Appareil catalytique. Cette invention a trait aux appareils ca talytiques pour réactions exothermiques et plus particulièrement aux appareils catalyti ques agencés en vue de leur emploi dans les réactions catalytiques de corps à. l'étai de vapeurs ou .de gaz.
Le problème (le refroidissement du cata- 1vseur dans les convertisseurs est très sé rieux lorsque la. réaction réalisée est forte ment exothermique. On a trouvé que des convertisseurs tubulaires .dans lesquels le catalyseur est placé dans de petites tubes sont satisfaisants pour beaucoup -de réac tions exothermiques. Toutefois, ce type de convertisseur présente divers inconvénients du point de vue -de la construction et du fonc tionnement. Ainsi, par exemple, il est fré quemment difficile de régler la résistance des divers tubes, et il en résulte -des cou rants de gaz irréguliers et d'autres actions indésirables.
Des convertisseurs à plateau ou couches tels que, par exemple, le conver tisseur Cxrillo à .acide sulfurique et d'autres convertisseurs dans lesquels le catalyseur-est présent en couches relativement grandes, pré sentent de nombreux avantages -du point -de vue .du courant régulier de gaz et -du bon marché de la construction. Il est toutefois très difficile de refroidir également et uniformé ment le catalyseur dans de tels convertis seurs quand l'appareil est employé pour des réactions exothermiques. Des couches hori zontales de catalyseurs sont relativement fa ciles à refroidir à leur périphérie, mais ten dent à s'échauffer dans les zones centrales.
On avait déjà proposé de faire travailler un convertisseur tubulaire modifié dans le quel le catalyseur n'est pas dans les tubes, mais entoure les tubes et dans lequel des li quides ou gaz réfrigérants sont amenés à circuler à travers les tubes. Par ce moyen, il est possible de conserver un grand nom bre des .avantages du convertisseur du type à couche et de produire en même temps un refroidissement- suffisant. Toutefois, il n'est pas possible, dans la construction -ordinaire.
avec des tubes placés de façon uniforme -d'ef fectuer le refroidissement voulu,, par exem ple de façon à avoir une température uni forme .dans chaque section transversale au parcours des gaz dans le catalyseur, étant donné que les mines périphériques, qui sont refroidies non seulement par les tubes de cir culation, mais aussi par l'enveloppe elle- même du convertisseur, sont trop refroidies si le refroidissement est suffisant pour em pêcher la partie centrale de s'échauffer exa gérément, et qu'au contraire, si le refroidis sement est réglé pour les zones périphériques,
les zones centrales ne sont pas suffisamment refroidies. Dans un grand nombre de réac tion catalytiques, il est tout aussi important d'empecher un refroidissement insuffisant qu'un refroidissement exagéré et l'on doit s'efforcer constamment de produire en cha que endroit la température voulue.
Ceci est particulièrement vrai dans le cas des réac tions réversibles dans lesquelles l'équilibrN dépend en grande partie de la. température et ceci est aussi vrai dans le cas -de réac tions qui tendent à. produire des réactions se- condairés indésirables quand !l'échelle des températures les plus favorables est dépas sée ou n'est pas atteinte.
Cet état -de choses se présente fréquemment dans l'oxydation dÉ@ composés organiques tels que les composés aromatiques dans le cas desquels des sous- produits indésirables sont fréquemment pro -düits lorsque les températures de réaction ne sont pas maintenues constantes dans ton tes les parties de la masse catalytique.
La demanderesse a. trouvé qu'on peut ef fectuer le refroidissement voulu de cataly seurs par l'emploi de l'appareil catalytique faisant l'objet se l'invention.
Cet appareil catalytique comprend un convertisseur @du type à, couche de cataly seur, au moins une couche de catalyseur dans ce convertisseur, et des éléments échangeurs de chaleur, à. un ou plusieurs fluides réfri gérants, noyés dans le catalyseur, des -dis positions étant prévues pour que par une non-uniformité de passage, à travers la cou che .du catalyseur, du .ou -des fluides réfri- gérants dans les éléments échangeurs -de cha leur,- ôn réalise une différence d'échange de chaleur dans les différentes parties d'une même section de la couche -de catalyseur transversale à la direction de passage -de l'un au moins es fluides réfrigérant et en réac:
Lion, laquelle différence tend à assurer un maintien de température uniforme dans tou- tes les parties -de cette section.
Les dispositions sont -de préférence telles que par ladite non-uniformité, on .assure un maintien de température sensiblement uni forme dans toutes les parties d'une même section de la couche de catalyseur transver sale à la direction de passage :du fluide en réaction dans cette section.
Le fluide réfrigérant peut être formé par le fluide devant réagir ou par un fluide dis tinct de celui-ci.
Par exemple dans le cas où les direc tions de .déplacement ,du fluide réfrigérant et des gaz en réaction dans le catalyseur sont parallèles, les zones centrales -du catalyseur peuvent être refroidies par des tubes plus fortement que les zones périphériques, ceci ayant comme résultat une température sen siblement constante dans toutes les partie d'une section de la masse .du catalyseur, transversale à la direction de passage des deux fluides, étant donné que les zones péri phériques reçoivent, ainsi qu'il a été dit plus haut, un supplément de refroidissement de l'enveloppe externe du convertisseur.
