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Production d'acétylène.
La présente invention se rapporte à un procédé perfec- tionné de production d'acétylène et en particulier à un procédé en trois stades, dans lequel on pyrolyse un hydrocarbure en acétylène dans un premier stade et on refroidit immédiatement ensuite les gaz de sortie chauds à une température intermédiaire prédéterminée par l'introduction d'un supplément d'hydrocarbure qui est pyrolysé incidemment en formant une quantité supplémen- taire d'acétylène, puis on refroidit rapidement, dans un très bref délai, à une basse température à laquelle on préserver l'individualité des produits.
La pyrolyse des hydrocarbures en vue de la production d'acétylène est bien connue et il existe de nombreuses manières de réaliser la transmission de chaleur, par exemple en mettant le produit d'alimentation avec des produits de combustion comme
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décrit ucuib 1< brevet américain ..o 70r1 Q2i2 ou en chauffant à l'arcélectrique un gaz porteur tel que de l'hydrogène, comme on l'a proposé dans le brevet africain n 2.916.534. Quel que soit le procédé utilisé, la zone de réaction contient des gaz non essen- tiels, ce qui est un inconvénient parce que la dimension de l'installation doit être augmentée en proportion.
En outre, les températures opératoires doivent être élevées dans les procédés se basant sur la dissociation thermique de gaz tels que l'hydrogène. ou l'azote utilisés comme agents de transfert de chaleur et cela s'accompagne de besoins calorifiques excessifs, ainsi que d'une fatigue thermique élevée des éléments de l'appareil. La synthèse des hydrocarbures par pyrolyse du méthane, suivie d'une réaction dans les 2 à 8 secondes avec divers hydrocarbures est décrite dans le brevet américain n 2.197.257; toutefois, l'acétylène lui-même ne semble pas pouvoir être obtenu de cette manière.
Un but principal de la présente invention est de procurer un procédé de production d'acétylène qui, pendant au moins un stade, s'exécute à une température relativement basse et qui de ce fait limite les besoins calorifiques. Un autre but de la présente invention est de procurer un procédé de production d'acétylène qui utilise la chaleur disponible d'une manière plus efficace que cela n'a été possible jusqu'à présent. Un autre but de l'invention est de procurer un procédé de production d'acétylène qui s'accompagne d'une formation d'oxyde de carbone plus réduite par suite du refroidissement rapide final des produits.
La manière de réaliser ces buts et d'autres encore de la présente invention ressortira clairement de la description détaillée ci-après, ainsi que du dessin qui représente schémati- 1 quement un appareil préféré permettant d'exécuter le procédé de l'invention.
En substance, le procédé de l'invention comporte successivement, la pyrolyse d'un hydrocarbure gazeux d'alimentatior'
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contensnt 1 à 3 ata8S de carbone par mol ',cul en le faisant passer au travers d'un arc électrique tournait qui chauffe le gaz d'alimentation ;;
. une température dépassant environ l600 C, le refroidissement des produits quittant l'arc, dans le dixième de seconde environ, à une température non inférieure à environ 11000C par mélange avec au moins un hydrocarbure de refroidissement se uvant à une température inférieure à environ 1100 C et ayant un poids moléculaire compris entre le poids moléculaire du gaz d'alimentation et environ 150 et le refroidissement rapide du courant venant du refroidissement précité à une température inférieure à environ 300 C.
De ce fait, on obtient une quantité importante d'acétylène au premier stade par passage du gaz d'ali- mentation au travers de l'arc tournant et une quantité supplémen- taire d'acétylène par la pyrolyse d'au moins une partie du gaz de refroidissement, pyrolyse qui accompagne le refroidissement à la température intermédiaire du produit formé dans l'arc le courant sortant entier étant refroidi rapidement au-dessous d'environ 300 C afin d'empêcher des réactions de combinaisons ou de polymérisation mettant en jeu l'acétylène.
