Procédé pour effectuer des réactions thermiques et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention concerne un procédé pour exécuter des réactions de conversion thermique exi geant une température relativement élevée, et un appareil étudié spécialement pour réaliser de telles conversions thermiques.
Le procédé conforme à la présente invention est destiné principalement à exécuter des réactions de conversion thermique exigeant une température de réaction comprise à peu près entre 6500 C et 22000 C et une chaleur de réaction comprise à peu près entre 1112 thermies par kg et 6672 thermies par kg. Bien que l'invention puisse tre utilisée avantageusement pour exécuter des réactions de nombreux types différents, exigeant de telles températures et une telle chaleur de réaction, en vue d'obtenir les conversions désirées, elle est cependant particulièrement intéressante pour la production des hydrocarbures non saturés par pyrolyse d'hydrocarbures plus saturés.
Ainsi, les réactions prévues par la présente invention compren- nent la production d'éthylène et/ou d'acétylène par pyrolyses du propane, du butadiène par pyrolyses du propane ou d'essence de pétrole, du méthylacétylène et du propadiène par pyrolyse de l'isobutylène, du cétène à partir de l'acétone, de l'isoprène à partir d'hexènes ramifiés, et d'autres réactions de pyrolyse comprenant en général la pyrolyse d'hydrocarbures appropriés en vue de produire des mélanges d'hydrocarbures moins saturés, par exemple des mélanges d'éthylène et d'acétylène ;
la température de réaction est l'un. des facteurs principaux déterminant le produit qui prédomine dans le mélange de réaction obtenu. Quand on désire par exemple produire de l'acétylène comme produit principal, on peut utiliser du méthane et/ou du gaz naturel comme matière de charge et exécuter la pyrolyse à une température comprise de préférence à peu près entre 1315 C et 1540 C, tandis qu'on utilise du propane et des essences légères de pétrole, en les soumettant de préfé rence à la pyrolyse à une température égale ou supé rieure à 8150C. et pouvant atteinre par exemple 1095 C, quand on veut produire de l'éthylène comme produit principal.
D'autres réactions, prévues par l'in vention, comprennent la production de carbone et d'hydrogène à partir du méthène, du cyanure d'hydro- gène en faisant réagir le méthane avec de l'ammoniaque, du bisulfure de carbone par réaction du soufre avec le méthane, de l'acrylonitrile par réaction de l'ammoniaque avec le propylène, etc.
On a indiqué dans le tableau suivant plusieurs réactions caractéristiques, auxquelles la présente invention s'applique, et leurs températures et chaleurs de réaction.
Produit prédominant Température de réaction Chaleur de réaction
Réactif de conversion en oC du réactif en th/kg
Propane Acétylène 1315 2224 à 2335
Propane Ethylène 870 1056 à 1223 Ethans Ethylène9251000 à 1112
Ethylène Acétylène 1040 à 1095 776 à 1045
Essence légère Fthylène 815 à 980 1000 à 1223
de pétrole id Acétylène 1150 1779 à 2224
La présente invention a pour but en particulier de réaliser un procédé et un appareil pour exécuter de telles réactions en obtenant :
1) une augmentation de la production du produit désiré de conversion à partir d'une quantité donnée du réactif 2) une dilution aussi réduite que possible du produit de réaction avec des matières exigeant un traitement et un équipement, importants et coûteux, pour séparer et récupérer le produit désiré de conversion 3) dans certains cas, une production augmentée ou équivalente du produit désiré de conversion à partir d'une quan ti, té donnée d'un réactif défini, à des températures de conversion plus basses que celles utilisées jusqu'à présent dans certains autres procédés 4) dans de nombreux cas, par exemple dans le cas de la production d'hydrocarbures non saturés par pyrolyse d'hy drocarbures plus saturés, la conversion désirée, avec une production'très réduite de gaz secs,
en rédui sant ainsi les exigences de l'installation de recueil du gaz, et la formation aussi faible que possible de coke et de polymères. D'autres avantages de l'invention apparaîtront aux techniciens'à la lecture de la des cription détaillée qui va suivre.
Le procédé de conversion thermique conforme à l'invention pour réaliser des réactions exigeant une certaine température et une certaine chaleur de réaction, comme on l'a exposé plus haut, est caractérisé en ce qu'on fait passer le réactif (ou les réactifs suivant le cas), après l'avoir de préférence chauffé jusqu'à une température élevée, mais inférieure cependant à la température de conversion, à travers une zone de réaction, dont les surfaces internes limitent le passage du réactif à travers cette zone à un cou- rant, dont la section transversale comporte un axe ne dépassant pas en moyenne 2,54 mm et de préférence inférieur à cette valeur ;
on maintient ce réactif dans la zone de. réaction pendant un temps compris à peu près entre 0, 0001 sec. et 0,01 sec., et compris mme de préférence entre 0,001 sec. et 0,01 sec., pendant qu'on maintien dans la zone de réaction, par chauffage indirect, une température de réaction de 650 à 22000 C, et une chaleur de réaction de 1112 à 6672 thermies par kg du réactif, en faisant arriver dans ladite zone un flux de chaleur compris entre 542 et 5420 th/h/dmo à travers l'une au moins des surfaces intérieures de la zone de réaction, limitant l'épaisseur du courant du réactif à 2,54 mm.
En utilisant ce procédé, dans lequel le réactif passant à , travers la zone de réaction recueille de la chaleur par conduction, on a constaté que la chaleur nécessaire de réaction pouvait tre fournie à travers une zone ex trmement réduite de la surface de transfert de chaleur, et qu'on pouvait ainsi réduire nettement le temps nécessaire de séjour du réactif dans la zone de réaction ; de cette manière, non seulement on obtient les avantages déjà indiqués, mais on évite en outre ou on réduit tout au moins considérablement, ce qui est très important, le dépôt indésirable et nuisible de matières solides, par exemple de coke, sur les surfaces intérieures de la zone de conversion ;
ainsi, on peut exécuter la réaction désirée de conversion pendant des périodes protongées, en diminuant donc considé rablement les arrts nécessaires et fréquents, auxquels on était assujetti jusqu'à présent par suite de l'obstruction du courant de réactif à travers la zone de conversion. On a constaté que, pour exécuter le procédé défini ci-dessus, on peut faire passer le réactif à travers la zone de réaction avec une vitesse linéaire si élevée et l'exposer à la température de réaction pendant des périodes si courtes qu'une quantité quelconque de coke, qui aurait pu se former, est entraînée en dehors du réacteur, au lieu d'adhérer aux parois de la zone de réaction.