Dans cane telle disposition. l'obtention d'un effet réfrigérant plus grand au centre @du cataly seur ne .dépend en premier .lieu d'aucune conductibilité calorifique définie @du cataly seur lui-même. En général, les catalyseur sont de mauvais conducteurs de la .chaleur, ci,, partie parce que les substances employées sont elles-mêmes mauvaises conductrices de la chaleur et surtout parce que la couche- de catalyseur est formée de granules qui ne<B>se</B> touchent qu'en quelques points.
La mesure dans laquelle il est nécessaire d'augmenter le refroidissement des parties centrales- des catalyseurs dépendra bien entendu des ca- ractéristiques- de transfert de chaleur. du,ca- .taiyseur, et il peut' être désirable de disper ser ou distribuer -dans la masse .des cataly seurs des corps métalliques, par exemple sous forme de granules, de copeaux métalli ques, fragments de métal, treillis métalli ques, - etc.. pour augmenter la. conductibilitP calorifique de la couche .de catalyseur con sidérée dans son ensemble.
On remarquera que l'application de moyens de ce genre n'est en soi pas nouvelle; elle peut être utilisé en combinaison avec les dispositions selon l'invention. 1.1 y a lieu -de remarquer, én passant, que l'addition !de corps de conduc- tlblllté calorifique élevée à la couche de ca talyseur ne constitue qu'un palliatif, étant donné que les granules métalliques, treillies ou autres corps ne se touchent pas par de grandes surfaces,
de sorte qu'ils sont son- mis aux mêmes inconvénients de transfert de chaleur que ceux que présente la couche de catalyseur elle-même.
La construction des éléments réfrigérants peut varier et l'on peut faire usage de toute construction convenable sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Le dessin annexé re présente, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de l'appareil selon la présente invention, étant bien entendu toutefois que celle-ci ne leur est limitée en .aucune façon.
Ce dessin est purement schématique et est réduit aux éléments essentiels de la structure du convertisseur. Dans toute ins tallation donnée, il va de soi que les divers accessoires et détails -de construction bien connus de l'homme du métier peuvent être employés.
Dans ce dessin: Fig. 1 est une coupe -d'un convertisseur tubes réfrigérants simples: Fig. \? est une coupe -d'un convertisseur à tubes réfrigérants doubles; Fig. 3 est une coupe verticale d'un con vertisseur à tubes rectilignes, munis de dis positifs pour avoir des vitesses de gaz va riables; I'ig. 4 et 5 sont .des coupes de conver tisseurs tubulaires à double passage, munis de moyens similaires pôïtr faire varier la vitesse des gaz à travers les tubes réfrigé rants;
Fig. 6 et 7 représentent -des convertis seurs du type à couche ou à plateau, munis de tubes réfrigérants horizontaux, la fig. 6 montrant des tubes ordinaires espacés de dis tances inégales et la fi-. 7 représentant des tubes .disposés de façon uniforme avec moyens permettant de faire varier les vi tesses des gaz; Fi-. 8 et 9 sont des coupes de conver tisseurs tubulaires dans lesquels le gaz passe en série dans les éléments réfrigérants et qui comportent un système @de refroidissement auxiliaire par injection.
Dans la fig. 1. le convertisseur comprend une enveloppe cylindrique 1, une pièce su périeure ou couvercle 2 et une pièce infé rieure ou fond 3: Une cloison 4 s'étend sur toute la largeur du convertisseur à l'extré mité supérieure de l'enveloppe cylindrique et une cloison perforée 5 est disposée à un endroit plus bas de l'enveloppe. Des tubes réfrigérants droits 6 traversent les deux cloisons et sont entourés de catalyseur comme représenté en 7. Les gaz devant réagir pé nètrent en 8 à travers le couvercle, sont dis tribués à l'aide :de chicanes 9, descendent dans les éléments réfrigérants 6 et arrivent dans un espace 1() formé par le fond 3, l'en veloppe 1 et la cloison perforée 5.
En- quit tant cet espace, les .gaz s'élèvent à travers la cloison perforée et à travers le cataly seur. et arrivent dans un espace 11 formé entre la surface supérieure du catalyseur et la cloison- supérieure 4. Les gaz qui ont subi la réaction s'échappent par une ouverture 12 de l'enveloppe 1. On remarquera que les tubes réfrigérants sont beaucoup plus rap prochés les uns pies autres au centre qu'à la périphérie et que la. quantité de cataly- sP-zr entre les tubes réfrigérants augmente rapidement du centre vers la périphérie.
Il faut bien entendu que la position des tubes soit choisie telle qu'elle assure un refroidis sement uniforme pour toute réaction parti culière. En général; .cette position variera avec différentes réactions qui développent différentes quantités de chaleur et qui né cessitent -des catalyseurs de conductibilités diverses.
