suie obtenus par combustion partielle des hydrocarbures normalement gazeux, liquides ou solides, il est évident qu'il s'applique aussi aux mélanges de gaz obter. us par d'autres procédés. On peut citer à titre d'exem- ple de ces mélanges de gaz ceux qu'on obtient par conversion catalytique ou non du gaz naturel ou du gaz de raffinage
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par la vapeur et ceux qu'on obtient par craquage des hydro- carbures supérieurs, en particulier pour préparer l'éthylène.
L'opération de l'invention peut s'effectuer à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique, la pression est, par exemple, au moins égale à 5 atmosphères absolues et elle est comprise de préférence entre 10 et 30 atm. abs. Il est particulièrement avantageux d'opérer sous pression élevée lorsque le mélange de gaz à traiter provient de la combustion partielle des hydrocarbures. Cette com- bustion partielle s'effectue de préférence à pression élevée et, par suite, il est avantgeux d'opérer à la même pression pour faire subir aux gaz ainsi obtenus le traitement de l'in- vention pour en éliminer la suie formée.
Si les gaz à traiter sont à température très é- levée, on peut les refroidir d'abord (avant le premierarro- sage) par échange de chaleur indirect à une température com- prise entre environ 150 et 500 C et, de préférence, entre 200 et 350 C. Ce refroidissement s'effectue de préférence en faisant passer les gaz de la combustion dans une chaudière à vapeur. Si on abaisse la température des gaz chauds avant de les arroser, la quantité d'eau qui est nécessaire pour éliminer le carbone des gaz est encore moindre.
La température qui doit être atteinte au cours de la premièr.e addition d'eau doit être inférieure de moins de 40 et, de préférence, de moins de 10 C au point de rosée.
La quantité de vapeur saturée qui est nécessaire pour déclencher la condensation uniforme de la @apeur sur les particules de suie varie entre des limites étendues en fonction de divers facteurs, tels que la teneur en suie et la pression de l'opération. D'une manière générale, une
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quantité de 10 à 200 kg de vapeur pour 1000 kg de gaz sec suffit pour éliminer les teneurs en suie normales des ga=.
L'invention est décrite ci-après en détail avec le dessin ci-joint à l'appui dont la figure unique représente une installation convenant à son application dans la pra- tique. Suivant cette figure, 'on hydrocarbure approprié ar- rive par un tuyau 10 dans la chambre de combustion d'un générateur 12 de gaz de synthèse. L'hydrocarbure se mé- lange intimement et brûle dans le générateur avec un gaz oxydant, tel que l'air ou l'oxygène qui arrive par un tuyau 14. Il peut être avantageux de faire arriver aussi de la vapeur et, à cet effet, elle peut arriver par le tuyau d'arrivée de l'oxygène. Les gaz de la combustion à une température d'environ 1300 C passent par un tuyau 16 dans un échangeur de chaleur 17, qui peut consister en une chaudière à vapeur. Les gaz chauds s'y refroidissent à une température de 250 C par exemple.
Les gaz refroidis sortent de la chaudière à vapeur et arrivent par un tuyau 19 dans la partie inférieure d'une tour d'épuration 20. Ils passent de bas en haut dans la tour en contact avec de l'eau qui tombe en pluie en sortant par une série de pommes d'arrosage 22, dans lesquelles l'eau arrive par un tuyau 24. La majeure partie de la suie se sépare du courant ascendant de gaz de synthèse et sort sous forme de suspension dans l'eau par un tuyau 26 à la partie inférieure de l'épurateur. Le courant de gaz rencontre, dans la portion supérieure de la tour au-delà des pommes d'arrosage, plusieurs chicanes 28, qui éliminent à peu près complètement les dernières gouttelettes d'eau, en laissant subsister un courait de gaz satura de vapeur d'eau.
Le courant de gaz épuré sort à la partie supérieure de la
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tour par un tuyau 30 qui débouche dans un second épurateur 33 et dans lequel débouche un tuyau 34 qui fait arriver de la va- peur d'eau saturée dans le courant de gaz qui y passe.
Le courant de gaz chargé de vapeur arrive Jans le second épurateur au voisinage de sa partie inférieure et passe de bas en haut en contact avec de l'eau qui tombe en pluie en sortant par une seconde série de pommes d'arrosage 36. Cette seconde pluie refroidit davantage le mélange de gaz, en pro- voquant la condensation de la vapeur d'eau sous forme de pelli- cule d'eau entourant les particules de suie, qui sont ainsi facilement entraînées par l'eau d'épuration. Si on le désire, on peut recycler une partie de la suspension de suie dans l'eau dans le premier et/ou dans le second épurateur.
Suivant une autre forme de réalisation, on remplace le second épurateur par un échangeur de chaleur indirect, dans lequel le gaz de syn- thèse chargé de vapeur se refroidit sans addition directe d'eau et la vapeur d'eau, en se refroidissant, se condense sur les particules de suie, en faisant ainsi finalement augmenter l'épaisseur des pellicules d'eau entourant les particules de suie suffisamment pour qu'elles s'agglomèrent et se précipitent hors du courant de gaz.
Exemple - Cet exemple à trait à l'application du procédé de l'invention à l'élimination de la suie d'un mélange de gaz se composant d'hydrogène et d'oxyde de carbone obtenu par combustion partielle d'une huile d'hydrocarbure avec l'oxygène pur.
Le gaz chaud sortant du générateur sous une pres- sion de 28 kg/cm2 et à une température d'environ 1300 C se re-
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froidit d'abord par échange de chaleur indirect à une tempé- rature de 250oC. Le courant de gaz contient 130 kg de vapeur d'eau pour 1000 kg de gaz sec avec environ 6 kg de suie.
Le gaz sortant de l'échangeur de chaleur subit une épuration par l'eau dans une colonne d'épuration verticale avec 320 kg d'eau de 30 C pour 1000 kg de gaz sec. 32 kg d'eau s'évaporent dans le courant de gaz et 288 kg d'eau sortent à la partie inférieure de l'épurateur sous forme de suspension de suie dans l'eau, qui contient 5970 g de suie entraînée. Lecourant de gaz sortant de l'épurateur est à une température d'environ 140 C, inférieure de 8 C au point de rosée de 148 C.
On fait arriver de la vapeur saturée à une tempé- rature de 235 C correspondant à une pression de 31 kg/cm2 dans le gaz épuré par l'eau à raison de 80 kg de vapeur pour 1000 kg de gaz sec. Le gaz épuré par l'eau passe, avant l'injection de vapeur, dans la zone de séparation dans la- quelle les gouttelettes d'eau en sont à peu près complète- ment éliminées.
Après que la vapeur a été injectée, le gaz se refroidit par échange de chaleur indirect à 20 c, et il résulte de ce refroidissement que 241 kg d'eau se condensent avec 29 g de suie pour 1000 kg de gaz sec. Le gaz du produit contient environ 1 g de suie pour 1000 Kg de gaz sec.