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Procédé pour la fabrication de l'azote et de l'hydrogène.
On connaît le procédé mis en oeuvre dans la pratique et qui consiste à produire de l'azote par réduction de l'air au moyen du fer.
On connaît également depuis longtemps le procédé mis en oeuvre pratiquement et qui consiste à produire de l'hydrogène par réduction de la vapeur d'eau au moyen du fer.
Les oxydes de fer qui se forment dans ces procédés sont, à leur tour, réduits par des gaz réducteurs.
Etant donné que, dans les réactions indiquées en dernier lieu, la chaleur dégagée n'est pas suffisante pour que la tem-
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pérature nécessaire aux réactions se maintienne d'elle-même, il est indispenàable que ces réactions se produisent dans un four recevant un apport de chaleur venant de l'extérieur. Cet apport de chaleur qui s'effectue de faon différente et qui forme l'ob- jet de plusieurs brevets est un des facteurs les plus importants dans le fonctionnement des fours de cette espèce.
Les réactions au moyen desquelles on produit de l'azote et de l'hydrogène par la réduction de l'air et de l'eau sont des oxy dations et des réductions qui ont lieu principalement d'après les schémas suivants:
EMI2.1
<tb> I. <SEP> FeO <SEP> Fe203 <SEP> IV. <SEP> Fe <SEP> FeO
<tb>
<tb> II. <SEP> FeO <SEP> Fe304 <SEP> V. <SEP> Fe <SEP> Fe3O4
<tb>
<tb> III. <SEP> Fe3O4 <SEP> Fe203 <SEP> VI. <SEP> Fe <SEP> Fe2O3
<tb>
On sait que dans les fours dont il est question ici, on ne peut tenir compte pratiquement que des trois premiers échelons des réactions. Il en résulte qu'il est suffisant de na se baser, lors des calculs thermiques, que sur les échelons des réactions I, II et III.
Des analyses effectuées sur des fours utilisés dans la pratique ont permis de découvrir que le meilleur fonctionnement du four est obtenu lorsque les quantités de matières réagissantes sont choisies dans des rapports tels que les oxydations et les réductions respectives s'accomplissent en grande partie ou en ma- jeure partie dans les limites comprises entre FeO et Fe304.
Etant donné que les concentrations des constituants oxydants et réducteurs des gaz se modifient continuellement pendant le pas sage à travers le four, il est cependant inévitable que les réac- tions se produisent également en partie conformément aux schémas et ainsi¯ que d'après les schémas IV, V et VI, mais en ce qui et II ainsi,que d'après les schémas IV, VI, mais concerne les trois derniers schémas, ces réactions ont générale- ment lieu dans une si faible mesure qu'on peut les négliger dans les calculs pratiques.
On a constaté que les calculs calorimétriques théoriques concordent parfaitement avec les résultats que donne un four uti- lise dans la pratique lorsqu'on établit les .'; calculs, en tenant
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compte des réactions p.e. de la manière suivante :
EMI3.1
<tb> I <SEP> /4 <SEP> dans <SEP> le <SEP> sens <SEP> de <SEP> la <SEP> réaction <SEP> I
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<tb> 1/2 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> II
<tb>
<tb> 1/4 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> III
<tb>
Ces trois réactions se distinguent par le fait que la fabri cation d'azote obtenu par réduction de l'air aumoyen du fer ou de l'oxydule de fer correspondant dégage de grandes quantités de cha leur, tandis que les deux autres réactions* c'est-à-dire la fa- brication de l'hydrogène et la nouvelle réduction des oxydes for- més ne libèrent que peu de chaleur ou en absorbent même un peu,
La présente invention a pour objet l'utilisation des gran- des quantités de chaleur dégagées lors de la fabrication susvi- sée de l'azote pour compenser la chaleur nécessaire à l'accomplis sèment des deux autres réactions. Pour obtenir cet accomplisse- ment, on doit fabriquer une quantité d'azote telle que les quan- tités de chaleur libérées suffisent à compenser la chaleur néces- saire aux réactions endothermiquesqui se produisent dans le four ainsi que les pertes habituelles de chaleur, telles que le rayon- nement, etc....
(Le four est donc chauffé en pratique par la combustion du fer lors de la fabrication de l'azote.)
