FR2651689A1 - Reacteur d'oxydation a differentiel de perte de charge et son utilisation. - Google Patents

Abstract

Réacteur (R) d'oxydation de forme allongée comprenant en combinaison: - un organe de mélange (3) comportant des moyens d'alimentation (2) en gaz oxydant et des moyens d'alimentation (1) en charge oxydable - un organe de réaction (4) faisant suite audit organe de mélange, et - un organe d'évacuation (5) et conduit d'évacuation (11) des produits réactionnels dans lequel l'organe de réaction (4) comprend une zone centrale comportant un premier garnissage et au moins une zone périphérique comportant un second garnissage (10), de sorte que la perte de charge dudit second garnissage est supérieure à celle dudit premier garnissage, ledit second garnissage formant un manchon entourant ledit premier garnissage réalisé à l'aide d'au moins un matériau réfractaire et isolant thermique. Ce réacteur comporte une enveloppe externe (8) en acier, une paroie (9) en béton et un élément en acier (13) entourant une série de monolithes (6) formant un organe de mélange (3) suivi de l'organe de réaction (4) comportant une série de monolithes (6) formant des canaux (12) juxtaposés. Utilisation du réacteur à l'oxydation ménagée d'une charge oxydable par un mélange de gaz comprenant un gaz oxydant.

Description

La présente invention concerne un réacteur et son utilisation par exemple pour la mise en oeuvre de la réaction d'oxydation ménagée d'une charge oxydable par un gaz oxydant ou un mélange de gaz contenant au moins un gaz oxydant, c'est-à-dire un gaz permettant l'oxydation de ladite charge.

Elle s'applique plus spécialement à l'oxydation, de préférence lente et habituellement partielle, de charges oxydables telles que par exemple des hydrocarbures en vue de la préparation de gaz de synthèse comprenant essentiellement du monoxyde de carbone et de l'hydrogène pour la synthèse par exemple du méthanol etlou d'alcools homologues supérieurs, et de l'ammoniac.

Bien que les gaz oxydants puissent être notamment l'oxygène, I'ozone ou les halogènes, on ne considérera, à titre d'exemple, dans la présente description que les réactions d'oxydation avec l'oxygène.

II est connu de réaliser une oxydation partielle du méthane comme indiqué par exemple dans le brevet US-A-2621117.

Selon la description de ce brevet, la réaction se fait dans une flamme où le mélange de gaz n'est jamais parfait. Dans ces conditions, on atteint rapidement des températures élevées dans les régions riches en oxygène. Les gaz à haute température sont ensuite mélangés avec la majeure partie de la charge d'hydrocarbures à oxyder et provoquent le craquage des molécules et la formation de carbone, ce qui est très génant pour la suite du procédé. II est alors nécessaire, si l'on veut opérer dans des conditions économiques, c'est-à-dire en particulier sans avoir à employer un excés d'oxygène, de prévoir, comme cela est en particulier enseigné dans un brevet récent US-A-4699631, une étape de dépoussiérage avant l'utilisation des gaz formés au cours de l'étape d'oxydation.

Par ailleurs il est également connu que les réactions d'oxydation peuvent être effectuées en utilisant le concept de coincement de flamme dont le principe est bien connu et décrit par exemple dans le livre de G. de Soete et A. Feugier "Aspects physiques et chimiques de la combustion" Editions TECHNIP pages 87 à 93, où l'on utilise l'effet de paroi pour diminuer la vitesse réactionnelle et éviter la propagation de la flamme.

Dans les procédés utilisant ce concept de coincement de la flamme, la présence d'oxygène, qui peut être pur ou dilué par des gaz inertes, et la température élevée, impliquant un flux thermique élevé, nécessitent des dispositifs d'arrêt de flamme permettant à la réaction de se poursuivre sans explosion, bien que l'on soit le plus souvent à l'intérieur des limites explosives (en particulier dans le cas de l'oxydation partielle du méthane).

Plusieurs brevets ou demandes de brevets récents sont d'ailleurs basés sur ce principe. On peut en particulier citer ceux au nom de la demanderesse
EP-B-221813, EP-B-231706, et la demande française déposée le 16 mars 1988 sous le numéro d'enregistrement national 88/03495.

La présente invention se situe dans le cadre de ce concept de coincement de la flamme et concerne notamment une amélioration notable de la technologie du réacteur.

Dans la technologie basée sur ce principe du coincement de flamme qui consiste à mettre en oeuvre une réaction d'oxydation sans flamme, on peut considérer que le réacteur est divisé en au moins deux parties très distinctes ayant chacune une fonction bien définie.

Dans au moins une première partie, appelée zone de mélange et comportant au moins un organe ou moyen de mélange, on cherche à réaliser le meilleur mélange possible entre les gaz réactifs (c'est-à-dire entre au moins un gaz oxydant et la charge oxydable) par exemple entre de l'air, du méthane et de la vapeur d'eau.

En ce qui concerne cette première partie, où l'on réalise le mélange des gaz, on utilisera avantageusement tout type de mélangeur bien connu de l'homme du métier, et répondant en particulier aux critères suivants - assurer le meilleur mélange possible des gaz destinés à réagir et obtenir ainsi à
l'entrée de la zone de réaction un mélange trés homogène de charge oxydable et de
gaz oxydant.

- éviter un démarrage significatif de la réaction d'oxydation au sein de cette zone de
mélange.

A titre d'exemple, mais sans que cela soit limitatif, on pourra utiliser les systèmes de mélange décrits dans les documents de brevets, au nom de la demanderesse, cités ci-avant.