Pour obtenir de bons résultats, il est essentiel de maintenir attentivement la température au-dessus d'une première valeur élevée convenant à la pyrolyse de l'hydrocarbure d'alimen- tation et au-dessus d'une seconde valeur intermédiaire inférieure à la première, de manière à refroidir en grande partie les pro- duits de la première pyrolyse tout en réalisant une pyrolyse appréciable de l'hydrocarbure de refroidissement lui-même, et de provoquer finalement un refroidissement rapide de tout le courant sortant à une,-'température inférieureà environ 300 C.
Par conséquent, la proportion d'hydrocarbure froid utilisée pour le refroidissement doit être telle que la somme de sa chaleur de vaporisation, si elle existe, de sa chaleur sensible et de sa chaleur de craquage en acétylène ne dépasse pas celle de la proportion qui amènera les produits de la pyrolyse à haute tem- ,
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pàr<tare Îi la thn-J.":r.-l11r Ín:''2::"2 \,:.is.ire, de Jr'i'-?r3llvt'' à 1100-1200 C. Une fois le refroidis 3e:.lent effectue il est néces- saire d'amener aussi rapidement que possible tout le courant sortant à des températures non réactionnelles afin d'éviter des pertes d'acétylène à la fois par réaction et par polymérisation.
On a découvert que le chauffage très uniforme que per.net l'arc électrique tournant est nécessaire pour le stade de pyrolyse à haute température dans la production de l'acétylène suivant la présente invention et qu'il est préférable d'utiliser l'arc mis en rotation électromagnétiquement comme décrit en détail dans le brevet canadien n 573. 701 du 7 avril 1959, le brevet américain n 933.094 et ailleurs, ce qui rend superflue ici une description plus détaillée.
Toutefois, les arcs mis en rotation par des systèmes à aimants permanents ou les arcs qui tournent, en fait, comme c'est le cas pour les "arcs mobiles" polyphasés, qui jaillissent successivement d'une paire d'électrodes à une paire voisine, toutes les électrodes étant disposées circulairement, conviennent également, et le terme "arc tournant" utilisé ici comprend tous ces arcs ainsi que leurs équivalents. Ce terme exclut les arcs déplacés principalement par l'action de courant gazeux, car ils sont trop irréguliers pour pouvoir être utilisés.
L'hydrocarbure d'alimentation de l'arc de pyrolyse peut être n'importe quel hydrocarbure non substitué, saturé ou non saturé, contenant 1 à 3 atomes de carbone, ou des mélanges de tels hydrocarbures, bien que le méthane et le propané séparément soient préférés pour des raisons d'économie de courant. L'hydrocarbure de refroidissement peut être choisi dans une gamme encore plus étendue et comprend en général tout hydrocarbure contenant le même nombre d'atomes de carbone que l'hydrocarbure qui constitue la partie principale de l'alimentation et ayant un poids moléculaire inférieur ou égal à 150 ; l'hydrocarbure de refroidis- senent peut être utilisé seul ou en mélange avec un autre.
Il est préférable, sous ce rapport, d'utiliser des hydrocarbures de
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refroidisse-'eut (.:\ :,oi rIs noiéculaire dus -'levé que celui de l'hydrocarbure d'alimentation de l'arc, ces hydrocarbures
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supérieurs 50 P7rolys3.nt coi:¯e on le sait, plus facile-.en-,, en acétylène à des températures soins élevées.
Le rôle de l'hydrocarbure de refroidissement est dou- ble, à savoir, (1) refroidir le produit s'échappant de l'arc et (2) se pyrolyser sélectivement en acétylène. Ces deux objectifs peuvent être atteints dans une grande mesure en utili- sant un fluide de refroidissement relativement chaud dont la température peut avantageusement aller jusqu'à environ 1100 C.
De cette manière, il est possible d'introduire une proportion élevée de fluide de refroidissement par rapport au volume de gaz quittant l'arc, et lorsque le gaz de refroidissement est amené à température par la chaleur de récupération, ou du moins par d'autres moyens de chauffage tels que des brûleurs à huile ou à gaz ou d'autres systèmes analogues qui sont généralement d'un coût inférieur au chauffage par arc, on réalise une économie globale de chauffage. Il convient de remarquer que le chauffage du gaz de refroidissement doit être effectué à des températures inférieures à celles qui provoquent des réactions secondaires de cokéfaction ou de craquage non contrôlé et cela impose une limite pratique au chauffage du fluide de refroidissement.
