Appareil pour 1'exécution de réactions catalytiques entre gaz sous pression
et à haute température.
Pour l'exécution industrielle des procédés
dans lesquels sont accomplies des réactions
catalytiques entre des gaz sous pression et a. haute température, l'on emploie généralement une série d'appareils disposés dans un circuit fermé ou ouvert.
Les appareils qui composent un tel circuit sont les suivants :
n) Un. appareil de catalyse ; b) un réfri- gérant où les gaz sortants de l'appareil de ca talyse sont refroidis à une température cnn- c) un r6servoir oi sont recueillis les produits formés dans l'appareil de catalyse et condensés dans le réfrigérant. Eventuellement ledit circuit peut comprendre aussi d'autres a. ppareils, tels que des échangeurs de température, dans lesquels le gaz envoyé à l'appareil de catalyse est chauffé à l'aide de la chaleur emportée par le gaz sortant, des épurateurs de gaz, etc.
Enfin, lorsque les appareils employés sont disposés dans un circuit fermé, l'emploi d'une pompe de eireu- lation ou d'un autre dispositif équivalent est
nécessaire pour faire circuler les gaz réagis
sants. Or, il a été trouvé qu'il est possible
de construire un appareil unique remplissant toutes les fonctions qui, dans les susdits circuits fermés d'appareils, sont confiées à l'ap- pareil de catalyse, au réfrigérant,. au réser- voir, à la pompe de circulation, et à l'échan- eur de température.
L'appareil selon l'invention se distingue par une enveloppe dressée résistant à la pression, à l'intérieur de laquelle est placé un tube coaxial avec elle et renfermant l'espace catalytique, un échangeur de température et un dispositif électrique de chauffage, l'espace annulaire compris entre 1'enveloppe résistant à la pression et le tube coaxial susdit, espace à travers lequel les ga. z catalysés passent a.
prés qu'une partie de leur chaleur a été récupérée, étant pourvu de moyens de réfrigération pour refroidir le gaz à température convenable en causant la séparation à l'état liquide des produits formés, produits qui se rassemblent dans l'espace compris ¯n- tre l'extrémité inférieure du tube interne susdit et l'extrémité inférieure de l'enveloppe, espace dans lequel se trouve aussi un éjecteur à travers lequel passent-les gaz frais introduits dans l'appareil même.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'appareil selon l'invention.
Dans la fig. 1, 1 représente un tube d'a eier formant une enveloppe résistant à la pression des gaz qui se trouvent à l'intérieur.
Ce tube est fermé à sa partie supérieure par le couvercle 2 et à sa partie inférieure par le couvercle 3. Concentriquement au tube 1 est placé le tube 4 à la partie inférieure duquel est fixé le cône 5 tronqué par la surface plane 6 pourvue du trou 7. Concentri quemen : t av. tu ! be l, on trou. ve encome des tubes 8, 9, 10 et 11. Le tube 8, qui sera préférablement pourvu d'un oalorifu. geage, est libre à. son extrémité supérieure, tandis qu'à son extrémité inférieure, il est fermé par le c6ne tronqué 12 et par le fond circulaire 13 sur lequel est soudée l'extrémité inférieure du tube 11.
Les surfaces 12 et 13, aussi bien que le tube 1. 0 seront préférablement pourvues d'un calorifugeage. Le tube 9 est fermé à son extrémité inférieure par le disque 14 au centre duquel est un trou à travers lequel passe tenue le tube 11. Le tube 10 est libre à son extrémité inférieure. Le tube 11 porte dans son extrémité inférieure les trous 15 qui font communiquer l'espace qu'il renferme avec l'espace compris entre 12 et 14.
Dans la partie supérieure de l'appareil il y a le bloc 16, dont l'extrémité annulaire 17 ferme l'espace libre existant entre les extrémités supérieures des tubes 4 et 9 ; le bloc 16 ferme aussi la partie supérieure de l'es- pace compris entre les tubes 10 et 11 et il est pourvu de deux trous 18 et 18'par les quels passent les deux couples thsrmoélec- triques 19 et 19'. Dans le bloc 16 il y a encore les trous 20 qui font communiquer l'es- pace compris entre les tubes 1 et 4 avec l'es- pace compris entre les tubes 9 et 10.
