WO2003084867A1 - Procédé et appareils de mise en oeuvre utilisant des radicaux libres pour déclencher une réaction de conversion de charges hydrocarbonées en gaz de synthèse - Google Patents

Procédé et appareils de mise en oeuvre utilisant des radicaux libres pour déclencher une réaction de conversion de charges hydrocarbonées en gaz de synthèse Download PDF

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    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas

Definitions

  • the invention relates to a new process for converting hydrocarbon feedstocks to synthesis gas by non-catalytic partial oxidation, and relates to the apparatuses for implementing the process.
  • hydrocarbon feedstocks which can be used in the context of the invention include natural gases, ethane, propane, liquefied petroleum gases, naphthas, kerosene, atmospheric gas oils, vacuum gas oils, asphalts, crude oils, coke oven gases, as well as organic fillers and mixtures of these various bodies.
  • the synthesis gases obtained in the context of the invention are mixtures of hydrogen and carbon monoxide or hydrogen, carbon monoxide and nitrogen, which may contain other gases.
  • the drawbacks of the prior art are overcome by proposing a process for the conversion of hydrocarbon feedstocks to synthesis gas by non-catalytic partial oxidation carried out by an oxidizing agent containing oxygen, characterized in that
  • the feed, the oxidant and, optionally, steam or premixed water are continuously introduced into a reactor to form a reaction mixture
  • the free radicals are produced by the reaction of a hydrogen-rich gas and an oxygen-rich gas, both of which are previously heated and then introduced and mixed in at least one zone of the reaction mixture under the self-triggering conditions ( composition, pressure, temperature) known to promote the self-initiation of the reaction between hydrogen and oxygen leading to the formation of water vapor and free radicals at high temperature.
  • a hydrogen-rich gas and an oxygen-rich gas both of which are previously heated and then introduced and mixed in at least one zone of the reaction mixture under the self-triggering conditions ( composition, pressure, temperature) known to promote the self-initiation of the reaction between hydrogen and oxygen leading to the formation of water vapor and free radicals at high temperature.
  • the free radicals are produced by a process chosen from the whole (injection of hydrogen-rich gas on metal wire or grid brought to high temperature, injection of bodies easily decomposable into free radicals, production of an electric discharge).
  • the process according to the invention can also comprise a preliminary stage of heating of at least one of the reagents (oxidizing agent, steam charge), this preheating can be carried out in situ .
  • the invention also relates to the reactor for implementing the process and which is characterized in that it consists of an enclosure comprising a means of production, inside the enclosure, of free radicals, a means injection of reagents, separately or premixed, an effluent outlet.
  • the means for producing free radicals is chosen from the set (means for injecting with crossed jets, means for injecting hydrogen on a metal wire or grid brought to high temperature, means for injecting easily decomposable bodies in free radicals, means of producing electrical discharges).
  • the reactor may include means for in situ preheating of at least one of the reactants.
  • FIG. 1 diagram illustrating a first mode of implementation of the process in a quasi-adiabatic cylindrical reactor
  • FIGS. 2 to 6 illustrate different implementation variants in reactors with a cylindrical configuration
  • FIGS. 7 to 12 illustrate different implementation variants in reactors with a flat configuration.
  • the reaction mixture (2) contained and circulating in a reactor (1) is a mixture of a hydrocarbon feed (called C) and an oxygen-containing oxidant (called D), and products of the current reaction .
  • Reagents (C), (D) and possibly water vapor (W) are continuously introduced into the reactor, for example by a rotary injector-mixer (9) of known type, and simply called injector in the following. text.
  • a gaseous mixture known as a self-triggering mixture (4) is continuously produced in a zone (3) of the reactor, called the triggering zone.
  • the self-triggering mixture (4) results from the reaction of a hydrogen-rich gas called gas (A), and an oxygen-rich gas called gas (B), the two gases being previously heated to a temperature close to 580 ° C or higher. Its function is to trigger the partial oxidation reaction of the charge (C) by the oxidant (D) without using a flame.
  • Figure 1 shows a preferred but non-limiting mode of implementation for introducing the reactants which produce the self-triggering mixture (4) in the reactor.
  • This introduction means (8) is said to be "with crossed jets" in the remainder of the text and consists in introducing into the zone (3), a gas (A) rich in hydrogen using a first injector (5 ) and to introduce a gas
  • gas jets (A) and (B) mix in said zone (3), zone in which the hydrogen-oxygen reaction occurs spontaneously if the known conditions (pressure, temperature, composition) of self-triggering are met .
  • This reaction produces water vapor and free radicals in a known manner at high temperature.
  • the free radicals then induce the oxidation reaction of the charge (C) by the oxidant (D) present in the reaction mixture.
  • the origin of B is chosen from the following nonlimiting list, with possible addition of water vapor:
  • An oxidant (D) which can be like gas (B), a gas containing at least 20% oxygen by volume,
  • a charge (C) which may consist of gaseous hydrocarbons or low boiling point liquid hydrocarbons or high viscosity liquid hydrocarbons and finally suspensions of solid fuels in liquid fuels.
  • the feed can include organic oxygen and nitrogen compounds as well as small amounts of other elements, as long as the claimed process does not use a catalytic mass.
  • the high viscosity charges are preheated before spraying.
  • the process according to the invention can also comprise a preheating of the oxidant (D) and optionally of the filler (C) and water vapor (W), produced by an external means, or preferably in situ by heat exchange with the reaction mixture (2), by means of various implementation techniques illustrated and described below.
  • the water vapor (W) introduced into the reactor is an auxiliary for spraying heavy hydrocarbon charges.
  • W water vapor
  • the main advantages of the process are, without limitation, the following: the initiation of the oxidation reaction by free radicals makes it possible, contrary to the usual systems, such as pilot flames, to avoid the formation of a flame. This also results in the possibility of reducing the supply temperature of the reactants, the absence of flame avoids some of the known constraints linked to the stability of the flames, to the design of the injectors, to the geometry of the reactors.
  • the quasi-adiabatic reactor (1) of FIG. 1 is an enclosure with walls made of refractory material.
  • a means for producing free radicals (8) inside the enclosure for example in the upper part an injector (9) of the reagents (load C-oxidant D- (water vapor W), and for example laterally an outlet (14) of effluents (E).
  • the injector (9) shown by way of example is a rotational injector of known type.
  • the means for producing free radicals (8) presented in FIG. 1 is a means of “cross-jet” injection of gas (A) and gas (B).
  • the partial oxidation reaction is triggered as described above and there is a recirculation of gases inside the enclosure, symbolically represented by the arrows (10).
  • the quasi-adiabatic reactor of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that it is designed to preheat the reactants (C, D, and W) before they arrive in the triggering zone (3).
  • the reagents entering through the upper inlet (15) are led inside the refractory enclosure from a reagent distribution chamber (11) to the triggering zone (3) by a plurality of tubes. (12) parallel to the longitudinal axis of the enclosure: in this example the reagents (C, D, and W) are preheated by the heat given off by the partial oxidation in the enclosure.
  • a plurality of baffles (13) can optionally be provided, and in a manner known per se, for increasing the speed of circulation in the enclosure so as to increase the heat exchange through the walls tubes (12), between the reaction mixture (2) and the reagents circulating in the tubes (12).
  • the reactor also has a lateral outlet (14) for the effluents (E).