Dans certaines circonstances, il est désirable d'utiliser, soit un fluide de refroidissement froid (à la température ambiante) soit un fluide de refroidissement chauffé auquel on ajoute une certaine partie de fluide de refroidissement se trouvant à la température ambiante afin de réaliser un réglage thermique précis dans tout le procédé, et ce mode opératoire entre dans le cadre de la présente invention.
En outre, on peut prévoir un schéma prédéterminé d'introduction de différents fluides de refroidisse- ment ou de fluides de refroidissement mélangés, soit à la même température, soit à des températures différentes, de manière à réaliser un équilibre thermodynamique dans le temps, compte tenu
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des besoins progressifs de chaleur du procédé, ce qui peut être avantageux quand on passe du stade du démarrage à celui du fonctionnement en régime ou quand on passe d'un gaz d'alimentation à un gaz d'alimentation différent ou dans d'autres circonstances analogues.
Des exemples typiques non limitatifs d'hydrocarbures con venant comme fluides de refroidissement sont le méthane, le pro- pane, le butane, le toluène, le divinylacétylène et l'essence naturelle. Pour des raisons d'économie, le fluide de refroidisse- ment n'aura pas un poids moléculaire inférieur à celui de l'hydrocarbure principal alimentant l'arc, quoiqu'il puisse être le même hydrocarbure et atteindre un poids moléculaire d'environ 150, de sorte que les fluides de refroidissement peuvent être, soit gazeux, soit liquides, dans les conditions normales de température et de pression.
Le procédé de la présente invention est de préférence exécuté sous une pression absolue inférieure à environ 1,5 atmosphère afin d'éviter les pertes d'acétylène par des réactions secondaires et la polymérisation, et il est capital que le refroi- dissement final au-dessous de 300 C de tout le courant sortant du procédé,s'effectue aussi rapidement que possible, de préféren- ce dans un délai de 0,1 seconde ou moins entre le passage du gaz dans l'arc et le refroidissement rapide. Le refroidissement par pulvérisation d'eau froide s'est montré efficace et avantageux ; toutefois, d'autres procédés de refroidissement tels que le contact' avec des solides ou l'utilisation simultanée de solides et de liquides, etc., conviennent également.
Le dessin représente un réacteur à petite échelle qui utilise une enveloppe 10 en tube de cuivre ayant un diamètre intérieur de 4,4 cm et une longueur de 30,5 cm de son extrémité supérieure à l'extrémité supérieure de l'ajutage de refroidissement:
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rapide 37, l'enveloppe 10 venant contre des plaques annulaires de cuivre 18 à son extrémité supérieure et 28 à son extrémité inférieure. La distance entre l'ajutage de refroidissement rapide 37 et la plaque 28 est de plusieurs cm; toutefois, cette distance n'est pas critique.
Des plaques de cuivre associées 20 et 30 sont prévues au-dessus et en dessous, respectivement, et sont isolées électriquement de leurs plaques voisines par des joints 21 et 29 qui réalisent l'étanchéité de l'intérieur de l'enveloppe 10, et l'assemblage est maintenu par des dispositifs classiaues, non représentés, préservant l'isolement électrique des deux plaques supérieures au moins.
L'enveloppe 10 est entourée d'une chemise de refroidisse- ment concentrique 25 pourvue d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie d'eau, 26 et 27, respectivement. La cathode 15 est une électrode en graphite dont le diamètre, dans divers essais, varie de 4,8 à 13 mm; elle est portée par un support en cuivre refroidi par l'eau, représenté en 16, monté au centre de la plaque 20 et coaxialement à l'enveloppe 10. La borne négative 19 attachée à la plaque 20 établit une connexion électri- que avec le support 16 et la cathode 15. L'enveloppe 10 constitue 1'anode qui est reliée électriquement par la plaque 18 à la borne positive 17.
