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" PROCEDE DE PRODUCTION D'UN GAZ CONTENANT DU
MONOXYDE DE CARBONE ET DE L'HYDROG#NE."
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La présente invention est. relative à un procédé pour l'obtention de monoxyde de carbone et n'hydrogène, à partir de combustibles carbonés, par réaction avec de l'oxygène.
La formationde monoxyde de carbure et d'hy- drogène par oxydation partielle de combustibles c@rbonés constitue une méthode très économique pour obtenir ces gaz. Lors du procédé d'oxydation partielle, un combustible carboné, tel que du charbon, de l'huile de pétrole ou du gaz naturel est mis en réaction avec un gaz contenant de l'oxygène, dans une zone de réaction close et compacte, à une température autogène comprise entre 980 et 1925 C, de préférence, entre 1200 et 1537 C. Un préchauffage des réactifs est généralement souhaitable.
La zone de réaction est exempte de matière de remplissage et de catalyseur et elle présente une surface interne presque minimum, La zone de réaction est maintenue à une pression supérieure à environ 7 kilos par cm2, cette pression pouvant atteindre environ 42 kilos par cm2. De la vapeur d'eau peut être introduite dans la zone de réaction, pour contribuer 4 la dispersion du combustible dans le réacteur, pour favoriser le contrôle de la température de réaction et même à titre de réactif, pour augmenter la quantité relative d'hydrogène produite.
Le produit est constitué essentielle- ment par du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. il contient des quantités relativement faible3 de vapeur d'eau, d'anhydride carbonique et de matière carbonée soli- de entraînée. La matière Carbonée solide se présente sous forme de particules de carbone très fines. Elle semole contenir un peu d'oxygène ché@isorbé, qui rend les particules aisément mouillables par de l'eau.
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Je l'air,de l 'air enrichi en oxygène ou de :'oxys;ne en- vi ',l;:fie:l':, :>:..1.1'" peuvent être smployé,j dan3 le proc':,,. J9 la pureté élev-;e peut être C1btelu aisément par rectification d'air. Les installations de production d'oxy- gène commerciales, capables de fournir de grandes quentités d'oxygène de pureté élevée, produisent des courants d'oxy- gène contenant plus de 95 mole pourcent d'oxygène. Cn préfère employer de l'oxygène présentant une telle pureté.
Les produits gazeux sortant de la zone de réac- tion contiennent une grande quantité de chaleur sensible.
Cette chaleur peut être employée pour transformer de l'eau en vapeur d'eau. Ainsi, si l'on doit utiliser le gaz de synthèse dans un procédé exigeant la présence d'une quan- tité supplémentaire de vapeur d'eau, par exemple dans un procédé de transformation de gaz à l'eau, de la vapeur d'eau peut être engendrée en introduisant directement de l'eau dans les gaz sortant de la zone de réaction.
Lorsqu'il n' est pas souhaitable que de la vapeur d'eau soit mélangée au gaz de synthèse, la chaleur peut être ré- cupérée du gaz sortant du générateur de gaz, en faisant passer ce gaz dans des échangeurs de chaleur ou dans des chaudières de récupération de chaleur. De la vapeur d'eau destinée à un procédé ou à la production d'énergie est avantageusement engendrée dans de telles chaudières de récupération. Le préchauffage du combustible utilisé et envoyé dans la zone de réaction peut z'effost@er, par exemple, dans des échangeurs de chaleur.
Lorsque les gaz produits sont refroidis par échange thermique indirect, on préfère ne refroidir les gaz que jusqu'à une température supérieure au point de rosée, à la pression en présence, de manière à éviter que les surfaces de transfert de chaleur
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soient souillées par condensation d'eau et adhérence de pa aïeules de carbone entraînées.