  • the reactor is supplied with gas (B) and (A) heated to at least 580 ° C, the inlet inlet chamber (C) is supplied with ambient (or preheated to reduce its viscosity), by oxidizing (D) at room temperature, and by water vapor,
  • the quasi-adiabatic reactor of FIG. 3 is a cylindrical reactor comprising an external cylindrical wall (16) and an internal cylindrical wall (17) coaxial which delimit between them an annular cylindrical volume (18) in which at least one of the reactants (C, D and possibly W) is / are led from the inlet (15) located at one end of the volume (18) to its other end (19) where it (s) opens (s) near the triggering zone (3).
  • the wall (16) is thermally insulated.
  • the partial oxidation reaction develops in the internal volume (20) and the heat released by this reaction is partially used for the preheating of the reagents (C, D and W) circulating in the annular volume (18).
  • the effluents (E) are discharged through the outlet (14) located at the top of the internal cylindrical wall (17).
  • the reactor of FIG. (4) has the particularity of comprising a heat exchanger (21) placed inside the enclosure and having the function of cooling the reaction mixture before the outlet (14) of the enclosure.
  • Said exchanger (21) may, for example, be composed of a plurality of tubular turns (22) according to any known arrangement in which a heat transfer fluid (FC) flows from a fluid inlet (23) to an outlet fluid (24).
  • FC heat transfer fluid
  • the arrows (10) symbolize the circulation of the reaction mixture (2) in the enclosure.
  • the reactor of FIG. 5 comprises, like that of FIG. 2, a means for in situ preheating of the reactants with parallel tubes (12) and baffles (13) and further comprises a heat exchanger like that of FIG. 4 in order to cool the reaction mixture.
  • the turns of said exchanger are here arranged along the wall of the enclosure on at least part of its internal face.
  • the reactor of FIG. 6 has 3 particularities: it includes several means for producing free radicals (8), only the oxidant (D) is preheated in situ, and the mixing injector (9) of (C) and of ( W) is in the lateral position.
  • reactors above presented each have a cylindrical geometry, but this geometry is not limiting and it is also possible to use a plane geometry as in the nonlimiting examples below.
  • the reactors can also be modified so as to stagger the different gas inlets and thus create a succession of chambers or reaction zones.
  • the device comprises: a first conduit (101) for supplying said first gas, with planar faces (a **) and (b- *) forming a dihedral angle converge ⁇ **, opening width I-, and length L, a second conduit (102) for supplying said second gas, with planar faces (c **) and (d **) forming a dihedral angle converge ⁇ 2 , opening width l 2 and length L, a third conduit (103) for supplying said third gas, with planar faces (e ⁇ and (f *) forming a dihedral angle converging ⁇ 3 , d opening of width l 3 and length L, fourth conduits (104) for supplying quenching fluid, a first parallelepipedal chamber (105) of length L, of width I- * and of height l 2 , into which open out from the left the second conduit (102) and from below the conduit (101), a second parallelepipedal chamber (106) of length L, width l 3 , and height
  • a dihedral angle ⁇ ** equal to or less than 90 ° is recommended
  • a dihedral angle ⁇ 2 equal to or less than 90 ° is recommended
  • a dihedral angle 3 equal to or less than 90 ° is recommended
  • an average residence time of the gases in the chamber (105) of between 10 "6 and 10 " 4 s , and preferably less than 10 ⁇ 5 s, is recommended
  • a stainless steel reactor was constructed, characterized by the following geometric data (cf. FIGS. 7 and 8):
  • Line (101) is supplied with a flow rate of 17.10 "3 mol.s " 1 of hydrogen preheated to 700 ° C.
  • line (102) is supplied with a flow rate of 5.6.10 “3 mol.s “ 1 of oxygen preheated to 700 ° C
  • the duct (103) with a flow rate of 7.5.10 "3 mol.s " 1 of Haitin natural gas at room temperature and 45.10 "3 mol.s " 1 of water vapor at 150 ° vs.
  • the reaction is carried out at a pressure close to atmospheric pressure.
  • the average residence times of the gases in the chambers (105) and (106) are of the order of a few microseconds.
  • the gaseous mixture recovered after quenching contains the following bodies: H 2 , CH, C 2 H, C 2 H 6 , C 2 H 2 , C 3 H 6 , CO, C0 2 .
  • a first gas containing a mixture (A) of methane and hydrogen extracted from the transformation products and recycled after preheating to a temperature above 580 ° C. is used as reactants.
  • a second gas (B, D) consisting of oxygen preheated to a temperature above 580 ° C
  • a third gas containing a mixture of the natural gas to be converted (C) and water vapor (W) we do everything first circulate these different gases without mixing them in three separate conduits, at a given first level of circulation, the first and second cross-flow gases are introduced into a first chamber so as to mix them and cause them to react, and to produce free radicals, at a second given level of circulation, the effluents from the first chamber comprising free radicals and the third gas with cross currents are introduced into a second chamber re contiguous to the first so as to mix them and make them react, then, after having allowed the reaction of the effluents of the second chamber to continue in a third chamber contig
  • the third gas it is recommended to build it from natural gas at room temperature and water vapor from a low pressure network.
  • a volume flow rate of water vapor greater than four times and preferably six times the volume flow rate of natural gas is also recommended.
  • volume flow of natural gas equal to or greater than the volume flow of oxygen is recommended.
  • the reactions will advantageously be carried out at atmospheric pressure or at a slightly higher pressure necessary to overcome the pressure drops downstream of the reactor.
  • FIG. 9 By way of example also, in FIG. 9 and in its details in FIGS. 10 to 12, there is shown a reactor whose inputs are stepped. The process implemented then presents itself as follows: a first gas (A) containing at least 50% hydrogen by volume, preheated to a temperature above 580 ° C., is used as starting material, a second gas
  • a volume flow of hydrogen contained in the first gas greater than twice and preferably three times the volume flow of oxygen contained in the second gas is advised.
  • hydrocarbon at room temperature if it is gaseous or preheated to a temperature above 120 ° C if it is liquid and water vapor at a temperature above 120 ° C.
  • a mass flow rate of water vapor contained in the third gas greater than 10% of the mass flow rate of hydrocarbons contained in the third gas is recommended.
  • the fourth gas (D) it is recommended to make it from oxygen or air at room temperature. A mass flow rate of oxygen contained in the fourth gas greater than the mass flow rate of the hydrocarbons contained in the third gas is advised.
  • the conversion reaction initiated in said third chamber takes place in a fourth chamber contiguous to the third.
  • this fourth chamber in a staged fashion with steam or sprayed liquid water, said supply being carried out by distributed injectors on the walls of said fourth chamber and arranged so as to make the jets of steam or liquid water cross with the main flow of the reaction mixture.
  • the reduction in temperature combined with the addition of water vapor has the effect of reducing the production of soot, compared to conventional burners. This decrease in temperature also allows a metallic construction of the device according to the invention.
  • the invention also relates to an apparatus for implementing the method which has just been presented.
  • This apparatus comprises: a first conduit (201) for supplying said first gas (A), of rectangular section, with flat faces (a 2 ) and (b 2 ) forming a convergent dihedral angle ( ⁇ '**), d opening width ( ⁇ ) and length (U), a second conduit (202) for supplying said second gas (B), of rectangular section, with flat faces (c 2 ) and (d 2 ) forming a converging dihedral angle (' 2 ) of width opening
  • an angle of the planes of the openings of the conduits (201) and (202) of between 60 and 120 ° and preferably equal to 90 ° is recommended
  • a angle of the planes of the openings of the conduits (203) and (209) between 60 ° and 120 ° and preferably equal to 90 ° is recommended
  • an angle of the planes of the openings of the conduits (202) and (203) between 60 ° and 120 ° and preferably equal to 90 ° is advised
  • an average residence time of the gases in the chamber (205) less than 10 "4 s and preferably at
  • Line (201) is supplied with a flow rate of 9.10 "3 mo / s " 1 of hydrogen preheated to 725 ° C
  • line (202) is supplied with a flow rate of 3.10 "3 mo / s " 1 of oxygen preheated to 725 ° C
  • the pipe (203) by a flow rate of 30.10 "3 mo / s " 1 of methane at room temperature and by a flow rate of 6.10 ⁇ mol s "1 of water vapor at 125 ° C, the pipe (209) with a flow rate of 18.10 ⁇ 3 mo / s "1 of oxygen at room temperature.