Le tuyau d'alimentation 11 débouchant dans l'envelopper ! 10 radialement par rapport à la plaque 18 constitue l'orifice
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d'admission de l'hydrocarbure" amené à l'arc, cet hydrocarbure (fi étant répârt3.tuniforméaxent,,ycans;,e¯toute la section transversale , "f" r , ' ' ' de 10 en passant au tr'i-;;1i;.' tros multiples d'une plaque ' :1 distributrice 12 en céramique ou en un autre matériau isolant
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y . ., ., ;.. .'-''- ; électrique équivalent pour hautes températures Deux tubes 35 d'injection de l'hydrocarbure de refroidissement, diamétralement opposés,..débouchent dans l'enveloppe 10 à environ 25 mm au-dessous de l'extrémité a de l'arc tournant décrit
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ci-après.
On utilise un refroidisseur à eau formé simplement d'un tube vertical d'amenée d'eau 36 qui pénètre coaxialement dans l'enveloppe 10 à son extrémité inférieure et est pourvu d'un ajutage de pulvérisation 37, situé à environ 18 cm en dessous de la zone a, permettant de pulvériser l'eau dans l'enveloppe d'une manière sensiblement uniforme dans une direction en substance radiale. Les gaz produits sont retirés de l'appareil par la conduite 38 communiquant avec l'extrémité inférieure de l'envelop- pe 10 et menant à un dispositif de séparation classique, non représenté, placé en aval.
La rotation de l'axe est réalisée électromagnétiquement par une bobine de champ 31 de 14 cm de diamètre intérieur dans laquelle passe un courant continu. La bobine 31 est disposée coaxialement par rapport à la cathode 15 avec un intervalle radial d'environ 2,9 cm par rapport à la chemise 25, et en posi- tion longitudinale, de manière que le point milieu de contact de l'arc soit situé approximativement à mi-longueur de la bobine.
En service, quand on utilise le méthane comme hydrocar- bure d'alimentation de l'arc et le propane à la température ambiante comme gaz de refroidissement introduit par les tubes 35, la pyrolyse est conduite dans le réacteur sous une pression réduite d'environ 150 mm de Hg absolu, qui s'est avérée donner de bons taux de transformation et diminuer en même temps la .formation de'carbone. L'appareil décrit ci-dessus exige une . puissance d'environ 50 kv et la région de l'arc, finissant en a, mesure environ 2,5 cm de long. L'arc est amorcé initialement par ;un fil de démarrage,.un démarreur d'arc à.haute tension ou une tige de démarrage en graphite, suivant les procédés habituels et s'entretient ensuite de lui-même.
Il est préférable de réaliser un contact aussi uniforme que possible,entre l'arc et l'hydrocar- bure d'alimentation ce que facilite la rotation rapide de l'arc circonférentiellement par rapport à l'enveloppe 10, une vitesse typique étant d'environ 7000 tours pars'econde sous une intensité
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de champ de la bobine 31 de 600 gauss. La régularité du contact avec l'arc est elle-même un facteur important, car on a décou- vert qu'un rendement en acétylène sensiblement plus élevé, de l'ordre de 75 à 80% pour la conversion du méthane en acétylène, est ainsi obtenu, indépendamment d'autres considérations.
Dans le cas du méthane, une bonne pyrolyse est réalisée à une température supérieure à 1600 C, alors que le propane se pyrolyse facilement en acétylène aux températures supérieures à 1100 C. Par conséquent, le méthane est introduit dans l'arc tournant avec une vitesse d'entrée d'environ 7 mètres par seconde (mesurée sous une pression absolue de 150 mm Hg et à 25 C) et est mis en contact avec une quantité de propane suffisan- te pour amener la température globale à environ 1200 C avant le refroidissement rapide par eau. On obtient de bons résultats en limitant à 0,001 - 0,003 seconde l'intervalle de temps entre le passage dans l'arc et la pulvérisation d'eau.
La conversion du propane en acétylène varie de 47 à 70%, ce qui crée donc une production supplémentaire résultant de l'utilisation de la chaleur sensible des produits de la première pyrolyse à l'arc du méthane. En outre, le stade de pyrolyse séparé réduit la quantité d'oxyde de carbone formé pendant le refroidissement rapide final par eau, ce qui est très avantageux.
