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REACTEUR A HAUTE TEMPERATURE,
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L9imrention est relative ' un appareil de réaction nouveau, pour réaliser dune manière continue des réactions thermiques., ainsi qu'à. une mé- thode d9 exécution de telles réactions dans cet appareil.
En particulier l'invention a. trait à un réacteur continu et à la méthode pour y exécuter des réactions à des températures élevées,,
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de 1100 à 16500C et même supérieures.
On a construit dans le passé des appareils réacteurs tubulaires continus pour exécuter -des réactions à des températures élevées., à 19,aide de tubes en alliages métalliques capables de supporter des températures allant
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jusque 1000 G end-iron. Des températures supérieures à 11000e n90nt, pu être pratiquées dans de tels réacteurs en raison de la défaillance des tu-
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bes résultant d 9 une perte de résistance et des actions chimiques aux tempé- ratures élevées.
Par suite, des réacteurs tubulaires n9or-t été utilisés pour des processus industriels continus que lorsque des températures inférieures
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à 1100 G étaient employéeso
Dans une tentative pour remédier à la défaillance des tubes en alliages métalliques utilisés dans les réacteurs de la technique ancienne, on a suggéré de suspendre les tubes par le haut au lieu de les supporter
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par le bas, à 1?e±èt de réduire la charge supportée, en permettant ainsi l'emploi de températures quelque peu élevées avant la défaillance complète des tubes métalliques.
L'emploi de températures supérieures à 1100C sont toutefois impossibles même avec cette amélioration.
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Dans le réacteur de la présente invention, il est possible d'exé- enter des réactions thermiques continues entre réactifs fluides à des tempé-
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ratures plus élevées que jusqu à présent.
Le réacteur contient des tubes qui peuvent être formés de tout
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matériau approprié supportant les températures élevées;, par exemple un maté- riau réfractaire. On a constaté cependant que des tubes en carbure de sili- cium, connu dans le commerce sous la marque "Carborundum" conviennent bien pour la présente invention du fait qu'ils possèdent des caractéristiques con- venables de transmission de chaleur,et également la résistance nécessaire à des températures élevéestandis qu'ils sont chimiquement inertes. D'une manière générale les réactifs sont amenés à traverser un ou plusieurs tubes placés dans une zone de chauffage qui est chauffée par des gaz chauds de com- bustion fournis par un ou plusieurs brûleurs disposés le long des côtés du réacteur.
Une caractéristique particulière de l'invention réside dans l'é- coulement d'ensemble s'effectuant en substance concurremment des réactifs et dez gaz de combustion dans les tubes de réaction et le réacteur respective- ment ainsi qu'il sera décrit plus complètement ci-après.
Une autre particularité de la présente invention réside dans le fait que le réacteur peut être divisé en deux ou plus de deux sections, dont chacune peut être chauffée à des températures différentesgrâce à quoi la température dans le tube de réaction variera du sommet-au bas suivant les besoins de tonte opération particulière.
Conformément à la présente invention des températures bien supé- rieures à 1100 C, et allant jusqu'à 16500C et au delà, sont possibles dans le réacteur dont les tubes sont supportés partiellement ou entièrement par le bas de ces tubes.
Dans un réacteur selon la présente invention, il est possible d'exécuter de nombreuses réactions antérieurement impossibles à l'échelle industrielle, ainsi que d'exécuter des processus industriels connus d'une manière beaucoup plus efficace et économique, en raison de l'emploi effec- tif des températures plus élevées. D'une façon analogue, il est maintenant possible de réaliser des réactions antérieurement inconnues.
Par exemple, le réacteur peut être utilisé pour le cracking d'hy- drocarbures en hydrogène et carbone à température élevée, avec des rendements quantitatifs presque théoriques.
Le rendement en hydrogène et carbone n'est pas seulement très é- levé, mais la phase de cracking peut, en raison de la température élevée em- ployée, c'est-à-dire d'environ 1200 C à environ 1500 G, être exécutée en un laps de temps beaucoup plus court que précédemment, grâce à quoi la capacité ou rendement total. du réacteur est beaucoup plus grand que celui de réacteurs antérieurs de dimensions analogues.