Dans au moins une deuxième partie du réacteur, appelée zone de réaction et comportant au moins un organe ou moyen de réaction, on laisse se développer la réaction. Cette zone peut être en totalité ou en partie garnie de catalyseur. La présente invention concerne en particulier la conception de cette deuxième partie du réacteur.

Dans les documents de brevets antérieurs, et en particulier dans ceux au nom de la demanderesse, cette deuxième partie du réacteur est conçue de manière à ce que la réaction puisse se développer dans une zone de réaction située sensiblement au centre du réacteur et entourée, soit directement, selon une technique bien connue de l'homme du métier lorsqu'on opère à haute température et sous pression relativement élevée, d'une couche de béton réfractaire ou de briques réfractaires isolantes faisant la liaison entre l'organe de réaction de cette zone centrale et l'enveloppe externe, habituellement métallique, du réacteur, soit d'un manchon en céramique dure, par exemple en mullite, entouré lui même d'une couche de béton réfractaire.Dans les deux cas les caractéristiques mécaniques, et en particulier celles du béton, sont le plus souvent insuffisantes pour permettre de trés longues périodes de fonctionnement. On a en effet constaté, au cours de test de fonctionnement de longue durée, la formation de microfissures qui oblige l'arrêt du réacteur. Par ailleurs, dans le cas où le réacteur comprend un manchon en céramique dure entre la zone de réaction proprement dite et la couche de béton, si la formation de microfissures dans la couche de béton est habituellement retardée, il est, tout en restant dans des conditions acceptables de rapport des réactifs, relativement plus difficile d'éviter le démarrage de la réaction dans la zone de mélange.Cette difficulté est au moins en partie liée à la conductivité thermique importante du manchon en céramique dure, relativement épais par rapport à l'épaisseur des parois des canaux du monolithe, ce qui a pour effet de provoquer une augmentation de la température de la zone de mélange, d'où la difficulté à éviter le démarrage de la réaction.

Les principaux problèmes que l'on rencontre dans la mise en oeuvre des réactions d'oxydation, et en particulier dans celle mettant en jeu du méthane, de l'air et de la vapeur d'eau, sont bien connus de l'homme du métier. Dans le cas de cette oxydation du méthane, il est possible de calculer la composition des gaz et la température finale atteinte à l'équilibre à partir du moment où l'on connaît la composition, la température initiale des réactifs et la pression à laquelle on laisse s'installer l'équilibre dans des conditions adiabatiques.

II est bien connu aussi que le passage de la température initiale, qui est la température après mélange et avant réaction, à la température finale, telle qu'elle est calculée comme indiquée ci-avant, ne se fait pas graduellement, mais que la température dans la zone de réaction passe par un maximum largement supérieur à la température finale. On peut se rapporter par exemple à la communication de
Prettre et al publiée dans Transactions of the Faraday Society 1946, vol. 42, pages 335 à 340.

En effet, plusieurs réactions sont en compétition lors de l'avancement global de l'oxydation. Dès qu'une fraction du méthane a été convertie en monoxyde de carbone et hydrogène, prennent place, en particulier, des réactions très exothermiques et très rapides d'oxydation de l'hydrogène en eau et du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone qui consomment initialement tout l'oxygène disponible. Les enthalpies de ces deux réactions étant très supérieures à celle de l'oxydation ménagée du méthane en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène (H2), il y a donc un excès d'enthalpie qui conduit à une élévation très importante de température, qui diminue ensuite par l'apparition de réactions endothermiques, plus lentes, comme, par exemple, la réaction du méthane et de l'eau pour donner du monoxyde de carbone et de l'hydrogène.

Ces dernières réactions sont habituellement appelées réactions de retour à l'équilibre. II faut noter que très souvent ces réactions de retour à l'équilibre sont favorisées par la présence d'un catalyseur adéquat.

Dans les réacteurs de forme allongée que Iron utilise lorsque l'oxydation est effectuée suivant le principe du coincement de la flamme, on peut habituellement assimiler l'écoulement du mélange gazeux à un écoulement de type "piston" ce qui implique que le profil de température dans le sens de l'écoulement depuis l'entrée (E) de la zone de réaction jusqu'à la sortie (S) de cette zone est tel que celui représenté schématiquement sur la figure 1, sur laquelle on remarque que la température passe par un maximum (M) trés élevé et situé à proximité de l'entrée de la zone de réaction.

Un tel profil de température, imposé par la thermodynamique et les cinétiques des réactions qui se déroulent dans la zone d'oxydation, impose une conception particulière du réacteur de manière à éviter au maximum les inconvénients qui lui sont inévitablement liés.

G'est ainsi que les matériaux utilisés dans la conception du réacteur doivent être capables d'accepter un gradient linéaire de température important sans destruction même partielle. Ils doivent par ailleurs résister à des pressions relativement importantes et qui peuvent par exemple atteindre 25 MPa.

Indépendamment de la conception du réacteur, les pertes thermiques seront d'autant plus importantes que la température maximale dans la zone de réaction sera plus élevée. Pour compenser ces pertes et afin d'obtenir la conversion voulue, on pourra par exemple augmenter la teneur en oxygène, cependant cette modification de la teneur en oxygène augmentera encore la température maximale et rendra donc plus difficile le contrôle de non démarrage de la réaction dans la zone de mélange, puisque les pressions partielles des réactifs seront plus importantes et que la température de ladite zone de mélange sera également plus élevée. Cela pourrait imposer de moins préchauffer les gaz avant mélange, ce qui n'est pas économiquement souhaitable.