Dans un mode de réalisation particulier, on met en oeuvre l'invention en utilisant une zone de réaction, dont la section transversale est sensiblement rec tangulaire et qui comporte une ouverture d'entrée de la charge à une extrémité, et une ouverture de sortie du produit à l'autre extrémité ; dans la section transversale de cotte zone de réaction, l'axe le plus petit est défini par des parois écartées l'une de l'autre d'une distance moyenne ne dépassant pas environ 2, 54mm ;
à travers l'une au moins de ces parois, la chaleur est fournie indirectement à la zone de réaction sous la forme d'un flux de chaleur atteignant entre 542 th/h/ dma et 5420 th/h/dm. Pour un tel mode de réalisation et pour d'autres modes de réalisation décrits plus loin, on met généralement en oeuvre le procédé de l'invention en utilisant une zone de réaction, dont la longueur est égale au moins à environ 30 fois la dimension précédente qui ne doit pas dépasser environ 2,54 mm.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la zone de réaction possède une configuration annulaire, obtenue par exemple au moyen de deux cylindres concentriques occupant des positions coaxiales, l'un de ces cylindres ayant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur de l'autre cylindre ; les dimensions de ces cylindres sont choisies de façon à réaliser entre eux un espace annulaire, dont la largeur ne dépasse pas environ 2,54 mm et qui communique à une extrémité avec le dispositif d'admission du réactif de charge et à l'extrémité opposée avec l'ouverture de décharge par laquelle on décharge le produit de la réaction ; on fournit à cet espace annulaire un flux de chaleur, compris entre les valeurs indiquées plus haut, par un transfert indirect de chaleur à travers la paroi de l'un au moins des cylindres.
Bien que l'on puisse utiliser encore d'autres configurations, on préfère une zone de réaction comprenant un espace annulaire formé par des parois cylindriques, concentriques et coaxiales, pourvu que la zone de réaction, pour la mise en oeuvre du présent procédé, limite le réactif à un courant, dont la section transversale possède un axe ne dépassant pas 2,54mm et mme inférieur de préférence à cette valeur, et compris par exemple entre 0,203 mm et 1,78 mm.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, on met en oeuvre l'invention dans un appareil unitaire comprenant une zone annulaire allongée, que l'on utilise, comme un canal, pour les opérations suc cessives comprenant le préchauffage de la matière de charge, sa conversion et l'extinction du produit de réaction ; en ce qui concerne en particulier un tel mode de réalisation, on utilise un nouvel appareil, comme on l'expliquera plus complètement un peu plus loin en décrivant l'appareil de la fig. 1, permettant d'utiliser un mélange gazeux combustible pour fournir le flux thermique nécessaire dans la portion de conversion de la zone annulaire par un échange indirect de chaleur ;
un élément oxydant du mélange gazeux combustible est utilisé, avant la combustion et à une température d'entrée sensiblement inférieure à la température de combustion du gaz combustible, pour éteinre le produit de réaction, à une température d'extinction appropriée, par un échange indirect de chaleur dans une portion d'extinction de ladite zone annulaire ; ainsi, l'élément oxydant est chauffé jusqu'à la température de combustion, et la combustion, qui se produit ensuite, du mélange gazeux com bustible, après avoir dégagé de la chaleur dans la zone de conversion, effectue aussi un préchauffage de la matière de charge, qui est passée dans une portion de préchauffage de l'espace annulaire ;
les gaz complètement brûlés cèdent, par un échange indirect, une quantité appréciable de chaleur à la matière se trouvant dans ladite portion de préchauffage.
En ce qui concerne le dispositif fournissant le flux thermique nécessaire par un transfert de chaleur à travers l'une au moins des parois définissant la zone de conversion, comme on l'a expliqué, on peut utiliser l'un quelconque de plusieurs types de dispo- si, tifs de chauffage, en tenant compte que ces différents types conviennent plus ou moins à l'appareil particulier dans lequel s'effectue la réaction désirée.
Ainsi, on peut utiliser, pour la mise en oeuvre prati- que de l'invention, les fours brûlant des combustibles (combustibles liquides ou combustibles gazeux dans de l'air, de l'oxygène, etc.), pour fournir la chaleur indispensable par conversion et/ou par rayonnement, les bobines de chauffage par induction, les réchauffeurs électriques à résistance, les réacteurs nucléaires et bien d'autres dispositifs.
Pour exécuter les réactions envisagées comme ap plication de l'invention, comme par exemple les réactions basées sur la pyrolyse des hydrocarbures, il est désirable, dans certains cas, d'utiliser un gaz d'entraî- nement avec la matière de charge. Ainsi, il est recommandé d'utiliser dans certains cas un gaz, par exemple de la vapeur d'eau, car sa présence peut contribuer à maintenir des vitesses élevées, à réduire la formation du coke, qui pourrait avoir tendance à se déposer sur les parois internes de la zone de réac tion. et aussi à diminuer les pressions partielles des hydrocarbures ; on augmente ainsi considérablement la production des produits désirés non saturés.
Bien que la vapeur d'eau constitue le gaz préféré d'entraî- nement, parce qu'elle supprime par une réaction entre l'eau et le gaz des dépôts de coke, qui se forment dans certains cas, et parce qu'il est facile de la séparer du produit final, on peut cependant utiliser d'au tres gaz, comme l'hydrogène, l'azote, etc., pour contribuer à maintenir des vitesses élevées et à abaisser la pression partielle de la charge d'hydrocarbure ; cependant, à ce point de vue, il faut tenir compte des conditions imposées par la nécessité de séparer ces gaz d'entraînement des produits désirés de la réaction.