En résumé,la pyrolyse suivant la présente invention apporte les perfectionnements suivants : (1) la concentration en CO formé comme sous-produit passe de 1 - 4% pour les procédés classiques à environ 0,3 - 0,5%; (2) la concentration en acéty- lène passe du maximum habituel de 20% à environ 21-22%; et (3) la consommation d'énergie passe de 14,5-16,3 à 12,3-13,2 kWh/kg C2H2.
Les exemples suivants, exécutés dans l'appareil décrit, fournissent des données numériques comparatives du fonctionne- ment avec et sans refroidissement intermédiaire par du propane.
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EXEMPLE 1.
Sans refroidissement par du propane.
Un courant de 5,27 kg,/h de méthane de qualité commerciale (analyse: 94,1% CH4, 4,4% C2H6 et 1,5% C3H8) est passé à travers un arc tournant de 51,8 kW (7000 tours par seconde) fonctionnant à 320 ampères et sous 162 volts. La pression maintenue dans le réacteur est de 143 mm de Hg absolu. Le gaz produit, refroidi rapidement par eau, contient 20,2% de C2H2 et 2,6% de CO. La transformation du méthane en acétylène est de 80%, calculée air la base du carbone, avec une consommation d'énergie de 15,4 kWh/kg de C2H2 produit.
EXEMPLE 2.-
Avec refroidissement par du propane.
Un courant de 5,44 kg/h de méthane de qualité commerciale : de même composition que dans l'exemple 1 est passé à travers un arc tournant de 58,0 kW (7000 tours par seconde) fonctionnant à 325 ampères et sous 178 volts. Du propane de qualité naturelle
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(composition: 0.3% CH4; 8,0% C2H6, 90,8% C 3H8 et 0,9% C4H10) est introduit avec un débit de 1,41 kg/h par deux admissions dispo- sées à. 2,5 cm en dessous de l'arc. Le gaz produit titre 22,5% de C2H2 et 0,5% CO, ce qui correspond à une transformation globale en acétylène pour le méthane et le propane de 77,8%, cal- culée sur la base du carbone.
Si on admet une transformation en acétylène de 80% pour le méthane pour un fonctionnement essentiellement identique à celui de l'exemple 1, la transfor- mation calculée du propane en acétylène est d'environ 70%. La consommation d'énergie est de 13,2 kWh/kg de C2H2, pour 15,4 kWh dans l'exemple 1.
Il ressort de ce qui précède que la présente invention' est susceptible de nombreuses variantes et modifications sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Acetylene production.
The present invention relates to an improved process for the production of acetylene and in particular to a three-stage process, in which a hydrocarbon is pyrolyzed to acetylene in a first stage and the hot outlet gases are immediately subsequently cooled to a temperature. intermediate temperature predetermined by the introduction of additional hydrocarbon which is incidentally pyrolyzed to form an additional quantity of acetylene, then cooled rapidly, in a very short time, to a low temperature at which the gas is preserved. individuality of products.
The pyrolysis of hydrocarbons for the production of acetylene is well known and there are many ways of achieving heat transfer, for example by putting the feed product with combustion products such as
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describes ucuib 1 <U.S. Patent No. 70r1 Q2i2 or by arc heating a carrier gas such as hydrogen, as proposed in African Patent No. 2,916,534. Regardless of the process used, the reaction zone contains non-essential gases, which is a disadvantage because the size of the plant must be increased in proportion.
In addition, operating temperatures must be high in processes based on the thermal dissociation of gases such as hydrogen. or nitrogen used as heat transfer agents and this is accompanied by excessive heat requirements, as well as high thermal fatigue of the elements of the apparatus. The synthesis of hydrocarbons by pyrolysis of methane, followed by reaction within 2 to 8 seconds with various hydrocarbons is described in US Pat. No. 2,197,257; however, acetylene itself does not appear to be obtainable in this way.
A main object of the present invention is to provide a process for the production of acetylene which, during at least one stage, is carried out at a relatively low temperature and which therefore limits the heat requirement. Another object of the present invention is to provide a process for the production of acetylene which utilizes the available heat in a more efficient manner than has heretofore been possible. Another object of the invention is to provide a process for the production of acetylene which is accompanied by a reduced formation of carbon monoxide as a result of the final rapid cooling of the products.