On remarquera que les gaz de réaction froids sont chauffés par leur passage à tra vers les éléments réfrigérants jusqu'à une température sensiblement constante et que le catalyseur est en même temps uniformément refroidi dans chaque tranche horizontale. d'où il résulte qu'une température optimum peut être constamment maintenue en tous -les points de la masse du catalyseur. On peut introduire plusieurs gaz de réaction au lieu d'un seul .et, si on le désire, on peut faire . passer différents gaz de réaction à travers différents tubes.
En général, dans toutes les figures, on n'a représenté qu'un seul gaz ou mélange de gaz de réaction, mais il est bien entendu que plusieurs gaz -de réaction pourraient être introduits dans les mêmes ou dans différentes. parties du convertisseur.
La fis. 2 représente un convertisseur muni d'éléments échangeurs de chaleur à deux tubes coaxiaux. La construction de ces éléments est telle que les gaz de réaction admis entrent d'abord en relation indirecte d'échange de chaleur avec .le catalyseur et se meuvent ensuite en sens inverse en relation directe -d'échange de chaleur avec le cataly seur pour traverser finalement, après un se cond changement de sens, la couche @de ca talyseur.
La. disposition est analogue à celle de-fig. 1, mais .au lieu de prévoir des tubes simples 6 partant: de la cloison supérieure 4 et traversant la cloison inférieure 5, on a prévu des éléments tubulaires doubles com prenant des tubes 13 fermés en bas noyés dans le catalyseur et des tubes ouverts 14 descendant :de la cloison 4.
Les gaz qui ar rivent par l'ouv erfure 8 et qui sont mélan gés par les chicanes 9 descendent dans les tubes 14, arrivent à la partie inférieure des --tubes- 13, - rémontent dans l'espace .annulaire séparant les tubes 13 et 14, puis redescen- -dent à travers le catalyseur, arrivent dans la chambré 10 et sortent par le tuyau- d'é- ehappenïent '12,
Comme les tubes réfrigérants situés daaa la partie centrale ,du catalyseur sont plus rapprochés les uns des autres que dans les parties périphériques, l'effet réfrigérant di minue du centre vers.la. périphérie et lorsque l'espacement a été<I>réglé</I> convenablement pour la réaction particulière envisagée., on obtient le maintien de température uniforme cherché.
Les convertisseurs ries fis. 1 et 2 tra vaillent d'une- façon très satisfaisante quand les éléments sont convenablement espacés eu égard à. la capacité de transfert de chaleur du catalyseur. à la nature -de la réaction qui intervient et à @la vitesse d'écoulement des gaz à travers le convertisseur, laquelle vi tesse détermine à son tour la quantité<B>de</B> chaleur développée et influence aussi dans.
une certaine mesure sur la distribution de chaleur, étant donné que le fait d'augmen ter le débit du gaz entre les limites d'un- réaction complète augmente d'une façon cor respondante la chaleur développée, cette aug mentation étant toutefois partiellement neu tralisée, en ce qui concerne. les tubes, par un accroissement sensiblement égal -de la, quan tité de gaz réfrigérant passant dans ces tu bes. Le rayonnement. de chaleur de l'enve loppe varie peu et il en résulte que l'effet relatif -du refroidissement de l'enveloppe dif fère, aux vitesses élevées des gaz, .de celui produit aux vitesses faibles des gaz.
Il existe aussi une .différence -dans l'effet réfrigérant des tubes, étant donné qu'aux vitesses éle vées des gaz, ceux-ci peuvent ne pas être portés à une température tout à fait aussi élevée. Par conséquent, une fois construit. des convertisseurs du genre de ceux repré sentés par les fis. 1 et 2 - et il en est de même des convertisseurs -du genre de celui de la fis. 6 qui sera :décrit plus loin - n'au ront leur plein rendement qu'avec un cata lyseur défini et une vitesse de réaction dé finie.
Il est possible -d'obtenir un réglage sa tisfaisant et une souplesse plus grande en variant la proportion des gaz passant .dans .les différents éléments réfrigérants, alors même que ceux-ci seraient répartis unifor mément. Ceci ressort des fig. 3 et 4 dans lesquelles les tubes 6 et les tubes internes 1-1 sont munis respectivement d'ajutages ou bouchons 15 et 16 percés d'orifices de sec tions différentes, le tube central ne compor tant aucun bouchon.
Dans les fig. 3 et 4, il passe, par consé quent, une plus grande quantité de gaz dans les tubes centraux 6 et 14 que dans les tubes intermédiaires qui sont à leur tour parcou= riss par une quantité de gaz plus grande que les tubes périphériques.
Bien entendu, on pourrait faire usage de plus de deux di mensions .d'ouvertures .d'ajutage, étant donné que dans le convertisseur ordinaire il existe usuellement un nombre plus grand .d'éléments réfrigérants que .dans les .dessins sehémat:- ques annexés qui, .dans un but de simplicité, ne comportent qu'un nombre relativement faible -de ces éléments.
