Procédé pour réaliser des réactions chimiques par passage de gaz à travers un arc électrique, dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
et application de ce procédé
I1 est connu d'effectuer la synthèse de certains composés chimiques en faisant passer des gaz ou des mélanges de gaz appropriés à travers une décharge électrique, par exemple à travers un arc électrique.
C'est ainsi, par exemple, que l'on peut obtenir l'acétylène à partir d'hydrocarbures tels que le méthane ou l'éthane ou que l'on peut obtenir des oxydes d'azote à partir d'un mélange d'oxygène et d'azote ou encore l'acide cyanhydrique à partir d'un mélange d'hydrocarbures, d'azote et d'hydrogène ou d'un mélange d'hydrocarbures et d'ammoniac, etc.
En raison, d'une part, de la faible proportion de matière première subissant effectivement le processus de synthèse et, d'autre part, de la décomposition importante que la matière produite par la synthèse subit du fait de la température élevée de l'arc, le rendement d'une telle installation est généralement médiocre en ce qui concerne la quantité de matière produite par l'installation dans l'unité de temps.
Dans le cas, par exemple, de la synthèse de l'acide cyanhydrique, à partir d'un mélange de propane et d'ammoniac, en utilisant un arc alimenté sous 2400 volts entre deux électrodes distantes de 90mm pour une consommation de 10 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit, la production d'acide cyanhydrique ne dépasse pas environ 360 g par heure.
On peut augmenter la production horaire en augmentant simultanément le débit des gaz traversant l'arc et la longueur de l'arc et, par voie de conséquence, la tension d'alimentation. Ainsi, pour un arc entre deux électrodes distantes de 21 cm sous une tension de 4000 volts, la production horaire peut atteindre 1500g d'acide cyanhydrique, la consommation d'énergie électrique par kilo d'acide cyanhydrique produit, restant à peu près la mme que dans le cas précédent. On peut augmenter encore la distance des électrodes jusqu'à par exemple 30 cm, la tension d'alimentation étant alors 5000 volts, et l'on obtient une production d'acide cyanhydrique de 2 kg environ par heure pour une consommation d'énergie électrique restant entre 10 et 10, KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
Bien qu'on constate que la quantité d'acide cyanhydrique produite par heure est approximativement proportionnelle à l'écartement des électrodes, on ne peut sans inconvénient augmenter indéfiniment la distance entre les électrodes. En effet, l'augmentation de cette distance implique une augmentation corrélative de la tension d'alimentation telle que, si l'on désirait par exemple obtenir une production de l'ordre de 8 kg d'acide cyanhydrique par heure, il serait nécessaire d'écarter les électrodes l'une de l'autre d'une distance d'un mètre environ, ce qui obligerait à alimenter l'arc sous une tension tRs élevée, de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de volts, ce qui n'est pas aisément réalisable industriellement et entraîne des frais considérables au point de vue de l'isolement, des dispositifs et mesures de sécurité,
etc.
On ne peut non plus envisager, pour éviter l'utilisation de tensions trop élevées, de diminuer la pression de travail dans le réacteur car, d'une part, cela poserait de nouveaux problèmes techniques, tels que des problèmes d'étanchéité difficiles à résoudre industriellement et, d'autre part, cela tendrait à transformer le régime d'arc, indispensable à ce type de synthèse, en un régime d'effluve qui lui serait défavorable.
La présente invention a en vue d'éliminer ces inconvénients et d'augmenter la production horaire du composé désiré, par exemple l'acide cyanhydrique, dans un mme réacteur sans augmenter l'écartement des électrodes, c'est-à-dire sans augmenter la tension d'alimentation et sans diminuer la pression de travail.
L'invention a pour objet un procédé pour réaliser des réactions chimiques par passage de gaz à travers un arc électrique, caractérisé en ce qu'on utilise dans le mme réacteur au moins deux arcs électriques montés en parallèle sur le secondaire d'un mme transformateur d'alimentation, la distance entre deux arcs consécutifs, c'est-à-dire entre deux paires d'électrodes, étant au moins égale à la distance entre les électrodes d'une mme paire en régime de fonctionnement.