Les particules de carbone entraînées sont effi- cacement retirées des produits gazeux, par contact du gaz de synthèse refroidi avec de l'eau dans un appareil de con- tact gaz - liquide, par exemple dans des tours à pulvérisa- tion, dans des tours de barbotage, dans des tours à chicanes ou dans des tours à remplissage. Le refroidissement du gaz de synthèse peut s'effectuer aussi dans la zone de lavage, en évaporant une partie de l'eau de lavage et/ou en refroi- dissant l'eau de lavage. Il est souhaitable de maintenir la teneur e n matières solides de l'eau dans la zone de la- vage, inférieure à environ 2% et de préférence à environ
1%, de façon que le produit puisse être facilement pompé.
La teneur en matières solides est contrôlée en évacuant une fraction de la dispersion contenant des matières soli- des à la base de la zone de lavage, en retirant les matiè- res solides contenues dans cette fraction et en renvoyant l'eau clarifiée à la partie supérieure de la zone de lavage-
Etant donné que le degré de dispersion qui doit être assu- ré pour permettre une élimination des matières solides. à une vitesse de production donnée du carbone varie in- versement avec la teneur en matières solides de la disper- teneur en sion, on préfère maintenir à environ 1% la matières solides de la dispersion évacuée à la partie inférieure du scrubber ou dispositif de lavage.
Cependant, un lavage efficace peut nécessiter aes débits de liquide plus importante que @ la quantité de liquide nécessaire pour maintenir,le carbone séparé en suspension, une fraction de la dispersion de ma- tières solides pouvant alors être recyclée pour fournir la quantité suffisance de l@iuide da lavage. La température de la dispersion évacuée de la zone de lavage est avanta- geusement maintenue à une valeur élevée, afin de faciliter
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la marche du procédé. La température de lavage ne peut évidemment pas être supérieure au point d'ébullition de l'eau à la pression en présence.
Une différence de tempéra- ture substantielle peut être amintenue dans la #on de la- vage, en introduisant de l'eau de lavage refroidie à la partie supérieure de la zone de lavage, de façon que le gaz lavé propre soit déchargé ou évacué à une température relativement peu élevée et à une teneur en vapeur d'eau également peu élevée. Il est souhaitable que le scrubber ou dispositif de lavage fonctionne à une température élevée, c'est-à-dire sensiblement à la pression du générateur de gaz, en tenant compte d'une perte de pression dans les conduites et l'appareillage de transfert de chaleur.
L'emploi de pressions élevées permet l'application de températures re- lativement élevées dans la zone de lavage, tandis que l'em- ploi de pressions élevées est également avantageux pour les stades subséquents de séparation du carbone et qu'il permet la fourniture du produit gazeux à utiliser avec un minimum de compression.
La séparation du carbone, des produits gazeux, provenant de l'oxydation partielle et se présentant sous la forme d'une dispersion carbone-eau produit de grands volumes d'eau contenant environ 1% de carbone. Des consi- dérations économiques, ainsi que l'imibition de la pollution de l'eau exigent que le carbone scit séparé d'au moins une grande partie de l'eau, de manière à permettre une nouvelle utilisation de celle-ci, ainsi que la récupération du car- bone sous une forme intéressante. Un procédé avantageux de séparation du carbone consiste à transférer celui-ci dans une huile, par contact intime de la dispersion aqueuse avec une huile, assurant la séparation d'eau clarifiée et d'une suspension de carbone dans de l'huile.
La couche d'eau clarifiée peut contenir une certaine quantité de matières
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solides résiduaires ou peut être claire. il est évident que le terme "clarifié", tel qu'il est utilisé dans le présent mémoire, doit être pris dans son sens le plus large et se rapporta de l'eau dont la teneur en matières solides a été réduite. L'eau clarifiée convient pour être utilisée à nouveau dans le procédé et la suspension de carbone dans de l'huile convient pour être utilisée pour la production d'une quantité supplémentaire de gaz ou encore comme combustible p our une chaudière ou un four, pour produire de la chaleur servant à préchauffer les réactifs ou à engendrer de la vapeur d'eau.