Les éléments cen traux sont. par conséquent, refroidis d'une façon beaucoup plus intense que ne le sont les éléments périphériques, et lorsque les cou rants de gaz relatifs ont été convenablement réglés, il en résulte un maintien de tempé rature sensiblement uniforme dans, chaque section transversale à la direction du courant de gaz dans la catalyseur. Cette façon de régler le refroidissement a l'avantage qu'elle peut être adaptée à divers courants de gaz et à divers.-s réactions en employant des bou chons de différentes dimensions, sans recons truire le convertisseur.
Dans la fia. 5, en addition au fait -de prévoir des ajutages 15 et 16 dans les tubes 14, ceux-ci ont les longueurs effectives di verses. Comme représenté, la variation de longueur est obtenue en perforant les parties inférieures de certains des tubes 14, ce qui donne le même résultat que si les tubes étaient raccourcis. Bien entendu, ce -dernier moyen peut aussi être appliqué, mais il n'est pas aussi .désirable parce qu'il en résulte une ligne de démarcation brusque entre les par ties refroidies et les parties non refroidies des tubes 13, ce qui est indésirable dans la plupart -des cas.
Les perforations jouent aussi le rôle de diminuer la longueur effec tive des tubes, mais permettent à une cer taine quantité -de gaz -de ,descendre jusqu'à la partie inférieure :des tubes 18, de sorte qu'il n'y a pas :de ligne -de démarcation nette en tre les parties refroidies et les parties non refroidies.
Les fig. 6 et 7 représentent des couver-. tisseurs munis de tubes horizontaux et fonc tionnant à gaz réfrigérants distincts. Ces convertisseurs comprennent une enveloppe 17, un couvercle 18, un fond 19, une chicane 20, une cloison perforée 21 et une couche d_@ catalyseur 22. Des tubes réfrigérants hori zontaux<I>23</I> traversent le catalyseur et l'en veloppe -du convertisseur et relient entre eux les conduites à gaz réfrigérant 24 et 25. Les ga.z de réaction pénètrent par une ouverture du couvercle 18 et, après avoir traversé le catalyseur, s'échappent par une ouverture du fond 19.
Dans la fig. 6, les tubes réfrigérants sont disposés à -des intervalles irréguliers, étant plus rapprochés les uns des autres dans la partie supérieure du catalyseur que dans la partie inférieure. Il en résulte que dans la partie supérieure, qui entre en contact avec les gaz,de réaction frais et produit, par con séquent, la réaction la plus violente avec le développement -de la quantité maximum -de chaleur, le refroidissement est maximum.
L'enveloppe du convertisseur peut être rec tangulaire ou cylindrique et il convient que la distribution des tubes soit telle qu'elle assure un maintien de température sensible ment uniforme dans toute section de la cou che du catalyseur transversale à la direction de passage du fluide en réaction. _ Au lieu d'espacer les tubes irrégulière ment, on peut modifier la quantité et la vi tesse des gaz traversant les tubes. Cette construction est représentée par la fig. 7 dans laquelle des ajutages ou bouchons per forés 27, 28 sont prévus dans les tubes in férieurs pour limiter la quantité .de gaz ré frigérant passant .dans ces tubes.
Bien en tendu,- une combinaison -de l'espacement va riable et des vitesses variables du gaz peut aussi être appliquée et il se peut qu'elle soit avantageuse dans beaucoup de cas.
Le .gaz réfrigérant employé dans les fig. 6 et 7 peut être clé l'air ou tout autre gaz dispouiblë, ou bien on peut d'abord faire passer les gaz devant réagir dans les tubes réfrigérants et les faire ensuite pénétrer dans le convertisseur, effectuant ainsi un re froidissement simultanément avec l'échauffe ment des gaz de réaction. On peut aussi faire usage -de liquides et de vapeurs. Des combinaisons de ces :deux méthodes peuvent aussi être appliquées. Le gaz réfrigérant peut aussi être conduit en série dans les divers tubes, en commençant par ceux de la zone la plus chaude.
Ceci a l'avantage que les parties inférieures -de la zone de cataly seur, parties dans lesquelles la réaction a lieu très lentement en raison du fait que les gaz de réaction sont ,dilués par le produit -de réaction, n'exigent guère ou pas de re froidissement et peuvent même, dans cer tains .cas, avoir besoin d'être chauffés. Au lieu de tubes droits, on peut faire usage de tubes hélicoïdaux dans les diverses zones et d'autres façons de :disposer les tubes réfri gérants pour assurer le maintien de tempéra ture uniforme envisagé peuvent être adop tées.
Dans les figures précédemment décrites, le refroidissement ,a été effectué en majeure partie par des gaz réfrigérants, mais ceci n'est pas le seul procédé applicable. Lors qu'un ou plusieurs des éléments -de réaction sont des liquides ou solides aux températures normales et doivent être vaporisés, ou lors que des vapeurs inertes peuvent être présen tes dans les gaz @de réaction, la chaleur la tente -de vaporisation des liquides peut être utilisée pour refroidir les tubes réfrigérants qui se trouvent au centre du catalyseur.