Il doit être entendu que diverses réactions peuvent être exécutées en 1-'absence d'un catalyseur, auquel cas le passage du ou des tubes peut être complètement dégagé, ou bien peut être partiellement ou entièrement rempli d'éléments en matière réfractaire inerte connus sous le nom de briseurs de noyaux pour assurer une meilleure dispersion des réactifs et une meilleure transmission de la chaleur. Toutefois diverses autres réactions nécessitent un catalyseur et, dans ce cas, le catalyseur désiré peut être disposé dans le ou les tubes sur des supports convenables pour produire le contact avec les réactifs fluides.
Par suite, un objet de l'invention est de prévoir un réacteur dans lequel des réactions peuvent être exécutées à des températures au-des- sus de 1100 C et jusque 1650 C et au delà.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une méthode pour exé- cuter des réactions à des températures élevées.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir un réacteur et une méthode d'utilisation de ce réacteur, dans lesquels la zone de chauf- fage est divisée en sections, les températures de chaque section pouvant
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être contrôlées dans certaines limiter
Un autre objet encore est de prévoir un réacteur tubulaire à tem- pérature élevée:; dans lequel les tubes de réaction sont constitués en 'on ma- tériau réfractaire et sont supportés par le bas.
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Un autre objet de Ivinvention réside dans l'uk.ilisa.lion de tubes composés de sections alignées comportant des joints étanches aux gaz entre leurs extrémités adjacentes, Dautres objets de l'invention ressortiront de la description
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détaillée qui suit et des dessins DnJ16xés: sur lesquels
Fige 1 est une élévation de côtés partiellement en coupe., d'un réacteur conforme à la- présente invention; .
Fige 2 est une vue en coupe horizontale, à échelle agrandie, obtenue suivant la ligne 2-2 de la fig. 1;
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Fige 3 est une vue en coupe verticales> à échelle agrandie, de la portion inférieure du réacteur représenté dans la fige 1, et obtenue suivant la ligne 3-3 de la figo 2;
Fig. 4. est une vue en plan du dessus, avec arrachements partiels,
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du réacteur représenté dans la ig z Fige $ est une coupe ver-tice-le., à échelle agrandie de la partie supérieure du réacteur représenté dans la .g" 1., la coupe étant obtenue suivant la 1±gne 5-5 de la fige 4 Fig. 6 est une élévation de c'ôté, partie en coupée d5un tube de réacteur modifiée propre à être utilisé dans le réacteur de la fig. 1;
Figo 7 est une vue en plan du tube de réacteur représenté dans
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la fige 6; et, Fige. 8 est une coupe verticale d'une modification d'une portion
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du réacteur représenté dans la fig. 5
En se référant à la figure 1, le réacteur 11, qui repose sur des supports 12, comprend une envel.oppe 13 garnie de réfractaire.
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A des intervalles espacés de la longueur de 1'enveloppe 13, on prévoit des parois horizontales I9 de préférence en matériaux ré±ractaires, divisant en sections lintériel2r de l'enveloppe 13, comme il sera plus complètement décrit'ci-après. Le nombre particulier de parois 14 utilisé dépendra de la nature de la réaction que 1?on désire exécuter, et peut varier de quatre, comme montré dans la fige 1, ou plus, à un, ou bien, lorsque il s'agit de petits réacteurs ou de réacteurs relativement courts,les parois de division peuvent être supprimées, Des tubes de réaction 15 se prolongent
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sur toute l.9étendue del9enveloppe 13 et traversent le sommet 165 le fond 17, ainsi que des ouvertures appropriées 18 dans les parois 14.
Le nombre de tubes de réaction peut varier suivant la capacité désirée du réacteur. Bien que trois tubes de réaction 15 aient été repré- sentés, il doit naturellement être entendu que l'on peut utiliser un nombre de tubes plus grand ou plus petit dans certaines conditions ou bien., si on le désirait, un seul tube de réaction peut être employée
Dans la paroi de 1-'enveloppe 13 sont disposés un ou un. plus grand nombre de brûleurs tels que 19 ou analogues pour la combustion d'un combustible tel que de 1-'huile, de pétrole ou mazout, ou tout autre combus- tible liquida, à l'effet, de fournir de la chaleur au réacteur.