Les hydrocar- bures présentent une capacité relativement élevée pour les matières solides carbonées, en comparaison de l'eau.
Des suspensions pompables de carbone dans un hydrocarbure liquide peuvent être obtenues, en mettant la dispersion aqueuse en contact avec une Quantité d'huile au moins cinq fois égale au carbone dispersé. On préfère mettre la dispersion aqueuse en contact avec une quantité d'hydro- carbure comprise entre 10 et 30 fois le poids du carbone contenu dans la dispersion.
Parmi les hydrocarbures convenant pour séparer le carbone de dispersions aqueuses conformément à la présente invention, on peut citer les hydrocarbures li- quides possédant des densités de 20 API et davantage, tels que les butanes, pentanes, hexanes, benzènes, toluène, essence naturelle, essence, naphte, gasoil, leurs mélanges et analogue- Les hydrocarbures ayant des densités infé- rieures à 20 API se sont révélés non appropriés, parce que la suspension carbone-huile formée ne se sépare pas de l'eau, mais forme une émulsion huile-eau. Le traitement avec des agents aptes à briser des émulsions liquides s'est révélé inefficace pour priser des émulsions formées avec des huiles d'une densité inférieure à 20 API.
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La stabilité de l'émulsion formée semble due à la faible différence de densité entre les phases huileuse et aqueuse,ainsi qu' à la tendance de l'huile à former une émulsion. La présence de carbone, qui présenta une densité d'environ 1,8 g par cm 3 , dans l'huile tend à augmenter la densité de la phase huilsue. En conséquence, les huiles qui autrement se sépareraient facilement de l'eau, peuvent former des émulsions stables, lorsqu'elles sont présentes sous forme d'une dispersion huile-carbone.
Le contact entre l'hydrocarbure liquide et la dispersion aqueuse peut s'effectuer à l'aide d'un dispositif approprié, tel qu'une soupape de mélange, une pompe, un orifice, un ajutage, un mélangeur à palettes ou un mélangeur à turbine . On préfère mettre l'huile en contact avec la dispersion aqueuse sensiblement à la température et à la pression de la zone de lavage. Des pressions plus élevées permettent l'utilisation d'hydro- carbures à point d'ébullition moins élevé. Une température élevée facilite la séparation des phases, en réduisant la viscosité de l'huile.
L'eau clarifiée et la suspension de carbone dans de l'huile, sont séparées en faisant passer le courant mélangé dans une zone de séparation de phases, par exemple dans un réservoir comportant une zone de dé- cantation relativement tranquille ou dans un séparateur centrifuge' Si l'on utilise un réservoir de décantation, celui-ci doit avoir un volume suffisant - pour que le temps de séjour du mélange soit, de préférence, d'au moins 2 minutes. La séparation de la dispersion huile-carbona de l'eau clarifiée peut être accélérée par addition d'un agent susceptible de briser une émulsion. L'eau clarifiée venant du séparateur de phase est renvoyée dans la zone de lavage.
Comme on l'a indiqué plus haut, la suspension de carbone dans l'hydrocarbure, séparée de l'eau clarifiée est utilisée comme combustible pour former une quantité
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supplémentatre de gaz ou comme combustible à des fins de chauffage. Cependant., les hydrocarbures de densité appropriée pour séparer ds mélanges de carbone et d'eau sont relativement précieux et leur utilisation dans ces mélanges combustibles doit être évitée. 3elon le procédé de la présente invention, le carbone provenant de la sus- pension d'huile légère est transféré dans une suspension @ @ d'huile lourde, par contact!uns huile lourde et l'huile légère est récupérée en vue d'une nouvelle utilisation, par évaporation.
Comme huiles lourdes convenant pour être utilisées dans ce procédé, on peut citer, par exemple, le distillat d'huile lource brute., les résidus de fuel oil, le combustible dénommé bunker fuel oil ainsi que le fuel .,il n 6. La suspension d'huile légère et l'huile lourde peuvent être mises en contact dans une soupape mélangeuse, une pompe, un orifice, un ajutage , un mélangeur à hélice ou à turbine, par passage des courants dans une conduite de transfert à écoulement turbulent ou par contact dans une tour de distillation.