Par ailleurs, dans la zone de réaction proprement dite du réacteur, plus la température est élevée, plus le risque de formation de coke est important, et il serait donc souhaitable de pouvoir opérer à la température la plus basse possible de manière à éviter au maximum les réactions de craquage du méthane qui se produisent d'autant plus facilement que la température est plus élevée et qui entrainent la formation de coke.

Un des objets de l'invention est de remédier aux inconvénients décrits ci-avant. Les objectifs que l'on se propose d'atteindre et qui répondent aux problèmes soulevés par l'art antérieur sont essentiellement les suivants - maintenir le dispositif "d'arrêt ou de coincement de flamme" évitant l'explosion
et permettant cependant d'opérer à des températures pouvant atteindre plus de
1000 C, par exemple 1200 C ou 1400 C, avec le souci de protéger le
réacteur et le dispositif mélangeur de la chaleur excessive dégagée lors de
l'oxydation partielle - obtenir un ensemble mécaniquement solide, capable de s'adapter aux gradients
thermiques importants inhérents à un tel procédé et susceptible de fonctionner en
continu pendant plusieurs dizaines d'heures - limiter au maximum les pertes thermiques de manière à pouvoir maintenir un
rapport entre les réactifs tel que la température maximale dans la zone de
réaction ne soit pas trop élevée
- limiter le réchauffement de la zone de mélange par conduction de la chaleur
dégagée dans la zone de réaction.

La présente invention propose un réacteur remédiant à la majorité des inconvénients de l'art antérieur. Dans sa conception la plus large l'invention concerne un réacteur d'oxydation de forme allongée, de préférence d'axe sensiblement vertical, comprenant en combinaison - au moins un organe de mélange comportant des moyens d'alimentation en gaz
oxydant et des moyens d'alimentation en charge oxydable - au moins un organe de réaction, faisant suite audit organe de mélange et situé à
une distance de celui-ci au plus égale à la distance de coincement de la flamme, et - au moins un organe d'évacuation des produits réactionnels connecté audit organe
de réaction caractérisé en ce que l'organe de réaction comprend une zone centrale7 de préférence d'axe sensiblement confondu avec l'axe du réacteur, comportant sur au moins une partie de sa section au moins un premier garnissage adapté à définir une multiplicité d'espaces présentant des passages ayant suivant au moins une direction une dimension au plus égale à la distance de coincement de la flamme pouvant résulter de l'oxydation de ladite charge, et au moins une zone périphérique comportant sur au moins une partie de sa section au moins un second garnissage adapté à définir une multiplicité d'espaces présentant des passages ayant suivant au moins une direction une dimension plus petite que la dimension des passages de la zone centrale, ladite dimension étant de préférence de 2 à 1000 fois plus petite que celle des passages de la zone centrale, de sorte que la perte de charge dudit second garnissage soit supérieure à celle dudit premier garnissage, ledit second garnissage formant un manchon entourant ledit premier garnissage, ledit manchon étant réalisé, à l'aide d'au moins un matériau réfractaire et isolant thermique. Dans le réacteur décrit ci-avant, pour un débit donné de charge oxydable et de gaz oxydant le différentiel de perte de charge entre la zone périphérique et la zone centrale (AP2-AP1) est habituellement d'au moins 10 Pascals et il peut atteindre ou même dépasser 0,5 MPa (mégapascal). Ce différentiel est de préférence de 400 Pascals à 0,4 MPa.Le manchon peut être un élément monobloc c'est-à-dire par exemple un élément s'étendant sur toute la longueur de la zone de réaction, ou même sur toute la longueur de la zone de mélange et de la zone de réaction ; il peut également être divisé en au moins deux tronçons de longueur égale ou inégale raccordés entre eux de manière à ce que la distance maximum entre eux soit au plus égale à 0,5 fois la distance de coincement de la flamme.

La dimension des passages dans la zone centrale de l'organe de réaction est habituellement au plus égale à 10-2 mètre (m), avantageusement d'environ 5x10-5 à environ 10-3 m et de préférence d'environ 10-4 à environ 2x10-3 m. La dimension des passages dans ledit second garnissage de l'organe de réaction est de préférence de 5 à 400 fois plus petite que celle de ceux dudit premier garnissage de l'organe de réaction.

Dans une forme avantageuse de réalisation le garnissage de la zone centrale peut comprendre sur au moins une partie de la section de ladite zone au moins un monolithe comportant une pluralité de canaux juxtaposés, d'axes sensiblement parallèles entre eux et sensiblement parallèles à l'axe du réacteur, ayant, suivant au moins une direction, une dimension au plus égale à la distance de coincement de la flamme pouvant résulter de l'oxydation. Ces canaux ont une section de forme quelconque, par exemple polygonale, circulaire ou elliptique, mais préférentiellement polygonale et par exemple carrée, rectangulaire ou hexagonale.

La surface de la section des canaux est habituellement d'environ 25x10-10 mètre carré (m2) à environ 10-4 m2 et de préférence d'environ 10-8 m2 à environ 25x10-6 m2. Tous les canaux peuvent être identiques ou différents, aussi bien par leur forme que par la surface de leur section ; ils seront de préférence identiques.

Le garnissage de la zone centrale peut comprendre, selon un autre mode de réalisation, des élément particulaires, par exemple sous forme de billes ou de bâtonnets. On utilisera de préférence des billes qui mises en contact, offrent un espace maximal de longueur au plus égal à leur rayon, ce qui permet de choisir la taille de ces billes en fonction de la distance de coincement de flamme voulue.