Dans l'espace circulaire renfermé par le tube 11 est placé le dispositif de chauffage électrique 21. Dans la partie inférieure de l'appareil est placé, comme indiqué par la figure, le cône de diffusion 22 formé par la pièce spéciale 23 qui est portée par le cou-- vercle 3. Dans l'espace compris entre les tubes 1 et 4 est placé un réfrigérant d'une forme quelconque et qui pourra occuper aussi une partie de l'espace situé au-dessous de la surface 5.
Dans la figure, on a représente dans ce but un serpentin 24 parcouru par un fluide froid quelconque entrant par 25 et sortant par 36. Il est bon que le réfrigérant soit construit de telle façon que les gaz qui se trouvent dans l'espace compris entre les tubes 1 et 4 ne viennent pas en contact di rect avec la surface intérieure du tube 1.
Le tube 1 aussi bien que le couvercle 2 pourront être pourvus de dispositifs de refroidissement indépendants ou non de celui qui se trouve dans l'espace compris entre les tubes 1 et 4.
Le tube 27 qui passe par le couvercle inférieur. 3 sert à introduire dans 1'a. ppareil les gaz qui doivent être soumis à la réaction.
Ce tube porte à son extrémité une tuyère 28 qui, avec la pièce spée, iale 2t3s, forme un éjec- teur pourvu du cône de diffusion 22 et du conduit d'aspiration 29. Les gaz qui doivent être catalysés sont amenés à la tuyère comprimés à une pression supérieure à celle qui règne dans l'appareil;àleurentréedansl'ap- pareil ils se détendent et une partie de leur énergie potentielle est transformée en énergie cynétique qui est utilisée par l'éjecteur pour produire la circulation des gaz qui se trouvent dans l'appareil même.
Moyennant un dispositif qui n'est pas indiqué dans la, fi gure, on peut déplacer la tuyère 28 le long de son axe, de manière à varier sa position relativement au cône de diffusion : dans l'in- térieur de la tuyère même il y, a un pointeau de réglage qui peut être déplacé le long de son axe moyennant un dispositif qui n'est pas s indiqué dans la figure. Grâce à ces deux dispositifs il est possible de faire varier entre les plus vastes limites soit la vitesse des gaz qui circulent, soit le rapport entre le volume des gaz qui est maintenu en circulation et
Je volume des gaz frais introduits.
Comme indique dans la figure, les gaz provenant du compresseur, mélangés. avec la quantité convenable de gaz qui se trouvent déjà 6j, A dans reil,'pareo'uren't d'abord l'es- pace compris entre les s'urfaces 5 et 12, et ensuite les espaces compris entre les tubes 4 et 85 8 et 9 et entre les surfaces 12 et 14.
Par les trous 15, ils passent ensuite dans l'espace intérieur au tube 11, dans lequel est placé le dispositif d'échauffement électrique.
De cet espace, les gaz sortent par les trous 30 situés dans la. partie supérieure du tube 11 et ensuite ils parcourent l'espace compris entre les tubes 10 et 11 dans lequel est placé le catalyseur. Les ga. z passent ensuite par l'espace compris entre les tubes 9 et 10 {-tu en traversant les conduits 20, atteignent ; l'espace compris entre les tubes 1 et 4, où ils sont refroidis à une température convenable à l'aide des dispositifs de refroidissement dont il a été parlé plus haut.
Pendant ce refroidissement, les composes formés sont séparés et condensés à l'état liqui, et se rassemblent dans l'espace libre 31, d'où ils sont tirés par le tube 32. Les gaz restants sont aspirés à travers le tuyau 29 par les gaz entrants qui les font eirculer à nouveau à travers l'appareil, de la fa çon exposée. Remarquons ici qu'entre les gaz z qui passent à travers 1'espace compris entre les tubes 8 et 9 et les gaz qui passent à travers l'espace compris entre les tubes 9 et 10 a lieu un échange'de chaleur par'effet'du- quel ces derniers cèdent leur chaleur aux premiers.
Le tube 9 sera préférablement po, urvu de petites ailes cannelures,, etc. qui en a. ugmentent la surface, de m6-me que pourra en être pourvu, complètement ou seulement en partie, le tube 4 au travers duquel les gaz qui parcourent l'espace compris entre ce tube et le tube 1 cèdent une partie de la chaleur qu'ils possèdent aux gaz qui se trouvent dans 1'espace compris entre le même tube 4 et le tube 8.