L'huile lourde est avantageuseuement chauffée à une température supérieure au point d'ébullition de l'huile légère, avant contact avec celle-ci, de façon qu'un transfert du carbone et qu'une opération de l'huile légère se produisent simultanément, lors du mélange de la suspension d'huile légère et de l'huile lourde chaude.
On a constaté, non sans surprise, que les huiles lourdes ont une capacité d'entratnement plus grande pour le carbone que les hydrocarbures légers et le transfert du carbone a une suspeneion d'huile lourde pompable peut s'effectuer, en utilisant une quantité d'huile lourde inférieure à la quantité d'huile légère contenue dans la suspension d'huile légère. Cependant, on préfère utiliser une Quantité d'huile lourde comprisentre 5 et 20 fois le poids de carbone con- tenu dans la suspension d'huile légère.
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L'hydrocarbure léger vaporisa est séparé de la casp@nsion de carbone dans de 1 \huile lourde et re- @roidi, de manière à recondenser l'hydrocarbure léger li- quide. L'hydrocarbure léger liquide est alors recyclé, en vue de son utilisation au contact d'une quantité supplé- mentaire de dispersion carbone-eau. Le mélange d'huile lourde et de carbone est évacué, en vue de son utilisation comme combustible ou pour fournir de la chaleur pour le chauffage des réactifs utilisés dans le procédé.
Lorsqu'on utilise des combustiblea carbonés, contenant des cendres, tels que du charbon, -.pour la prodyc- tion de monoxyde de carbone et d'hydrogène, il est généra- lement souhaitable de séparer au moins une partie des cen- dires des produits de réaction. L'élimination des cendres augmente l'utilité et la valeur du carbone, qui est récu- péré séparément, et facilite la clarification de l'eau de lavage contenant du carbone.
Une grande partie dea cendres est aisément enlevée dans une zone de refroidissement brusque, dans laquelle les produits sont refroidis par contact direct avec de l'eau et les cendres fondues sont transformées en une scorie solide semblable à du sable, qui se dépose au fond de la zone de refroidissement et peut être évacuée par des trémies appropriées. Le gaz refroidi contenant le carbone entr@né et la fine scorie est alors mis en contact avec de l'eau, dans une zone de lavage, de manière à éliminer sensiblement la totalité des matières solides du gaz, en formant une dispersion de ces matières solides dans l'eau de lavage.
La dispersion d'eau de lavage est alors amenée dans un ou plusieurs décanteurs,dans les- quels les particules relativement grossières et denses de la scorie se déposent, tandis que l'eau contenant les par- ticules de carbone dispersées est évacuée. La dispersion carbone-eau est alors mise en contact avec de l'huile, de la manière décrite plus haut, de façon à assurer la clari-
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:C3tlr.n l'3au et la formation à'an= .:saeraio:x hune- carbone. Après avoir décrit, de maniere générale, l'in- vention, on en décrira . présent une forme d'exécution, en détail3, en se référant à la figure unique du dessin
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ci-annex. , qui représente çl,a. f? uel8nt une installation pour l'exécution du procédé suivant l'invention.
Dans une conduite 10, de l'huile combusti- ble dénommée "bunke. fuel oil" est mélangés à de la va- peur d'eau amenée par une conduite 11. Le mélange est envoyé, en passant par un dispositif de chauffage 12 dans le brûleur 13 d'un générateur de gas 17. Par une conduits 14, de l'oxygène est mélangé au mélange vapeur d'eau-huile dans le brûleur 13.