II est également possible d'utiliser dans la zone centrale un garnissage comprenant au moins un monolithe, comportant une pluralité de canaux, tel que décrit ci-avant, lesdits canaux comportant dans au moins une partie de leur volume des éléments particulaires.

Selon un mode de réalisation particulier, la zone centrale de réaction peut comprendre dans au moins une partie de son volume au moins un catalyseur, par exemple un catalyseur supporté par les parois des canaux du monolithe, ou bien par les éléments particulaires. Ce catalyseur sera habituellement l'un de ceux, bien connus de l'homme du métier, favorisant par exemple les réactions endothermiques de retour à l'équilibre.A titre d'exemples non limitatifs de catalyseurs on peut citer ceux comprenant un support, par exemple d'alumine ou de silice, sur lequel on a déposé, par exemple, du chlorure de cuivre et du chlorure de potassium, de l'oxyde de vanadium éventuellement associé à du sulfate de potassium, du cérium, du lanthane, ou un composé de cérium ou de lanthane, du chrome, un métal du groupe VIII tel que par exemple le nickel et le fer, ou un composé de chrome ou d'un métal du groupe VIII tel que par exemple un composé de nickel ou de fer, du phosphomolybdate de bismuth, ou du molybdate de cobalt. Le catalyseur peut également comprendre des oxydes métalliques tels que des oxydes d'argent et/ou de cuivre et du carbure de silicium poreux recouvert d'argent.Dans une forme particulièrement avantageuse, on pourra disposer plusieurs catalyseurs de compositions différentes chacun d'entre eux étant disposé dans la zone de réaction à l'endroit où sa composition est la mieux adaptée pour favoriser par exemple la ou les réactions endothermiques souhaitées.

Selon un mode de réalisation préféré, le matériau utilisé pour réaliser le garnissage de la zone centrale sera choisi parmi les matériaux céramiques. Par le terme "matériau céramique", on désigne dans la présente description l'ensemble des matériaux qui ne sont ni organiques, ni métalliques (le terme métallique désignant les matériaux formés à partir des éléments de la classification périodique définis comme métaux à l'état d'oxydation zéro). Dans une forme avantageuse de réalisation, le garnissage sera formé par au moins un monolithe en céramique dure comportant une pluralité de canaux et obtenu par exemple par extrusion.A titre d'exemple de céramique pouvant être employée pour la réalisation du garnissage de la zone centrale, on peut citer : le carbure de silicium, I'alumine, la mullite, la zircone, la zircone-mullite, le titanate d'aluminium, le nitrure de bore, le nitrure de silicium, la cordiérite, les oxydes de métaux alcalino-terreux, les oxydes de métaux de transition et tout mélange de ces matériaux. On utilisera de préférence de la mullite, de l'alumine, de la zircone, ou de la zircone-mullite.

II sera particulièrement avantageux de concevoir le garnissage de la zone centrale de manière à ce que les canaux soient formés par la superposition, et éventuellement la juxtaposition, d'une pluralité de monolithes de faible épaisseur, la distance entre chaque monolithe adjacent étant inférieure à la distance de coincement de la flamme et de préférence cette distance sera de 2 à 5 fois inférieure à la dimension des canaux dans un plan sensiblement perpendiculaire à leurs axes. Lorsque la section de chaque monolithe est égale à la section de la zone centrale de réaction, on obtient ainsi un empilement de pièces unitaires de faible épaisseur.Si la section de chaque monolithe est inférieure à la section de la zone centrale, on juxtaposera ces pièces unitaires de manière à former une couche ayant une section égale à celle de la zone centrale et on superposera une série de couche de manière à former les canaux dans ladite zone centrale. L'épaisseur de ces pièces unitaires pourra être par exemple de l'ordre d'environ 5x10-3 m à 0,5 m et le plus souvent d'environ 10-2 m à environ 5x1 0-2 m ; ces pièces seront par exemple des pièces de section carrée d'environ 1x10-2 m à environ 0,5 m de coté, et le plus souvent d'environ 3x10-2 m à environ 0,2 m.

Cette conception particulière du garnissage de la zone centrale, par empilement de pièces de faible épaisseur implique que la conduction, dans le sens de l'axe du réacteur, est moins importante que dans le cas d'une pièce unitaire ayant la dimension totale de la zone centrale ; ainsi la chaleur dégagée lors de la réaction d'oxydation sera moins retransmise vers la zone de mélange ce qui permettra un contrôle plus facile de sa température et donc du non démarrage de la réaction d'oxydation dans cette zone de mélange. Par ailleurs, selon cette conception, chaque pièce unitaire, étant donné sa faible épaisseur, ne supporte qu'un gradient de température relativement faible ; on aura donc moins de risque de casse.Un autre avantage de cette conception est la possibilité de déposer sur les parois de certaines de ces pièces un catalyseur, par exemple un catalyseur de vaporéformage, dont la composition peut être différente d'une pièce à l'autre ; on peut ainsi trés facilement adapter la composition du catalyseur en fonction de l'emplacement de la pièce dans la zone de réaction, c'est-à-dire en fonction de l'avancement des réactions. Le catalyseur peut être déposé sur les parois des pièces unitaires par imprégnation ou par toute autre méthode bien connue de l'homme du métier.