L'adaptation de l'impédance des décharges à l'impédance du circuit secondaire du transformateur peut tre assurée en période de démarrage par une ou plusieurs selfs à saturation variable et en période de régime au moyen de selfs fixes placées dans le circuit secondaire du transformateur, les selfs à saturation variable pouvant alors tre mises hors circuit.
On peut séparer le mélange gazeux introduit dans le réacteur en autant de courants élémentaires qu'il y a de paires d'électrodes et soumettre indépendamment chacun de ces courants à l'action d'un arc.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif objet de l'invention et illustre, également à titre d'exemple, deux mises en ceuvre du procédé objet de l'invention.
La fig. 1 est le schéma électrique de la première forme d'exécution.
Les fig. 2 et 3 représentent respectivement des coupes horizontales (suivant II-II de la fig. 3) et verticale (suivant III-III de la fig. 2) de cette première forme d'exécution.
La fig. 4 est le schéma électrique de la seconde forme d'exécution.
Sur la fig. 1, on a représenté en A1 et Bl les bornes de connexion à la source de courant, par exemple un réseau monophasé de 380volts. Sur ce réseau est branché, par l'intermédiaire d'une self S
a saturation variable, le primaire d'un transformateur élévateur de tension T dans le circuit secondaire
duquel sont montées les électrodes Ej, E2, E3, E4.
Ainsi qu'on le voit sur la figure, chaque paire
d'électrodes est reliée au secondaire du transformateur par l'intermédiaire d'une self fixe L, ou LI.
La self S dont le rôle est d'adapter l'impédance variable de la décharge entre la période d'amorçage
de celle-ci et l'instant où le régime est atteint, permet ainsi de travailler avec une tension d'alimenta
tion constante pour l'amorçage de l'arc et, en outre,
d'ajuster l'intensité en fonction du débit gazeux et
des caractéristiques imposées à la décharge. L'adap
tation de l'impédance au moyen de la self S n'est utilisée en principe que lors de la mise en marche de l'installation, l'adaptation de l'impédance en régime normal étant assurée par les selfs fixes Ll et L2, le transducteur ne jouant plus aucun rôle à ce moment, de façon à diminuer au maximum la consommation d'énergie électrique.
Dans chaque paire d'électrodes, l'une au moins des électrodes est mobile par rapport à l'autre. Pour mettre le dispositif en service, on rapproche l'une de l'autre les électrodes de chaque paire, l'arc jaillit et on écarte alors les électrodes jusqu'à la distance désirée qui, dans tous les cas, ne doit pas tre supérieure à la distance entre deux paires consécutives d'électrodes. Pour assurer le fonctionnement stable de l'installation, il est nécessaire que les selfs L et L2 soient de caractéristiques identiques.
Bien qu'on n'ait représenté que deux paires d'électrodes sur la fig. 1, on peut en disposer un plus grand nombre en parallèle dans le mme réacteur, ce qui permet d'augmenter la production horaire proportionnellement au nombre de paires d'électrodes sans modifier la tension d'alimentation.
Chaque paire d'électrodes comporte en série une self
L d'adaptation de l'impédance en régime normal.
De mme, dans le schéma de la fig. 1, le transducteur est placé dans le primaire du transformateur, mais on peut également le placer dans le circuit secondaire du transformateur, les selfs pouvant selon leurs caractéristiques fonctionner aussi bien en basse tension qu'en haute tension.