La vapeur d'eau, l'huile et l'oxygène
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réagissent - - is sénéraleux. ii -dt suiés 1<mpéraiuré ltutugi:::ê d'environ 133?"G et à une =rgswi nnîswnyi rnr 21 kilos par cm2, de manière à produire un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, ce gaz de synthèse contient, au surplus, du carbone entraîné, en une quantité correspondant à environ 2% de la teneur en carbone de l'huile de départ* Le gaz de stnthèse chaud venant du géné- rateur 17 est évacué par une conduite 18 et amené à une chaudière de récupération de chaleur 19, dans laquelle le gaz de synthèse est refroidi par formation de vapeur d'eau.
Le gaz de synthèse refroidi est amené par une conduite 21 et par un échangeur de chaleur 22 dans un scrubber 23,dans lequel le gaz de synthèse et le carbone entraînés sont mis en conta% à contre courant avec l'eau de lavage intro- duite par une conduite 24. Le gaz de synthèse sensiblement exempt de carbone entraîné est évacué par une conduite 25 et envoyé vers un lieu d, 'utilisation non représenté. environ
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L'eau de lavage contenant/1 \le carbone dis- persé est déchargée du scrubber 23 par une conduite 30, à une température d'environ 135 C.
La dispersion d'eau de lavage et de carbone est mise en contact avec de l'essence
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Une quantité d'eau est évacuée par une conduite 40, selon les nécessités, de manière à empêcher l'accumulation d'impu- retés solubles dans l'eau ou l'accumulation de produira de condensation contenant du gaz de synthèse. L'eau d'appoint nécessaire pour compenser lea pertes ou l'eau évacuée est ajoutée, selon les besoins, par une conduite 41.
La suspension ue carbone dans de l'essence ve- nant du séparateur 3L est évacuée par une conduite 45.
L'huile combustible lourde se trouvant dans la cnnduite 46 est chauffée à une température supérieure au point d'é- bullit:Lon de l'essence légère dans l'échangeur de chaleur 22 et cette huile lourde est amenée, par une conduite 47, aans une conduite 45, où elle se mélange à l'essence légère.
Le mélange est alors amené par la conduite 45 dans une tour de distillation d'huile légère 48, dans laquelle l'es- sence.est vaporisée et le carbone est transféré dans l'hui- le combustible lourde, de manière à former une suspension de carbone dans l'huile combustible lourde. L'essence sous forme de vapeur est évacuée par une conduite 50, refroidie et condensée dans le condenseur 51, d'où l'essence condensée est amende par une conduite 52 dans un accumulateur 53.
L'essence se trouvant dans l'accumulateur 53 est déchargée par une conduite 54 et amenée par la pompe 55 et la conduite 31
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en contact avec une quantité supplémentaire de dispersion eau-carbone. Pour compenser les pertes d'essence dans le système, un apport d'essence est effectué par la conduite 56. Une suspension de caroone dans de l'huile combustible lourde est- évacuée par une conduite 60, en vue d'être uti- lisée comme combustible ou comme matière de préchauffage.
Exemple 1
Un gaz de synthèse est produit par oxydation partielle d'une huile combustible dénommée "bunker fuel oil" à wie température de 1425 6 et sous une pression de 18 kilos par cm2. Lors de la production du gaz de synthèse, 2%du carbone contenu dans l'huile combustible ne sont pas transformés en produit gazeux et apparaissent seus for- me de carbone entraîné dans le gaz produit. Le gaz de syn- thèse chaud est refroidi jusqu'à 205 C et de la sapeur d'eau est engendrée en faisant passer le gaz de synthèse dans une chaudière de récupération. Le gaz refroidi est .lavé avec de l'eau dans un scrubber maintenu à une pression de 17 kg par cm2. L'eau de lavage contenant 1% de carbone entraîné est évacuée à une température de 129 C.
La dis- persion de carbone dans de l'eau de lavage est mise en contact avec du benzène liquide à une température de 121 C et à un débit de 16 litres par kilogramme de carbone entraîné.
