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"Appareil de réaotion à haute pression".
La présente invention a trait à un appareil pour ef- fectuer des réactions catalytiques exothermiques en phase gazeu- se à l'aide de lits catalyseurs stationnaires.
L'appareil est particulièrement utilisé pour lesdites réactions à hautes pressions, o' est-à-dire comprises dans la gamme de 150 à 500 kg/om2 ou davantage, telles qu'elles sont ap- pliquées pour la synthèse de l'ammoniac, du méthanol ou similairesj
Dans un tel appareil de réaction, il est particulière- ment important d'échanger efficacement et de récupérer la chaleur
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produite par la réaction, tout en maintenant la température des gaz de réaction dans le lit catalyseur le plue près possible de) la température de réaction optimum.
Dans ce but, de nombreux procédés ont déjà été inven- tés. Parmi oeux-oi, on a généralement adopte un systènme à échange automatique de chaleur dans lequel ledit catalyseur ont refroidi par les gaz fraîchement amenésla raison de ce choi@ étant due à une structure simple et à la possibilité de contrôler efficace- ment là température de la réaction*
Des systèmes de ce genre à échange automatique de chaleur peuvent être divisés en deux types en fonction du sens de circulation des gaz fraîchement amende et des gaz de réaction dans le lit catalyseur, ces deux types ,tant.
1.- Le type à circulation à contre-courant.
Ce type présente l'avantage d'une structure simple et d'un haut rendement de l' échange de chaleur. Toutefois, le profil de température dans le lit catalyseur dévie ocasidérable- ment de la courbe de température optimum de réaction, c'est-à-dire que du coté de l'entrée du lit catalyseur, il y aur@ une telle production de chaleur par la réaction active des gaz frais que la température dans cette partie deviendra trop élevée et que le catalyseur sera surchauffé et perdra une partie dit on activi- té.
Du coté sortie par contre, les gaz de réaction dans les lits catalyseurs seront refroidis par la circulation à contre- courant des gaz frais amenés à l'état froid, ce qui aura pour effet que la température deviendra trop basse et que l'allure de la réaction deviendra très faible.
2.- Type à circulation unidirectionnelle.
Ce type a été proposé pour éviter la surchauffe locale qui se produit dans les types à contre-courant,,
Dans ce deuxième type, les gaz de réaction dans le lit
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catalyseur, de même que les gaz franchement amenée, circulent dans le même sens, de sorte que la différence de température entrée de l'appareil est plus considérable et que l'effet de refroidi.- sement s'en trouve accru, c'est-à-dire que la différence de tem- pérature entre les gaz de réaction dans le lit catalyseur et les gaz fraîchement amenés sera la plus grande à l'entrée dudit lit catalyseur et que, par conséquent, la quantité de ohaleur dohan- gée en cet endroit y sera la plus importante,
A mesure que l'on se rapproohe de la sortie, la différen- ce de température diminuera et la quantité de chaleur transmise deviendra moindre, d'où il s'ensuit que le profil de température dudit catalyseur aura une tendanoe à s'aplatir par rapport à ce qui se passe dans le type à contre-courant, et qu'il sera posai- ble d'atteindre une température qui se raapproohe de très près de la température optimum de réaction.
Il se fait toutefois que, dans ce type d'appareil à circulation unidirectionnelle,un courant de gaz doit être amené à faire tout le trajet d'aller et retour sur la longueur totale du lit catalyseur, ce qui exige une structure plus compliquée de l'appareil et comporte en même temps une réduction de rende- ment de l'échange de ohaleur par rapport au type à contre-courant,
L'objet principal de la présente invention est de créer un appareil dans lequel la réaction se fait à une température proche de la température optimum et ce au moyen d'un lit oata- lyseur du type ou l'échange de ohaleur se fait à contre-courant, en utilisant les avantages résultant de la simplicité de sa struo- ture et du rendement élevé de l'échange de ohaleur,
tout en éli- minant les inconvénients provenant d'une surchauffe de la zone d'entrée et d'un refroidissement excessif de la zone de sortie,
La structure fondamentale de l'appareil conforme à la présente invention oomprend les organes suivants montés à l'inté- rieur d'un récipient susceptible de supporter une très haute près-
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aient Ces organes sont les suivants, hommes à partir de la base dudit récipient;
1.- Un échange= de chaleur multi-tubulaire du type à contre-courant pour l'échange de chaleur entre les gaz d'ame- née fraie et les gaz de sortie après réaction, '
2. - Un lit catalyseur du type à échangeur de chaleur à contre-courant, ayant une partie adiabatique à la sortie des gaz de réaction.