Pour continuer à expliquer l'invention on va se référer maintenant au dessin, sur lequel on a représenté plusieurs modes de réalisation de l'appareil étudié pour la mise en oeuvre des procédés exposés plus haut.
Sur le dessin :
la fig. 1 représente en élévation, avec coupe partielle, un appareil de réaction étudié pour mettre en oeuvre le procédé de la présente invention ;
la fig. 2 représente en perspective les éléments d'un réacteur destiné à mettre en oeuvre le procédé de l'invention ;
la fig. 3 représente en élévation, avec une coupe partielle, un autre mode de réalisation du réacteur conforme à l'invention.
Les fig. 2 et 3 représentent des modes de réalisation qui permettent de mettre en oeuvre le procédé de conversion thermique conforme à l'invention, quand ils sont conçus de manière que le réactif, introduit dans la zone de conversion, soit limité à un courant dont le petit axe de la section transversale ne dépasse pas en moyenne 2,54 mm. Dans le cas de l'appareil de la fig. 2, la charge d'alimentation du réacteur subit un préchauffage au moyen d'un dispo- sitif séparé du réacteur ; l'extinction du produit de conversion sortant de la zone de. réaction s'effectue aussi au moyen d'un dispositif séparé.
De mme, dans l'appareil de la fig. 3, le préchauffage principal de la matière d'alimentation est généralement exécuté par un dispositif extérieur, et c'est également le cas pour l'extinction du produit de conversion. Cepen- dant, l'appareil représenté sur la fig. 1 est un appareil unitaire, qui comprend une nouvelle combinaison et de nouvelles dispositions des éléments, de manière à exécuter le préchauffage de la matière d'alimentation, à effectuer la conversion et à éteindre le produit converti dans un seul appareil.
Quand l'appareil de la fig. 1 est conçu de façon que la matière à con vertir soit limitée, dans la zone de réaction, à un courant dont le petit axe de la coupe transversale ne dépasse pas en moyenne 2,54 mm, cet appareil constitue un moyen extrmement efficace pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention en un temps très court, dont l'ordre de grandeur a été indiqué précé- demment. Cependant, l'appareil de la fig. 1 est destiné à exécuter des réactions de conversion thermique e dans un domaine plus étendu que celui propre au procédé défini précédemment.
Par exemple, comme on le verra au cours de la description qui va suivre de l'appareil de la fig. 1, cet appareil convient par faitement pour exécuter des conversions thermiques avec des séjours du réactif plus longs que ceux déjà indiqués ; dans ce cas, on peut concevoir l'appareil de la fig. 1 de façon que le réactif, passant dans la zone de conversion, ne soit pas limité à un courant possédant, en coupe transversale, un axe dont la valeur moyenne ne dépasse pas environ 2,54 mm, mais que la section du courant du réactif possède au contraire un axe beaucoup plus grand.
Ainsi, l'appareil représenté sur la fig. 1 permet d'exécuter des réactions de conversion thermique dans un domaine plus général que celui du procédé défini ci-dessus ; dans ce domaine général, l'appareil unitaire de la fig. 1 permet de chauffer au préalable, de convertir et d'éteinre une matière qu'il s'agit de convertir par la choeur, et cela dans des conditions thermiques de grande efficacité.
Dans la description plus détaillée qui va suivre de l'appareil de la fig. 1, on a insisté en particulier sur l'emploi de cet appareil pour exécuter des conversions thermiques en un temps relativement court ; cependant, puisque cet appareil est capable d'exécuter d'une manière générale toutes les conversions thermiques, on peut l'étudier de manière à limiter le courant du réactif, dans la zone de réaction, à une section transversale dont le diamètre peut varier jusqu'à l'une quelconque d'un grand nombre de valeurs relativement grandes, pourvu que la conversion thermique désirée soit effectuée, tout en réalisant un appareil capable d'effectuer des réactions thermiques de conversion dans des conditions thermiques de grande efficacité, par préchauffage de la chazge, conversion de celle-ci, et extinction du produit de conversion.
En outre, un appareil unitaire, tel que celui représenté sur la fig. 1, permet d'exécuter des conversions thermiques, en investissant des capitaux sensiblement réduits pour l'équipement, car cet appareil réduit notablement ou supprime la nécessité de dispositifs séparés pour effectuer le préchauf- fage du réactif, pour atteinre la température nécessaire de conversion et pour étendre le produit de conversion. D'autre part, un tel appareil supprime le besoin d'introduire dans le produit de conversion un agent d'extinction, qui non seulement peut contaminer le produit de conversion, mais exige aussi un équipement important et coûteux pour séparer cet agent d'extinction du produit désiré de conversion.
Ces avantages, fournis par un appareil tel que celui représenté sur la fig. 1, résultent de la combinaison et de la disposition des éléments que l'on va décrire un peu plus loin ; grâce à cette combinaison et à cette disposition, dans un appareil unitaire, le produit de conversion est éteint par un mélange indirect de chaleur avec un gaz oxydant ; ainsi, le gaz oxydant est porté à la température de combustion et le mélange de ce gaz oxydant avec un gaz combustible brûle en fournissant par un échange indirect de chaleur le flux thermique nécessaire pour la conversion thermique.
On utilise ensuite une quantité sensible de chaleur, fournie par le mélange en combustion, pour exécuter le préchauffage de la charge par un échange indirect de chaleur.
Si on se réfère au dessin, on voit sur la fig. 1, un réacteur comportant une enveloppe métallique exté rieure 1, allongée verticalement et sensiblement cylindrique, et une enveloppe métallique intérieure 2,
allongée verticalement et sensiblement cylindrique, qui est coaxiale à l'enveloppe 1 ; l'enveloppe 2 possède un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 1 ; ainsi, un espace annulaire D est formé entre la paroi extérieure de l'enve loppe 2 et la paroi intérieure de l'enveloppe 1. L'enveloppe extérieure 1 repose à sa base sur une collerette de support 3 à laquelle elle est fixée, au moyen de boulons 4 ;
ces boulons, quand ils ont été serrés, compriment un joint 5, de façon à former un joint d'étanchéité entre l'enveloppe 1 et la collerette de support 3. Cette collerette 3 comporte une ouverture taraudée appropriée 6, qui peut recevoir un conduit d'entrée Noté 7, de manière à le faire communiquer avec une chambre 3 d'entrée de la charge ; cette chambre est formée par la collerette de support 3 et la collerette 9. La collerette 9 sert aussi à suppor- ter l'enveloppe intérieure 2 à sa base ; un joint 10 est disposé entre la collerette 9 et la base de l'enve loppe 2, de façon à réaliser l'étanchéité entre cette collerette et cette base.