Le réacteur de ce dispositif représenté schématiquement sur les fig. 2 et 3 comprend un caisson 10 en tôle à double paroi dans lequel peut circuler un fluide de refroidissement. Des électrodes 1 1 et 12 sont montées de préférence obliquement l'une par rapport à l'autre, pour éviter une instabilité de la décharge. L'électrode 12 est fixe et l'électrode 1 1 est mobile. Une deuxième paire d'électrodes 1 la- 12a est montée de façon analogue, les deux électrodes 1 1 et 1 la étant solidaires d'un mme organe mobile 1 lob qui peut tre commandé par un servomécanisme.
Les gaz à faire passer à travers la décharge électrique sont introduits dans le réacteur par un conduit 15 débouchant sous un déflecteur 16 dans un caisson 17, dont le couvercle 18 est percé de deux orifices rectangulaires 19 et 20 placés respectivement sous chaque paire d'électrodes.
Pour des installations importantes, on peut tre conduit à utiliser une alimentation en courant triphasé, chaque phase alimentant un réacteur comportant plusieurs arcs en parallèle. La fig. 4 représente, à titre d'exemple, une telle installation. Les réacteurs, au nombre de trois sont représentés en 20, 21, 22. Ils comportent chacun quatre paires d'électrodes telles que respectivement cl c'1 ... f J'î ... gl g'l. L'alimentation s'effectue au moyen d'un transformateur triphasé Tl. Les selfs à saturation variable S1 S2 S3 sont montées en série avec les enroulements du secondaire et l'alimentation de chacune des paires d'électrodes s'effectue par l'intermédiaire d'une self fixe telle que L1.
Pour illustrer le procédé de l'invention, on donne ci-après quelques exemples de son application à la synthèse de l'acide cyanhydrique à partir d'un mélange de propane et d'ammoniac.
Dans les exemples on utilise un dispositif tel que celui représenté aux fig. 2 et 3, alimenté par un transformateur monophasé.
Exemple 1 :
Le transformateur élévateur de tension peut fournir une tension de 6000 volts à vide au secondaire.
Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 67 mm de mercure avec un débit de 6000 litres par heure d'ammoniac et 2000 litres par heure de propane ramenés à 00 et sous 760mm.
Les selfs LI et La sont chacune de 0,54 Henry. Le primaire du transformateur est alimenté sous 320 volts avec une intensité de 500 ampères, soit 40 KW, le secondaire du transformateur étant alors sous une tension de 5000 volts. La distance entre les électrodes est en régime de 30 cm, cette longueur étant également celle des fentes 19 et 20, dont la largeur est, par ailleurs, de 8 cm. Chaque arc est alimenté sous une tension de 3300 volts, avec une intensité de 15 ampères par arc. La puissance totale dissipée dans les deux arcs est de 34 KW. Avec une telle installation, la production horaire d'acide cyanhydrique est de 3,9 kg par heure, avec une consommation d'énergie électrique prise à la ligne de 10,8 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
On a consommé pour 1 kilo d'acide cyanhydrique produit 1,02 kg de propane et 1,13 kg d'ammoniac, compte non tenu de la récupération de l'ammoniac dans les gaz effluents.
Exemple 2:
On utilise un dispositif du mme type, mais au lieu de deux paires d'électrodes, il en comporte trois, séparées de 30 cm. Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 65 mm de mercure à travers les trois pipes d'admission sous chaque paire d'électrodes, le débit des gaz est de 9000 litres par heure d'ammoniac et 3000 litres par heure de propane, mesuré à 0O sous 760 mm de mercure. La tension au primaire du transformateur est de 315 volts, l'intensité de 730 ampères, la puissance consommée à la ligne est de 60 KW, la tension au secondaire du transformateur est de 5000 volts. Les trois arcs sont alimentés chacun sous une tension de 3350 volts avec une intensité totale pour les trois arcs de 43 ampères et une puissance totale consommée dans les arcs de 50 KW.
La production horaire d'acide cyanhydrique est de 5,95 kg par heure avec une consommation d'énergie électrique à la ligne de 10,9 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
D'autre part, on a consommé 1 kilo de propane et 1,12 kg d'ammoniac pour 1 kilo d'acide cyanhydrique produit.
