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Procédé d'évacuation de chaleur des chambres de réaction.
La présente invention a trait à l'évacuation de la cha- leur d'une réaction exothermique, tout particulièrement lors- qu'on emploie un catalyseur meuble en suspension. Suivant le présent procédé la chaleur exothermique de la réaction est absorbée comme chaleur sensible du catalyseur meuble qui est enlevé de la zone de réaction et refroidi par régénération de vapeur et, si on le désire, par surchauffage de celle-ci dans une zone de refroidissement. Cette invention s'adapte tout par- ticulièrement bien à la fabrication de produits par une réaction comprenant de l'hydrogène et des oxydes de carbone. Selon le présent procédé on reste entièrement .'maître de la température dans la zone de réaction en réglant la température du cataly- seur de la manière décrite par la suite.
On sait que l'on peut exécuter des réactions chimiques exothermiques et évacuer la chaleur de la réaction par des .,
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moyens appropriés. Ces moyens comprennent généralement des ma- tières de refroidissement qui circulent dans ou hors de la zone de réaction. La circulation de ces moyens de refroidissement, dans la zone de réaction, est souvent impossible ou pas à con- seiller, étant donné l'effet de la matière de refroidissement sur la marche et l'étendue de la réaction, la difficulté de sé- parer la matière de refroidissement des produits de réaction ou de la matière catalytique, la réduction de l'espace nécessaire à la réaction causée par la présence de cette matière, etc.
D'autre part, la circulation de matières de refroidissement à l'extérieur de la zone de réaction n'est pas entièrement satis- faisante pour certaines opérations, étant donné que la tempé- rature dans la zone de réaction est relativement difficile à contrôler avec précision, tout particulièrement lorsqu'une matière catalytique est employée et qu'il se produit un surchauf- fage local à la surface de la matière catalytique sur le chemin des gaz en circulation.
Ces inconvénients sont encore aggravés et plus marqués dans les réactions chimiques comprenant l'hydro- génation des oxydes de carbone pour la production d'hydrocarbu- res ayant plus d'un atome de carbone dans la molécule, puisqu'il est essentiel que la température dans ces réactions soit contrô- lée de manière qu'aucune variation de température ne se produise pendant la marche de la réaction.
On a donc proposé d'employer un catalyseur meuble en suspension dans différents genres de réactions exothermiques, et d'évacuer la chaleur exothermique dé la réaction en l'absor- bant sous forme de chaleur sensible du catalyseur, en retirant le catalyseur de la zone de réaction, en évacuant la chaleur exothermique de la réaction, et en recyclant'le catalyseur refroidi dans la zone de réaction.
L'invention a pour objet un procédé au moyen duquel cette opération peut s'accomplir plus efficacement et plus économiquement. Ce procédé évite les difficultés qui se présen-
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tent dans l'extraction de la chaleur de réaction du catalyseur et offre des avantages supplémentaires. Suivant ce procédé, le catalyseur est soutiré de la zone de réaction et on le fait passer dans une zone de refroidissement où il est refroidi par la vaporisation de l'eau, ce qui produit des quantités relative- ment fortes de vapeur.
Le procédé de cette invention sera facilement compris en se référant au dessin annexé représentant un mode d'exécution de ladite invention. Ce dessin représente une opération em- ployant un catalyseur en poudre en suspension utilisé dans une réaction pour la production de constituants d'hydrocarbures renfermant plus d'un atome de carbone dans la molécule par l'hydrogénation des oxydes de carbone. Les gaz d'alimentation comprenant des oxydes de carbone et de l'hydrogène sont intro- duits dans la zone de réaction 1 par le conduit d'alimentation 2. Ces gaz circulent en montant à travers la zone de réaction 1 et se trouvent en contact à contre-courant avec un catalyseur en poudre en suspension circulant dans le sens opposé et vers le bas, qui est introduit dans la zone 1 par le conduit 3.
Il est entendu naturellement que la zone 1 comprend des moyens appro- priés pour contrôler la température de la réaction au degré voulu, dont une partie comprend l'absorption de la chaleur de réaction comme chaleur sensible du catalyseur. Les produits de réaction comprenant des constituants d'hydrocarbures vaporisés renfermant plus d'un atome de carbone dans la molécule, avec des gaz fixes et autres impuretés, sont évacués par en haut de la zone de réaction 1 par le conduit 4 et sont traités de ma- nière à séparer les produits désirés, ou bien subissent tout autre traitement désirable.