Dans ce but, le four doit remplir certaines conditions. Ses dimensions doivent être telles qu'il puisse emmagasiner la cha- leur dégagée lors de la première réaction( fabrication de l'azote) pour limiter une chute de température, lors des réactions sui- vantes, afin que les températures ne tombent pas au-dessous de celles auxquelles ont lieu les réactions. Il doit, d'autre part, être pourvu d'échangeurs de chaleur ayant des dimensions telles que l'on puisse renvoyer dans le four et à l'aide des gaz entrants autant de chaleur qu'il soit pratiquement possible de tirer des gaz sortants.
Etant donné que le gaz réducteur sortant du four doit avoir une composition telle que la réduction puisse aller avec sûreté au moins jusqu'à FeO, il est nécessaire de/connaître la composi-
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tion du gaz en question afin de pouvoir le doser avec exactitu- de.
La quantité de gaz réducteur est variable on utilise dl autant plus de gaz qu'il contient moins de constituants réduc- teurs.
Il en résulte que le bilan thermique varie un peu suivant la composition des gaz réducteurs et l'on peut dire, en général, que lors de l'utilisation de gaz réducteurs plus riches, on est tenu, pour réoupérer la chaleur nécessaire, de fabriquer moins d'azote que lorsqu'on utilise des gaz plus pauvres.
Dans les deux exemples suivants que font mieux comprendre ce qui précède. ,on a supposé :
A) Le cas d'un gaz réducteur contenant 30 % CO et 50 % H2
B) La cas d'un gaz réducteur contenant 17 % CO et 26 % H2
Dans ces calculs, on a pris pour base les considérations suivantes :
Io- la température moyenne du four est de 7000, c'est-à- dire que les calculs calorimétriques se rapportent à 7000 )
2o- les réactions ont lieu dans les proportions de /4 dans le sens de la réaction I, 1/2 dans le sens de la réaction II et 1/4 dans le sens de la réaction III, comme on l'a déjà in diqué plus haut
3o- le gaz réducteur sortant a une composition telle que la réduction s'effectue avec sécurité au moins jusqu'à la pro- duction FeO,
4o- l'eau produite par la réduction sort de l'êohangeur de chaleur sous forme de vapeur d'eau surchauffée (150 à 200 )
5o- les échangeurs de chaleur ont les mêmes dimensions dans les deux exemples.
EMI4.1
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A. Production de 500 kg %et 185 kg H
EMI5.1
<tb> Chaleur <SEP> de <SEP> Chaleur <SEP> néces'Chaleur <SEP> ré- <SEP> Chaleur <SEP> Excédent <SEP> de
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<tb>
<tb> réaction <SEP> saire <SEP> à <SEP> l'é- <SEP> cupérée <SEP> par <SEP> réellement,chaleur <SEP> pour
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<tb>
<tb> chauffement <SEP> les <SEP> échan- <SEP> nécessaire <SEP> rayonnement
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<tb> des <SEP> gaz.
<SEP> geurs <SEP> de <SEP> à <SEP> l'éohauf <SEP> etc..
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<tb> chaleur <SEP> fement <SEP> des
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<tb> gaz.
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<tb> a <SEP> b <SEP> c <SEP> b-c <SEP> a-c
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<tb> Fabrication
<tb>
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<tb> d'azote <SEP> 547 <SEP> 750 <SEP> 146 <SEP> 500 <SEP> 122 <SEP> 000 <SEP> 24 <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fabrication
<tb>
<tb>
<tb> d'hydrogène <SEP> 209 <SEP> 000 <SEP> 1023 <SEP> 000 <SEP> 777 <SEP> 000 <SEP> 246 <SEP> 000
<tb>
<tb>
<tb> (vap.à <SEP> 200 <SEP> ) <SEP>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Réduction <SEP> 26 <SEP> 850 <SEP> 1755 <SEP> 000 <SEP> 1434 <SEP> 000 <SEP> 321 <SEP> 000
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb> 783 <SEP> 600 <SEP> 2924 <SEP> 500 <SEP> 2333 <SEP> 000 <SEP> 591 <SEP> 500 <SEP> 192 <SEP> 100
<tb>
B.