Au moyen d'une bague taraudée 11, qui est vissée sur le filetage de la collerette 9, on peut comprimer un joint 12 et réaliser ainsi l'étan chéité de la chambre d'entrée 8. La collerette 9 ayant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 1 et de la collerette 3, la chambre d'entrée 8 communique avec l'espace annulaire D.
La collerette 9 comporte une ouverture centrale ap propriée constituant un conduit 13 de sortie du gaz ; comme on l'expliquera plus loin, ce conduit 13 sert à décharger les gaz de combustion en dehors du réacteur.
A la partie supérieure de l'enveloppe extérieure 1, on dispose un joint 14 entre l'extrémité supérieure de l'enveloppe 1 et une collerette 15 ; cette collerette est boulonnée sur l'enveloppe 1 au moyen de boulons 21 ; ainsi, le joint 14 est comprimé et réalise l'étan chéité entre l'enveloppe 1 et la collerette 15. Une ouverture appropriée taraudée est prévue dans la colle rette 15 pour recevoir un conduit fileté 16, destiné à la décharge du produit et communiquant largement avec la chambre 17 de décharge du produit.
Cette chambre 17 est formée par les parois de la collerette 15 et de la collerette 18, cette dernière fermant l'extrémité supérieure dju réacteur et possédant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 1 ; l'espace annulaire D est ainsi en com munication avec la chambre 17. Pour rendre étanche la chambre 17 et pour permettre des dilatations ther miques différentielles, on utilise un presse-étoupe 19, qui comprime une garniture de presse-étoupe 20 au moyen de goujons 20a vissés dans la collerette 15.
Ainsi, la matière chargée par le conduit d'entrée 7 est obligée de passer dans la chambre d'entrée 8, dans l'espace annulaire D, dans la chambre 17, et de se décharger ensuite par le conduit de sortie 16.
Dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 1, le réacteur est divis. en hauteur en une zone de préchauffage A-A', une zone de conversion A'-B, une zone de mélange de combustible et de combustion initiale B-B', et une zone B'-C d'extinction du produit de la réaction. A l'intérieur du réacteur et sensiblement sur la hauteur de la section d'extinction
B'-C, se trouve une enveloppe métallique 25, sensiblement cylindrique et concentrique à l'enveloppe métallique 2. La partie inférieure et la partie supérieure de l'enveloppe 25, à sa périphérie extérieure, en 25a et 25b, ont des dimensions telles qu'elles butent for tement contre la paroi interne de l'enveloppe 2, en réalisant ainsi avec celle-ci un joint étanche aux gaz.
Entre la partie supérieure et la partie inférieure étanches de l'enveloppe 25, la paroi extérieure de celle-ci est creusée de façon à former un espace annulaire fermé E, entre l'enveloppe 22 et l'enveloppe 25. Cet espace annulaire est muni d'un orifice d'entrée 26 (ou de plusieurs orifices non représentés) et d'un ori- fice 27 de sortie des gaz (ou de plusieurs orifices non représentés), respectivement à la partie supérieure et à la partie inférieure de l'enveloppe 25. Cet espace annulaire fermé E communique avec une chambre 28 par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée 26 du gaz, et communique d'autre part avec une zone M de mélange de gaz par l'intermédiaire de l'orifice 27.
Ainsi, un gaz oxydant (par exemple de l'air de combustion ou un mélange d'air et de gaz de fumée), introduit par le conduit 22, est obligé de passer dans la chambre 28, puis dans l'espace annulaire E p, ar l'intermé- di, aire de l'orifice 26, et de sortir de l'espace E par l'orifice 27 pour pénétrer dans la zone de mélange M.
Un conduit fileté 30 s'étend à travers une ouverture appropriée de l'extrémité supérieure du réacteur, c'est-à-dire de l'extrémité supérieure de la collerette 18 ; ce conduit 30 est vissé dans un taraudage de la collerette 18 ; il communique avec un conduit 31, qui s'étend vers le bas et comporte une extrémité inférie. ure filetée vissée dans un distributeur taraudé de gaz 32 ; ce distributeur 32 est fixé rigidement par des soudures 33 sur l'enveloppe 25 et sépare herméti quement la chambre 28 de la zone de mélange M.
Dans le distributeur de gaz 32 sont formés plusieurs orifices 34, qui permettent à un gaz combustible, introduit dans le conduit 30 et suivant le conduit 31, de pénétrer dans la zone de mélange M. Ces orifices 34 sont disposés de façon à diriger le gaz combusti- ble, sortant de ces orifices, suivant une direction tangentille dans le courant de gaz sortant de l'orifice 27 ; ainsi, on obtient dans la zone M un mélange uniforme de gaz.
Pour séparer plus hermétiquement la chambre 28 de la zone annulaire D et pour contribuer à supporter l'assemblage, on fixe la collerette 18, au moyen d'écrous 36, sur une bague 35 munie de goujons et vissée dans l'enveloppe 2. Un joint d'étanchéité 42 réalise l'étanchéité désirée, quand il a été comprimé entre la collerette 18 et l'enveloppe 2 au moyen des écrous de serrage 36. Une matière réfractaire appropriée 40 (par exemple de la mullite) est aussi disposée à l'intérieur du réacteur, sous la forme d'un cylindre plein, dont le diamètre est plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 2 et qui est disposé concentriquement à l'enveloppe 2 ; ainsi, un espace annulaire F est formé entre le cylindre réfractaire 40 et l'enveloppe 2.