Dans une forme de réalisation avantageuse, ledit second garnissage, formant un manchon entourant ledit premier garnissage, sera constitué de fibres céramiques. Ce manchon pourra être obtenu par compactage de fibres céramiques, in situ c'est-à-dire au sein même du réacteur, par exemple par application d'une pression ou au contraire par tirage sous vide ; une surpression ou une dépression d'environ 0,1 MPa est habituellement suffisante pour obtenir un manchon ayant une solidité suffisante ; ce manchon peut également être obtenu ex situ dans un moule selon le même procédé puis être mis en place dans le réacteur. De préférence le manchon sera réalisé de manière à ce que le rapport de sa densité apparente à la densité du matériau choisi pour le fabriquer soit d'environ 0,025 : 1 à environ 0,05 : 1. Selon ce mode de réalisation, les passages existant dans le manchon, contitués par les espaces interfibres, sont orientés de manière aléatoire, ce qui constitue un chicanage supplémentaire et augmente ainsi la perte de charge. Ces passages ont habituellement des caractéristiques d'orientation dans l'espace les uns par rapport aux autres et de dimension suivant au moins une direction telles que la réaction d'oxydation est trés fortement freinée ou même ne se produit pas.Cependant, ces espaces ont une dimension suffisante pour que les gaz pénétrent à l'intérieur de l'enchevêtrement formé par les fibres compactées et permettent ainsi un équilibrage des pressions, ce qui autorise l'utilisation du réacteur sous des pressions élévées qui sont habituellement d'environ 1,5 MPa à environ 25 MPa, de préférence d'environ 2 MPa à environ 20 MPa et le plus souvent d'environ 2 MPa à environ 40 MPa. Le volume occupé par les espaces entre les fibres dans le manchon réalisé en fibres compactées, que l'on peut appeler porosité, réprésente habituellement au moins 50 % du volume du manchon, et peut représenter jusqu'à 90 % ou même 95 % du volume du manchon.Cette porosité est de préférence constituée de pores ou espaces ayant suivant au moins une direction une dimension moyenne habituellement inférieure à environ 10-4 m et le plus souvent inférieure à environ 5x10-5 m, cette dimension étant le plus souvent d'environ 5x10-8 m à environ 5x10-5 m.

La longueur des divers organes qui composent le réacteur est habituellement de 10-2 à 20 m. La longueur de la zone de réaction représente en général de 50 % à 90 % de la longueur totale du réacteur et la zone de mélange, par exemple de 5 % à 45 % de cette longueur, le reste représentant la longueur occupée par la zone d'évacuation des produits. Dans le cas d'un réacteur sensiblement cylindrique, le diamètre de la zone de réaction ainsi que celui de la zone de mélange sera habituellement de 5x10-2 m à 3 m ; quant à la dimension du manchon son épaisseur sera habituellement égale au diamètre de la zone de réaction dans le cas de réacteur ayant une zone de réaction de 5x10-2 à 2x10-1 m et égale à environ la moitié de ce diamètre dans le cas de réacteur dont la zone de réaction a un diamètre de 2,1x10- 1 à3m.

Les fibres céramiques que l'on utilise pour fabriquer le manchon sont obtenues par des techniques classiques à partir des matériaux céramiques et par exemple à partir de ceux cités ci-avant. Les matériaux préférés sont les mêmes que ceux utilisés ci-avant pour le garnissage de la zone centrale et on pourra par exemple utiliser le même matériau pour réaliser les canaux de la zone centrale et le manchon de la zone périphérique, ou bien des matériaux différents.

La fibre utilisée est un produit isolant. Les pertes thermiques sont donc pratiquement nulles, et il est donc possible ainsi de travailler avec le rapport gaz oxydant/charge à oxydée souhaité, de limiter la valeur maximale de température dans le réacteur et donc de limiter la formation de coke et de permettre un contrôle optimum de la réaction et d'éviter facilement son démarrage dans la zone de mélange, ce qui fait que si l'on utilise un mélangeur à poudre par exemple, on peut utiliser la poudre la mieux adaptée en granulométrie et de ce fait limiter la perte de charge du mélangeur.

Le réchauffage par conduction de la zone de mélange sera lui aussi limité à la conduction des seules pièces en céramiques dures extrudées, la conduction due au manchon fibreux étant négligeable. Mais en plus, les extrudés ayant des parois très minces et étant individuellement peu épaisses, cela limite encore la conduction.

Une des grandes difficultés de ce genre de réacteur est de limiter les espaces libres non voulus afin d'éviter, comme cela a été mentionné ci-avant, tout risque de voir la réaction être non contrôlée dans une zone du réacteur. L'avantage d'utiliser un manchon fibreux réside dans le retrait qui est pris à haute température par la fibre.

En effet, ce retrait qui peut être de quelques pour cent, couramment de 2 % à 5 %, aura tendance à enserrer le garnissage central. La fibre étant partiellement compressible, cela a pour effet de supprimer tout espace libre entre le manchon et les autres parties du réacteur avec lesquelles ledit manchon est en contact. Ce retrait pourra être effectué par chauffage à haute température de la zone centrale avant utilisation du réacteur pour effectuer la réaction d'oxydation, ou pourra être réalisé au cours du démarrage de la réaction d'oxydation.Les fibres céramiques utilisées, ayant une trés faible conductivité thermique, ce retrait est en général plus important à proximité de la zone centrale, où la température est trés élévée, qu'à la périphérie du manchon, ce qui permet compte tenu des caractéristiques mécaniques de ce manchon fibreux et du retrait plus important à proximité de la zone de réaction, d'éviter tout espace libre non souhaité entre le manchon et le garnissage de la zone centrale d'une part et avec la paroi en contact avec la paroi externe dudit manchon d'autre part.