  • the injectors (211) and (204) are supplied with liquid water. The reaction is carried out at a pressure slightly above atmospheric pressure.
  • the gaseous products recovered after quenching consist essentially of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.
  • the pipe (201) is supplied with a flow rate of 9.10 -3 mo / s "1 of hydrogen at 725 ° C, the pipe (202) with a flow rate of 3.10 " ⁇ mo / s "1 of oxygen at 725 ° C, the pipe (203) by a flow rate of 30.10 ⁇ mo / s "1 of n-heptane at 125 ° C and by a flow rate of 60.10 ⁇ mo / s ⁇ 1 of water vapor at 125 ° C, the pipe (209) with a flow rate of 125.10 "3 mo / s _1 of oxygen at room temperature.
  • the gaseous products recovered after quenching consist essentially of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour la conversion d'une charge hydrocarbonée (C) en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant (D) contenant de l'oxygène caractérisé en ce qu'on introduit en continu séparément ou prémélangés la charge (C) et l'oxydant (D) et éventuellement de la vapeur d'eau (W) dans un réacteur pour former un mélange réactionnel (2), on produit dans au moins une zone (3) du mélange réactionnel (2) circulant dans le réacteur, des radicaux libres et de l'énergie en quantité nécessaire pour induire la réaction d'oxydation partielle de la charge (C) par l'oxydant (D). Préférentiellement on produit les radicaux libres par réaction d'un gaz (A) riche en hydrogène et d'un gaz (B) riche en oxygène, tous deux préalablement chauffés puis introduits et mélangés dans au moins une zone (3) dans les conditions d'auto-déclenchement (composition, pression, température) connues pour favoriser l'auto-déclenchement de la réaction entre hydrogène et oxygène conduisant à la formation de vapeur d'eau et de radicaux libres à température élevée.

Description

Procédé et appareils de mise en oeuvre utilisant des radicaux libres pour déclencher une réaction de conversion de charges hydrocarbonnées en gaz de synthèse.
L'invention concerne un nouveau procédé de conversion de charges hydrocarbonées en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique, et concerne les appareils de mise en œuvre du procédé.
Les charges hydrocarbonées pouvant être retenues dans le cadre de l'invention incluent les gaz naturels, l'éthane, le propane, les gaz de pétrole liquéfiés, les naphtas, les kérosènes, les gazoles atmosphériques, les gazoles sous vide, les asphaltes, les pétroles bruts, les gaz de four à coke, ainsi que les charges organiques et les mélanges de ces différents corps.
Les gaz de synthèse obtenus dans le cadre de l'invention sont des mélanges d'hydrogène et d'oxyde de carbone ou d'hydrogène, d'oxyde de carbone et d'azote, pouvant contenir d'autres gaz.
Il existe actuellement différents types de procédés et d'appareils d'oxydation partielle de charges hydrocarbonées. La réaction est effectuée au moyen de brûleurs dans une chambre de combustion recouverte intérieurement d'un ciment réfractaire pour l'isolation de la paroi. En effet, les températures atteintes dans la flamme sont élevées malgré l'ajout de vapeur d'eau. Ces températures élevées conduisent en outre à la formation de suies, ce qui diminue la sélectivité et le rendement des procédés et induit des coûts d'investissement et de fonctionnement supplémentaires.
En outre dans tous les appareils industriels connus d'oxydation partielle non catalytique il y obligatoirement présence d'un brûleur développant une flamme.
Les inconvénients d'une flamme sont les contraintes nécessaires pour sa stabilité à savoir essentiellement : débits des gaz, problèmes de turbulence, absence d'obstacle...
Par ailleurs, la température d'une flamme est élevée et assez difficile à modifier.
Pour pallier ces inconvénients le demandeur est allé à encontre des habitudes et a cherché une solution pour déclencher l'oxydation partielle de la charge hydrocarbonée sans recourir à une flamme.
Conformément à l'invention on pallie les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé pour la conversion de charges hydrocarbonées en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant contenant de l'oxygène caractérisé en ce qu'
- on introduit en continu dans un réacteur la charge, l'oxydant et éventuellement de la vapeur d'eau séparément ou prémélangés pour former un mélange réactionnel,
- on produit dans au moins une zone du mélange réactionnel circulant dans le réacteur, des radicaux libres et de l'énergie en quantité nécessaire pour induire la réaction d'oxydation partielle de la charge par l'oxydant .
Préférentieliement, on produit les radicaux libres par réaction d'un gaz riche en hydrogène et d'un gaz riche en oxygène, tous deux préalablement chauffés puis introduits et mélangés dans au moins une zone du mélange réactionnel dans les conditions d'auto-déclenchement (composition, pression, température) connues pour favoriser Pauto-déclenchement de la réaction entre hydrogène et oxygène conduisant à la formation de vapeur d'eau et de radicaux libres à température élevée.
En variante les radicaux libres sont produits par un procédé choisi dans l'ensemble (injection de gaz riche en hydrogène sur fil ou grille métalliques portés à haute température, injection de corps facilement décomposables en radicaux libres, production d'une décharge électrique). Quel que soit le mode de production des radicaux libres, le procédé selon l'invention peut comporter en outre une étape préalable de chauffage d'au moins un des réactifs (oxydant, charge vapeur d'eau), ce préchauffage pouvant être réalisé in situ.
Dans ce cas, après démarrage et accrochage de la réaction d'oxydation partielle on peut réduire les débits des gaz servant à la production des radicaux libres, ou de façon générale le débit de production des radicaux libres.
L'invention porte également sur le réacteur de mise en œuvre du procédé et qui se caractérise en ce qu'il est constitué d'une enceinte comportant un moyen de production, à l'intérieur de l'enceinte, de radicaux libres, un moyen d'injection des réactifs, séparément ou prémélangés, une sortie des effluents.
Préférentiellement, le moyen de production de radicaux libres est choisi dans l'ensemble (moyen d'injection à jets croisés, moyen d'injection d'hydrogène sur un fil ou grille métalliques portés à haute température, moyen d'injection de corps facilement décomposables en radicaux libres, moyen de production de décharges électriques).
En outre, le réacteur peut comporter un moyen de préchauffage in situ d'au moins un des réactifs.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après faite en référence aux figures annexées suivantes : figure 1 : schéma illustrant un premier mode de mise en œuvre du procédé dans un réacteur cylindrique quasi-adiabatique, les figures 2 à 6 illustrent différentes variantes de mise en œuvre dans des réacteurs à configuration cylindrique, les figures 7 à 12 illustrent différentes variantes de mise en œuvre dans des réacteurs à configuration plane.
PROCEDE
On décrit d'abord le procédé général en se reportant à la figure 1 montrant un premier exemple non limitatif de mise en œuvre.