On utilise un bouchon de centrage 36, réfractaire et pris dans la masse du cylindre 40, pour maintenir celui-ci en position ; une cavité ap propriée de centrage 43 est formée à cet effet dans le distributeur de gaz 32 pour recevoir ce bouchon.
Le cylindre réfractaire 40 s'étend vers le haut dans le réacteur jusqu'à une hauteur définissant la base de la zone M de mélange des gaz.
A sa partie inférieure, le cylindre réfractaire 40 comporte un prolongement central de centrage 45, qui s'ajuste dans une cavité de réception 44 formée dans un organe 46 ; cet organe 46 est fermé à sa par tie supérieure et ouvert à sa partie inférieure, de fa çon à former une chambre 41 en communication avec le conduit 13 de décharge des gaz de combustion.
Comme on le voit, le diamètre extérieur de l'organe 46 est plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 2 ; ainsi, un espace annulaire, coaxial par rapport à l'enveloppe 2, est formé entre cette enve loppe et l'organe 46 ; cet espace annulaire prolonge l'espace annulaire F. Comme on le voit, la base de e l'organe 46 possède, à sa périphérie extérieure 46a, un diamètre extérieur tel qu'elle s'applique contre la paroi interne de l'enveloppe 2 ; en combinaison avec une bague fendue 47, la compression produite par les goujons de serrage 48 réalise l'étanchéité par l'in. ter- médiaire d'un joint d'étanchéité 10, de façon à séparer hermétiquement la chambre 41 de l'anneau D et de la chambre 8.
L'organe 46 comporte un orifice 49 (ou plusieurs orifices non représentés), qui établit la communication de l'espace annulaire F avec la chambre 41 ; ainsi, un mélange de gaz venant de la zone M passe dans l'espace annulaire F, puis dans la chambre 41 par l'orifice 49 et enfin sort du réactour par le conduit de sortie 13.
Dans l'appareil de la fig. 1, le réactif d'alimen- tation es. t introduit par le conduit 7 dans la chambre 8, d'où il monte à travers la partie A-A' de pré- chauffage de l'espace annulaire D, pénètre dans la partie A-B de conversion de l'espace annulaire D, puis dans la partie d'extinction B'-C, à partir de la quelle le produit éteint de réaction passe dans la chambre 17 et sort du réacteur par le conduit 16.
Un agent oxydant (par exemple de l'air ou un mélange d'air et de gaz de fumée, etc.) est introduit par le conduit 22 dans la chambre 28, à partir de laquelle l'air passe par l'orifice 26 dans l'espace annulaire E, puis descend à travers celui-ci et traverse l'orifice 27 pour pénétrer dans la zone M de mélange de gaz. Un gaz combustible est introduit par le conduit 30, traverse le conduit 31, puis les orifices 34, pour pénétrer dans la zone M ; dans cette zone, l'air venant de l'orifice 27 et le gaz venant des orifices 34 se mélangent et subissent une combustion initiale
dans la zone M', puis une combustion complète en
passant à travers l'espace annulaire F ; ensuite, le
mélange gazeux brûlé entre dans la chambre 41 par
l'orifice 49, puis se décharge en dehors du réacteur
par le conduit 13.
Dans l'appareil de la fig. 1, l'air arrive par le
conduit 22 et le gaz combustible arrive par le con
duit 30, à une température inférieure à la tempéra
ture de combustion et avec des proportions voulues
pour fournir un mélange combustible approprié. L'air
relativement froid, qui passe par l'orifice 26 dans
l'espace annulaire E, est chauffé en absorbant la cha
leur passant à travers l'enveloppe 2, à partir du pro
duit chaud de réaction, qui se trouve dans l'anneau D
et . traverse la zone d'extinction B'-C en venant de la
zone de conversion A'-B de l'anneau D ; il en résulte
une extinction du produit de réaction, quand celui-ci
avance vers le haut à travers la zone d'extinction.
L'air chauffé résultant, qui sort par l'orifice 27 pour
pénétrer dans la zone de mélange M, se mélange dans
celle-ci avec le gaz combustible sortant par les orifices
34. La température de l'air sortant par l'orifice 27
ayant été élevée, par échange indirect de chaleur à travers la paroi de l'enveloppe 2, jusqu'à une valeur suffisante pour déclencher la combustion du mélange
gaz-air, la combustion commence dans la zone M', et le mélange de combustion, entrant dans l'espace
annulaire F, subit dans cet espace une combustion complète, de façon à fournir le flux thermique né
cessaire, à travers l'enveloppe 2, dans la zone de réaction de l'espace annulaire D.
Pondant que les gaz de combustion descendent à travers l'espace annulaire F, de la chaleur est également fournie, par un échange indirect, à la charge montant à travers la zone de préchauffage A-A de l'anneau D ; à ce moment, le mélange gazeux complètement brûlé passe par l'orifice 49 dans la chambre 41 et sort du réac teur par le conduit 13.
. Dans cette opération, le mélange combustible d'air et de gaz est complètement brûlé un instant seu lement après qu'il a pénétré à partir de la zone M' dans l'espace annulaire F, par suite de la combustion superficieBe ; cette opération est exécutée en utilisant un excès d'air ou du mélange d'air et de gaz de fu mée, pour commander la température maxima de combustion et pour réaliser un équilibre sensible d'échange de chaleur entre le produit de réaction et l'air ou le mélange d'air et de gaz de fumée dans la section d'extinction du réacteur, ainsi qu'entre le mélange de gaz brûlés et la matière de charge dans la zone de préchafuffage.
On a utilisé un appareil analogue à celui de la a fig. 1 pour effectuer la conversion thermique d'une essence légère de pétrole en un produit de réaction comprenant de l'éthylène, les détails de réalisation de cet appareil et les conditions appropriées, ayant permis d'obtenir une tel. le conversion avec cet appa reil, sont indiqués ci-dessous.