Un autre avantage important réside dans les propriétés thermomécaniques de l'ensemble des pièces céramiques utilisées - en ce qui concerne la réfractérité de l'ensemble, la température maximale au sein
du réacteur qui peut être de l'ordre de 1400"C est largement inférieure à la
température maximale d'utilisation des matériaux céramiques que l'on utilise
couramment dans ce type d'application.

- en ce qui concerne le gradient thermique supporté, le manchon fibreux ou les
quelques éléments permettant de le réaliser étant constitué par un
enchevêtrement microscopique de fibres unitaires, il s'agit d'une structure
relativement souple permettant d'encaisser le gradient susceptible d'apparaître et
d'accepter l'ensemble des dilatations et/ou contractions pouvant en résulter.

L'invention sera mieux comprise par la description de quelques modes de réalisation, donnés à titre purement illustratif mais nullement limitatif qui en sera faite ci-après à l'aide des figures annexées, sur lesquelles les organes similaires sont désignés par les mêmes chiffres et lettres de référence.

- La figure 1 représente le profil de température (T C en ordonnée), le long de l'axe XX' (en abscisse) du réacteur, dans la zone de réaction, - La figure 2 représente un réacteur selon l'invention, suivant une coupe axiale, - La figure 3 montre une coupe tranversale du réacteur, dans la zone de réaction, suivant l'axe AA' représenté sur la figure 2, - La figure 4 montre une coupe axiale d'une partie de l'organe de réaction dans le cas où le manchon n'est pas monobloc.

Sur la figure 2, on a représenté, selon un mode de réalisation, un réacteur R vertical, cylindrique, de forme allongée, d'axe XX' comprenant une paroi externe 8 en acier, un manchon en béton réfractaire 9 et un manchon en fibre céramique 40 et sensiblement en son centre un organe de mélange 3 comportant un moyen d'alimentation 1 en charge oxydable et un moyen d'alimentation 2 en gaz oxydant, ladite zone de mélange étant constituée par l'empilement d'une série de monolithes 6 de faible épaisseur, en céramique dures, à maille décalée et à canaux croisés ; ce réacteur comprend une série de monolithes 7 de faible épaisseur, comportant chacun une pluralité de canaux de section sensiblement carrée, lesdits monolithes étant superposés de manière à ce que l'on forme une pluralité de canaux 12 juxtaposés, sensiblement parallèles et s'étendant sur toute la longueur de la zone de réaction et formant l'organe de réaction 4 faisant suite à l'organe de mélange et qui débouche dans l'organe 5 d'évacuation des produits réactionnels par le conduit 11.

Sur la figure 4, on a représenté selon une coupe axiale une partie de l'organe de réaction comportant un manchon 10 divisé en plusieurs tronçons et formé ainsi par plusieurs éléments unitaires superposés. Une telle réalisation du manchon peut être imposée par la dimension du réacteur ou être choisie en fonction d'une plus grande facilité de fabrication ou de mise en place de ce manchon dans le réacteur. Dans le cas d'un manchon formé par la superposition de plusieurs éléments unitaires, la distance entre chaque élément sera de préférence de 2 à 1000 fois plus petite que la distance de coincement de la flamme. II est préférable de concevoir ces éléments unitaires formant le manchon de la manière représentée sur la figure 4, de telle sorte qu'ils forment un chicanage dans lequel on peut éventuellement insérer un joint 14 en feutre céramique.

La présente invention concerne également l'utilisation du réacteur décrit ci-avant à l'oxydation ménagée d'une charge oxydable par un mélange de gaz comprenant au moins un gaz oxydant. La charge oxydable est par exemple une charge d'hydrocarbures, en particulier une charge d'hydrocarbures aliphatiques saturés tel que le méthane et les effluents du procédé de réformage à la vapeur, I'orthoxylène, la naphtalène, le benzène, le méthanol, le mélange méthane-toluène et le mélange éthylène-acide chlorhydrique. On peut utiliser comme gaz oxydant par exemple de l'air ou de l'air enrichi en oxygène, sans inconvénients notables, et en particulier sans formation excessive de suies.Le réacteur décrit ci-avant est en particulier utilisable pour l'oxydation ménagée d'une charge d'hydrocarbures par un mélange de gaz comprenant de l'oxygène, en vue de produire un mélange de gaz, utilisable pour la synthèse de l'ammoniac ou la synthèse d'alcools, comprenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Dans une forme préférée de réalisation du procédé d'oxydation selon l'invention les gaz réactifs sont préchauffés de manière à ce que la température du mélange gazeux à l'entrée de la zone de réaction soit d'environ 300 0C à au plus 800 0C et le plus souvent d'environ 350 C à environ 750 C.

Les rapports molaires gaz oxydant sur charge oxydable que l'on préconise, et par exemple le rapport molaire oxygène/méthane, sont habituellement de 0,5 : 1 à 0,75: 1. Le temps de séjour des gaz réactifs dans la zone de réaction est habituellement d'environ 2 millisecondes à environ 10 secondes, et de préférence d'environ 50 millisecondes à environ 1 seconde. II peut être avantageux d'amorcer la réaction d'oxydation dans la zone de réaction, de préférence dans la partie de la zone de réaction contiguë à la zone de mélange.Cet amorçage peut par exemple être réalisé par chauffage d'au moins une partie de la zone de réaction, par tout moyen connu de l'homme du métier, à une température au moins égale à 600 0C et de préférence de 700"C à 1200 C. Ce chauffage peut être effectué avant l'introdution de la charge oxydable et du gaz oxydant et/ou au moment du démarrage de cette introduction. II n'est ni nécessaire, ni souhaitable de poursuivre ce chauffage après le démarrage de la réaction d'oxydation, celle-ci étant suffisamment exothermique pour se poursuivre sans apport de calories extérieures.