Exemple 3:
On opère comme dans les exemples précédents, mais le dispositif comporte quatre paires d'électrodes espacées les unes des autres de 30 cm, les électrodes de chaque paire étant en régime distantes de 30 cm. Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 63 mm de mercure avec un débit de 12000 litres par heure d'ammoniac et 4000 litres par heure de propane, mesuré à 0O sous 760 mm de mercure. La tension au primaire du transformateur est de 310 volts, l'intensité étant de 980 ampères, la puissance conspmmée à la ligne étant de 80 KW. La tension au secondaire du transformateur est de 5100 volts, les arcs sont alimentés chacun sous une tension de 3400 volts, avec une intensité totale de 55 ampères et une puissance totale consommée dans les arcs de 65 KW.
La production d'acide cyanhydrique est alors de 8 kg par heure avec une consommation d'énergie électrique de 10,6 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit et une consommation de 1 kilo de propane et 1,13 kg d'ammoniac.
D'une façon générale, on a remarqué qu'en ce qui concerne la synthèse de l'acide cyanhydrique, la pression absolue à l'intérieur du réacteur doit tre comprise entre 50 et 70mm de mercure.
Process for carrying out chemical reactions by passing gas through an electric arc, device for carrying out this process
and application of this process
It is known to synthesize certain chemical compounds by passing suitable gases or gas mixtures through an electric discharge, for example through an electric arc.
Thus, for example, one can obtain acetylene from hydrocarbons such as methane or ethane or one can obtain nitrogen oxides from a mixture of oxygen and nitrogen or hydrocyanic acid from a mixture of hydrocarbons, nitrogen and hydrogen or a mixture of hydrocarbons and ammonia, etc.
Due, on the one hand, to the low proportion of raw material actually undergoing the synthesis process and, on the other hand, to the significant decomposition that the material produced by the synthesis undergoes due to the high temperature of the arc , the efficiency of such an installation is generally poor with regard to the amount of material produced by the installation in the unit of time.
In the case, for example, of the synthesis of hydrocyanic acid, from a mixture of propane and ammonia, using an arc supplied at 2400 volts between two electrodes 90mm apart for a consumption of 10 KWh per kilogram of hydrocyanic acid produced, the production of hydrocyanic acid does not exceed about 360 g per hour.
The hourly production can be increased by simultaneously increasing the flow rate of the gases passing through the arc and the length of the arc and, consequently, the supply voltage. Thus, for an arc between two electrodes 21 cm apart at a voltage of 4000 volts, the hourly production can reach 1500 g of hydrocyanic acid, the consumption of electrical energy per kilo of hydrocyanic acid produced, remaining approximately the same than in the previous case. The distance between the electrodes can be further increased to for example 30 cm, the supply voltage then being 5000 volts, and a production of hydrocyanic acid of about 2 kg per hour is obtained for a consumption of electrical energy. remaining between 10 and 10, KWh per kilo of hydrocyanic acid produced.
Although it is observed that the quantity of hydrocyanic acid produced per hour is approximately proportional to the spacing of the electrodes, it is not without disadvantage to increase the distance between the electrodes indefinitely. Indeed, the increase in this distance implies a correlative increase in the supply voltage such that, if one wished for example to obtain a production of the order of 8 kg of hydrocyanic acid per hour, it would be necessary to '' separate the electrodes from one another at a distance of about one meter, which would require supplying the arc with a high voltage tRs, of the order of several tens of thousands of volts, which does not 'is not easily feasible industrially and entails considerable costs from the point of view of isolation, safety devices and measures,
etc.
In order to avoid the use of excessively high voltages, it is also not possible to envisage reducing the working pressure in the reactor because, on the one hand, this would pose new technical problems, such as sealing problems that are difficult to solve. industrially and, on the other hand, this would tend to transform the arcing regime, essential for this type of synthesis, into an effluvium regime which would be unfavorable to it.