The manner of accomplishing these and other objects of the present invention will become clear from the following detailed description, as well as from the drawing which schematically shows a preferred apparatus for carrying out the method of the invention.
In substance, the process of the invention successively comprises the pyrolysis of a gaseous feed hydrocarbon '
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contains 1 to 3 ata8S of carbon per mol ', by passing it through a rotating electric arc which heats the feed gas ;;
. a temperature exceeding about 1600 C, cooling the products leaving the arc, in about tenth of a second, to a temperature not lower than about 11000C by mixing with at least one cooling hydrocarbon occurring at a temperature lower than about 1100 C and having a molecular weight of between the molecular weight of the feed gas and about 150 and the rapid cooling of the stream from the above cooling to a temperature below about 300 C.
As a result, a large quantity of acetylene is obtained in the first stage by passing the feed gas through the rotating arc and a further quantity of acetylene by the pyrolysis of at least part of the gas. cooling gas, pyrolysis which accompanies the cooling to the intermediate temperature of the product formed in the arc the entire outgoing stream being cooled rapidly below about 300 C in order to prevent combination or polymerization reactions involving the 'acetylene.
To obtain good results, it is essential to carefully maintain the temperature above a first high value suitable for the pyrolysis of the feed hydrocarbon and above a second intermediate value lower than the first. , so as to largely cool the products of the first pyrolysis while effecting appreciable pyrolysis of the cooling hydrocarbon itself, and ultimately to cause rapid cooling of all the outgoing stream to a temperature. less than about 300 C.
Consequently, the proportion of cold hydrocarbon used for cooling must be such that the sum of its heat of vaporization, if it exists, of its sensible heat and its heat of cracking in acetylene does not exceed that of the proportion which will bring high-temperature pyrolysis products,
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pàr <tare Îi la thn-J. ": r.-l11r Ín: '' 2 ::" 2 \,:. is.ire, de Jr'i '-? r3llvt' 'at 1100-1200 C. Once The slow cooler causes it to be necessary to bring all the outgoing stream as quickly as possible to non-reactive temperatures in order to avoid losses of acetylene both by reaction and by polymerization.
It has been found that the very uniform heating which the rotating electric arc achieves is necessary for the high temperature pyrolysis step in the production of acetylene according to the present invention and that it is preferable to use the arc. electromagnetically rotated as described in detail in Canadian Patent No. 573,701 of April 7, 1959, United States Patent No. 933,094 and elsewhere, making further description unnecessary here.
However, arcs set in rotation by permanent magnet systems or arcs which rotate, in fact, as is the case for polyphase "moving arcs", which spring successively from a pair of electrodes to a neighboring pair. , all the electrodes being arranged circularly, are also suitable, and the term "rotating arc" used here includes all these arcs as well as their equivalents. This term excludes arcs displaced mainly by the action of gas current, as they are too irregular to be able to be used.
The hydrocarbon feed to the pyrolysis arc can be any unsubstituted hydrocarbon, saturated or unsaturated, containing 1 to 3 carbon atoms, or mixtures of such hydrocarbons, although methane and propane separately. are preferred for reasons of economy of current. The cooling hydrocarbon can be chosen from an even wider range and generally includes any hydrocarbon containing the same number of carbon atoms as the hydrocarbon which constitutes the major part of the feed and having a molecular weight less than or equal. at 150; the coolant hydrocarbon can be used alone or in admixture with one another.
It is preferable, in this respect, to use hydrocarbons of
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cools-'eut (.: \:, where noiecular due -'high than that of the hydrocarbon feed of the arc, these hydrocarbons
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higher 50 P7rolys3.nt coi: ¯e it is known, easier-.en- ,, in acetylene at high temperatures care.
The role of the cooling hydrocarbon is twofold, namely, (1) to cool the product escaping from the arc and (2) to pyrolyze selectively to acetylene. Both of these objects can be achieved to a great extent by using a relatively hot coolant, the temperature of which can preferably be up to about 1100 C.