3.- Un dispositif de refroidissement muni d'un tuyau d'injection de gaz froid pour refroidir les gaz à haute tempéra- ture provenant de la réaction.
4.- Un lit catalyseur adiabatique pour la réaction initiale.
5.- Un dispositif de chauffage électrique pour chauffer les gaz frais@ lors du démarrage de la réaction. la caractéristique priucipale de la présente invention réside dans la combinaison d'un lit catalyseur adiabatique pour la réaction initiale, d'un dispositif de refroidissement muni d'un tuyau d'injection de gaz froid pour refroidir les gaz de réaction à haute température obtenus par le catalyseur, et dans le fait que le susdit lit catalyseur à éohangeur de chaleur à contre-courant possède une partie adiabatique à la sortie des gaz de réaction, c'est-à-dire à l'entrée des gaz fraie,
Une description plue détaillée de la manière dont les butd visés par la présente invention sont atteints par la sus- dite combinaison est donnée ci-après.
Comme mentionné ci-dessus, dans la synthèse de l'ammoniac, du méthanol et de produite semblables, il y a une température optimum de réaction dans chaque cas.
Une telle tempétature optimum de réaction sera élevée au début de la réaction en question et diminuera à mesure que cette dernière se poursuit.
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Il est théoriquement évident que, en vue de conduire la réaction suivant de telles courbée de température optimum, il est nécessaire d'élever la température de réaction à ladite tempé- rature optimum par la réaction adiabatique active, et, ensuite, de réduire la température graduellement euivant ladite courbe de température optimum à mesure que la réaction avance.
C'eet également un fait connu que la température maxi- mum permise dans ledit oatalyseur sera déterminée par la plus haute température permanente de ce dernier et que, loreque le catalyseur en question est surchauffé (c'est-à-dire porté à une température supérieure à la température permise), non activité et sa longévité en seront réduites sans que l'on obtienne de bons résultats.
Dans l'appareil oonforme à la présente invention, les gaz frais qui contiennent une faible proportion du produit recyclé subissent une réaction adiabatique dans ledit catalyseur adiaba- tique, de sorte que la température de réaction s'élève rapidement à la température maximum permise, puis les gaz de réaction à haute température sont rapidement refroidie par les gaz frais amenés par le tube d'injection de gaz froide, après quoi les gaz ainsi refroidis sont conduits dans le lit catalyseur éahangeur de chaleur à contre-courant.
En réglant le degré de refroidissement, la température des gaz de réaction à l'entrée du lit catalyseur à échange de chaleur à contre-courant peut être maintenue à la température optimum de réaction et la surchauffe dans la section d'entrée, qui est le principal défaut du lit catalyseur à échangeur de oha- leur à contre-courant, peut être systématiquement éliminée.
D'autre part, le refroidissement excessif des gaz de réaction à la sortie du lit catalyseur, qui est un autre défaut d'un lit catalyseur à échangeur de chaleur à contre-courant, peut être évité en donnant une longueur convenable à la sortie adiabatiqu
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dudit lit catalyseur, de manière à ce que la température de réaction à ladite sortie de ce lit catalyseur puisse être main- tenue proche de la température optimum. ' Un appareil selon la présente invention est décrit plus en détail ci-après en ee référant aux dessine annexée dana lesquels :
la figure 1 est Une coupe en élévation d'un appareil mettant en oeuvre la présente invention, la figure 2 est une coupe en élévation d'une modifica- tien de l'appareil tel qu'il est repreésenté à la figure 1. la figure 3 est une coupe en élévation du tube de re- froidissement d'un lit catalyseur.
La figure 4 est une vue destinée à expliquer la façon de récupérer de la vapeur à basse pression dans une chaudière à chaleur perdue,.
La figure 5 est une vue destinée à expliquer la façon de récupérer de la vapeur à haute pression dans une chaudière à chaleur perdue.