La fig. S représente un catalyseur comprenant une enveloppe 29, un couvercle 30, un fond 31, des- cloisons 32 et 33 et un catalyseur 34 placé entre ces cloisons. Des tubes 35 sont disposés entre les -deux cloisons en un point intermédiaire entre la périphérie et le centre de la masse de catalyseur, tandis que des tubes doubles 36 et 37 s'élèvent -de la cloison inférieure 33 dans le catalyseur.. Ces tubes doubles sont préférablement munis de perforations convenables 38 et 39, ces der nières débouchant .dans le catalyseur.
Des tubulures d'admission de gaz 40 et 41 débouchent respectivement dans les cham bres 42 et 43 et une tubulure d'échappement de gaz 44 située au-dessus -de la couche de catalyseur et au-dessous de la cloison 32 sert à éliminer les produits de la réaction. Des tuyaux d'injection 45 munis de tuyères d'in jection 46 descendent à travers le couvercle 30 à l'intérieur des tubes 35.
En fonctionnement, les gaz devant réagir pénètrent par la tubu lure 40 et le cas échéant par la tubulure 41, les gaz arrivant par 40 -descendent dans les tubes 35 et rejoignent les gaz arrivant en 41 dans la chambre 43, les gaz s'élevant alors dans les tubes 36 et redescendant dans les tubes 37 en contact d'échange de chaleur avec le catalyseur, ce qui refroidit ce der nier, les gaz étant eux-mêmes réchauffés.
Lorsqu'ils atteignent la partie inférieure -des tubes 37; les gaz s'en échappent et pénètrent dans le catalyseur à travers les perforations 39, montent dans le catalyseur et s'échap pent par @la tubulaire 44, le tout comme in diqué par les flèches. Les tubes doubles in versés 36 et 3 7 peuvent être considérés comme étant les éléments réfrigérants pri maires et les tubes 35 peuvent être considé rés comme étant les éléments réfrigérants se condaires.
Ces derniers, qui sont tous situés à proximité des parties centrales du cataly seur, sont d'abord refroidis par -des solides ou liquides projetés par la tuyère 46 sur les parois des tubes en conta-et avec le cataly- seur chaud, le long desquelles ils descendent sous forme d'une couche mince et sont vapo risés ou fondus, la chaleur latente de vapori sation ou de fusion étant utilisée pour four nir lé refroidissement supplémentaire qu'exige la partie centrale du catalyseur.
Dans certaines réactions, au lieu .d'utili ser des éléments de réaction liquides ou so lides, on peut injecter à l'aide .des tuyères 46 des liquides inertes, par exemple de l'eau, et effectuer le refroidissement et, en même temps, la dilution. des gaz -de réaction, ce qui est avantageux dans un grand nombre d'applications pour modérer l'activité de la réaction, la chaleur spécifique relativement élevée de la vapeur d'eau étant aussi un facteur important dans l'effet réfrigérant des tubes réfrigérants primaires 36 et 37.
La fig. 9 représente une disposition ana logue excepté que l'enveloppe du convertis seur est .disposée sens dessus dessous avec ses cloisons, de sorte que les tubes réfrigé rants primaires descendent dans le cataly seur. Le fonctionnement est le même que dans la fi-. 8, excepté que les liquides ou solides introduits par les tuyères 46 se meu vent en contre-courant par rapport aux gaz montant dans les tubes 35 et sont, par con séquent, maintenu;
. en contact avec les pa rois de ces tubes jusqu'au moment où ils sont complètement vaporisés, ce qui est avan tageux lorsqu'on fait usage d'une quantité considérable de liquide parce qu'on évite ainsi la, possibilité que du liquide non vapo risé descende .dans la chambre 43, :danger qui existe constamment dans la disposition de fig. 8.
D'autres modifications peuvent être ap portée; au refroidissement primaire et au re froidissement secondaire, effectués soit à l'aide de gaz, soit par une évaporation, et ces modifications sont avantageuses dans beaucoup de cas.
Catalytic apparatus. This invention relates to catalytic apparatuses for exothermic reactions and more particularly to catalytic apparatuses arranged for their use in catalytic reactions from body to body. vapor or gas prop.
The problem is that the cooling of the catalyst in converters is very serious when the reaction carried out is highly exothermic. It has been found that tubular converters in which the catalyst is placed in small tubes are satisfactory for many. exothermic reactions. However, this type of converter has various drawbacks from the point of view of construction and operation. Thus, for example, it is often difficult to control the resistance of the various tubes, and this results in irregular gas currents and other undesirable actions.
Plate or layered converters, such as, for example, the Cxrillo sulfuric acid converter and other converters in which the catalyst is present in relatively large layers, have many advantages from a standpoint of view. steady stream of gas and inexpensive construction. It is, however, very difficult to cool the catalyst evenly and uniformly in such converters when the apparatus is employed for exothermic reactions. Horizontal catalyst layers are relatively easy to cool at their periphery, but tend to heat up in central areas.
