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"Procédé et appareil pour la production de gaz de synthèse en partant d'hydrocarbures aliphatiques gaz eux et d'oxygène"
On connaît, le procédé pour obtenir, par oxydation en par- tant d'hydrocarbures aliphatiques gazeux, ce que l'on appelle le "gaz de synthèse", c'est-à-dire des mélanges essentiellement cons- titués par de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène dans le rapport requis pour le but auquel ils sont destinés (synthèse du méthanol ou d'hydrocarbures, ou synthèses de l'ammoniaque, après une éven- tuelle conversion partielle au moins, en hydrogène, de l'oxyde de carbone présent).
Dans ce cas, la transformation des hydrocarbures aliphatiques contenus par exemple dans le gaz naturel ou dans les sous-produits du traitement du pétrole, se réalise ordinairement au moyen de vapeur d'eau en présence d'un catalyseur, c'est-à-dire qu'elle est
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basée sur des réactions du type :
CH4 + H2O = CO + 3H2
Cette réaction est toutefois fortement endothermique et pour qu'elle ait lieu, il faut fournir de la chaleur externe, en ef- fectuant la réaction même à une température voisine de 800 C.
L'appareillage nécessaire est par conséquent compliqué et coûteux.
Les inconvénients mentionnés ci-dessus sont éliminés par le procédé selon la présente invention pour la production de gaz de synthèse en partant d'hydrocarbures aliphatiques gazeux et d'oxy- gène, lequel procédé est caractérisé en ce que la réaction s'ef- fectue sans addition de chaleur externe et sans introduction de vapeur d'eau, en effectuant dans un premier stade une combustion partielle des hydrocarbures, ou des gaz qui les contiennent, avec de l'oxygène et/ou de l'air et en faisant réagir ensuite le mélange gazeux ainsi obtenu en présence de catalyseurs au nickel, cette réaction catalytique ayant lieu aux dépens de la chaleur dévelop- pée dans le premier stade.
Toujours selon l'invention, la combustion partielle des hydro- carbures s'effectue, de préférence, avec un léger excès d'oxygène par rapport à la quantité stoechiométrique requise pour obtenir exclusivement un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène, cet excès atteignant 10% au maximum.
En considérant, pour la simplicité et à titre d'exemple seu- lement, que l'hydrocarbure à convertir soit le méthane, le pro- cédé selon l'invention est basé sur la réaction fondamentale :
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2 (I) qui est toutefois accompagnée par les réactions :
EMI2.1
CE4 + 2 2 = 0 2 ... atr2 (II) GH4 + EgO = CO + 2H2 (III) CE4 + 0 2 200 + 2tI2 (IV) Parmi ces réactions, la (I) et la (II) sont exothermiques
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tandis que la (III) et la (IV) sont endothermiques et ont donc lieu, suivant l'invention, aux dépens de la chaleur sensible des gaz produits par les deux premières.
Cornue il a déjà été signalé, la quantité d'oxygène à em- ployer pour la combustion partielle est calculée d'après la réaction (I), avec un léger excès destiné à compenser l'exigeance du bilan thermique de l'appareillage; cependant, comme aussi la réaction (II) a lieu simultanément, il s'ensuit qu'une partie des hydrocarbures, dans le cas particulier envisagé, le méthane n'aura pu réagir avec l'oxygène et, se trouvant en présence des produits des deux premières réactions, donnera lieu aux réactions secondaires (III) et (IV), dont la dernière est catalytiquement accélérée par rapport à la réaction (III), dans le but d'obtenir une plus haute valeur du rapport H2: CO.
L'invention concerne aussi un appareil pour la réalisation du procédé susdit, caractérisé par deux chambres fonctionnelle- ment distinctes, dans la première desquelles (four) s'effectuent les réactions (1) et (II) à l'aide de brûleurs disposés, de façon à provoquer une turbulence adéquate dans le gaz de réaction, tandis que dans la deuxième (réacteur) se produisent les réactions (III) et (IV) en présence d'un catalyseur convenable.
L'invention sera décrite ci-après d'une façon plus détaillée avec référence au dessin annexé, qui représente schématiquement, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de l'apparei pour la réalisation du procédé.
Dans ce dessin, la Fig. 1 montre une vue en coupe verticale de l'appareil, et la Fig. 2 montre une vue en coupe horizontale du four de combustion du dit appareil, suivant la ligne I-I de la Fig. 1.
Dans la Fig.l, le mélange d'hydrocarbures aliphatiques (ou de gaz qui les contiennent) provenant de a, et d'oxygène (ou d'air, suivant que la présence d'azote est désirée, ou non,
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dans les produits finalement obtenus), provenant de b, est brûlé dans le four 1 par les brûleurs 4 agencés de façon telle que les jets respectifs, en agissant l'un sur l'autre, créent la turbulence des gaz de réaction, symbolisée en 5.
Le mélange de gaz partiellement brûlés, qui est ainsi obtenu, passe ensuite dans le réacteur 2, contenant le catalyseur 3, où a lieu la conversion finale ; gaz de synthèse résultant se dé- charge par 6.
La chaleur sensible contenue dans le gaz de synthèse déchar- gé peut évidemment êtreutilisée pour le pré-chauffage des gaz, ou des mélanges gazeux entrant, et la section de l'appareil peut présenter un profil quelconque, les chambres 1 et 2 pouvant par exemple aussi être disposées l'une à côté de l'autre dans le sens horizontal, au lieu d'être agencées comme illustré au dessin annexé .