Si on le désire, un ou plusieurs brûleurs peuvent être disposés dans chaque section du
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réacteur, deux brûleurs ayant été représentes dans la figure 1 uniquement - à titre d'illustration. On envisage également que quelques unes des sections puissent ne comporter aucun brûleur., ou bien que les brûleurs de 1 une ou 1-'autre section puissent ne pas être utilisés tout le temps.
Les parois de division 14 sont pourvues d'ouvertures 20 pour le passage des gaz de combustion d'une section à l'autre en direction descen- dante tout en procurant une action de chicane. Ainsi qu'il est représenté dans les dessins,un carneau 21 est prévu au bas du réacteur 11 pour l'ex- traction ou évacuation des gaz de combustion. On voit par suite que quelle que soit la section dans laquelle est ou sont disposés le ou les brûleurs 19, les gaz de combustion chemineront dans une direction généralement descen- dante, modifiée par turbulence et chicanage,, dans le réacteur 11 vers le carneau 21.
Les brûleurs 19 sont de préférence montés dans la paroi de l'en- veloppe 13 de manière que les flammes et les gaz de combustion soient diri- gés tangentiellement plutôt que radialement. Un tel agencement élimine dans les tubes de réaction les points chauds localisés., qui pourraient pro- voquer la défaillance de ces tubes., et il procure également un chauffage plus uniforme des tubes dans les sections.
En modifiant le nombre de brûleurs 19 dans les diverses sections, ou bien en faisant varier la température de combustion par variation de la proportion air-combustible, il est possible de modifier la température ef- fective du tube en différents points. Dans certaines circonstances, il peut être désirable d'accroitre la température du tube de réaction du haut en bas de ce tube., tandis que dans 'd'autres circonstances l'inverse peut être dési- rable. Il peut encore être désirable de prévoir la section la plus chaude au milieu ou vers le milieu du tube de réaction.
Les tubes de réaction 13 peuvent être formés de tous matériau désiré capable de résister à la température maximum désirée. Toutefois, les matériaux les plus convenables que l'on peut se procurer actuellement dont les matériaux réfractaires.. comme le carbure de silicium, parfois désigné par l'appellation "carborundum"
Ce matériau peut être conformé en tubes,, ou en sections de tu- bes pouvant être employés dans le réacteur de l'invention.
Il sera fréquemment désirable d'employer un réac-Leur de hauteur notablenotamment de 7,5m à 9 m ou plus. En pareil casil peut être dési- rable d'utiliser des tubes de réaction composés de deux ou plus de deux sec- tions alignées,superposées l'une à l'autre et en contact bout à bout.
Pour obtenir un joint étanche aux gaz entre les sections d'un tube réfrac- taire, on a constaté qu'un joint à rotule peut être employé, comme repré- senté et décrit dans le brevet des Etats-Unis au nom de K.W Stookey n 2.472.497 par exemple. Ce joint comprend essentiellement une extrémité de tube convexe et une extrémité de tube concave qui s9épousent pour former un joint étanche aux gaz, tout en permettant une valeur limitée de déplace- ment angulaire entre des sections adjacentes. L'emploi de tubes réfractai- res continus dont la longueur dépasse 2s5O à 3 m ne convient généralement pas avec les matériaux disponibles.
Non seulement la construction et la for- mation de tels tubes ne sont pas du domaine pratique mais ils sont plus sus- ceptibles d'être endommagés par les conditions opératoires dans le réacteur.
Lorsqu'il est fait usage de tubes en sections, il est généralement préférable, bien que non essentiel,, que les joints =des sections des tubes soient localisés dans les parois de division 14, comme représenté dans les figures 1 et 3.
En se référant plus spécialement à la fig. 3, les détails de la portion inférieure du réacteur 11 y sont plus clairement représentés
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Les tubes de réaction 15 se prolongent vers le vas dans le garnissage ré- fractaire du bas de l'enveloppe et reposent, sur des tubes de plongée 22 qui sont fixés,par soudure ou analogue,, à la plaque de fond 17. Les tu- bes 22 sétendent vers le bas, à partir du fond du réacteur2 dans le joint d'eau 23, jusquen un. point situé en dessous du niveau d'eau y maintenu.
Le joint deau 23 procure un contrôle de la pression dans les tubes de réac- tion, refroidit les produits gazeux et épure les gaz en recueillant les ma- tières condensables et solides pouvant être contenues dans les produits'ga- zeux, et prévient également les retours éventuels des gaz , Les produits gazeux sont évacués du système par un conduit 24.