It had already been proposed to operate a modified tubular converter in which the catalyst is not in the tubes, but surrounds the tubes and in which liquids or refrigerant gases are caused to circulate through the tubes. By this means, it is possible to retain many of the advantages of the film type converter and at the same time produce sufficient cooling. However, it is not possible in the -ordinary construction.
with tubes placed uniformly - to effect the desired cooling, for example so as to have a uniform temperature. in each cross section to the path of the gases in the catalyst, since the peripheral mines, which are cooled not only by the circulation tubes, but also by the converter casing itself, are too cooled if the cooling is sufficient to prevent the central part from heating up excessively, and on the contrary, if the cooling is set for the peripheral zones,
central areas are not sufficiently cooled. In many catalytic reactions it is just as important to prevent undercooling as it is overcooling, and constant efforts must be made to produce the desired temperature in each location.
This is particularly true in the case of reversible reactions in which the equilibrium largely depends on the. temperature and this is also true in the case of reactions which tend to. produce unwanted side reactions when the most favorable temperature range is exceeded or not reached.
This state of affairs frequently occurs in the oxidation of organic compounds such as aromatics in which unwanted by-products are frequently produced when reaction temperatures are not kept constant in all parts. of the catalytic mass.
The plaintiff a. It has been found that the desired cooling of catalysts can be achieved by the use of the catalyst apparatus which is the subject of the invention.
This catalytic apparatus comprises a converter @du type to, catalyst layer, at least one catalyst layer in this converter, and heat exchange elements, to. one or more refrigerant fluids, embedded in the catalyst, said positions being provided so that by a non-uniformity of passage, through the layer of the catalyst, of the .or -frigerating fluids in the exchanger elements -of heat, - a difference in heat exchange is produced in the different parts of the same section of the catalyst layer transverse to the direction of passage -of at least one of the refrigerant and reacting fluids:
Lion, which difference tends to ensure a uniform temperature maintenance in all parts of this section.
The arrangements are preferably such that by said non-uniformity, a substantially uniform temperature maintenance is ensured in all parts of a same section of the transverse catalyst layer in the direction of passage: of the fluid in reaction In this section.
The refrigerant fluid can be formed by the fluid to be reacted or by a fluid distinct from the latter.
For example in the case where the directions of movement of the coolant and the reacting gases in the catalyst are parallel, the central areas of the catalyst can be cooled by tubes more strongly than the peripheral areas, this resulting in a substantially constant temperature in all parts of a section of the mass of the catalyst, transverse to the direction of passage of the two fluids, given that the peripheral zones receive, as has been said above, a additional cooling of the converter outer casing.
In cane such disposition. obtaining a greater cooling effect at the center of the catalyst does not depend primarily on any defined heat conductivity of the catalyst itself. In general, catalysts are poor conductors of heat, partly because the substances used are themselves poor conductors of heat and above all because the catalyst layer is formed of granules which do not <B> </B> touch only in a few points.
The extent to which it is necessary to increase the cooling of the core parts of the catalysts will of course depend on the heat transfer characteristics. catalyst, and it may be desirable to disperse or mass distribute catalysts from metal bodies, for example in the form of granules, metal shavings, metal fragments, metal lattices, etc. - etc .. to increase the. heat conductivity of the catalyst layer considered as a whole.
It will be noted that the application of means of this kind is not in itself new; it can be used in combination with the arrangements according to the invention. 1.1 It should be noted, in passing, that the addition of bodies of high heat conductivity to the catalyst layer is only a palliative, since metal granules, lattices or other bodies do not not touched by large surfaces,
so that they are subject to the same heat transfer disadvantages as those presented by the catalyst layer itself.
The construction of the cooling elements can vary and any suitable construction can be used without departing from the spirit of the invention. The appended drawing shows, by way of examples, some embodiments of the apparatus according to the present invention, it being understood, however, that the latter is not limited to them in any way.
This drawing is purely schematic and is reduced to the essential elements of the structure of the converter. In any given installation, it goes without saying that the various accessories and construction details well known to those skilled in the art can be employed.
In this drawing: Fig. 1 is a cross-section of a single refrigerant tube converter: Fig. \? is a section of a converter with double refrigerant tubes; Fig. 3 is a vertical section of a converter with rectilinear tubes, provided with positive devices to have variable gas velocities; I'ig. 4 and 5 are sections of double-pass tubular converters provided with similar means for varying the speed of the gases through the refrigerant tubes;
Fig. 6 and 7 represent converters of the layer or plate type, provided with horizontal cooling tubes, FIG. 6 showing ordinary tubes spaced at unequal distances and the fi. 7 showing tubes .disposed uniformly with means for varying the speed of the gases; Fi-. 8 and 9 are cross sections of tubular converters in which gas passes in series through the cooling elements and which include an auxiliary injection cooling system.
In fig. 1. the converter comprises a cylindrical casing 1, an upper part or cover 2 and a lower part or bottom 3: A partition 4 extends over the entire width of the converter at the upper end of the cylindrical casing and a perforated partition 5 is arranged at a lower location of the envelope. Straight refrigerant tubes 6 pass through the two partitions and are surrounded by catalyst as shown at 7. The gases to be reacted enter 8 through the cover, are distributed using: baffles 9, descend into the refrigerant elements 6 and arrive in a space 1 () formed by the bottom 3, the casing 1 and the perforated partition 5.