Le mélange réactionnel (2) contenu et circulant dans un réacteur (1) est un mélange d'une charge hydrocarbonée (appelée C) et d'un oxydant contenant de l'oxygène (appelé D), et des produits de la réaction en cours.
Les réactifs (C ),(D) et éventuellement de la vapeur d'eau (W) sont introduits en continu dans le réacteur par exemple par un injecteur-mélangeur rotatif (9) de type connu, et appelé simplement injecteur dans la suite du texte.
On produit en continu dans une zone (3) du réacteur, dite zone de déclenchement, un mélange gazeux dit mélange auto-déclenchant (4).
Le mélange auto-déclenchant (4) résulte de la réaction d'un gaz riche en hydrogène appelé gaz (A), et d'un gaz riche en oxygène appelé gaz (B), les deux gaz étant préalablement chauffés à une température voisine de 580° C ou supérieure. Sa fonction est de déclencher la réaction d'oxydation partielle de la charge (C) par l'oxydant (D) sans recourir à une flamme.
La figure 1 montre un mode de mise en œuvre préférentiel mais non limitatif pour introduire les réactifs qui produisent le mélange auto-déclenchant (4) dans le réacteur. Ce moyen d'introduction (8) est dit « à jets croisés » dans la suite du texte et consiste à introduire dans la zone (3), un gaz (A) riche en hydrogène à l'aide d'un premier injecteur (5) et à introduire un gaz
(B) riche en oxygène à l'aide par exemple d'une paire d'injecteurs (6, 7) les axes de tous ces injecteurs convergeant dans ladite zone (3) à l'intérieur du réacteur.
Ainsi les jets de gaz (A) et (B) se mélangent dans ladite zone (3) , zone dans laquelle se produit spontanément la réaction hydrogène-oxygène si les conditions (pression, température, composition) connues d'auto-déclenchement sont réunies.
Cette réaction produit de façon connue de la vapeur d'eau et des radicaux libres à température élevée. Les radicaux libres induisent alors la réaction d'oxydation de la charge (C) par l'oxydant (D) présent dans le mélange réactionnel.
Pour la production de radicaux libres on peut prévoir :
- pour (A) : un gaz contenant au moins 20 % d'hydrogène en volume et préchauffé à une température supérieure ou égale à la température d'auto-déclenchement.
L'origine de (A) est choisie dans la liste non limitative suivante, avec ajout éventuel de vapeur d'eau :
• recyclage d'une fraction du gaz de synthèse produit,
• recyclage d'une fraction de l'hydrogène produit après réaction de shift,
• utilisation d'un gaz externe tel que le gaz de four à coke, etc.
- pour (B) : un gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume et préchauffé à une température supérieure ou égale à la température d'auto-déclenchement.
L'origine de B est choisie dans la liste non limitative suivante, avec ajout éventuel de vapeur d'eau :
• air,
• air enrichi d'oxygène,
• oxygène.
- En variantes : plus généralement pour produire les radicaux libres nécessaires au déclenchement de l'oxydation partielle de la charge (C) on peut recourir à tout autre moyen de création de radicaux libres, à débit réglable ou non, à l'intérieur du réacteur comme par exemple :
• jet d'hydrogène (gaz A) sur un fil métallique par exemple un fil de platine, ou à travers une grille métallique, portés à haute température,
• injection de corps facilement décomposables en radicaux libres tels que de l'eau oxygénée, des hydroperoxydes,
• décharges électriques etc....
- Pour les réactifs proprement dits de l'oxydation partielle, on prévoit :
• un oxydant (D) pouvant être comme le gaz (B), un gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume,
• une charge (C) pouvant être constituée d'hydrocarbures gazeux ou d'hydrocarbures liquides à bas point d'ébullition ou d'hydrocarbures liquides à viscosité élevée et enfin de suspensions de combustibles solides dans des combustibles liquides. La charge peut inclure des composés organiques oxygénés et azotes ainsi que des petites quantités d'autres éléments, dans la mesure où le procédé revendiqué n'utilise pas de masse catalytique. De façon connue, les charges de viscosité élevée sont préchauffées avant pulvérisation. Le procédé selon l'invention peut comporter en outre un préchauffage de l'oxydant (D) et éventuellement de la charge (C ) et de la vapeur d'eau (W), réalisé par un moyen extérieur, ou préférentiellement in situ par échange de chaleur avec le mélange réactionnel (2), au moyen de différentes techniques de mise en œuvres illustrées et décrites plus loin. • la vapeur d'eau (W) introduite dans le réacteur est un auxiliaire de pulvérisation des charges hydrocarbonées lourdes. De manière générale, elle permet de diminuer la température maximum du mélange réactionnel et de réduire la formation des suies. Les principaux avantages du procédé sont non limitativement les suivants : le déclenchement de la réaction d'oxydation par des radicaux libres permet, contrairement aux systèmes usuels, tels que les flammes pilotes, d'éviter la formation d'une flamme. Il en résulte aussi la possibilité de diminuer la température d'alimentation des réactifs, l'absence de flamme évite certaines des contraintes connues liées à la stabilité des flammes, à la conception des injecteurs, à la géométrie des réacteurs. Elle permet aussi, de disposer au sein du réacteur des tubes de préchauffage in situ des réactifs, des chicanes, des tubes de refroidissement par tubes caloporteurs, il en résulte une température maximum du mélange réactionnel inférieure à celle des procédés avec flamme, autorisant une construction métallique de tout ou partie de l'appareil, le préchauffage in situ d'au moins un réactif (D, C, W), rend le fonctionnement de l'appareil optimal, ainsi qu'il sera expliqué plus loin.
REACTEURS
On décrit à présent quelques exemples non limitatifs de réacteurs pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Le réacteur (1) quasi adiabatique de la figure 1 est une enceinte à parois en matériau réfractaire.
Il comporte par exemple en partie basse un moyen de production de radicaux libres (8) à l'intérieur de l'enceinte, par exemple en partie haute un injecteur (9) des réactifs (charge C-oxydant D-(vapeur d'eau W), et par exemple latéralement une sortie (14) d'effluents (E). L'injecteur (9) représenté à titre d'exemple est un injecteur rotationnel de type connu.
Comme déjà expliqué précédemment le moyen de production de radicaux libres (8) présenté en figure 1 est un moyen d'injection à « jets croisés » de gaz (A) et de gaz (B).
La réaction d'oxydation partielle est déclenchée comme décrit précédemment et il se produit à l'intérieur de l'enceinte une recirculation des gaz, représentée symboliquement par les flèches (10).
Le réacteur quasi adiabatique de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce qu'il est conçu pour réaliser un préchauffage des réactifs (C, D, et W) avant leur arrivée dans la zone de déclenchement (3). A cet effet les réactifs entrant par l'entrée haute (15) sont conduits à l'intérieur de l'enceinte réfractaire depuis une chambre de distribution des réactifs (11) jusqu'à la zone de déclenchement (3) par une pluralité de tubes (12) parallèles à l'axe longitudinal de l'enceinte : sur cet exemple les réactifs (C, D, et W) sont préchauffés par la chaleur dégagée par l'oxydation partielle dans l'enceinte. On peut prévoir éventuellement, et de façon connue en soi, dans l'enceinte une pluralité de chicanes (13) pour augmenter la vitesse de circulation dans l'enceinte de manière à augmenter l'échange de chaleur à travers les parois des tubes (12), entre le mélange réactionnel (2) et les réactifs circulant dans les tubes (12). Le réacteur comporte encore une sortie latérale (14) pour les effluents (E).