La figure 6 est un diagramme des courbes de concentra- lions du produit et de températures de réaction.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne un éohangeur de chaleur multi-tubulaire à contre-courant; la référence 2 un lit oatalyseur à éohangeur de chaleur à contre-courant aveo tubes de refroidissement incorporée et placés parallèlement au. sens de circulation des gaz; la référence 3 un tube d'injection de gaz: la référence 4 un lit catalyseur adiabatique; la référence 5 un appareil de chauffage électrique;
la lettre A un orifice d'en- trée des gaz frais et la lettre B un orifice de sortie des gaz de réaction. tes gaz de réaction échangent de la chaleur aveo les gaz d'admission frais dans l'éohangeur de chaleur 1, sortent de l'appareil et entrent dans une chaudière à chaleur perdue 1
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comme représentée à la figure 4, chaudière dans laquelle la chaleur sensible des gaz de réaction est récupérée sono forme de vapeur saturée à basse pression.
La figure 3 représente une vue détaillée d'un tube réfrigèrent du catalyseur.
Le tube 13 est solidement fixé au rideau de tubes supérieure 11 et au rideau de tubes inférieure 12 du lit oata- lyseur éohangeur de chaleur par des moyens appropriée tels que des joints d'expansion.
Le tube interne 14 a une longueur pratiquement iden- tique à celle du tube de refroidissement 13,et est fermé à son extrémité supérieure par une plaque 16; il est pourvu d'un ori- fice en son bout inférieur et d'un nombre adéquat d'orifices 15 disposés aux endroits voulus sur toute sa longueur.
L'entretoise 17 est appliquée en spirale sur la longueur de la paroi externe du tube interne 14 à partir et au dessus des orifices 15. Le tube interne 14 est placé concentriquement au tube de refroidissement 13 et est fixé par soudage, ou par n'im- porte quel autre moyen approprié, à une cuvette 18 ayant en son centre une ouverture 19.
Ladite cuvette 18 est solidarisée, par exemple, par vissage ou soudage, à la partie inférieure du tube de refroidie- sement qui se prolonge en dessous du rideau inférieur de tubes 12.
Les gaz frais introduite par l'orifice 19 de la cuvette 18 montent d'abord dans le tube interne 14. puis passent à travers les ouvertures 15 et circulent dans l'espace annulaire compris entre le tube interne 14 et le tube de refroidissement 11 comme indiqué par les flèches, Ainsi, le oatalyseur se trouvant à l'ex- térieur du tube de refroidissement 13 est thermiquement isolé des gaz frais circulant à l'intérieur du tube interne 14 dans la partie A en dessous des ouvertures 15, et l'échange de ohaleur entre les gaz de réaotion circulant dans le lit catalyseur et les
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gaz fraie à l'intérieur du tube de refroidissement n'est permis qu'@ la partie B au-dessus desdite orifices.
Une pareille struo- ture du tube interne prévue dans le tube de refroidissement per- met d'obtenir facilement Un effet adiabatique favorable.
Une modification de l'appareil tel qu'il est représen- té à la figure 1 et d'un type permettant d'obtenir de la vapeur à haute pression, est représentée à la figure 2. Une des oarao- téristiques de cette modification est représentée à la figure 5 . où l'on voit que l'échangeur de chaleur ; est disposé séparément de t'appareil de réaction, les gaz de réaction revenant du lit catalyseur échangeur de ohaleur à contre-courant étant d'abord conduite dans la chaudière à chaleur perdue 1 à l'extérieur du récipient susceptible de résister à une haute pression; on ob- tient ainsi de la vapeur à haute pression et les gaz de réaction sont refroidis dans l'échangeur de chaleur 1 tandis que la oha- leur perdue est récupérée.
Il se fait ainsi que la structure de l'appareil de réaction de ce type devient particulièrement simple.
Les gaz frais venant de l'échangeur de chaleur 1 sont admis directement dans les tubes de refroidissement du lit cata- lyseur à éohangeur de chaleur à contre-courant,
A titre d'exemple de la mise en oeuvre de l'appareil oonforme à la présente invention, une description de la synthèse de l'ammoniac est donnée ci-après.
L'appareil utilisé avait une capacité de production de 60 tonnes d'ammoniac par jour et appartenait au type à récu- pération de vapeur haute-pression, comme représenté aux figures
2 et 5.
Les gaz :raie contenant de l'ammoniac concentré à 3% à la température ambiante sous une pression de 300 kg/cm2 furent préchauffés dans l'échangeur de ohaleur 1 à l'extérieur du réci- pient 8 susceptible de résister à une très haute pression, puis
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envoyée dans ledit récipient. Les gaz fraie furent amenés dans le lit catalyseur adiabatique 4 à la partie supérieure dudit récipient à haute pression 8, et ce par les tubes de refroidis- sement encastrés dans ledit lit catalyseur échangeur de chaleur à contre-courant, les gaz traversant ce lit catalyseur adiabatique, 4.
