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Procédé et dispositif pour l'hydrogénation de la houille et autres composés carbonés.
L'hydrogénation des huiles lourdes, des goudrons, de la houille, et en général de tous produits lourds ou de ceux ayant des points d'ébullition élevés, a pour but leur transformation en hydrocarbures liquides présentant une densité inférieure à I, et des points d'ébullition tels quils puissent être utilisés directement à l'alimentation des moteurs.
On sait qu'une telle transformation est possible en effectuant l'hydrogénation de ces produits sous pression, à des températures généralement comprises entre 350 et 5000 et aussi, quelquefois, en préseme de catalyseurs appropriés.
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Toutefois, si la production de combustibles liquides par cette voie n'a pas pris d'extension, malgré le débouché important qui se présente, cet insuccès semble dû aux procédés employés jusqu'à présent qui exigent des appareils compliqués et donnent des rendements insuffisants, malgré une consommation importante d'hydrogène.
C'est qu'en effet les difficultés à résoudre sont nombreuses; une des plus grandes est d'assurer une transmission de chaleur régulière entre le foyer et les produits à traiter, très mauvais conducteurs, de façon à éviter les surchauffes locales, qui peuvent amener l'épaississement et même la cokéfaction des matières carbonées liquides et solides..Il faut en outre que pendant l'hydrogénation la température reste comprise dans des limites assez étroites où la vitesse de réaction est appréciable.
Dans les procédés connus jusqu'à présent,:ion a essayé de résoudre cette difficulté de différentes manières. Par exemple certains opèrent en deux stades: d'abord chauffage séparé des produits circulant sous faible épaisseur et à grande vitesse jusqu'à une tenpé- rature unµen inférieure à celle de réaction, puis syn- thèse proprement dite dans une grande chambre caloritu- gée et chauffée indirectement.
Dans le cas de foyer chauffé au gaz, le brevet français n 682.363 du 27 septem- bre 1929 propose encore d'éviter la surchauffe en réglant la température des flammes du foyer par une ad- dition convenable d'une partie des fumées ayant déjà servi, ou en effectuant le chauffage des produits par le gaz hydrogénant ou un gaz Inerte, seul chauffé directement.
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Ces solutions, comme d'autres qu'on peut trouver dans les nombreux brevets concernant l'hydrogénation, ont l'inconvénient d'exiger un appareillage assez compliqué ou n'atteignent qu'imparfaitement le but désiré notamment en ce qui concerne le maintien de la température dans les limites acceptables pour le rendement. On a proposé, il est vrai, dans le brevet français n 668.064 du 28 janvier 1929, de faire l'hydrogénation dans une seule tour chauffée directement et d'un diamètre assez faible pour avoir une bonne transmission de chaleur, mais une durée de contact suffisante-ne peut évidemment être assurée qu'aux dépens du débit.
Un autre problème à résoudre, est la nécessité d'assurer un contact aussi intime que possible entre le gaz hydrogénant et l'huile à traiter, car les réactions sont difficiles à réaliser, comme c'est d'ailleurs généralement le cas entre gaz et liquides, surtout quand leur affinité n'est pas considérabl e. Quand il s'agit de la houille, il importe en outre d'éviter sa séparation du milieu liquide qui la tient 'en suspension.
Aussi les procédés existants créent une agitation de la masse, tantôt comme dans le brevet fran- çais n 676. 270 du 6 juin 1929 par un rebrassage obtenu en prélevant une partie des produits dans la chambre de réaotion et en les y réintroduisant, tantôt par d'autres dispositifs de circulation en circuit fermé, comme l'agitation mécanique. Mais celle-ci présente de grandes difficultés car il faut assurer l'étanchéité à haute température et sous pression élevée. Quant aux autres moyens ils sont plus simples mais peu efficaces.
Dans une grande chambre de réaction par exemple, type qu'on adopte généralement afin
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d'avoir à la fois un grand débit et une grande durée de contact, rien n'oblige les gaz malgré le brassage, à se disperser en petites bulles réparties uniformément au sein de la masse liquide; il aura au contraire tendance à suivre toujours le même parcours de moindre résistance.
La présente invention évite tous les inconvénients qui viennent d'être signalés. Elle consiste essentiellement:
1 - à effectuer l'hydrogénation dans un faisceau tubulaire de diamètre relativement petit, parcouru à grande vitesse, par exemple de l'ordre de 10 cm par seconde, par le mélange de gaz hydrogénant et de composés carbonés, et agencé de façon qu'il y ait toujours une grande uniformité de température et un contact particulièrement intime entre les deux phases.
Il ne suffit pas, pour cela, dtassurer une bonne dispersion du gaz au sein du liquide à l'entrée de l'appareil : il faut encore que cette dispersion se maintienne pendant tout le parcours. Or, si on ne prend pas de dispositions spéciales, les petites bulles gazeuses auront tendance à se rassenbler en bulles plus grosses d'où diminution considérable de la surface de contact, donc du rendement. Si, par exemple, on employait un serpentin ordinaire, on pourrait avoir dans les parties horizontales une séparation en deux zones liquide et gazeuse.
Le procédé objet de l'invention réalise au contraire, grâce aux changements de direction en bas de chaque élément tubulaire comme il est décrit au 2 , une agitation intense et une réémulsion périodique du mélange, assurant ainsi lemaintien des gaz à l'état de bulles très fines au sein de la masse liquide.