Production de 1000 kg %et 185 kg H
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<tb> Chaleur <SEP> de <SEP> Chaleur <SEP> re- <SEP> Chaleur <SEP> Excédent <SEP> de
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<tb> réaction <SEP> Chaleur <SEP> neoes <SEP> oupérée <SEP> par <SEP> réellement <SEP> chaleur <SEP> pour
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<tb> saire <SEP> à <SEP> l'é- <SEP> les <SEP> échan- <SEP> nécessaire <SEP> rayonnement
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<tb> chauffement <SEP> geurs <SEP> de <SEP> oha <SEP> à <SEP> l'é- <SEP> - <SEP> etc..
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<tb> Fabrication
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<tb> d'azote <SEP> I <SEP> 095 <SEP> 500 <SEP> 273 <SEP> 000 <SEP> 228 <SEP> 000 <SEP> 45 <SEP> 000
<tb>
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<tb> Fabrication
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<tb> d'hydrogène <SEP> 209 <SEP> 000 <SEP> I <SEP> 023 <SEP> 000 <SEP> 777 <SEP> 000 <SEP> 246.000
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<tb> (vap.à <SEP> 200 <SEP> )
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<tb>
<tb>
<tb> Réduction <SEP> 28 <SEP> 500 <SEP> 3 <SEP> 164 <SEP> 000 <SEP> 2 <SEP> 3I4 <SEP> 000 <SEP> 850 <SEP> 000
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<tb>
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<tb> I <SEP> 333 <SEP> 000 <SEP> 4 <SEP> 460 <SEP> 000 <SEP> 3 <SEP> 319 <SEP> 000 <SEP> I <SEP> 141 <SEP> 000 <SEP> 192 <SEP> 0.00
<tb>
Il résulta de ces deux exemples que, si l'on veut travail- ler avec le même excédent de chaleur, on ne doit fabriquer que dazote la moitié de- @ lorsqu'on utilise le gaz plus riche A au lieu du gaz plus pauvre B.
Pour compenser toutes les pertes de chaleur d'un four pro- duisant les quantités indiquées plus haut, il est nécessaire de prévoir environ 170.000 Calories, cette quantité de chaleur com- pensant également la perte relative au lavage indispensable ef-
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fectué après la période de réduction en vue d'éviter les impure- tés de l'azote et de l'hydrogène fabriqués.
On peut utiliser divers gaz réducteurs tels que le gaz à l'eau, le gaz des gazogènes, le gaz des fours à coke, le gaz des hauts-fourneaux et encore d'autres gaz.
Conformément au procédé sus-visé, on peut, en vue de la syn thèse de 1'ammoniaque, fabriquer de l'azote et de l'hydrogène dans le rapport des volumes de 1 : Si, en raison de la fabri- cation de l'azote, il se produit plus de chaleur qu'il n'en est nécessaire pour l'entretien du four, il est facile d'opérer un rè glage en isolant moins bien le four ou en organisant les échan- geurs de chaleur afin qu'ils fonctionnent de telle manière que la chaleur récupérée avec les gaz entrant dans le four soit plus pe- tite. Si la chaleur libérée lors de la fabrication de l'azote est trop petite pour maintenir le four en activité, on peut y remé- dier en fabriquant des quantités d'azote plus grandes que celles prévues au rapport 1 :3.
Les gaz réducteurs sortant du four après avoir traversé 1' échangeur de chaleur et dont la composition (comme on l'a indi- quée plus haut) est déterminée d'après le travail de réduction qui s'opère dans le four, peuvent être utilisés pour produire la vapeur d'eau nécessaire à la fabrication de l'hydrogène. Lorsque l'on utilise ces gaz pour réaliser la synthèse de l'ammoniaque, ils peuvent être appliqués, en dehors de cette utilisation à la production de l'énergie nécessaire à la synthèse.
La chaleur produite par la combustion des gaz réducteurs sortants est plus grande que celle nécessaire à l'obtention des deux résultats, même lorsqu'il s'agit d'un gaz pauvre.
Il est donc possible, conformément au présent procédé, de fabriquer de l'azote et de l'hydrogène et d(obtenir l'énergie nécessaire pour la synthèse de l'ammoniaque, même lorsqu'on uti- lise des gaz pauvres.
RESUME./