Cet endroit était le siège de la réaction initiale, les gaz chauds de réaction étant ensuite partiellement refroidie en se mélangeant aux gaz frais alimentés par le tuyau d'injection de gaz froide 3, avant de pénétrer dans le lit catalyseur l 11 échan- geur de chaleur à contre-courant.
Là se poursuivait la réaction et les gaz résultante quittaient l'enceinte à haute pression 8 avec une concentration d'ammoniac d'environ 20%.
La chaleur perdue des gaz était ensuite récupérée sous forme de vapeur haute-pression à 13 kg/cm2 dans la chaudière à chaleur perdue .1 et lesdits gaz étaient ensuite refroidie dans l'échangeur de chaleur 1. Pour S.V. = 25 000 Nm3/m3/heure dans le lit catalyseur, les dimensions du récipient haute-pression 8 étaient de 600 mm de diamètre intérieur et 8,5 m de hauteur intérieure, tandis que la vapeur était récupérée au taux de 0,9 tonnes/NH3-T. Le profil de température dans ce cas est re- présenté à la figure 6. Dans cette figure, les trois courbes pointillées représentent les courbes de température et de oonoen- tration dans le cas où la zone de sortie du lit catalyseur à échangeur de chaleur n'avait pas été rendue adiabatique.
Les effets obtenus par la présente invention se résu- ment comme suit
1.- Par la combinaison du lit catalyseur adiabatique, du dispositif de refroidissement muni d'un tube d'injection de gaz froids et du lit oatalyseur à échangeur de ohaleur à contre- courant dont la zone de sortie de gaz de réaction est rendue adiabatique! (a) la température de réaction dans ledit lit
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catalyseur adiabatique peut être maintenue aussi élevée que possible dans la limite de température permanente la plue élevée dudit catalyseur.
Il s'ensuit que la vitesse de réaction est élevés et que le rendement du catalyseur dans le lit catalyseur ', adiabatique est également élevée (b) la surchauffe locale dans le lit catalyseur à échangeur de chaleur à contre-courant peut être systématiquement éliminée et la durée utile du catalyseur peut être prolongée de 1,5 à 2,0 foin; (o) comme on peut aussi s'en rendre compte par l'examen de la figure 6, la température de réaction dans le lit catalyseur à échangeur de chaleur à contre-courant suit une courbe aplatie et il est possible d'obte- nir une réaction s'effectuant à une température très proche de la température optimum de réaction par rapport à n'importe quel , autre type d'appareil.
Ainsi qu'il résulte des pointe (a), (b) et (o), dans la présente invention, la quantité de catalyseur pour une même production peut être inférieure à celle de n'importe quel appareil du type conventionnel et la longévité dudit cata- lyseur s'en trouve augmentée. D'autre part, comme la température idéale de réaction est maintenue, la quantité de gaz qu'on fait circuler peut être moindre que dans un appareil conventionnel, pour une même pression et à une même concentration initiale du produit, ce qui provoque une diminution de l'énergie absorbée.
2.- Comme on fait usage du lit catalyseur échangeur de chaleur à contre-courant, la structure est beaucoup plus simple que celle d'un lit catalyseur aveo échangeur de chaleur du type à bens unique.
3.-Comme il n'y a aucun passage compliqué dans le parcours des gaz, il n'y a pas de "by-pass" de gaz, ce qui rend le montage et le démontage de l'appareil des plus faciles.
Le lit catalyseur adiabatique dans lequel se produit la plus haute température de réaction est situé à la partie supé- rieure de l'appareil, de manière à être facilement démontable en
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vue du remplacement du catalyseur.
4.- Comme la température des lits catalyseurs est réglée par l'admission d'une partie de gaz fraie, il eet possible ' de régler la température de réaction de manière fort simple et efficace,
5. - Par suite des raisons mentionnées ci-dessus, en comparaison avec n'importe quel autre procédé, l'appareil conforme à la présente invention a de nombreux avantages en ce sens que ses frais de construction sont de 10 à 20% moine élevés, que le catalyseur dure plus longtemps, que la période de fonctionnement continu est prolongée , et que la structure est si simple que l'entretien s'en trouve aussi considérablement simplifié.
REVENDICATIONS.
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