Le catalyseur en poudre circule en descendant dans la zone 1 et absorbe la chaleur exothermique comme chaleur sensi- ble du catalyseur, puis est évacué de la zone 1 par le conduit 5. -
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Ces gaz passent ensuite dans la zone de refroidissement 6 où la chaleur sensible du catalyseur est extraite en le mettant en contact avec de l'eau qui est introduite dans la zone 6 par le conduit 7. La quantité d'eau introduite est réglée de manière à obtenir sa vaporisation complète. En général, il est préférable d'introduire l'eau en plusieurs endroits, par des conduits 15 et 16.
Le catalyseur refroidi ainsi que la vapeur passent en montant à travers la zone 6 et puis passent dans la zone de sé- paration 9 où il se produit une séparation entre la vapeur, qui est évacuée au moyen du conduit 10, et le catalyseur refroidi qui est évacué par le conduit 3 et recyclé dans la zone de réaction.
On peut introduire du catalyseur frais par le conduit 12 tandis que le catalyseur épuisé est soutiré par le conduit 13. La tem- pérature du catalyseur peut être encore contr8lée si c'est né- cessaire en le faisant passer par des moyens de refroidissement ou de chauffage appropriés.
Le procédé de la présente invention peut varier largement et n'est pas limité à la construction représentée sur la figure.
On doit se rendre compte que les zones respectives peuvent com- prendre un certain nombre d'unités, arrangées et placées diffé- remment. L'invention est tout particulièrement avantageuse parce que le catalyseur est suspendu dans de la vapeur et passe à la partie supérieure de la chambre de réaction d'où il peut être facilement recyclé. Cette invention peut'facilement s'adapter à l'évacuation de la chaleur de n'importe quelle réaction chimique où il se produit de la chaleur.
Elle est cependant tout particu- lièrement précieuse lorsqu'on emploie un,catalyseur en poudre en suspension, spécialement dans les réactions comprenant l'hy- drogénation des oxydes de carbone qui s'accomplissent dans des conditions faites pour produire des produits d'hydrocarbures contenant plus d'un atome de carbone dans la molécule.
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Ces réactions s'accomplissent généralement à une tem- pérature de l'ordre d'environ 370 à 410 F. Il est essentiel en vue d'obtenir un rendement satisfaisant en produit de la qualité désirée, que la température de la réaction ne s'écarte pas sen- siblement de la température de marche qui a été déterminée au préalable. En général, pour obtenir des résultats satisfaisants, il est essentiel que la température de la réaction dans des procédés de ce genre ne varie pas de plus d'environ 10 F. et, de préférence, pas de plus de 5 F. Le catalyseur employé dans ce procédé peut être un catalyseur choisi parmi les substances reconnues comme propres à favoriser l'hydrogénation des oxydes de carbone.
Des catalyseurs satisfaisants sont par exemple : cé-rium, chrome, cobalt, manganèse, osmium, palladium, titanium, zinc, fer et les oxydes d'autres composés de ces métaux. On peut employer des mélanges de ces catalyseurs ou les imprégner d' agents appropriés pour augmenter leur efficacité ou leur puissance. En général, en exécutant le présent procédé, on a trouvé qu'il était préférable d'employer un catalyseur en poudre ou finement divisé d'environ 200 à 400 mailles. Bien que cette opération ait été décrite comme employant une circulation à contre-courant entre le catalyseur et les gaz dans la zone de réaction, on doit se rendre compte que l'on peut aussi employer un même sens de courant, soit montant, soit descendant.
Lorsqu'on emploie un catalyseur en poudre dans une opération de ce genre, celui-ci peut être uniformément réparti car il tombe librement dans la zone de réaction et l'on obtient un contact intime entre les gaz et le catalyseur en poudre qui circulent dans le même sens. Une variante de l'invention consiste à régler le courant de gaz de synthèse et de catalyseurs d'une manière telle que la vitesse du catalyseur qui passe dans la zone de réaction dépasse la vitesse des gaz de synthèse en circulation.
Lorsqu'on exécute la réaction avec des courants circulant dans le même sens, on peut prévoir une zone suplémentaire pour séparer le catalyseur
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des produits de la réaction, L'emploi de cette zone de séparation auxiliaire peut aussi être avantageux quand on exécute la réaction à contre-courant, et on peut la prévoir, par exemple, sur le conduit 4 du dessin ci-joint, d'où le catalyseur séparé rejoint le conduit 5 pour être envoyé dans la zone de refroidis- sement.