La fig. 2 représente, comme nous 1'avons déjà dit, une autre forme de construction qui diffère principalement de la précédente par r les deux blocs métalliques 33 et 34, le premier placé en haut, le deuxième en bas. Chacun de ces deux blocs est pourvu de d'eux sè- ries de trous comme ceux représentés dans la figure, qui servent à mettre en oommunica- tion les espaces successivement parcourus par les gaz. La position et le but de chaque série de trous sont rendus évidents par la figure, dans laquelle chacune des deux parties de part et d'autre de l'axe des tubes repré- sente une section faite de façon à rendre visible un des trous de chacune des deux séries susdites.
Les fig. 3 et 4 montrent deux formes différentes d'exécution d'un type de réfrigérant qui, dans la pratique, s'est montré très avantageux pour refroidir en même temps soit le tube, soit les gaz z qui passent dans l'espace compris entre les tubes 1 et 4.
Dans la forme constructive montrée par la fig. 3. concentriquement au tube 1 est, dis- posé le tube 35 qui, bien qu'il ne soit pas par lui-même suffisamment fort pour résister à la pression à laquelle il est soumis, peut, en réagissant élastiquement à ladite pression, la transmettre au tube 1 qui doit y résister et suivre ce dernier dans ses déformations, de telle manière qu'entre les surfaces à contact des tubes 1 et 35 soit toujours exercée une tenue parfaite. Sur la surface extérieure du tube 35 est pratiquée une série de canaux par lesquels on fait passer le fluidefroidqui sert à obtenir le refroidissement des gaz et du tube 1 à une température convenable.
Dans la fig. 4 au tube 35 sont substitués les deux tubes 36 et 37. Dans ces deux dernières formes constructives, il est utile que les surfaces en contact avec les gaz soient pourvues de petites ailes ou de cannelures. Avec ces types d'e réfrigérants, le contact direct entre les gaz et la surface in térieure d'u tube 1 est absolument évité.
Dans les exemples représentés, les gaz parcourent six fois la partie supérieure du tube dans laquelle ont lieu tant la réaction que les échanges de chaleur.
Toutefois, on peut construire des appareils dans lesquels cet espace est parcouru un plus grand nombre de fois. De même, les gaz, au lieu de suivre les parcours indiqués dans les fig. 1 et 2, et qui sont représentés sehém. at'iquement dans les fig. 5 et 8, pour- ron : t suivre des autre parcou. rs, comme repre- sente schéma. tiquement dans les fig. 6 et 7.
Le, formes eonstructives correspondant a. ux fig. 6 et 7 n'ont pas été indiquées ici, puisqu'il est facile de les, dessiner en se basant sur les fig. 1et 2.
Dans les formes constructives qui ont été précédemment décrites, on a montré de quelle façon l'on peut appliquer cette invention dans le cas d'un tube de synthèse formé par une série d'espaces concentriques dont le plus central contient un dispositif électrique de chauffage et est entouré par un espace annulaire contenant le catalyseur, ce dernier étant à son tour entouré par d'autres espaces annulaires. Toutefois, la présente invention peut être appliquée aussi bien, a. des tubes de synthèse ayant des formes de construction différentes de celles qui a été employée ici, en particulier dont les t-uibes présentent. une section autre que circulaire.
Par l'usage de l'appareil selon la présente invention, on obtient plusieurs avantages, à savoir : réduction des frais'd'installation, et cela soit comme conséquence du fait que le eo. t d'un appareil de ce genre peut toujours être inférieur à la somme des coûts des appareils qu'il remplace, soit par ce que l'espace occupé par cet appareil est pratiquement le même que celui qui, dans une installation de la même capacité, serait occupé par le seul tube de catalyse.
Il y a donc une plus grande simplicité de l'installation, puisqu'il n'y a plus besoin des tuyauteries qui, dans les circuits de synthèse communs, servent à réunir les différents appareils, et plus grande faei- lité de rassembler tous les dispositifs de contrôle et de commande d'une unité de synthèse avec économie résultante de main-d'oeuvre : enfin diminution remarquable de la résistance à vaincre pour faire circuler les gaz, avec économie résultante sur les frais d'éner- gie nécessaire pour obtenir cette. circulation.
Apparatus for carrying out catalytic reactions between gases under pressure
and at high temperature.
For industrial execution of processes
in which reactions are performed
catalytics between pressurized gases and a. high temperature, we generally use a series of devices arranged in a closed or open circuit.
The devices that make up such a circuit are as follows:
n) A catalytic apparatus; b) a refrigerant where the gases leaving the catalytic apparatus are cooled to a temperature of c) a reservoir where the products formed in the catalytic apparatus are collected and condensed in the condenser. Optionally said circuit can also include other a. Apparatus, such as temperature exchangers, in which the gas sent to the catalysis apparatus is heated using the heat carried by the outgoing gas, gas scrubbers, etc.