Réacteur :
Hauteur verticale de la zone de préchauffage A-A'= 40 cm
Hauteur verticale de la zone de conversion
A'-B = 30,48 cm
Hauteur verticale de la zone d'extinction
B'-C = 20,32 cm
Hauteur verticale de la zone de mélange
B-B'= 6,35 cm
Largeur de l'anneau D = 0, 48 mm à 0, 78 mm
Largeur de l'anneau E = 0, 9 mm à 1,22 mm
Largeur de l'anneau F = 1, 62 mm à 2,66 mm
Epaisseur des parois 1 et 2 = 6,35 mm
Diamètre extérieur de l'enveloppe 1 = 20, 63 cm
Matériaux de construction :
Cylindre réfractaire 40 : en Mullite ;
coefficient de dilatation entre 380C et 538oC = 3, 24 X 10-6 ; coefficient de dilatation entre 38o C et 1370o C = 6, 12 X 10-e ;
Enveloppe 1 et enveloppe 2 : alliage HI (alliage à haute teneur en chrome et nickel) ; coefficient de dilatation ertre 380 C et 5380 C = 17,62 X 10-6 ; coefficient de dilatation entre 380 C et 10950 C = 19,44 X 10-';.
Matières de charge : a) par le conduit 7 : 44,16 kg/h (essence légère de
pétrole, dont le point de fin de distillation est
1380 C et qui contient en poids s 20 ego vapeur)
à 2040 C ; b) par le conduit 22 : 128,19 kg/h, à 380 C, d'un
mélange d'air et de gaz de fumée (rapport en vo
lume égal, à 1) ; c) par le conduit 30 : 3,3 kg/h de gaz combustible
à 380 C.
Température du gaz dans le réacteur :
dans la zone de préchauffage de l'anneau D :
en A : 2040 C
en A' : 704 C
dans la zone de conversion de l'anneau :
en A' : 7040 C
en B : 9270 C
dans la. zone d'extinction de l'anneau D :
en B': 9270 C
en C : 4820 C
dans l'anneau F et dans l'anneau E :
en A : 5380 C
en A': 9660 C
en B : 1538 C
en B': 4820 C
en C : 380 C
Vitesse du gaz :
dans l'anneau :
en A : 20,11 m/sec.
en A': 36 m/sec.
en B-B' : 99,36 m/sec.
en C :
58,82 m/sec.
dans les anneaux F et :
en A : 85,95 m/sec.
en A': 84, 73 m/sec.
en B : 97, 53 m/sec.
en B' : 90, 22 m/sec.
en C : 46, 63 m/sec.
Flux de chaleur pénétrant dans l'anneau D par chauf
fage indirect à travers l'enveloppe 2 :
en A : 705 th/h/dm9
en A': 610th/h/dm2
en B. 1817th, h/dm2
en B': 1410 th/h/dme
en C : 1017th/h/dm
Temps de séjour dans la zone de conversion A'-B de l'anneau D = 0,0045 sec. Décharge du produit par le conduit 16 = 44, 16 kg/h à 4820 C ; conversion totale de 93 /o, avec environ 43 o/e d'éthy- lène. Décharge des gaz brûlés par le conduit 13 -131, 5 kg/h à 5380 C.
On a représenté en perspective sur la fig. 2 un autre réacteur conforme à l'invention ; ce réacteur comprend une plaque métaNique rectanguilaifc 50, biseautée sur ses bords 51, et une plaque métallique correspondante 52, également biseautée sur ses bords 53 ; en appliquant l'une sur l'autre ces deux plaques métalliques et en les soudant ensemble sur les parties biseautées, on forme un réacteur, qui comporte une zone de réaction 54 ; cette zone de réaction se présente sous la forme d'une cavité formée dans la pla- que 52 et communiquant avec une ouverture d'entrée 55, par laquelle on charge dans la zone de réaction 54 la matière à convertir, et avec une ouverture de sortie 56, servant à décharger à partir de la zone de réaction le produit de conversion.
En utilisant un dispositif approprié, par exemple un conduit (non représenté), on relie l'ouverture d'entrée 55 à une source de matière de charge et on relie de mme d'une manière appropriée l'ouverture de sortie 56 à un conduit ou à un autre dispositif approprié, pour faire passer le produit déchargé dans un réservoir d'emmagasinage ou dans un dispositif approprié servan, à éteinre le produit déchargé. Dans un tel mode de réalisation, pour lequel le flux thermique néces saire pénétrant dans la zone de réaction 54 est fourni commodément au moyen d'une bobine de chauffage par induction, de manière à chauffer les plaques 50, 52, la zone de réaction 54 est limitée à une dimen sion ne dépassant pas en moyenne 2,54 mm entre ces deux plaques.
Le tableau suivant 1 indique certaines données obtenues par plusieurs essais, dans le cas où on utilise un appareil analogue à celui représenté sur la fig. 2 et possédant les dimensions indiquées ci-dessous ; dans ces essais, on utilise des hydrocarbures de charge de différents types ; le tableau 1 indique aussi les productions obtenues dans les conditions indiquées.
Dimensions des plaques 50 et 52
= 8,25 cm X 5, 08 cm X 1,9 cm
Dimensions de l'entrée 55 et de la sortie 56 (fente)
= 3,17mm
Zone de réaction 54 :
longueur totale 3,71 cm
largeur maxima 2,54 cm
profondeur moyenne 0,25 mm
Matière de construction : acier inoxydable 310 ou
graphite.
Dans les essais, dont les données sont indiquées dans le, tableau I, on a utilisé un réacteur en graphite pour les essais effectués à des températures supé rieures à 1095 C et un réacteur en acier inoxydable pour les autres essais. On a effectué les essais avec la matière d'alimentation indiquée pour chacun de ceuxci, à l'exception du dernier essai dans lequel la charge était une essence légère de pétrole, dont le point de fin de distillation était 138"C, et de la vapeur d'eau dont le rapport en poids était de 1,4 par rapport à l'essence de pétrole.
Tableau I à la page 8
On a représenté sur la fig. 3 un réacteur annulaire chauffé par induction, dans lequel une enveloppe extérieure cylindrique en métal 60 est disposée dans une position coaxiale par rapport à un noyau cylindrique 61, dont le diamètre extérieur est plus petit que le diamètre intérieur de l'enveloppe 60 ; on forme ainsi entre l'enveloppe 60 et le noyau 61 un espace annulaire, dont la largeur appropriée moyenne ne dépasse pas 2,54 mm entre la paroi interne de l'enveloppe 60 et la paroi externe du noyau 61. Un chapeau de fermeture 62 taraudé se visse sur le filetage 63 de l'enveloppe 60, de façon à former une chambre d'entrée 64, dans laquelle on charge par le conduit d'entrée 65 la matière d'alimentation du réacteur.