Le degré auquel le catalyseur peut être refroidi est facilement contrôlé par la quantité d'eau introduite dans la zone de refroidissement. En général, ce procédé s'applique mieux aux opérations dans lesquelles le catalyseur est refroidi à une tem- pérature qui n'est pas inférieure à 300 F. Si le catalyseur se trouve à une température notablement inférieure, l'eau ne se transforme pas facilement en vapeur à une pression acceptable.
Il est particulièrement essentiel quand on emploie un catalyseur en poudre que la quantité d'eau ajoutée dans la zone de refroidissement soit telle qu'elle puisse se vaporiser faci- lement et que la chambre de réaction soit pour ainsi dire en- tièrement exempte d'eau liquide. La température de l'eau que l'on ajoute peut varier grandement, mais en général il est pré- férable que cette eau se trouve à son point d'ébullition par rapport à la pression employée. Une opération particulièrement satisfaisante, comme celle indiquée plus haut, est d'introduire un mélange aqueux comprenant environ 5% à 10% de vapeur dans la zone de réaction dans des conditions telles que le liquide se transforme immédiatement.
On obtient sensiblement le même effet, en partie, en introduisant de l'eau à plusieurs endroits le long du passage du catalyseur dans la zone de refroidissement.
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Process for removing heat from reaction chambers.
The present invention relates to the removal of heat from an exothermic reaction, especially when a loose catalyst in suspension is employed. According to the present process the exothermic heat of the reaction is absorbed as the sensible heat of the loose catalyst which is removed from the reaction zone and cooled by regeneration of vapor and, if desired, by superheating it in a cooling zone. . This invention is particularly well suited to the manufacture of products by a reaction comprising hydrogen and oxides of carbon. In accordance with the present process, the temperature in the reaction zone remains completely in control by controlling the temperature of the catalyst as described below.
It is known that one can carry out exothermic chemical reactions and remove the heat of the reaction by.
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appropriate means. These means generally include cooling materials which circulate in or out of the reaction zone. Circulation of these cooling means through the reaction zone is often impractical or not advisable, in view of the effect of the cooling material on the progress and extent of the reaction, the difficulty of separation. preventing the cooling material from the reaction products or the catalytic material, reducing the space required for the reaction caused by the presence of this material, etc.
On the other hand, the circulation of cooling materials out of the reaction zone is not entirely satisfactory for certain operations, since the temperature in the reaction zone is relatively difficult to control with. accuracy, especially when a catalytic material is employed and local overheating occurs at the surface of the catalytic material in the path of the circulating gases.
These drawbacks are further compounded and more marked in chemical reactions involving the hydrogenation of carbon oxides for the production of hydrocarbons having more than one carbon atom in the molecule, since it is essential that the temperature in these reactions is controlled so that no change in temperature occurs during the course of the reaction.
It has therefore been proposed to employ a loose catalyst in suspension in various kinds of exothermic reactions, and to remove the exothermic heat of the reaction by absorbing it in the form of sensible heat from the catalyst, removing the catalyst from the zone. reaction, removing the exothermic heat of the reaction, and recycling the cooled catalyst to the reaction zone.
The object of the invention is a method by means of which this operation can be accomplished more efficiently and economically. This process avoids the difficulties which arise.
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tempt in extracting the heat of reaction from the catalyst and offers additional advantages. In this process, the catalyst is withdrawn from the reaction zone and passed to a cooling zone where it is cooled by the vaporization of water, which produces relatively large amounts of vapor.
The method of this invention will be readily understood by reference to the accompanying drawing showing an embodiment of said invention. This drawing shows an operation employing a powdered suspended catalyst used in a reaction for the production of hydrocarbon constituents having more than one carbon atom in the molecule by the hydrogenation of carbon oxides. The feed gases comprising carbon oxides and hydrogen are introduced into the reaction zone 1 through the feed line 2. These gases circulate upward through the reaction zone 1 and are in contact. countercurrently with a powdered catalyst in suspension flowing in the opposite direction and downwards, which is introduced into zone 1 through line 3.