In this way, it is possible to introduce a high proportion of cooling fluid relative to the volume of gas leaving the arc, and when the cooling gas is brought to temperature by the recovery heat, or at least by other heating means such as oil or gas burners or other similar systems which are generally of lower cost than arc heating, an overall heating saving is achieved. It should be noted that the heating of the cooling gas must be carried out at temperatures lower than those which cause side reactions of uncontrolled coking or cracking and this places a practical limit on the heating of the cooling fluid.
In some circumstances, it is desirable to use either cold coolant (at room temperature) or heated coolant to which a certain portion of coolant at room temperature is added in order to achieve control. precise thermal throughout the process, and this procedure is within the scope of the present invention.
In addition, a predetermined pattern can be provided for introducing different cooling fluids or mixed cooling fluids, either at the same temperature or at different temperatures, so as to achieve a thermodynamic equilibrium over time. tenuous
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progressive heat requirements of the process, which can be advantageous when moving from start-up to steady-state operation or when switching from a feed gas to a different feed gas or in other circumstances analogues.
Typical, non-limiting examples of suitable hydrocarbons as coolants are methane, propane, butane, toluene, divinylacetylene and natural gasoline. For reasons of economy, the coolant will not have a molecular weight lower than that of the main hydrocarbon fueling the arc, although it may be the same hydrocarbon and reach a molecular weight of about 150. , so that the cooling fluids can be either gaseous or liquid, under normal conditions of temperature and pressure.
The process of the present invention is preferably carried out under an absolute pressure of less than about 1.5 atmospheres in order to avoid losses of acetylene by side reactions and polymerization, and it is essential that the final cooling at below 300 ° C. of the total stream exiting the process, proceeds as rapidly as possible, preferably within 0.1 seconds or less between the passage of the gas in the arc and the rapid cooling. Cooling by cold water spray has been shown to be effective and advantageous; however, other cooling methods such as contact with solids or simultaneous use of solids and liquids, etc., are also suitable.
The drawing shows a small scale reactor which uses a copper tubing shell 10 having an inside diameter of 4.4 cm and a length of 30.5 cm from its upper end to the upper end of the cooling nozzle:
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rapid 37, the casing 10 coming against annular copper plates 18 at its upper end and 28 at its lower end. The distance between the rapid cooling nozzle 37 and the plate 28 is several cm; however, this distance is not critical.
Associated copper plates 20 and 30 are provided above and below, respectively, and are electrically isolated from their neighboring plates by gaskets 21 and 29 which seal the interior of the casing 10, and the 'assembly is maintained by conventional devices, not shown, preserving the electrical insulation of the two upper plates at least.
The casing 10 is surrounded by a concentric cooling jacket 25 provided with an inlet port and a water outlet port, 26 and 27, respectively. Cathode 15 is a graphite electrode, the diameter of which, in various tests, varies from 4.8 to 13 mm; it is carried by a water-cooled copper support, shown at 16, mounted in the center of the plate 20 and coaxially with the casing 10. The negative terminal 19 attached to the plate 20 establishes an electrical connection with the support 16 and cathode 15. The casing 10 constitutes the anode which is electrically connected by the plate 18 to the positive terminal 17.
The supply pipe 11 opening into the wrap! 10 radially relative to the plate 18 constitutes the orifice
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intake of the hydrocarbon "brought to the arc, this hydrocarbon (fi being repârt3.tuniforméaxent ,, ycans ;, ēall the cross section," f "r, '' 'of 10 while passing to the tr'i - ;; 1i ;. 'three multiples of a plate': 1 distributor 12 in ceramic or another insulating material
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y. .,.,; .. .'-''-; electric equivalent for high temperatures Two diametrically opposed cooling hydrocarbon injection tubes 35 open into the casing 10 approximately 25 mm below the end a of the rotating arc described.
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below.
A water cooler is used simply formed of a vertical water supply tube 36 which coaxially enters the casing 10 at its lower end and is provided with a spray nozzle 37, located about 18 cm below. of zone a, allowing the water to be sprayed into the envelope in a substantially uniform manner in a substantially radial direction. The gases produced are withdrawn from the apparatus through line 38 communicating with the lower end of casing 10 and leading to a conventional separation device, not shown, placed downstream.