Dans la partie extrme opposée de l'enve loppe 60, un chapeau de fermeture taraudé 66 est vissé sur le filetage 67 de l'enveloppe 60, de façon à former une chambre 68 de décharge du produit final ; les produits de conversion venant de cette chambre sortent du réacteur par le conduit de décharge 69. Pour mettre on place et maintenir en position le noyau 61 par rapport à l'enveloppe 60, on utilise, comme on le voit sur le dessin, plusieurs ord'écartement 70 et plusieurs points de soudure 71. Une bobine de chauffage à induction 72 est disposée d'une manière appropriée pour fournir le flux thermique nécessaire dans la zone de conversion de l'espace annulaire compris entre l'enveloppe 60 et le noyau 61.
Pour utiliser l'appareil de la fig. 3, on fait arri- ver par le conduit d'entrée 65 dans la chambre 64 la matière de charge, qu'il s'agit de convertir et qui a subi de préférence un préchauffage ; à partir de cette chambre, la matière de charge passe à travers l'espace annulaire compris entre l'enveloppe 60 et le noyau 61, puis arrive dans la chambre 68 de ré Tableau 1
Charge Taux Température Température Flux de chaleur Pression Conversion Produits déchargés par la sortie 56 (pourcentage en poids) par l'entrée 55 d'alimentation de charge de la zone en th/dm2/h partielle totaleen /o en kg/h en oC de réaction danslazone enatm.
H2 CH4 CSH4 CsH] CslHg C2Hg C4+ C4H6 C4Hs en oC de réaction 54
Propane 0, 362 427 1427 5500 1,0 98 6,1 34 5 45 6 0,0 2 0,181 427 954 2700 1,0 92,7 3,1 21,4 47,4 5 10 3,0 0,181 427 1093 2980 1, 0 98 4,1 29,8 43,6 11,0 2 0,4
Méthane 0,135 593 1682 4870 1,0 85 46 54 +coke
Ethane 0,298 427 1188 1460 1,0 99 12, 6 22,2 40,4 21 0,7 0, 7 1,7 0,298 427 1093 1090 1, 0 97 6,5 10,6 64, 0 6,2 1,2 7,9 2,9
Ethylène* 0,271 427 1021 1090 1,0 15, 5 1,9 15-46 7,5--30
Essence légère 0, 362 260 843 1460 1,0 84 1,2 11,2 36 0,7 15,8 3,0 9,0 8,2 de pétrole 0,226 427 1121 1350 1,0 92 5,9 24,2 33 26 1,9 0,0 5,7 0 (60"C-138"C) 0,226 427 1177 1350 1,0 93 9,7 25,0 16,6 41 1,1 0,0 7,7 0
Essence légère 0,226 260 954 2020 0,2 91 3,5 13,3 41,7 3,1 11,7 2,8 15,0** 4,8 3,3 depétrole (essence)
Ethylène recyclé jusqu'à extinction Comprend 9 /o de C-et 6"/o de carbone sous la forme de CO et de C02 caption du produit final et enfin sort du réacteur par le conduit de décharge 69. Si on utilise cet appa reil pour effectuer la conversion thermique d'une es sence légère de pétrole en un mélange contenant comme élément prédominant de l'éthylène, on peut utiliser comme enveloppe 60 un tube métallique (par exemple en un alliage à haute teneur en chrome et nickel), dont le diamètre extérieur est de 25,4 mm, le diamètre intérieur de 12,7 mm environ et la lon gueur d'enviro, n 81, 28 cm ;
le noyau 61 peut tre en une matière réfractaire ou en un métal (par exemple en un alliage à haute teneur en chrome et nickel) et ses dimensions peuvent tre telles que l'espace annulaire compris. entre l'enveloppe 60 et le noyau 61 possède une largeur d'environ 0,635 mm. La bobine de chauffage à induction 72 doit avoir un pouvoir de chauffage suffisant pour fournir le flux thermique nécessaire dans l'espace annulaire, par un échange indirect de chaleur, tout en maintenant la zone de réaction de l'espace annulaire à une température d'environ 927O C ; on fait arriver par le conduit d'entrée 65 une charge à 204 C de 2,31 kg d'essence légère de pétrole et de 0,588 kg de vapeur d'eau à l'heure ;
cette charge subit un nouveau préchauffage, en mme temps que la conversion, en passant à travers la partie X-X'de l'espace annulaire, cette partie ayant une longueur approximative de 33 cm dans le mode de réalisation considéré ; en continuant à passer à tra- vers l'espace annulaire, le produit de conversion subit une extinction dans la zone Y-Y' (d'une longueur approximative de 35, 54 cm) et se décharge en dehors du réacteur par le conduit de sortie 69.
Comme on le voit d'après les données indiquées plus haut, et en particulier d'après le tableau I, la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention permet d'obtenir des conversions thermiques à taux très élevé des matières d'alimentation, comme par exemple des hydrocarbures saturés, en vue de produire des mélanges contenant une Quantité relativement im- portante d'une composition désirée non saturée dont la nature dépend des conditions particulières utilisées, que l'on choisit précisément pour obtenir ladite composition désirée.
Ainsi, dans le cas par exemple de la conversion thermique du propane, on peut obtenir des conversions totales dépassant 90 < /o, suivant les conditions de la mise en oeuvre de l'invention, des productions pouvant atteinre jusqu'à 45'D/o en poids d'acétylène, ou 47,4 o/o en poids d'éthylène, ou en core une production totale d'éthylène et d'acétylène pouvant atteindre 54 c/o.
De mme, on peut obtenir à partir de l'éthane des conversions totales de l'ordre de 97 /o et 99-0/9 comme on le voit sur le tableau I, avec des pourcentages en poids d'éthylène atteignant 40,4 et 64, la production additionnelle d'acétylène pouvant atteinre 21 /e en poids dans le cas d'une production d'éthylène de 40,4 /o en poids.