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@ 20- à constituer le faisceau par des tubes verticaux alimentés par le bas au moyen d'un tube plon- geur étroit essentiellement caractérisé, comme il est décrit plus loin, par un isolement thermique qui permet d'obtenir un réchauffement progressif dans le sens de parcours desproduits, c'est-à-dire de bas en haut de la zone annulaire.
3 - à placer l'ensenble dans un f our analogue à un four à coke, chauffé au gaz, sans qu'il y ait jamais contact entre les flammes et les tubes, de sorte que l'apport de chaleur se fasse uniquement par rayonnement des piédroits de briques réfractaires.
Tout ceci., joint à la grande vitesse des produits, réalise, au cours de leur trajet dans 1'appareil, d'abord leur échauffement progressif jusqu'à la tempé- rature optima de réaction, puis le maintien-bien régu- lier de celle-ci jusqu'à la fin du faisceau tubulaire, les premiers éléments jouant le rôle de réchauffeurs.
Quant à la durée de contact, on peut, malgré la grande vitesse du parcours, la fixer à la grandeur voulue en mettant un nombre suffisant de tubes en série. D'ail- leurs l'hydrogénation peut être effectuée en plusieurs temps, c'est-à-dire dans plusieurs groupes successifs constitués chacun par un faisceau tubulaire comme il vient d'être dit, mais en opérant entre chaque groupe, et le refroidissement des gaz, et la condensation et l'extraction des produits légers formés dans chaque groupe. De cette façon, on favorise la réaction, comme il est connu par la loi du déplacement de l'équilibre, dans le sens d'un accroissement du taux d'absorption d'hydrogène.
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La figure reproduit, à titre d'exemple, une vue en coupe d'un tube réalisant les principes exposés plus haut. Le mélange arrive par l'orifice A, parcourt le tube inférieur B à grande vitesse de façon à subir une agitation énergique et une remise en émulsion au changement brusque de direction à la base. Le gaz remonte alors sous une forme très divisée à travers l'huile remplissant la zone annulaire C dont l'épaisseur est assez faible pour que toute la masse participe à la réaction et pour avoir un bon échange de chaleur par convection grâce à la vitesse de parcours.
Le principe essentiel du tube B consiste à le constituer par une double paroi métallique bourrée de Kieselguhr ou autre calorifuge, car il a été trouvé qu'on ne pouvait réaliser la progression régulière de température du bas en hait de la zone 0 qu'en limitant l'é- change de chaleur entre les produits montants et des- cendants. Sinon ceux-ci sont très refroidis par les premiers vers le haut et la température, après avoir atteint un maximum vers le milieu de C, baisse ensuite à la par- tie supérieure, et il a même été constaté que dans ces conditions il était pratiquement impossible de régler la température et d'éviter les éclatements de tubes.
L'ensemble d'un appareil d'hydrogénation est composé par exemple de 60 tubes verticaux réunis entre eux et placés dans un four chauffé au gaz, comme il est dit plus haut. L'hydrogène et le produit à traiter sont introduits dans le premier tube par le même orifice, res- pectivement au moyen d'un compresseur et d'une pompe.
Les résidus sont évacués du dernier tube par trop plein tandis que les gaz et l'hydrogène non absorbé sortant
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par le haut abandonnent par refroidissement dans un condenseur et un séparateur la plus grande partie des produits légers formés. Le reste est retenu dans un laveur arrosé par un dissolvant approprié d'où il sera extrait par les moyens connus.
Si l'hydrogénation se fait en plusieurs groupes successifs, l'huile et les gaz sortant séparément sont réunis à nouveau et injectés dans le groupe suivant.
A titre d'exenple, sont indiqués ci-après les résultats obtenus dans une installation traitant une certaine houille grasse. Les tubes du faisceau tubulaire avaient un diamètre de 100 m/m et une hauteur de 4 mètres. La houille, mise en suspension avec un catalyseur approprié dans le résidu d'une opération précédente, est introduite avec un débit de 400 Kgs. à l'heure; le gaz, formé en grande partie d'hydrogène, a la composition suivante:
Hydrogène........... 75 %
Azote.............. 20 %
Oxyde de carbone... 4 %
Méthane,........... 1 %
Son débit est de .1000 m3/heure et on obtient finalement par heure 22 Kgs. d'essence légère, 132 Kgs. d'huiles légères et 32 Kgs, d'eaux ammoniacales contenant 60 grammes d'ammoniaque par litre.
Rapportés à la tonne de houille, ces résultats donnent:
Essences légères... 55 Kgs
Huiles légères.....350 Kgs
Ammoniaque......... 5 Kgs
Les gaz résiduels dont le volume était de 630 m3/heure contenaient:
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Hydrogène................... 33 %
Azote.......................31,5 %
Acide carbpnique, oxyde de carbone et hydrocarbu- res gazeux.................. 35,5 %
L'hydrogène nécessaire à la réaction n'a pas besoin d'être pur, on peut utiliser à cet effet tout gaz en contenant, telsque gaz de fours à coke, gaz à l'eau, etc... en augmentant au besoin le nombre des groupes de l'appareil.
Ce procédé d'hydrogénation, qui s'effectue en phase liquide, peut aussi, selon les cas, être complé- té par une hydrogénationean phase vapeur; il suffit alors de faire passer l'hydrogène et les vapeurs qui se dégagent du dernier tube, dans un tube contenant un cata- lyseur qui complétera l'hydrogénation.