Il a l'avantage de chauffer également le gaz oxydant (D) qui, dès qu'il atteint environ 580°C à
600 °C, peut lui-même contribuer à la réaction d'auto-déclenchement avec le gaz (A) et le fonctionnement de l'appareil devient optimal après une phase de démarrage et le mode opératoire est le suivant :
- pendant la phase de démarrage : on alimente le réacteur en gaz (B) et (A) chauffés à au moins 580° C, on alimente la chambre d'entrée en charge (C) à l'ambiante (ou préchauffée pour réduire sa viscosité), en oxydant (D) à température ambiante, et en vapeur d'eau,
- on augmente le débit d'alimentation de (A) jusqu'à ce que la réaction d'oxydation partielle « accroche »,
- on réduit alors le débit d'alimentation de (B) tant que la réaction « ne décroche pas », c'est-à- dire conserve une vitesse suffisante,
- on peut ensuite également réduire le débit de (A), tant que la réaction ne « décroche pas »,
- on a atteint alors le régime permanent.
Le réacteur quasi adiabatique de la figure 3 est un réacteur cylindrique comportant une paroi cylindrique externe (16) et une paroi cylindrique interne (17) coaxiales qui délimitent entre elles un volume cylindrique annulaire (18) dans lequel au moins un des réactifs (C, D et éventuellement W) est/sont conduits depuis l'entrée (15) située à une extrémité du volume (18) jusqu'à son autre extrémité (19) où il(s) débouche(nt) à proximité de la zone de déclenchement (3).
La paroi (16) est isolée thermiquement. La réaction d'oxydation partielle se développe dans le volume interne (20) et la chaleur dégagée par cette réaction est partiellement utilisée pour le préchauffage des réactifs (C, D et W ) circulant dans le volume annulaire (18).
Comme dans l'exemple précédent, après l'étape de démarrage on peut prévoir de diminuer l'alimentation en gaz (A) et( B).
Les effluents( E) sont évacués par la sortie (14) située en haut de la paroi cylindrique interne (17).
Le réacteur de la figure (4) présente la particularité de comporter un échangeur de chaleur (21) placé à l'intérieur de l'enceinte et ayant pour fonction de refroidir le mélange réactionnel avant la sortie (14) de l'enceinte.
Ledit échangeur (21) peut à titre d'exemple, être composé d'une pluralité de spires tubulaires (22) selon toute disposition connue dans lesquelles un fluide caloporteur (FC) circule depuis une entrée de fluide (23) jusqu'à une sortie de fluide (24). Les flèches (10) symbolisent la circulation du mélange réactionnel (2) dans l'enceinte.
Le réacteur de la figure 5 comporte comme celui de la figure 2, un moyen de préchauffage in situ des réactifs avec tubes parallèles (12) et chicanes (13) et comporte en outre un échangeur de chaleur comme celui de la figure 4 afin de refroidir le mélange réactionnel.
Les spires dudit échangeur sont ici disposées le long de la paroi de l'enceinte sur une partie au ) moins de sa face interne. Le réacteur de la figure 6 présente 3 particularités : il comporte plusieurs moyens de production de radicaux libres (8), seul l'oxydant (D) est préchauffé in situ, et l'injecteur mélangeur (9) de (C) et de (W) est en position latérale.
Les réacteurs ci-dessus présentés comportent chacun une géométrie cylindrique, mais cette géométrie n'est pas limitative et il est également possible d'utiliser une géométrie plane comme dans les exemples non limitatifs ci-après.
Les réacteurs peuvent aussi être modifiés de façon à étager les différentes entrées des gaz et ainsi créer une succession de chambres ou zones de réaction.
A titre d'exemple on présente le réacteur des figures 7 et 8 pour lequel la nomenclature est la suivante.
Conduits Longueur Ouverture Angle dièdre
101 L 11 °H
102 L l2 α2
103 L la α3
Chambres Longueur Largeur Hauteur
105 L 11 l2
106 L l3 la
107 L b h7
Sil l'on se reporte à ces figures, on voit que l'appareil comporte : un premier conduit (101) d'alimentation en ledit premier gaz, à faces planes (a**) et (b-*) formant un angle dièdre convergent α**, d'ouverture de largeur I-, et de longueur L, un deuxième conduit (102) d'alimentation en ledit deuxième gaz, à faces planes (c** ) et (d**) formant un angle dièdre convergent α2, d'ouverture de largeur l2 et de longueur L, un troisième conduit (103) d'alimentation en ledit troisième gaz, à faces planes (e^ et (f*) formant un angle dièdre convergent α3, d'ouverture de largeur l3 et de longueur L, des quatrièmes conduits (104) d'alimentation en fluide de trempe, une première chambre (105) parallélépipédique de longueur L, de largeur I-* et de hauteur l2, dans laquelle débouchent par la gauche le deuxième conduit (102) et par le bas le conduit (101), une deuxième chambre (106) parallélépipédique de longueur L, de largeur l3, et de hauteur l2, contiguë à la chambre (105) et dans laquelle débouche par le haut le troisième conduit (103),
- une troisième chambre (107) parallélépipédique à faces planes (g**), (k*ι) et (a^ de longueur L, de largeur l7 et de hauteur h7, contiguë à la chambre (106) et en aval de laquelle débouchent les injecteurs (104) de fluide de trempe, une quatrième chambre (108) de trempe du mélange réactionnel, contiguë à la troisième chambre (107).
On peut maintenant préciser certaines caractéristiques du procédé et de l'appareil selon l'invention : un angle dièdre α** égal ou inférieur à 90° est conseillé, un angle dièdre α2 égal ou inférieur à 90° est conseillé, un angle dièdre 3 égal ou inférieur à 90° est conseillé, un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (105) compris entre 10"6 et 10"4 s, et de préférence inférieur à 10~5 s, est recommandé, un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (107) compris entre 10""5 et 10~3 s, et de préférence inférieur à 10 ^ s, est recommandé. De façon à éclairer au mieux les conditions d'application de l'invention, on va maintenant présenter un exemple opératoire.
A titre d'exemple on a construit un réacteur en acier inoxydable caractérisé par les données géométriques suivantes (cf. figures 7 et 8) :
L = 10 mm on = 90° α2 = 90° α2 = 0° = l2 = 0,6 mm l3= 2 mm l7= h7 = 10 mm
On alimente le conduit (101) par un débit de 17.10"3 mol.s"1 d'hydrogène préchauffé à 700°C, le conduit (102) par un débit de 5.6.10"3 mol.s"1 d'oxygène préchauffé à 700°C, le conduit (103) par un débit de 7,5.10"3 mol.s "1 de gaz naturel algérien à la température ambiante et 45.10"3 mol.s "1 de vapeur d'eau à 150°C. La réaction est conduite à une pression proche de la pression atmosphérique.
Les temps de séjour moyens des gaz dans les chambres (105) et (106) sont de l'ordre de quelques microsecondes.
Le mélange gazeux récupéré après la trempe contient les corps suivants : H2, CH , C2H , C2H6, C2H2, C3H6, CO, C02.