Le mélange d'eau de lavage, de carbone et de benzène est mélange intimement, par passage dans une soupape, qui amè- ne le mélange à un séparateur. Dans ce séparateur une suspension de carbone dans du benzène flotte sur une couche d'eau clarifiée. L'eau clarifiée est évacuée et renvoyée au scrubber. La suspension du carbone dans du benzène est évacuée et mise an contact avec la moitié de son volume d'huile combubatible dénommée " Bunker fuel oil" ayant une densité de 10 API et préchauffée à une température de 204 C. Le benzène est évaporé et les vapeurs de benzène sont séparées de la suspension résultante de carbone dans l'huile
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combustible.
Les v@peurs de benzène sont condensées et r@cyclées, en vue de leur contact ultérieur avec l'eau de lavage contenant du carbone. L'huile combustiole, qui contient 12% de carbone, présente une densité de 2,5 API et a un pouvoir calorifique de 17700 BTU par livre1 convient pour être utilisée comme combustible.
EXEMPLE II
Un gaz de synthèse est produit par réaction d'une suspension de caibone dans de l'huile combustible dénommée "bunker fuel oil" produite de la manière décrite ci-après. Le générateur de gaz fonctionne à une température de 1482 C, à une pression de 25 kg par cm2 et avec un rapport oxygène:carbone de 0.856. La suspension de carbone dans de l'huile contient 11 kilos par heure de carbone en sus- peneion dans 200 litres par heure d'huile et cette sus- pension est chargée dans le générateur de gaz avec 113 kilos par heure de vapeur d'eau. Le gaz de synthèse brut produit contient du carbone entraîné à raison de 11 kilos par heure.
Le gaz de synthèse brut est refroidi et lavé avec de l'eau, de manière à éliminer sensiblement la totalité de carbone entraîné- L'eau de lavage contenant en dispersion, 0,43% en poids de carbone est évacuée, de manière continue, à raison de 2620 litres par heure. La dispersion d'eau de lavage est mise en contact avec une fraction d'essence d'une densité de 63 API avec un interval@@ de distillation ASTM de 29 à 200 C, à un débit de 398 litres par heure, de manière à assurer le transfert du carbone de l'eau dans l'essence. La suspensior de carbone dans de l'essence flotte sur l'eau clarifiée et l'eau est évacuée et re- cyclée de maniera continue, pour être remise en contact avec du gaz de synthèse brut.
La suspension de carbone dans l'essence est alors mise en contact avec une huile combustible d'une densité de 8,3 API, présentant une viscosité de 172
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secondes Saybolt Furol à 50 C et ,..ne teneur en soufre de 1,56 en poids. L'hyuile combustible lourde est fournie 5 un déit de 53,2 gallons par heure. Le courant d'essence, de carbone et d'huile combustible est amené dans une ooupape mélangeuse, puis chauffé à une température de 204 C.
Le courant chauffé est amené dans un appareil de distilla- tion, dans lequel l'essence est évaporée et évacuée suéparé- ment. Les vapeurs d'essence sont condensées et ramenées au contact d'eau de lavage, en vue de séparer le carbone de celle -ci. Le résidu contenu dans l'appareil de distilla- tion, qui est constitué par une suspension de carbone dans de l'huile combustible, est amené au générateur de gaz de synthèse, de manière à constituer le combustible chargé dans ce générateur.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé pour la production de monoxyde de car- bone et d'hydrogène à partir d'un combustible carboné, caractérisé en ce qu'on extrait le carbone solide d'un courant de gaz produit, en lavant ce courant avec de l'eau dans une zone de lavage de gaz, le carbone solide étant ensuite éliminé de l'eau, par contact de celle-ci avec un hydrocarbure liquide présentant une densité supérieure à 20 API, de telle sorte que l'on obtient une suspension de matière carbonée solide dans ledit hydrocarbure, cette suspension étant mise en contact avec une huile lourde, après quoi l'hydrocarbure ayant une densité supérieure à 20 API est évaporé, de sorte que l'on obtient une suspen- sion résiduelle de matière carbonée solide dans ladite huile lourde.