Entering this space, the gas rises through the perforated partition and through the catalyst. and arrive in a space 11 formed between the upper surface of the catalyst and the upper partition 4. The gases which have undergone the reaction escape through an opening 12 of the casing 1. It will be noted that the refrigerant tubes are much faster. close together at the center than at the periphery and that the. amount of cataly- sP-zr between the cooling tubes increases rapidly from the center to the periphery.
The position of the tubes must of course be chosen such as to ensure uniform cooling for any particular reaction. In general; This position will vary with different reactions which develop different amounts of heat and which require catalysts of varying conductivity.
It will be noted that the cold reaction gases are heated by their passage through the cooling elements to a substantially constant temperature and that the catalyst is at the same time uniformly cooled in each horizontal slice. from which it follows that an optimum temperature can be constantly maintained at all points of the mass of the catalyst. Several reaction gases can be introduced instead of just one. And, if desired, one can do so. pass different reaction gases through different tubes.
In general, in all the figures, only one gas or mixture of reaction gases has been shown, but it is understood that several reaction gases could be introduced into the same or into different ones. parts of the converter.
The fis. 2 shows a converter provided with heat exchange elements with two coaxial tubes. The construction of these elements is such that the admitted reaction gases first enter into an indirect heat exchange relationship with the catalyst and then move in the opposite direction in a direct heat exchange relationship with the catalyst to finally cross, after a second change of direction, the layer of the analyzer.
The arrangement is similar to that of FIG. 1, but instead of providing single tubes 6 starting: from the upper partition 4 and passing through the lower partition 5, double tubular elements are provided comprising tubes 13 closed at the bottom embedded in the catalyst and open tubes 14 descending: from partition 4.
The gases which arrive through the opening 8 and which are mixed by the baffles 9 descend into the tubes 14, arrive at the lower part of the --tubes- 13, - rise in the annular space between the tubes 13 and 14, then back down through the catalyst, arrive in chamber 10 and exit through the exhaust pipe '12,
As the refrigerant tubes located in the central part of the catalyst are closer to each other than in the peripheral parts, the refrigerant effect decreases from the center to the. periphery and when the spacing has been <I> adjusted </I> appropriately for the particular reaction envisioned, the desired uniform temperature maintenance is achieved.
The converters are done. 1 and 2 work very satisfactorily when the elements are properly spaced in view of. the heat transfer capacity of the catalyst. to the nature of the reaction which takes place and to the rate of flow of the gases through the converter, which rate in turn determines the amount of <B> </B> heat developed and also influences in.
to a certain extent on the heat distribution, since increasing the gas flow rate between the limits of a complete reaction correspondingly increases the heat developed, this increase however being partially neutralized , in regards to. the tubes, by a substantially equal increase in the quantity of refrigerant gas passing through these tubes. Radiation. The heat of the casing varies little and it follows that the relative effect of cooling the casing differs at high gas velocities from that produced at low gas velocities.
There is also a difference in the cooling effect of the tubes, since at high gas velocities these may not be brought to quite as high a temperature. Therefore, once built. converters of the kind represented by the fis. 1 and 2 - and it is the same for converters - of the kind of the fis. 6 which will be: described later - will only have their full yield with a defined catalyst and a defined reaction rate.
It is possible -d'obtain a satisfactory adjustment and greater flexibility by varying the proportion of the gases passing .in .the different refrigerant elements, even though these are evenly distributed. This emerges from Figs. 3 and 4 in which the tubes 6 and the inner tubes 1-1 are provided respectively with nozzles or plugs 15 and 16 pierced with orifices of different sections, the central tube having no plugs.
In fig. 3 and 4, it passes, consequently, a greater quantity of gas in the central tubes 6 and 14 than in the intermediate tubes which are in turn traversed by a quantity of gas greater than the peripheral tubes.
Of course, more than two sizes of nozzle openings could be used, since in the ordinary converter there are usually a larger number of refrigerant elements than. In blood drawings: - ques appended which, for the sake of simplicity, only include a relatively small number of these elements.
The central elements are. therefore, cooled much more intensely than the peripheral elements, and when the relative gas streams have been properly adjusted, the result is a substantially uniform temperature maintenance in each section transverse to the direction. of the gas stream in the catalyst. This way of regulating the cooling has the advantage that it can be adapted to various gas streams and various reactions by employing plugs of different sizes, without rebuilding the converter.
In the fia. 5, in addition to the provision of nozzles 15 and 16 in the tubes 14, these have different effective lengths. As shown, the variation in length is obtained by perforating the lower parts of some of the tubes 14, which gives the same result as if the tubes were shortened. Of course, this latter means can also be applied, but it is not so desirable because it results in a sharp dividing line between the cooled and uncooled parts of the tubes 13, which is undesirable. in most of the cases.
The perforations also play the role of reducing the effective length of the tubes, but allow a certain quantity of gas to descend to the lower part: tubes 18, so that there is no : with a clear line of demarcation between the cooled and uncooled parts.