The rotation of the axis is carried out electromagnetically by a field coil 31 with an internal diameter of 14 cm in which a direct current passes. Coil 31 is disposed coaxially with respect to cathode 15 with a radial gap of about 2.9 cm from jacket 25, and in a longitudinal position, so that the midpoint of arc contact is located approximately halfway down the spool.
In service, when methane is used as the arc feed hydrocarbon and room temperature propane as the cooling gas introduced through tubes 35, pyrolysis is carried out in the reactor under reduced pressure of about. 150 mm of absolute Hg, which has been found to give good conversion rates and at the same time decrease carbon formation. The device described above requires a. power of about 50 kv and the region of the arc, ending in a, is about 2.5 cm long. The arc is initially started by a starter wire, a high voltage arc starter or a graphite starter rod, following the usual methods and then maintains itself.
It is preferable to achieve as uniform a contact as possible between the arc and the feed hydrocarbon which facilitates the rapid rotation of the arc circumferentially with respect to the shell 10, a typical speed being. approximately 7000 revolutions per second under an intensity
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field strength of coil 31 of 600 gauss. The regularity of the contact with the arc is itself an important factor, since it has been found that a significantly higher acetylene yield, of the order of 75 to 80% for the conversion of methane to acetylene, is thus obtained, regardless of other considerations.
In the case of methane, good pyrolysis is achieved at a temperature above 1600 C, while propane easily pyrolizes to acetylene at temperatures above 1100 C. Therefore, methane is introduced into the rotating arc with high speed inlet of about 7 meters per second (measured under an absolute pressure of 150 mm Hg and at 25 C) and is contacted with a quantity of propane sufficient to bring the overall temperature to about 1200 C before cooling fast by water. Good results are obtained by limiting the time interval between passing through the arc and spraying water to 0.001 - 0.003 seconds.
The conversion of propane to acetylene varies from 47 to 70%, which therefore creates additional production resulting from the use of sensible heat from the products of the first arc pyrolysis of methane. Further, the separate pyrolysis step reduces the amount of carbon monoxide formed during the final rapid cooling with water, which is very beneficial.
In summary, the pyrolysis according to the present invention provides the following improvements: (1) the concentration of CO formed as a by-product increases from 1 - 4% for conventional processes to about 0.3 - 0.5%; (2) the acetylene concentration increases from the usual maximum of 20% to about 21-22%; and (3) the energy consumption goes from 14.5-16.3 to 12.3-13.2 kWh / kg C2H2.
The following examples, carried out in the apparatus described, provide comparative numerical data of operation with and without propane intercooling.
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EXAMPLE 1.
Without propane cooling.
A stream of 5.27 kg / h of commercial grade methane (analysis: 94.1% CH4, 4.4% C2H6 and 1.5% C3H8) is passed through a rotating arc of 51.8 kW (7000 revolutions per second) operating at 320 amps and 162 volts. The pressure maintained in the reactor is 143 mm of absolute Hg. The gas produced, rapidly cooled by water, contains 20.2% C2H2 and 2.6% CO. The transformation of methane into acetylene is 80%, calculated on the basis of carbon, with an energy consumption of 15.4 kWh / kg of C2H2 produced.
EXAMPLE 2.-
With propane cooling.
A stream of 5.44 kg / h of commercial grade methane: of the same composition as in Example 1 is passed through a rotating arc of 58.0 kW (7000 revolutions per second) operating at 325 amps and under 178 volts . Natural quality propane
EMI10.1
(composition: 0.3% CH4; 8.0% C2H6, 90.8% C 3H8 and 0.9% C4H10) is introduced at a flow rate of 1.41 kg / h through two inlets provided at. 2.5 cm below the arch. The gas produced has 22.5% C2H2 and 0.5% CO, which corresponds to an overall transformation into acetylene for methane and propane of 77.8%, calculated on the basis of carbon.
Assuming an 80% acetylene conversion for methane for essentially the same operation as Example 1, the calculated conversion of propane to acetylene is about 70%. The energy consumption is 13.2 kWh / kg of C2H2, for 15.4 kWh in example 1.
It emerges from the foregoing that the present invention is susceptible of numerous variations and modifications without departing from its scope.
CLAIMS.
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