Le procédé mis en œuvre dans cette variante se présente ainsi : on utilise en tant que réactifs un premier gaz contenant un mélange (A) de méthane et d'hydrogène extrait des produits de transformation et recyclé après préchauffage à une température supérieure à 580°C, un deuxième gaz (B,D) constitué d'oxygène préchauffé à une température supérieure à 580°C, un troisième gaz contenant un mélange du gaz naturel à convertir (C) et de vapeur d'eau (W) , on fait tout d'abord circuler ces différents gaz sans les mélanger dans trois conduits séparés, à un premier niveau donné de circulation, on introduit le premier et le deuxième gaz à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir, et à produire des radicaux libres, à un deuxième niveau donné de circulation, on introduit les effluents de la première chambre comportant des radicaux libres et le troisième gaz à courants croisés dans une deuxième chambre contiguë à la première de sorte à les mélanger et à les faire réagir, puis, après avoir laissé la réaction des effluents de la deuxième chambre se poursuivre dans une troisième chambre contiguë à la deuxième, on effectue à un troisième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un fluide tel que de l'huile ou de l'eau liquide, on fractionne les effluents trempés, on recycle le méthane et tout ou partie de l'hydrogène afin de constituer ledit premier gaz et on récupère les produits de transformation. Un débit-volume de premier gaz supérieur à deux fois et de préférence trois fois le débit-volume de deuxième gaz est conseillé.
En ce qui concerne le troisième gaz, il est recommandé de le constituer à partir de gaz naturel à la température ambiante et de vapeur d'eau d'un réseau basse pression. Un débit-volume de vapeur d'eau supérieur à quatre fois et de préférence six fois le débit-volume de gaz naturel est également conseillé.
Enfin un débit-volume de gaz naturel égal ou supérieur au débit-volume d'oxygène est recommandé.
Les réactions seront conduites avantageusement à la pression atmosphérique ou à une pression un peu supérieure nécessaire pour vaincre les pertes de charge en aval du réacteur.
A titre d'exemple également on présente sur la figure 9 et sur ses détails des figures 10 à 12 un réacteur dont les entrées sont étagées. Le procédé mis en œuvre se présente alors ainsi : on utilise en tant que corps de départ un premier gaz (A) contenant au moins 50 % d'hydrogène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580° C, un deuxième gaz
(B) contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580° C, un troisième gaz contenant un mélange des hydrocarbures (C) à convertir et de vapeur d'eau (W), un quatrième gaz (D) contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, à la température ambiante, on fait tout d'abord circuler ces différents gaz dans quatre conduits séparés, sans les mélanger, à un premier niveau donné de circulation, on introduit le premier gaz (A) et le deuxième gaz
(B) à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir, à un deuxième niveau donné de circulation, on introduit le troisième gaz (C) et le quatrième gaz (D) à courants croisés dans une deuxième chambre contiguë à la première, de sorte à les mélanger, à un troisième niveau donné de circulation, on introduit les effluents de la première et de la deuxième chambre à courants croisés dans une troisième chambre contiguë à la fois à la première et à la deuxième chambre, de sorte à mélanger lesdits effluents et à amorcer la réaction de conversion, puis, après avoir laissé la réaction des effluents de la troisième chambre se poursuivre dans une quatrième chambre contiguë à la troisième, on effectue à un quatrième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un fluide tel que de la vapeur i d'eau, de l'eau liquide ou de l'huile, on récupère alors les produits de transformation. Un débit-volume d'hydrogène contenu dans le premier gaz supérieur à deux fois et de préférence trois fois le débit-volume d'oxygène contenu dans le deuxième gaz est conseillé.
En ce qui concerne le troisième gaz (C), il est recommandé de le constituer à partir d'une charge
) hydrocarbonée à la température ambiante si elle est gazeuse ou préchauffée à une température supérieure à 120°C si elle est liquide et de vapeur d'eau à une température supérieure à 120°C. Un débit-masse de vapeur d'eau contenue dans le troisième gaz supérieur à 10 % du débit-masse d'hydrocarbures contenus dans le troisième gaz est conseillé.
En ce qui concerne le quatrième gaz (D), il est recommandé de le constituer à partir d'oxygène ou d'air à la température ambiante. Un débit-masse d'oxygène contenu dans le quatrième gaz supérieur au débit-masse des hydrocarbures contenu dans le troisième gaz est conseillé.
On a noté que la réaction de conversion amorcée dans ladite troisième chambre se développe dans une quatrième chambre contiguë à la troisième. Afin de réduire la température du mélange gazeux en écoulement dans ladite quatrième chambre, il est recommandé d'alimenter cette quatrième chambre de façon étagée par de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide pulvérisée, ladite alimentation étant réalisée par des injecteurs répartis sur les parois de ladite quatrième chambre et disposés de sorte à se faire croiser les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide avec l'écoulement principal du mélange réactionnel.
Toujours avec l'objectif de réduire la température du mélange gazeux en écoulement dans la quatrième chambre mais aussi afin de récupérer de l'énergie thermique, il est également recommandé de faire circuler à contre courant dans une double enveloppe entourant ladite quatrième chambre de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide, afin de produire de la vapeur d'eau à haute température.
La réduction de température combinée à l'ajout de vapeur d'eau a pour effet de diminuer la production de suies, par rapport aux brûleurs conventionnels. Cette diminution de température autorise également une construction métallique de l'appareil selon l'invention.
Il est conseillé de conduire la réaction à une pression inférieure à 1 M Pa. Si l'on est amené, par suite de pertes de charge plus fortes en aval du réacteur, à dépasser cette pression de réaction de 1 M
Pa, il pourra devenir nécessaire de réaliser la construction d'une partie desdits premier et deuxième conduits en matériaux céramiques.
Comme on l'a déjà indiqué, l'invention se rapporte également à un appareil pour la mise en œuvre du procédé que l'on vient de présenter.
Cet appareil comprend : un premier conduit (201) d'alimentation en ledit premier gaz(A), de section rectangulaire, à faces planes (a2) et (b2) formant un angle dièdre convergent (α'**), d'ouverture de largeur(l'ι) et de longueur (U), un deuxième conduit (202) d'alimentation en ledit deuxième gaz(B), de section rectangulaire, à faces planes (c2) et (d2) formant un angle dièdre convergent ( '2) d'ouverture de largeur
(l'2) et de longueur (L'), un conduit (203) d'alimentation en ledit troisième gaz (C), de section rectangulaire, à faces planes (e2) et (f2) formant un angle dièdre convergent (α'3), d'ouverture de largeur (l'3) et de longueur (U), un conduit (209) d'alimentation en ledit quatrième gaz (D), de section rectangulaire, à faces planes (i2) et (j2) formant un angle dièdre convergent (α'9) d'ouverture de largeur(P9) et de longueur (U), une première chambre (205) parallélépipédique de longueur (L') de largeur (1'-,) et de hauteur
(h'2) dans laquelle débouchent par la gauche le conduit (202) et par le bas le conduit (201), par deux ouvertures adjacentes de sorte à se faire croiser les courants des premier et deuxième gaz, une deuxième chambre (210) parallélépipédique de longueur (L'), de largeur (l'3) et de hauteur
(l'9) dans laquelle débouchent par la gauche le conduit (209) et par le haut le conduit (203), par deux ouvertures adjacentes de sorte à se faire croiser les courants des troisième et quatrième gaz, une troisième chambre (206) parallélépipédique de longueur (L') de largeur (l'3) et de hauteur
(l'2) dans laquelle arrivent par la gauche les effluents de la chambre (205) et par le haut les effluents de la chambre (210), par deux ouvertures adjacentes de sorte à faire croiser les courants d'effluents, une quatrième chambre (207) parallélépipédique, à faces planes (g2), (k2) et (a2), de longueur
(L') de largeur (l'7) et de hauteur (h'7) contiguë à la chambre (206), alimentée en amont par les effluents de la troisième chambre (206), par de la vapeur d'eau ou de l'eau pulvérisée introduites dans la quatrième chambre par des injecteurs répartis sur les parois de ladite chambre et disposés de sorte que les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide pulvérisée se croisent avec le courant principal du mélange réactionnel, des injecteurs (211) de vapeur d'eau ou d'eau liquide pulvérisée, répartis sur les parois (a2) et
(k2) de la chambre (207) et disposés de sorte que les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide croisent le courant principal de gaz circulant dans la chambre (207), un conduit (212) de section rectangulaire entourant la chambre (207), formant ainsi une double enveloppe dans laquelle on fait circuler de la vapeur d'eau ou de l'eau afin de produire de la vapeur d'eau à haute température par échange de chaleur avec les gaz circulant dans la chambre (207), une chambre (208) de trempe contiguë à la chambre (207), alimentée en amont par les effluents de la chambre (207) et par un fluide de trempe introduit par des injecteurs (204) disposés de sorte que les jets de fluide de trempe se croisent avec le courant principal.