Le chauffage peut, par exemple, être réalisé par injection de gaz chauds provenant d'un brûleur, par oxydation d'au moins un hydrocarbure (par exemple hexane et/ou heptane) par un gaz contenant de l'oxygène ou par de l'oxygène essentiellement pur, cet hydrocarbure et l'oxygène étant introduits dans ladite partie de la zone de réaction. L'amorçage peut également être effectué par d'autres moyens bien connus de l'homme du métier, par exemple à l'aide d'une étincelle produite par exemple à l'aide d'une bougie du type de celle que l'on utilise pour les moteurs à explosion, ou par un arc électrique produit, par exemple, entre deux électrodes.

La présente invention a également pour objet un procédé d'oxydation d'une charge oxydable en phase gazeuse par un gaz oxydant ou un mélange de gaz comprenant au moins un gaz oxydant dans lequel on introduit la charge oxydable et le gaz oxydant dans une zone de mélange, on fait circuler le mélange gazeux issu de la zone de mélange dans une zone de réaction comportant une zone centrale et une zone périphérique, on établit une perte de charge aP1 dans la zone centrale et une perte de charge AP2 dans la zone périphérique, ces pertes de charge étant telles que l'on fait réagir sensiblement tout le mélange gazeux issu de la zone de mélange dans ladite zone centrale de ladite zone réactionnelle et que le différentiel de perte de charge aP2-P1 soit positif, et on récupère les produits réactionnels formés.De préférence le différentiel de perte de charge est dans les gammes mentionnées ci-avant.

L'exemple suivant, décrit en liaison avec le schéma de principe de la figure 2, illustre l'invention sans en limiter la portée.

Exemple
On réalise un réacteur R vertical de forme tubulaire comportant une enveloppe extérieure 8, métallique, supportant la pression, deux entrées 1 et 2 pour les gaz et une sortie 11 pour les effluents.

A l'intérieur de la dite enveloppe et sensiblement en son centre, on place un mélangeur de gaz entouré lui même d'une enveloppe métallique 13 étanche, cylindrique de 10-1 m de hauteur et de 4x10-2 m de diamètre (I'ensemble forme la zone de mélange 3). Ce mélangeur est formé par des disques 6 empilés les uns sur les autres comprenant des canaux croisés de type SULZER ; ces disques et l'espace libre les surmontant sont remplis de poudre d'alumine de granulométrie comprise entre 5x10-5 m et 10-4 m (50 à 100 um (micromètre)).

Dans la zone de mélange à son extrémité supérieure, deux conduits permettent d'apporter les deux fluides (méthane + vapeur d'eau d'un coté par le conduit 1, air de l'autre par le conduit 2).

L'enveloppe cylindrique entourant le mélangeur est terminée par une trémie retenant la poudre d'alumine placée sur une grille (non représentées sur la figure 2) comportant 16 trous de 5x10-5 m de diamètre disposés à l'intérieur d'un carré central de 3x10-2 m de coté.

Les gaz sortants du mélangeur pénètrent à travers la grille centrale dans la partie réactionnelle 4 qui est constituée par l'empilement de 50 pièces unitaires carrées en zircone mullite. Chaque pièce unitaire a 10-2 m d'épaisseur, 4x10-2 m de coté et comporte 841 trous carrés de 10-3 m de coté.

L'enveloppe métallique 13 entourant le mélangeur et les pièces 7 de la partie réactionnelle 4 sont enserrées dans un manchon en fibre d'alumine de diamètre externe 14x10-2 m. Ce manchon 10 en fibre est entouré d'un manchon 9 en béton réfractaire faisant la liaison avec la paroi métallique 8 formant l'enveloppe extérieure du réacteur R. Les fibres d'alumine utilisées pour fabriquer le manchon ont un diamètre moyen de 3x10-6 m et une longueur moyenne de 150x10-6 m. La densité apparente du manchon mesurée aprés 10 heures de fonctionnement du réacteur est de 0,3 et la dimension moyenne des espaces interfibres est de 6x10-6 m.

Dans le réacteur tel que décrit ci-avant et fonctionnant sous 4 MPa, on introduit par la ligne 1 du méthane et de la vapeur d'eau, et par la ligne 2 de l'air en proportions telles que le mélange de gaz a la composition molaire suivante
CH4 = 45
H2O = 90
Q = 29
N2 = 113
La température du mélange gazeux à l'entrée de la zone de mélange est de 400 "G. A la sortie 1 1 du réacteur, on récupère un gaz à une température de 855 G, dont la composition molaire est, après condensation de l'eau, la suivante
CH4 = 2,8
N2 = 133
Q = 0
H2 = 87,5
CO = 23,3
CO2 = 18,9
Aprés 5 heures de fonctionnement les conditions thermiques sont stabilisées et la réaction a pu être effectuée durant 300 heures sans aucun problème.