Finally, when the devices used are placed in a closed circuit, the use of a water pump or other equivalent device is required.
necessary to circulate the reacted gases
health. Now it has been found that it is possible
to construct a single apparatus fulfilling all the functions which, in the aforesaid closed apparatus circuits, are entrusted to the catalysis apparatus, to the refrigerant ,. to the reservoir, to the circulation pump, and to the temperature exchanger.
The apparatus according to the invention is distinguished by an upright pressure-resistant envelope, inside which is placed a tube coaxial with it and enclosing the catalytic space, a temperature exchanger and an electrical heating device, the The annular space between the pressure-resistant envelope and the aforesaid coaxial tube, the space through which the ga. z catalyzed pass a.
meadows that part of their heat has been recovered, being provided with refrigeration means to cool the gas to a suitable temperature causing the separation in the liquid state of the products formed, products which collect in the space included ¯n- be the lower end of the aforesaid internal tube and the lower end of the casing, space in which there is also an ejector through which pass the fresh gases introduced into the device itself.
The appended drawing represents, by way of example, some embodiments of the apparatus according to the invention.
In fig. 1, 1 shows a steel tube forming an envelope resistant to the pressure of the gases which are inside.
This tube is closed at its upper part by the cover 2 and at its lower part by the cover 3. Concentrically to the tube 1 is placed the tube 4 to the lower part of which is fixed the cone 5 truncated by the flat surface 6 provided with the hole. 7. Concentrically: t av. you! be there, we hole. ve encome tubes 8, 9, 10 and 11. The tube 8, which will preferably be provided with an oalorifu. geage, is free to. its upper end, while at its lower end, it is closed by the truncated cone 12 and by the circular bottom 13 on which the lower end of the tube 11 is welded.
The surfaces 12 and 13, as well as the tube 1.0, will preferably be provided with thermal insulation. The tube 9 is closed at its lower end by the disc 14 in the center of which is a hole through which passes held the tube 11. The tube 10 is free at its lower end. The tube 11 carries in its lower end the holes 15 which communicate the space it contains with the space between 12 and 14.
In the upper part of the apparatus there is the block 16, the annular end 17 of which closes the free space existing between the upper ends of the tubes 4 and 9; the block 16 also closes the upper part of the space comprised between the tubes 10 and 11 and it is provided with two holes 18 and 18 'through which the two thermoelectric couples 19 and 19' pass. In block 16 there are also the holes 20 which communicate the space between the tubes 1 and 4 with the space between the tubes 9 and 10.
In the circular space enclosed by the tube 11 is placed the electric heating device 21. In the lower part of the device is placed, as shown in the figure, the diffusion cone 22 formed by the special part 23 which is worn. by the cover 3. In the space between the tubes 1 and 4 is placed a condenser of any shape and which can also occupy a part of the space located below the surface 5.
In the figure, there is shown for this purpose a coil 24 traversed by any cold fluid entering through 25 and leaving through 36. It is advisable that the refrigerant is constructed in such a way that the gases which are in the space between tubes 1 and 4 do not come into direct contact with the inner surface of tube 1.
The tube 1 as well as the cover 2 may be provided with cooling devices independent or not of that which is in the space between the tubes 1 and 4.
The tube 27 which passes through the lower cover. 3 is used to introduce into 1'a. The apparatus is the gases which are to be subjected to the reaction.
This tube carries at its end a nozzle 28 which, together with the special part, iale 2t3s, forms an ejector provided with the diffusion cone 22 and the suction duct 29. The gases which are to be catalyzed are brought to the compressed nozzle. at a pressure greater than that prevailing in the device; when they enter the device they relax and part of their potential energy is transformed into cynetic energy which is used by the ejector to produce the circulation of the gases which are in the device. the device itself.
By means of a device which is not indicated in the figure, the nozzle 28 can be moved along its axis, so as to vary its position relative to the diffusion cone: inside the nozzle itself it y, has an adjustment needle which can be moved along its axis by means of a device which is not shown in the figure. Thanks to these two devices it is possible to vary between the widest limits either the speed of the gases which circulate, or the ratio between the volume of the gases which is kept in circulation and
I volume of fresh gases introduced.