On peut maintenant préciser certaines caractéristiques du procédé et de l'appareil selon l'invention : un angle des plans des ouvertures des conduits (201) et (202) compris entre 60 et 120° et de préférence égal à 90° est conseillé, un angle des plans des ouvertures des conduits (203) et (209) compris entre 60° et 120° et de préférence égal à 90° est conseillé, un angle des plans des ouvertures des conduits (202) et (203) compris entre 60° et 120° et de préférence égal à 90° est conseillé, un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (205) inférieur à 10"4 s et de préférence à
10"5 s est recommandé, un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (6) inférieur à 10"4 s et de préférence inférieur à 10"5 s est recommandé.
De façon à éclairer au mieux les conditions d'application de l'invention, on va maintenant présenter deux exemples opératoires.
Exemple 1 : On a construit un réacteur caractérisé par les données géométriques suivantes (cf. fig. 1 à 4) : L' =
10 mm, l'*ι = 1 mm, P2 = 0.5 mm, P3 = 1 mm, l'9 = 0.5 mm. Les angles des plans des ouvertures des conduits (201) et (202), (209) et (203), (202)et (203) sont égaux à 90°.
On alimente le conduit (201) par un débit de 9.10"3 mo/ s"1 d'hydrogène préchauffé à 725°C, le conduit (202) par un débit de 3.10"3 mo/ s"1 d'oxygène préchauffé à 725°C, le conduit (203) par un débit de 30.10"3 mo/ s"1 de méthane à la température ambiante et par un débit de 6.10 ~ mol s"1 de vapeur d'eau à 125°C, le conduit (209) par un débit de 18.10 ~3 mo/ s"1 d'oxygène à la température ambiante. Les injecteurs (211) et (204) sont alimentés par de l'eau liquide. La réaction est conduite à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique.
Les produits gazeux récupérés après la trempe sont constitués essentiellement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de gaz carbonique.
Exemple 2 :
On a construit un réacteur analogue à celui décrit dans l'exemple 1 et caractérisé par les données suivantes :
L' = 10 mm, l'** = 1 mm, l'2= 0.5 mm, l'3= 5 mm, l'9= 3 mm.
On alimente le conduit (201) par un débit de 9.10-3 mo/ s"1 d'hydrogène à 725 °C, le conduit (202) par un débit de 3.10 "^ mo/ s"1 d'oxygène à 725 °C, le conduit (203) par un débit de 30.10 ^ mo/ s"1 de n-heptane à 125°C et par un débit de 60.10 ^ mo/ s ~1 de vapeur d'eau à 125 °C, le conduit (209) par un débit de 125.10"3 mo/s _1 d'oxygène à la température ambiante.
La réaction est conduite de la même manière que dans l'exemple 1.
Les produits gazeux récupérés après la trempe sont constitués essentiellement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de gaz carbonique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la conversion d'une charge hydrocarbonée (C) en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant (D) contenant de l'oxygène caractérisé en ce qu'
- on introduit en continu séparément ou prémélangés la charge (C) et l'oxydant (D) et éventuellement de la vapeur d'eau (W) dans un réacteur pour former un mélange réactionnel(2),
- on produit dans au moins une zone (3) du mélange réactionnel (2) circulant dans le réacteur, des radicaux libres et de l'énergie en quantité nécessaire pour induire la réaction d'oxydation partielle de la charge (C) par l'oxydant (D).
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on produit les radicaux libres par réaction d'un gaz (A) riche en hydrogène et d'un gaz (B) riche en oxygène, tous deux préalablement chauffés puis introduits et mélangés dans au moins une zone (3) dans les conditions d'auto-déclenchement (composition, pression, température) connues pour favoriser l'auto-déclenchement de la réaction entre hydrogène et oxygène conduisant à la formation de vapeur d'eau et de radicaux libres à température élevée.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que les gaz A et B sont préchauffés, à une température supérieure à 580°C.
4. Procédé selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'on introduit les gaz (A, B) en « jets croisés » dont les axes convergent dans la dite zone (3).
5. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on produit les radicaux iibres par un procédé choisi dans l'ensemble (injection de gaz A sur fil ou grille métallique portés à haute température, injection de corps facilement décomposables en radicaux libres, production d'une décharge électrique).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape préalable de chauffage d'au moins un des réactifs (oxydant D, charge C, vapeur d'eau W).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on réalise le chauffage préalable in situ par échange de chaleur avec le mélange réactionnel.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 et 6 à 7, caractérisé en ce qu'après démarrage et accrochage de la réaction d'oxydation partielle on peut réduire les débits des gaz (A) et (B).
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 et 6 à 8 caractérisé en ce qu'il se présente ainsi :
- on utilise en tant que réactifs un premier gaz contenant un mélange (A) de méthane et d'hydrogène extrait des produits de transformation et recyclé après préchauffage à une température supérieure à 580°C, un deuxième gaz (B, D) constitué d'oxygène préchauffé à une température supérieure à 580°C, un troisième gaz contenant un mélange du gaz naturel à convertir (C) et de vapeur d'eau (W), - on fait tout d'abord circuler ces différents gaz sans le mélanger dans trois conduits séparés,
- à un premier niveau donné de circulation, on introduit le premier et le deuxième gaz à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir,
- à un deuxième niveau donné de circulation, on introduit les effluents de la première chambre et le troisième gaz à courants croisés dans une deuxième chambre contiguë à la première de sorte à les mélanger et à les faire réagir,
- puis, après avoir laissé la réaction des effluents de la deuxième chambre se poursuivre dans une troisième chambre contiguë à la deuxième, on effectue à un troisième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un fluide tel que de l'huile ou de l'eau liquide,
- on fractionne les effluents trempés, on recycle le méthane et tout ou partie de l'hydrogène afin de constituer ledit premier gaz et on récupère les produits de transformation.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 et 6 à 8 caractérisé en ce qu'il se présente ainsi :
- on utilise en tant que corps de départ un premier gaz (A) contenant au moins 50 % d'hydrogène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580° C, un deuxième gaz (B) contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580° C, un troisième gaz contenant un mélange des hydrocarbures (C) à convertir et de vapeur d'eau (W), un quatrième gaz (D) contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, à la température ambiante,
- on fait tout d'abord circuler ces différents gaz dans quatre conduits séparés, sans les mélanger,
- à un premier niveau donné de circulation, on introduit le premier gaz (A) et le deuxième gaz (B) à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir,
- à un deuxième niveau donné de circulation, on introduit le troisième gaz (C) et le quatrième gaz (D) à courants croisés dans une deuxième chambre contiguë à la première, de sorte à les mélanger,
- à un troisième niveau donné de circulation, on introduit les effluents de la première et de la deuxième chambre à courants croisés dans une troisième chambre contiguë à la fois à la première et à la deuxième chambre, de sorte à mélanger lesdits effluents et à amorcer la réaction de conversion,
- puis, après avoir laissé la réaction des effluents de la troisième chambre se poursuivre dans une quatrième chambre contiguë à la troisième, on effectue à un quatrième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un fluide tel que de la vapeur d'eau, de l'eau liquide ou de l'huile,
- on récupère alors les produits de transformation.