Le différentiel de perte de charge mesuré aprés 5 heures de fonctionnement est de 0,1 MPa. Au cours de ce fonctionnement, la température de la paroi métallique du réacteur mesurée sur sa face externe n'a pas dépassée 150 0C. Aprés arrêt du test et démontage des divers éléments formant le réacteur, on n'a pas constaté de fissures dans la couche de béton, ni aucune détérioration ni du manchon fibreux ni des diverses pièces en céramique. Par ailleurs, au cours de ce test, on a pu mesurer une teneur en coke égale à environ 10 milligrammes de coke par mètre cube de gaz
(ramené à température et pression normales) à la sortie 1 1 du réacteur.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1 - Réacteur d'oxydation (R) de forme allongée comprenant en combinaison: - au moins un organe de mélange (3) comportant des moyens d'alimentation (2) en

gaz oxydant et des moyens d'alimentation (1) en charge oxydable, - au moins un organe de réaction (4), faisant suite audit organe de mélange et situé à

une distance de celui-ci au plus égale à la distance de coincement de la flamme, et - au moins un organe d'évacuation (5) des produits réactionnels connecté audit

organe de réaction caractérisé en ce que l'organe de réaction comprend une zone centrale comportant sur au moins une partie de sa section au moins un premier garnissage adapté à définir une multiplicité d'espaces présentant des passages ayant suivant au moins une direction une dimension au plus égale à la distance de coincement de la flamme pouvant résulter de l'oxydation de ladite charge, et au moins une zone périphérique comportant sur au moins une partie de sa section au moins un second garnissage adapté à définir une multiplicité d'espaces présentant des passages ayant suivant au moins une direction une dimension plus petite que la dimension des passages de la zone centrale, de sorte que la perte de charge dudit second garnissage est supérieure à celle dudit premier garnissage, ledit second garnissage formant un manchon (10) entourant ledit premier garnissage, ledit manchon étant réalisé, à l'aide d'au moins un matériau réfractaire et isolant thermique.

2 - Réacteur selon la revendication 1 dans lequel la dimension des passages de la zone périphérique est de 2 à 1000 fois plus petite que celle des passages de la zone centrale.

3 - Réacteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le garnissage de la zone centrale comporte sur au moins une partie de sa section, au moins un monolithe comportant une pluralité de canaux juxtaposés, d'axes sensiblement parallèles entre eux et sensiblement parallèles à l'axe du réacteur, ayant, suivant au moins une direction, une dimension au plus égale à la distance de coincement de la flamme pouvant résulter de l'oxydation de ladite charge.

4 - Réacteur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ledit second garnissage, formant un manchon, est constitué de fibres céramiques.

5 - Réacteur selon la revendication 3 ou 4 dans lequel le garnissage de la zone centrale comporte sur au moins une partie de sa section, au moins un monolithe en matière céramique dure.

6 - Réacteur selon l'une des revendications 3 à 5 dans lequel le garnissage de la zone centrale est formé par la superposition, et éventuellement la juxtaposition, d'une pluralité de monolithes, la distance entre chaque monolithe adjacent étant inférieure, aussi bien dans le sens vertical que dans le plan horizontal dans le cas de la juxtaposition de plusieurs monolithes, à la distance de coincement de la flamme.

7 - Réacteur selon l'une des revendications 3 à 6 dans lequel la zone centrale comprend dans au moins une partie de son volume un catalyseur.

8 - Réacteur selon la revendication 7 dans lequel le catalyseur est supporté par les parois des canaux d'au moins un monolithe.

9 - Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le manchon entourant ledit premier garnissage s'étend sur toute la longueur de l'organe de réaction.

10 - Réacteur selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel le manchon entourant ledit premier garnissage s'étend sur toute la longueur de l'organe de réaction et de l'organe de mélange.

1 1 - Réacteur selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel le manchon entourant ledit premier garnissage est divisé en au moins deux tronçons de longueur égale ou inégale raccordé entre eux de manière à ce que la distance maximum entre eux soit au plus égale à 0,5 fois la distance de coincement de la flamme.

12 - Utilisation du réacteur selon l'une des revendications 1 à 11 à l'oxydation ménagée d'une charge oxydable par un mélange de gaz comprenant au moins un gaz oxydant.

13 - Utilisation selon la revendication 12 à l'oxydation ménagée d'une charge d'hydrocarbures par un mélange de gaz comprenant de l'oxygène.

14 - Utilisation selon la revendication 12 ou 13 à l'oxydation ménagée d'une charge d'hydrocarbures par un mélange de gaz comprenant de l'oxygène en vue de produire un mélange de gaz, utilisable pour la synthèse de l'ammoniac ou la synthèse d'alcoois, comprenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone.

15 - Procédé d'oxydation d'une charge oxydable en phase gazeuse par un gaz oxydant ou un mélange de gaz comprenant au moins un gaz oxydant caractérisé en ce qu'on introduit la charge oxydable et le gaz oxydant dans une zone de mélange, on fait circuler le mélange gazeux issu de la zone de mélange dans une zone de réaction comportant une zone centrale et une zone périphérique, on établit une perte de charge AP1 dans la zone centrale et une perte de charge hP2 dans la zone périphérique, ces pertes de charge étant telles que l'on fait réagir sensiblement tout le mélange gazeux issu de la zone de mélange dans ladite zone centrale de ladite zone réactionnelle et que le différentiel de perte de charge AP2-dP1 soit positif, et on récupère les produits réactionnels formés.

16 - Procédé selon la revendication 15 dans lequel le différentiel de perte de charge est de 10 Pascals à 0,5 Mpa et de préférence de 100 Pascals à 0,4 MPa.