The aim of the present invention is to eliminate these drawbacks and to increase the hourly production of the desired compound, for example hydrocyanic acid, in the same reactor without increasing the spacing of the electrodes, that is to say without increasing the supply voltage and without reducing the working pressure.
The subject of the invention is a process for carrying out chemical reactions by passing gas through an electric arc, characterized in that at least two electric arcs are used in the same reactor, mounted in parallel on the secondary of the same transformer. supply, the distance between two consecutive arcs, that is to say between two pairs of electrodes, being at least equal to the distance between the electrodes of a same pair in operating mode.
The adaptation of the impedance of the discharges to the impedance of the secondary circuit of the transformer can be ensured during the starting period by one or more inductors with variable saturation and during the operating period by means of fixed inductors placed in the secondary circuit of the transformer. , the variable saturation chokes then being able to be switched off.
The gas mixture introduced into the reactor can be separated into as many elementary currents as there are pairs of electrodes and each of these currents can be subjected independently to the action of an arc.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the device which is the subject of the invention and illustrates, also by way of example, two implementations of the method which is the subject of the invention.
Fig. 1 is the electrical diagram of the first embodiment.
Figs. 2 and 3 respectively represent horizontal sections (according to II-II of FIG. 3) and vertical (according to III-III of FIG. 2) of this first embodiment.
Fig. 4 is the electrical diagram of the second embodiment.
In fig. 1, A1 and B1 show the terminals for connection to the current source, for example a single-phase 380 volt network. On this network is connected, via a choke S
with variable saturation, the primary of a step-up transformer T in the secondary circuit
of which are mounted the electrodes Ej, E2, E3, E4.
As seen in the figure, each pair
of electrodes is connected to the secondary of the transformer via a fixed choke L, or LI.
The self S whose role is to adapt the variable impedance of the discharge between the starting period
of this and the moment when the speed is reached, thus makes it possible to work with a supply voltage
constant tion for starting the arc and, in addition,
to adjust the intensity according to the gas flow and
characteristics imposed on the landfill. The adap
tation of the impedance by means of the choke S is only used in principle when the installation is started up, the adaptation of the impedance in normal operation being ensured by the fixed chokes Ll and L2, the transducer no longer playing any role at this time, so as to minimize the consumption of electrical energy.
In each pair of electrodes, at least one of the electrodes is movable relative to the other. To put the device into service, the electrodes of each pair are brought together, the arc spurts out and the electrodes are then moved apart to the desired distance which, in all cases, must not be greater. the distance between two consecutive pairs of electrodes. To ensure stable operation of the installation, the chokes L and L2 must have identical characteristics.
Although only two pairs of electrodes have been shown in FIG. 1, a greater number of them can be placed in parallel in the same reactor, which makes it possible to increase the hourly production proportionally to the number of pairs of electrodes without modifying the supply voltage.
Each pair of electrodes has an inductor in series
L adaptation of the impedance in normal operation.
Likewise, in the diagram of FIG. 1, the transducer is placed in the primary of the transformer, but it can also be placed in the secondary circuit of the transformer, the inductors being able, depending on their characteristics, to operate at low voltage as well as at high voltage.
The reactor of this device shown schematically in FIGS. 2 and 3 comprises a box 10 made of double-walled sheet metal in which a cooling fluid can circulate. Electrodes 1 1 and 12 are preferably mounted obliquely with respect to each other, to avoid instability of the discharge. The electrode 12 is fixed and the electrode 11 is mobile. A second pair of electrodes 11a-12a is mounted in a similar fashion, the two electrodes 11a and 1a being integral with the same movable member 1lob which can be controlled by a servomechanism.
The gases to be passed through the electric discharge are introduced into the reactor through a duct 15 opening out under a deflector 16 in a box 17, the cover 18 of which is pierced with two rectangular orifices 19 and 20 placed respectively under each pair of electrodes. .