Figs. 6 and 7 represent covers. weavers fitted with horizontal tubes and operating on separate refrigerant gases. These converters include a casing 17, a cover 18, a bottom 19, a baffle 20, a perforated partition 21 and a catalyst layer 22. Horizontal refrigerant tubes <I> 23 </I> pass through the catalyst and the catalyst. casing of the converter and interconnect the refrigerant gas pipes 24 and 25. The reaction gases enter through an opening in the cover 18 and, after passing through the catalyst, escape through an opening in the bottom 19.
In fig. 6, the refrigerant tubes are arranged at irregular intervals, being closer to each other in the upper part of the catalyst than in the lower part. It follows that in the upper part, which comes into contact with the fresh reaction gases, and consequently produces the most violent reaction with the development -of the maximum quantity-of heat, the cooling is maximum.
The converter casing may be rectangular or cylindrical and the distribution of the tubes should be such as to ensure a substantially uniform temperature maintenance in any section of the catalyst layer transverse to the direction of passage of the fluid in reaction. _ Instead of spacing the tubes irregularly, the quantity and speed of the gases passing through the tubes can be changed. This construction is represented by FIG. 7 in which nozzles or per-drilled plugs 27, 28 are provided in the lower tubes to limit the quantity of refrigerant gas passing through these tubes.
While in tension, a combination of variable spacing and variable gas velocities can also be applied and may be advantageous in many cases.
The refrigerant gas used in fig. 6 and 7 can be air or any other gas available, or it is possible first to pass the gases to be reacted in the refrigerant tubes and then to make them enter the converter, thus effecting a cooling simultaneously with the heating of reaction gases. Liquids and vapors can also be used. Combinations of these: two methods can also be applied. The refrigerant gas can also be conducted in series through the various tubes, starting with those in the hottest zone.
This has the advantage that the lower parts of the catalyst zone, parts in which the reaction takes place very slowly due to the fact that the reaction gases are, diluted by the reaction product, hardly require or no cooling and may even, in some cases, need to be heated. Instead of straight tubes, use can be made of helical tubes in the various zones and other ways of arranging the refrigerant tubes to ensure the expected uniform temperature maintenance can be adopted.
In the figures described above, the cooling has been carried out for the most part by refrigerant gases, but this is not the only applicable method. When one or more of the reaction elements are liquids or solids at normal temperatures and need to be vaporized, or where inert vapors may be present in the reaction gases, heat attempts to vaporize the liquids. can be used to cool the cooling tubes which are in the center of the catalyst.
Fig. S represents a catalyst comprising a casing 29, a cover 30, a bottom 31, partitions 32 and 33 and a catalyst 34 placed between these partitions. Tubes 35 are disposed between the two partitions at an intermediate point between the periphery and the center of the catalyst mass, while double tubes 36 and 37 rise from the lower partition 33 into the catalyst. These tubes doubles are preferably provided with suitable perforations 38 and 39, the latter opening .dans the catalyst.
Gas intake pipes 40 and 41 respectively open into chambers 42 and 43 and a gas exhaust pipe 44 located above the catalyst layer and below the partition 32 serves to eliminate the gases. reaction products. Injection pipes 45 provided with injection nozzles 46 descend through the cover 30 into the interior of the tubes 35.
In operation, the gases to react enter through the pipe 40 and where appropriate through the pipe 41, the gases arriving by 40 -descent in the tubes 35 and join the gases arriving at 41 in the chamber 43, the gases rising then in the tubes 36 and back down in the tubes 37 in heat exchange contact with the catalyst, which cools the latter, the gases themselves being heated.
When they reach the lower part of the tubes 37; the gases escape therefrom and enter the catalyst through the perforations 39, rise in the catalyst and escape through the tubular 44, all as indicated by the arrows. The double inverted tubes 36 and 37 can be considered to be the primary cooling elements and the tubes 35 can be regarded as the secondary cooling elements.
The latter, which are all located near the central parts of the catalyst, are first cooled by solids or liquids projected by the nozzle 46 on the walls of the tubes in contact with and with the hot catalyst, along from which they descend as a thin layer and are vaporized or melted, the latent heat of vaporization or fusion being used to provide the additional cooling required by the central part of the catalyst.
In some reactions, instead of using liquid or solid reaction elements, inert liquids 46, for example water, can be injected with the help of nozzles 46 and cooling and at the same time. time, dilution. reaction gases, which is advantageous in a large number of applications for moderating the activity of the reaction, the relatively high specific heat of the water vapor also being an important factor in the cooling effect of the cooling tubes primary 36 and 37.
Fig. 9 shows a similar arrangement except that the casing of the converter is .disposed upside down with its partitions, so that the primary refrigerant tubes descend into the catalyst. The operation is the same as in the fi-. 8, except that the liquids or solids introduced by the nozzles 46 move in countercurrent with respect to the gases rising in the tubes 35 and are, therefore, maintained;
. in contact with the walls of these tubes until such time as they are completely vaporized, which is advantageous when a considerable quantity of liquid is used because this avoids the possibility that non-vaporized liquid risé descends .dans chamber 43: danger which constantly exists in the arrangement of fig. 8.
Other modifications can be made; primary cooling and secondary cooling, carried out either with gas or by evaporation, and these modifications are advantageous in many cases.