En se référant en particulier aux figures 4 et 5, les tubes de réaction 15 traversent le sommet de 1'enveloppe 16 et sont pourvus de oints 25, tels que des joints de sable pour absorber .les dilatations linéaires thermiques des tubes de réaction.
Bien que divers types de joint puissent être utilisés, le type de joint de sable représenté comprend une plaque annulaire supérieure 26 comportant un rebord annulaire plongeant 27. La plaque 26 est repoussée vers le bas par des ressorts 28de manière que le rebord 27 pénètre dans le sa- ble contenu dans une rigole annulaire 29 montée sur le sommet de l'enveloppe 11. Au-dessus de la plaque 26.,.on prévoit un collecteur 30 dans lequel on peut introduire un ou plusieurs des réactifs fluides.
Dans la modification illustréeune huile bydrocarbonée peut être introduite par des conduits 31, de la vapeur peut être introduite par les con- duits 32 et de 1'air, du C02 ou d'autres gaz peuvent être introduits par les conduits 33.Chacun des conduits 31, 32 et 33 est pourvu de sections sou- ples pour compenser la dilatation linéaire du tube de réaction. Comme on peut le voir dans la fig. 5,le conduit d9amenée d'huile 31 peut se prolon- ger vers le bas'dans le tube de réaction 15,tandis que les réactifs gazeux peuvent être introduits tagentiellement dans le collecteur 30. Il doit être entendu que les réactifs gazeux peuvent être préalablement mélangés et, ou chauffés chaque fois que ce mélange et., ou chauffage sont désirés.
Bien que l'invention ait été décrite et illustrée en référence à une réaction dans laquelle interviennent de l'huile, de la -vapeur et de 1' air du CO2 et Vautres gaz, il doit être entendu que ces réactifs sont uniquement illustratifs et que d'autres réactifs., ou un gaz ou liquide unique peuvent être traités; par exemple on pourrait traiter du propane ou un autre hydrocarbure liquide.
En se référant en particulier aux figures 3 et 5, on peut voir que le garnissage réfractaire de 1,'enveloppe 31, et les parois réfractaires 14 sont pourvus d'ouvertures coniques 18 et 18a, à travers lesquelles passent les tubes de réaction 15,la partie la plus étroite de l'ouverture étant lé- gèrement plus grande que le tube afin de permettre la dilatation thermique transversale de celui-ci. Les parties coniques des ouvertures 18 et 18a per- mettent une variation plus graduée de température entre les portions des ' tubes 15 plus directement exposées aux gaz chauds de combustion et celles des portions de ces tubes qui n'ont pas un contact direct de ce genre avec ces gaz.
Les parois de division 14. sont de préférence établies en matière ou matériau réfractaire et, comme montré dans les dessins, sont pourvues d' une ouverture centrale 20 pour le passage des gaz chauds de combustion et d' ouvertures espacées 18, distribuées autour de l'ouveture centrale,, pour les tubes de réaction 15. Naturellement;,, on pourra utiliser plus ou moins de trois tubes de réaction lorsque cela est désirable. Toutefois, lorsqu'un tube est employé il traversera généralement les centres de l'enveloppe 13 et des parois 14, et des ouvertures de passage des gaz formées dans les parois 14, seront prévues autour du tube central 15.
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En référence aux figures 6 et 7, le tube 15 peut être pourvu à, ou près de son extrémité inférieure, d'une grille 34 qui est généralement òr- mée du même matériau réfractaire que le tube. Lorsque des réactions cataly- tiques doivent être exécutées, le catalyseur porté par les particules d'un support, est placé dans les tubes sur la grille de ceux-ci. Un support ap- proprié pour le catalyseur est de l'oxyde d'aluminium qui peut affecter la forme d'anneaux Raschig conventionnels.