As shown in the figure, the gases coming from the compressor, mixed. with the suitable quantity of gas which are already 6j, A in reil, 'pareo'uren't first the space between the surfaces 5 and 12, and then the spaces between the tubes 4 and 85 8 and 9 and between surfaces 12 and 14.
Through the holes 15, they then pass into the space inside the tube 11, in which the electric heating device is placed.
From this space, the gases exit through the holes 30 located in the. upper part of tube 11 and then they travel through the space between tubes 10 and 11 in which the catalyst is placed. The guys. z then pass through the space between the tubes 9 and 10 {-tu passing through the conduits 20, reach; the space between the tubes 1 and 4, where they are cooled to a suitable temperature using the cooling devices mentioned above.
During this cooling, the compounds formed are separated and condensed in the liquid state, and collect in the free space 31, from where they are drawn by the tube 32. The remaining gases are sucked through the pipe 29 by the tubes. incoming gases which cause them to recirculate through the apparatus in the manner shown. Note here that between the gases z which pass through the space between the tubes 8 and 9 and the gases which pass through the space between the tubes 9 and 10 takes place a heat exchange by 'effect'. from which the latter give up their heat to the former.
The tube 9 will preferably be in., Provided with small fluted wings, etc. who has it. increase the surface, just as the tube 4 may be provided, completely or only in part, through which the gases which travel through the space between this tube and the tube 1 give up part of the heat which they possess the gases which are in the space between the same tube 4 and the tube 8.
Fig. 2 represents, as we have already said, another form of construction which differs mainly from the previous one by the two metal blocks 33 and 34, the first placed at the top, the second at the bottom. Each of these two blocks is provided with a series of holes like those shown in the figure, which serve to communicate the spaces successively traversed by the gases. The position and purpose of each series of holes are made evident by the figure, in which each of the two parts on either side of the axis of the tubes represents a section made so as to make visible one of the holes of the tubes. each of the two aforementioned series.
Figs. 3 and 4 show two different embodiments of a type of refrigerant which, in practice, has been shown to be very advantageous for simultaneously cooling either the tube or the gases z which pass through the space between the tubes 1 and 4.
In the constructive form shown in fig. 3. concentrically with the tube 1 is arranged the tube 35 which, although it is not by itself strong enough to withstand the pressure to which it is subjected, can, by reacting elastically to said pressure, the transmit to the tube 1 which must resist and follow the latter in its deformations, so that between the contact surfaces of the tubes 1 and 35 is always exerted a perfect hold. On the outer surface of the tube 35 is formed a series of channels through which the cold fluid is passed which serves to obtain the cooling of the gases and of the tube 1 to a suitable temperature.
In fig. 4 for tube 35 are substituted the two tubes 36 and 37. In these last two constructive forms, it is useful for the surfaces in contact with the gases to be provided with small wings or grooves. With these types of refrigerants, direct contact between the gases and the inside surface of a tube 1 is absolutely avoided.
In the examples shown, the gases travel six times through the upper part of the tube in which both the reaction and the heat exchanges take place.
However, it is possible to construct devices in which this space is traversed a greater number of times. Likewise, the gases, instead of following the paths indicated in fig. 1 and 2, and which are represented sehem. only in fig. 5 and 8, may: t follow other paths or. rs, as shown in the diagram. tically in fig. 6 and 7.
The, constructive forms corresponding to. ux fig. 6 and 7 have not been indicated here, since it is easy to draw them based on fig. 1 and 2.
In the construction forms which have been previously described, it has been shown how this invention can be applied in the case of a synthesis tube formed by a series of concentric spaces, the most central of which contains an electric heating device. and is surrounded by an annular space containing the catalyst, the latter in turn being surrounded by other annular spaces. However, the present invention can be applied as well, a. synthesis tubes having different construction forms from those which has been employed here, in particular the tubes of which present. a section other than circular.
By using the apparatus according to the present invention, several advantages are obtained, namely: reduction of installation costs, and this is a consequence of the fact that the eo. t of a device of this type can always be lower than the sum of the costs of the devices it replaces, or because the space occupied by this device is practically the same as that which, in an installation of the same capacity , would be occupied by the catalyst tube alone.
There is therefore greater simplicity of the installation, since there is no longer any need for the pipes which, in the common synthesis circuits, serve to bring together the various devices, and greater ease of bringing together all the control and command devices for a synthesis unit with the resulting saving in labor: finally a remarkable reduction in the resistance to be overcome in order to circulate the gases, with the resulting savings in the energy costs necessary to obtain this. circulation.