For large installations, it may be necessary to use a three-phase current supply, each phase supplying a reactor comprising several arcs in parallel. Fig. 4 shows, by way of example, such an installation. The reactors, three in number, are shown at 20, 21, 22. They each comprise four pairs of electrodes such that respectively cl c'1 ... f J'î ... gl g'l. The power supply is carried out by means of a three-phase transformer T1. The variable saturation inductors S1 S2 S3 are connected in series with the windings of the secondary and the power supply of each of the pairs of electrodes is carried out via of a fixed self such that L1.
To illustrate the process of the invention, a few examples of its application to the synthesis of hydrocyanic acid from a mixture of propane and ammonia are given below.
In the examples, a device such as that shown in FIGS. 2 and 3, powered by a single-phase transformer.
Example 1:
The step-up transformer can supply 6000 volts no-load voltage to the secondary.
The gases arrive in the reactor under an absolute pressure of 67 mm of mercury with a flow rate of 6000 liters per hour of ammonia and 2000 liters per hour of propane reduced to 00 and under 760mm.
The chokes LI and La are each 0.54 Henry. The transformer primary is supplied at 320 volts with an intensity of 500 amps, or 40 KW, the secondary of the transformer then being at a voltage of 5000 volts. The distance between the electrodes is 30 cm, this length also being that of the slots 19 and 20, the width of which is, moreover, 8 cm. Each arc is supplied at a voltage of 3300 volts, with an intensity of 15 amps per arc. The total power dissipated in the two arcs is 34 KW. With such an installation, the hourly production of hydrocyanic acid is 3.9 kg per hour, with an electrical energy consumption taken at the line of 10.8 kWh per kg of hydrocyanic acid produced.
1.02 kg of propane and 1.13 kg of ammonia were consumed per 1 kg of hydrocyanic acid produced, not taking into account the recovery of ammonia in the effluent gases.
Example 2:
A device of the same type is used, but instead of two pairs of electrodes, it comprises three, separated by 30 cm. The gases arrive in the reactor under an absolute pressure of 65 mm of mercury through the three intake pipes under each pair of electrodes, the gas flow is 9000 liters per hour of ammonia and 3000 liters per hour of propane , measured at 0O under 760 mm of mercury. The voltage at the transformer primary is 315 volts, the intensity is 730 amperes, the power consumed on the line is 60 KW, the voltage at the secondary of the transformer is 5000 volts. The three arcs are each supplied at a voltage of 3350 volts with a total current for the three arcs of 43 amps and a total power consumed in the arcs of 50 KW.
The hourly production of hydrocyanic acid is 5.95 kg per hour with an electrical energy consumption at the line of 10.9 kWh per kilo of hydrocyanic acid produced.
On the other hand, 1 kg of propane and 1.12 kg of ammonia were consumed for 1 kg of hydrocyanic acid produced.
Example 3:
The procedure is as in the preceding examples, but the device comprises four pairs of electrodes spaced from each other by 30 cm, the electrodes of each pair being in operation 30 cm apart. The gases arrive in the reactor under an absolute pressure of 63 mm of mercury with a flow rate of 12,000 liters per hour of ammonia and 4000 liters per hour of propane, measured at 0O under 760 mm of mercury. The voltage at the primary of the transformer is 310 volts, the intensity being 980 amps, the power consumed at the line being 80 KW. The voltage at the secondary of the transformer is 5100 volts, the arcs are each supplied at a voltage of 3400 volts, with a total intensity of 55 amps and a total power consumed in the arcs of 65 KW.
The production of hydrocyanic acid is then 8 kg per hour with an electrical energy consumption of 10.6 kWh per kg of hydrocyanic acid produced and a consumption of 1 kg of propane and 1.13 kg of ammonia.
In general, it has been observed that with regard to the synthesis of hydrocyanic acid, the absolute pressure inside the reactor must be between 50 and 70 mm of mercury.