11. Réacteur pour la mise en œuvre d'un procédé pour la conversion de charges hydrocarbonées (C) en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant (D) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enceinte comportant un moyen de production à l'intérieur de l'enceinte de radicaux libres (8), un injecteur (9) du mélange (charge C-oxydant D-vapeur d'eau W), une sortie (11) des effluents (E).
12. Réacteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de production de radicaux libres (8) est choisi dans l'ensemble (moyen d'injection à jets croisés, moyen d'injection d'hydrogène sur un fil ou grille métallique à haute température, moyen d'injection de corps facilement décomposable en radicaux libres, moyen de production de décharges électriques).
13. Réacteur selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de préchauffage d'au moins un des réactifs.
14. Réacteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le moyen de préchauffage est constitué d'un ensemble de tubes parallèles de manière que les réactifs entrant par l'entrée (15) soient conduits à l'intérieur de l'enceinte depuis une chambre de distribution (11) jusqu'à la zone de déclenchement (3) par une pluralité de tubes (12) parallèles à l'axe longitudinal de l'enceinte.
15. Réacteur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on prévoit en outre dans l'enceinte une pluralité de chicanes (13) pour améliorer l'efficacité de l'échange de chaleur entre le mélange réactionnel (2) et les réactifs circulant dans les tubes (12).
16. Réacteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le moyen de préchauffage est constitué par une double paroi du réacteur à savoir une paroi cylindrique externe (16) et une paroi cylindrique interne (17) coaxiales qui délimitent entre elles un volume cylindrique annulaire (18) dans lequel au moins un réactif (C, D et éventuellement W) sont conduits depuis l'entrée (15) située à une extrémité du volume (18) jusqu'à son autre extrémité (19) où ils débouchent à proximité de la zone de déclenchement (3).
17. Réacteur selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur de chaleur (21) placé à l'intérieur de l'enceinte et ayant pour fonction de refroidir le mélange réactionnel avant la sortie (14) de l'enceinte.
18. Réacteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'échangeur est composé d'une pluralité de spires tubulaires (22) dans lesquelles un fluide caloporteur (FC) circule depuis une entrée de fluide (23) jusqu'à une sortie de fluide (24).
19. Réacteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que les spires dudit échangeur sont disposées le long de la paroi de l'enceinte, sur une partie au moins de sa face interne.
20. Réacteur pour la mise en œuvre d'un procédé pour la conversion de charges hydrocarbonées (C) en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant (D) selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte
- un premier conduit (101) d'alimentation en ledit premier gaz, à faces planes (a et (b**) formant un angle dièdre convergent oti, d'ouverture de largeur et de longueur L,
- un deuxième conduit (102) d'alimentation en ledit deuxième gaz, à faces planes (c-*) et {dι) forant un angle dièdre convergent 2, d'ouverture de largeur l2 et de longueur L, - un troisième conduit (103) d'alimentation en ledit troisième gaz, à faces planes (e^ et (f-*) formant un angle dièdre convergent α3, d'ouverture et de largeur l3 et de longueur L,
- des quatrièmes conduits (104) d'alimentation en fluide de trempe,
- une première chambre (105) parallélépipédique de longueur L, de largeur I-* et de hauteur l2, dans laquelle débouchent par la gauche le deuxième conduit (102) et par le bas le conduit (101),
- une deuxième chambre (106) parallélépipédique de longueur L, de largeur l3, et de hauteur l2, contiguë à la chambre (105) et dans laquelle débouche par le haut le troisième conduit (103),
- une troisième chambre (107) parallélépipédique à faces planes (g , (k- et (a de longueur L, de largeur l7 et de hauteur h7, contiguë à la chambre (106) et en aval de laquelle débouchent les injecteurs (104) de fluide de trempe,
- une quatrième chambre (108) de trempe du mélange réactionnel, contiguë à la troisième chambre (107).
21. Réacteur pour la mise en œuvre d'un procédé pour la conversion de charges hydrocarbonées (C ) en gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique réalisée par un oxydant (D) selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comporte
- un premier conduit (201) d'alimentation en ledit premier gaz, de section rectangulaire, à faces planes (a2) et (b2) formant un angle dièdre convergent α**, d'ouverture de larguer P-* et de longueur L',
- un deuxième conduit (202) d'alimentation en ledit deuxième gaz, de section rectangulaire, à faces planes (c2) et (d2) formant un angle dièdre convergent α2, d'ouverture de largeur l'2et de longueur L',
- un conduit (203) d'alimentation en ledit troisième gaz, de section rectangulaire, à faces planes (e2) et (f2) formant un angle dièdre convergent α'3, d'ouverture de largeur P3 et de longueur L',
- un conduit (209) d'alimentation en ledit quatrième gaz, de section rectangulaire, à faces planes i2 et j2 formant un angle dièdre convergent α'9, d'ouverture de largeur P9 et de longueur L',
- une première chambre (205) parallélépipédique de longueur L', de largeur l'ι et de hauteur h'2, dans laquelle débouchant par la gauche le conduit (202) et par le bas le conduit (201), par deux ouvertures adjacentes de sortes à se faire croiser les courants des premier et deuxième gaz,
- une deuxième chambre (210) parallélépipédique de longueur L', de largeur P3 et de hauteur P9, dans laquelle débouchent par la gauche le conduit (209) et par le haut le conduit (203), par deux ouvertures adjacentes de sorte à se faire croiser les courants des troisième et quatrième gaz,
- une troisième chambre (206) parallélépipédique de longueur L', de largeur P3 et de hauteur P2, dans laquelle arrivent par la gauche les effluents de la chambre (205) et par le haut les effluents de la chambre (210), par deux ouvertures adjacentes de sorte à faire croiser les courants d'effluents, - une quatrième chambre (207) parallélépipédique, à faces planes (g2), (k2) et (a2), de longueur L', de largeur P7 et de hauteur h7l contiguë à la chambre (206), alimentée en amont par les effluents de la troisième chambre (206), par de la vapeur d'eau ou de l'eau pulvérisée introduites dans la quatrième chambre par des injecteurs répartis sur les parois de ladite chambre et disposés de sorte que les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide pulvérisée se croisent avec le courant principal du mélange réactionnel,
- des injecteurs (211) de vapeur d'eau ou d'eau liquide pulvérisée, répartis sur les parois (a2) et (k2) de la chambre (207) et disposés de sorte que les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide croisent le courant principal de gaz circulant dans la chambre (207),
- un conduit (212) de section rectangulaire entourant la chambre (207), formant ainsi une double enveloppe dans laquelle on fait circuler de la vapeur d'eau ou de l'eau afin de produire de la vapeur d'eau à haute température par échange de chaleur avec les gaz circulant dans la chambre (207),
- une chambre (208) de trempe contiguë à la chambre (207), alimentée en amont par les effluents de la chambre (207) et par un fluide de trempe introduit par des injecteurs (204) disposés de sorte que les jets de fluide de trempe se croisent avec le courant principal.
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