Le procédé et l'appareil selon l'invention conviennent non seulement au traitement du méthane obtenu d'une façon quelconque (par exemple du méthane obtenu par fractionnement du gaz de fours à coke), mais aussi d'autres hydrocarbures aliphatiques gazeux, comme par exemple ceux obtenus des gaz naturels, du gaz de fours à coke non fractionné ou des sous-produits de la distillation du pétrole.
Parmi les avantages offerts par le procédé et par l'appareil selon la présente invention, par rapport à ceux connus jusqu'à présent, il faut signaler surtout la possibilité de convertir les hydrocarbures, sans apport de chaleur et sans addition de vapeur, avec de l'oxygène ou de l'air seulement, ainsi que l'extrême simplicité et maniabilité de l'appareillage, dues au fait que l'ensemble des réactions a lieu avec une cession de chaleur dont la valeur, liée au bilan thermique de l'appareillage même, est réglée par le réglage convenable de l'oxygène en excès.
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"Method and apparatus for the production of synthesis gas starting from aliphatic hydrocarbon gases and oxygen"
The process is known for obtaining, by oxidation starting from gaseous aliphatic hydrocarbons, what is called "synthesis gas", that is to say mixtures consisting essentially of gas. carbon monoxide and hydrogen in the ratio required for the purpose for which they are intended (synthesis of methanol or of hydrocarbons, or syntheses of ammonia, after a possible partial conversion at least, into hydrogen, of the carbon monoxide present).
In this case, the transformation of the aliphatic hydrocarbons contained, for example, in natural gas or in the by-products of petroleum processing, is usually carried out by means of water vapor in the presence of a catalyst, that is to say say she is
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based on reactions of the type:
CH4 + H2O = CO + 3H2
However, this reaction is strongly endothermic and for it to take place external heat must be supplied, carrying out the reaction even at a temperature of around 800 C.
The necessary equipment is therefore complicated and expensive.
The above-mentioned drawbacks are eliminated by the process according to the present invention for the production of synthesis gas starting from gaseous aliphatic hydrocarbons and oxygen, which process is characterized in that the reaction takes place without addition of external heat and without introduction of water vapor, by carrying out in a first stage a partial combustion of the hydrocarbons, or of the gases which contain them, with oxygen and / or air and then reacting the gas mixture thus obtained in the presence of nickel catalysts, this catalytic reaction taking place at the expense of the heat developed in the first stage.
Still according to the invention, the partial combustion of the hydrocarbons is preferably carried out with a slight excess of oxygen relative to the stoichiometric quantity required to obtain exclusively a mixture of carbon monoxide and hydrogen, this excess of up to 10%.
Considering, for simplicity and by way of example only, that the hydrocarbon to be converted is methane, the process according to the invention is based on the fundamental reaction:
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2 (I) which is however accompanied by the reactions:
EMI2.1
CE4 + 2 2 = 0 2 ... atr2 (II) GH4 + EgO = CO + 2H2 (III) CE4 + 0 2 200 + 2tI2 (IV) Among these reactions, (I) and (II) are exothermic
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while (III) and (IV) are endothermic and therefore take place, according to the invention, at the expense of the sensible heat of the gases produced by the first two.
As has already been pointed out, the quantity of oxygen to be used for the partial combustion is calculated according to reaction (I), with a slight excess intended to compensate for the demand for the thermal balance of the apparatus; however, as also reaction (II) takes place simultaneously, it follows that part of the hydrocarbons, in the particular case considered, the methane could not react with the oxygen and, being in the presence of the products of the first two reactions, will give rise to side reactions (III) and (IV), the last of which is catalytically accelerated with respect to reaction (III), in order to obtain a higher value of the H2: CO ratio.
The invention also relates to an apparatus for carrying out the aforesaid process, characterized by two functionally distinct chambers, in the first of which (furnace) the reactions (1) and (II) are carried out using arranged burners, so as to cause adequate turbulence in the reaction gas, while in the second (reactor) reactions (III) and (IV) take place in the presence of a suitable catalyst.
The invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawing, which schematically shows, by way of non-limiting example, an embodiment of the apparatus for carrying out the method.
In this drawing, FIG. 1 shows a vertical sectional view of the apparatus, and FIG. 2 shows a horizontal sectional view of the combustion furnace of said apparatus, taken along the line I-I of FIG. 1.
In Fig. 1, the mixture of aliphatic hydrocarbons (or gases which contain them) originating from a, and oxygen (or air, depending on whether the presence of nitrogen is desired or not,
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in the products finally obtained), coming from b, is burned in the furnace 1 by the burners 4 arranged in such a way that the respective jets, by acting on one another, create the turbulence of the reaction gases, symbolized in 5.
The partially burnt gas mixture, which is thus obtained, then passes into the reactor 2, containing the catalyst 3, where the final conversion takes place; resulting synthesis gas is discharged by 6.
The sensible heat contained in the syngas discharged can obviously be used for the preheating of the gases, or of the incoming gas mixtures, and the section of the apparatus may have any profile, chambers 1 and 2 being able for example also be arranged next to each other in the horizontal direction, instead of being arranged as illustrated in the accompanying drawing.
The method and apparatus according to the invention are suitable not only for the treatment of methane obtained in any way (eg methane obtained by fractionating coke oven gas), but also other gaseous aliphatic hydrocarbons, such as by for example those obtained from natural gas, unfractionated coke oven gas or by-products of petroleum distillation.
Among the advantages offered by the process and by the apparatus according to the present invention, compared to those known hitherto, it should be pointed out above all the possibility of converting the hydrocarbons, without the addition of heat and without the addition of steam, with oxygen or air only, as well as the extreme simplicity and maneuverability of the apparatus, due to the fact that all the reactions take place with a transfer of heat whose value, linked to the thermal balance of the apparatus itself, is regulated by the proper adjustment of the excess oxygen.