Occasionnellement il peut être désirable d'évacuer ou éliminer certains des premiers gaz ou vapeurs formés alors que l'huile -hydrocarbonée est vaporisée pour la première fois dans le réacteur et avant que les vapeurs ou gaz d'huile ont été complètement traités dans le réacteur. De tels gaz peuvent être employés dans un but quelconque désiré et peuvent par exemple être extraits avec les derniers produits gazeux. A cet effet un tube d'extraction ou d'évacuation 35 tel que représenté dans la fig. 8 peut être employé. L'appareil de la figure 8 correspond à celui représenté dans la figure 5 sauf en ce qui concerne le tube 35, qui s'étend vers le bas dans le tube réfractaire 15, à peu près sur la même distance queet parallèle- ment au conduit 31.
Les premiers gaz sont aspirés dans le tube 35 et sont évacués comme indiqué par la flèche.
En fonctionnement, un ou plusieurs des brûleurs 19 sont mis en marche de manière à chauffer le réacteur 11 et les tubes de réaction 15 aux températures désirées. Les gaz chauds de combustion pénétrent dans la ou les sections entre les parois 14, tangentiellement, et tourbillonnement autour des tubes 15, généralement en spirale descendante, et sont'passés par des ouvertures 20 à la section suivante inférieure et finalement au carneau 21. Il est clair que la température d'une section quelconque peut être con- trôlée par un contrôle exercé sur les brûleurs dans les sections respectives.
Lorsque la température s'élève, les tubes se dilatent tant trans- versalement que longitudinalement. Comme- les tubes 15 sont supportés par les tubes de plongée 22 au bas du réacteur, la dilatation longitudinale s'ef- fectue dans une direction ascendante. Les joints de sable 25 permettent cette dilatation tout en maintenant fermé l'intérieur du réacteur. Le collecteur 30 et les conduits d'entrée 31, 32 et 33, en raison des sections souples qu'ils comportent, peuvent suivre la dilatation. Les ouvertures 18 et 18a permettent la dilatation transversale.
Une tendance quelconque des tubes 15 à se déformer ou se .courber par la compression engendrée par les ressorts 28, est atténuée ou supprimée par les joints à rotule entre les sections des tubes, qui permettent un mouvement angulaire limité entre les sections
Lorsque les sections du réacteur 11 et des tubes 15 ont atteint les températures désirées, les réactifs sont introduits dans la partie su- périeure des tubes de réaction comme précédemment décrit, et cheminent vers le bas à travers les tubes tout en étant traités thermiquement et, ou cataly- tiquement. Les gaz produits sont refroidis et lavés en traversant le joint d'eau 23 et passent finalement au conduit de sortie 24. La vapeur d'eau qui peut accompagner les gaz peut être éliminée à l'aide de condensateur con- ventionnels ou analogues.
Cette méthode donnera, naturellement des produits gazeux relativement froids.
Si l'on désire que les gaz produits possèdent une température relativement élevée, on peut satisfaire cette exigence en utilisant pour le joint 23 un liquide à point d'ébullition plus élevée que Peau. Par exemple, on peut utiliser, en remplacement de l'eau, du tétracrésyl sili- cate,de l'orthodichloro-benzène dénaturé, des liqueurs de silicone, un mélange eutectique de 73,5% de phényl-éther et 26,5% de diphényl, ou sem- blables. Si on le désire, les produits gazeux peuvent également passer di- rectement des tubes de plongée 22 à un échangeur de chaleur indirect, en supprimant ainsi le joint 23 et en procurant un refroidissement contrôlé des produits gazeux.
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Une unité industrielle basée sur la présente invention comprendra naturellement des trous dénomme ou de visite, des regards., des indicateurs de température, des moyens pour nettoyer périodiquement les tubes de réaction et autres accessoires ou instruments conventionnels.
Bien que le réacteur et la méthode pour y exécuter des réactions thermiques ont été décrits en se référant spécialement à la disposition représentée dans les dessins annexésil doit être entendu que cette disposition est uniquement illustrative.
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R E V E N D 1 g à T 1 0 NS
1.- Un appareil de réaction ou réacteur pour traiter-de façon con- tinue des réactifs fluides à des températures dépassant 1100 C, comprenant une enveloppe garnie de réfractaire5 au moins un tube de réaction disposé lon- gitudinalement dans et traversant les extrémités de la dite enveloppe, pour conduire les réactifs à travers le réacteur, et au moins un moyen de chauffage pour fournir des gaz de combustion chauds du réacteur., les dits gaz passant
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à travers l'enveloppe en substance concuireBment aux réactifs.