It will of course be understood that zone 1 comprises suitable means for controlling the temperature of the reaction to the desired degree, part of which comprises the absorption of the heat of reaction as the sensible heat of the catalyst. The reaction products comprising vaporized hydrocarbon constituents containing more than one carbon atom in the molecule, together with fixed gases and other impurities, are discharged from the top of the reaction zone 1 via line 4 and are treated with so as to separate the desired products, or else undergo any other desirable treatment.
The powdered catalyst circulates downward in zone 1 and absorbs the exothermic heat as sensible heat of the catalyst, then is discharged from zone 1 through line 5. -
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These gases then pass into the cooling zone 6 where the sensible heat of the catalyst is extracted by bringing it into contact with water which is introduced into zone 6 through line 7. The quantity of water introduced is adjusted in such a way. to obtain its complete vaporization. In general, it is preferable to introduce the water in several places, through conduits 15 and 16.
The cooled catalyst together with the vapor pass upward through zone 6 and then pass into separation zone 9 where a separation takes place between the vapor, which is discharged through line 10, and the cooled catalyst which takes place. is evacuated through line 3 and recycled to the reaction zone.
Fresh catalyst can be introduced through line 12 while spent catalyst is withdrawn through line 13. The temperature of the catalyst can be further controlled if necessary by passing it through cooling or cooling means. appropriate heating.
The method of the present invention can vary widely and is not limited to the construction shown in the figure.
It should be realized that the respective zones may consist of a number of units, arranged and placed differently. The invention is particularly advantageous because the catalyst is suspended in steam and passes to the upper part of the reaction chamber from where it can be easily recycled. This invention can easily be adapted to remove heat from any chemical reaction where heat occurs.
It is, however, particularly valuable when a powdered suspended catalyst is employed, especially in reactions involving the hydrogenation of carbon oxides which take place under conditions made to produce hydrocarbon products containing. more than one carbon atom in the molecule.
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These reactions are generally carried out at a temperature in the range of about 370 to 410 F. It is essential in order to obtain a satisfactory yield of product of the desired quality that the temperature of the reaction does not rise. not significantly different from the operating temperature which has been determined beforehand. In general, in order to obtain satisfactory results, it is essential that the temperature of the reaction in such processes does not vary by more than about 10 F. and, preferably, not more than 5 F. The catalyst employed in this process may be a catalyst chosen from substances recognized as suitable for promoting the hydrogenation of carbon oxides.
Satisfactory catalysts are, for example: cerium, chromium, cobalt, manganese, osmium, palladium, titanium, zinc, iron and the oxides of other compounds of these metals. Mixtures of these catalysts can be used or impregnated with suitable agents to increase their efficiency or potency. In general, in carrying out the present process, it has been found to be preferable to employ a powdered or finely divided catalyst of about 200 to 400 mesh. Although this operation has been described as employing a countercurrent flow between the catalyst and the gases in the reaction zone, it should be realized that one can also employ the same direction of flow, either up or down. .
When a powdered catalyst is employed in such an operation, it can be evenly distributed because it falls freely in the reaction zone and intimate contact is obtained between the gases and the powdered catalyst flowing through it. the same way. A variant of the invention is to control the flow of synthesis gas and catalysts in such a way that the speed of the catalyst passing through the reaction zone exceeds the speed of the circulating synthesis gases.
When the reaction is carried out with currents flowing in the same direction, an additional zone can be provided to separate the catalyst.
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products of the reaction. The use of this auxiliary separation zone can also be advantageous when carrying out the reaction against the current, and can be provided, for example, in line 4 of the accompanying drawing, from where the separated catalyst joins line 5 to be sent to the cooling zone.
The degree to which the catalyst can be cooled is easily controlled by the amount of water introduced into the cooling zone. In general, this process is most applicable to operations in which the catalyst is cooled to a temperature not lower than 300 F. If the catalyst is at a significantly lower temperature, the water does not change. readily to vapor at an acceptable pressure.
It is particularly essential when employing a powdered catalyst that the amount of water added to the cooling zone is such that it can readily vaporize and that the reaction chamber is virtually completely free of. liquid water. The temperature of the added water can vary widely, but in general it is preferable that the water is at its boiling point relative to the pressure employed. A particularly satisfactory operation, such as that indicated above, is to introduce an aqueous mixture comprising about 5% to 10% vapor into the reaction zone under conditions such that the liquid transforms immediately.
Substantially the same effect is obtained, in part, by introducing water at several points along the passage of the catalyst in the cooling zone.