En mettant en oeuvre l'invention, comme on vient de l'expliquer, et comme on l'a montré à titre d'exem ple dans le cas de la conversion thermique d'une essence légère de pétrole en vue d'une production maxima d'éthylène, considéré comme le produit le plus intéressant, on peut, conformément à une caracéristique importante de l'invention, non seulement obtenir un taux élevé de conversion en oléfines, mais aussi, pour les taux élevés de la conversion totale (atteignant par exemple et mme dépassant 500/o en poids) en oléfines, obtenir un pourcentage en poids du produit converti le plus intéressant (par exemple de l'éthylène) pouvant atteindre environ 34 < Vo,
quand la conversion totale en oléfines est de l'ordre d'envi- ron 52 ouzo ; la proportion relativement élevée de l'éthylène, par rapport au total des oléfines, est obtenue, mme quand la conversion totale en oléfines augmente jusqu'à des valeurs très supérieures à 50 9/n en poids.
Cette production relativement élevée de l'oléfine désirée (par exemple de l'éthylène), pour des valeurs exceptionnellement élevées du pourcen- tage en poids de conversion de l'ensemble des oléfines par un procédé de conversion thermique, tel que le procédé conforme à l'invention, constitue une amé lioration nette par rapport à certains autres procédés connus de conversion thermique, qui étaient utilisés par exemple pour convertir des hydrocarbures saturés en hydrocarbures non saturés, et qui fournissent gé néralement, dans le cas où on désire par exemple produire de l'éthylène à partir d'une essence légère de pétrole, une production proportionnelle réduite d'éthylène.
par rapport à la production totale des oléfines, quand cette production totale augmente, et en particulier quand elle dépasse 40 9/o à 50 11/o en poids par rapport à la charge. Parmi ces autres procédés connus, on peut citer les procédés du type à serpentin de vapeur, ceux utilisant des convertisseurs à couche mobile (par exemple les réchauffeurs de cail- loux), les procédés de combustion partielle, les pro- cédés à couche fluidifiée inerte, etc.
Au co, urs de l, a descripdon précédente des modes de réalisation, choisis à titre d'exemples, certaines s conditions ont été indiquées pour la mise en oeuvre de l'invention ; cependant, on peut utiliser d'autres conditions, par exemple celles indiquées dans le tableau suivant, quand on veut par exemple convertir des hydrocarbures plus saturés en hydrocarbures moins saturés ; ces conditions sont incluses aussi dans le domaine de l'invention. Dans ce tableau, les valeurs indiquées dans la colonne 1 s'appliquent à des réactions s'effectuant à des températures extrmement élevées, tandis que les valeurs indiquées dans la colonne II s'appliquent à des réactions exigeant des températures situées dans la partie basse de la marge des températures concernant l'invention.
Dans le cas des réactions exigeant des températures supérieures à environ 650ç) C et inférieures à 22000 C, on peut uti- liser des valeurs appropriées intermédiaires comprises dans les marges indiquées pour chacune des conditions du tableau.
i n
Largeur de la zone de réaction 0, 025 mm à 2, 54 mm
Température de la zone de conversion en oC 2200 à 650
Longueur de la zone de conversion en cm 5, 00 à 91, 44 cm
Temps de séjour dans la zone de conversion
en secondes 0,0001 à 0, 01
Flux de chaleur dans la zone de conversion* 5420 à 542 th/h ! dmi 'En th/hldmf par rapport à la surface intérieure à travers laquelle passe la chaleur
Dans la description précédente de l'invention, et dans le mode de réalisation décrit en se référant à l'appareil de la fig.
1, l'extinction du produit de conversion s'effectue dans cet appareil unitaire par un échange indirect de chaleur avec le gaz oxydant (par exemple de l'air). Dans le mode de réalisation décrit en considérant l'appareil de la fig. 3, l'extinction peut tre effectuée complètement ou partiellement dans l'espace annulaire, au-delà de la zone de conversion de celui-ci, à travers laquelle le produit de réaction passe avant d'tre déchargé en dehors du réacteur ;
dans ce cas, aussi bien que dans les autres modes de réalisation, où la réaction de conversion s'effectue conformément à l'invention, le produit de réaction peut tre soumis à l'extinction par d'autres procédés appropriés, en vue d'effectuer une extinction rapide en abaissant la température du produit jusqu'à une valeur pour laquelle la réaction des éléments du mélange obtenu est considérablement réduite ou mme complètement supprimée. Ainsi, par exemple dans le cas des modes de réalisation représentés sur les fig.
2 et 3, cette extinction peut tre réalisée en recyclant du mélange, à une température sensiblement plus basse, dans le mélange sortant du réacteur, ou en utilisant des procédés connus de pulvérisation d'eau, des procédés d'extinction par l'huile, des ser- pentins de refroidissement, etc.
En ce qui concerne les appareils conformes à l'invention, les matériaux de construction utilisés pour ces appareils, et en particulier pour les structures définissant la zone de réaction, on peut dire que les matières de construction doivent posséder, pour la a température particulière et l'atmosphère de conversion auxquelles ces matières sont exposées, une combinaison appropriée d'une grande stabilité dimension nelle, d'un faible coefficient de dilatation et d'une bonne conductivité thermique.
Des matériaux, autres que ceux indiqués précédemment en décrivant les modes de réalisation pouvant convenir pour la mise en oeuvre de l'invention, peuvent tre utilisés, sui vant le processus particulier à exécuter dans les appareils, comme par exemple le graphite, l'alumine fondue, le graphite à revtement métallique (par exemple en silicium, tantale, zirconium, titane, tungstène, hafnium, molybdène), etc.
Le procédé de conversion conforme à l'invention peut tre utilisé dans une marge plutôt étendue de pression (partielle), par exemple entre une pression inférieure à] la pression atmosphérique jusqu'à une pression pouvant atteindre 4,9 kg/cm2, bien que le procédé ne soit pas limité à ce point de vue.