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APPAREIL POUR LA MISE EN OEUVRE DE REACTIONS EXOTHERMIQUES.
La mise en application industrielle de nombreuses réactions chi- miques est rendue difficile par le dégagement de chaleur qui les accompagne et qui peut avoir divers inconvénients tels que :déplacement de l'équilibre chimique, destruction des produits formés, détérioration des appareils ou des catalyseurs.
Un premier moyen d'obvier à cette difficulté consiste à diluer les corps réagissant dans un milieu inerte ou à s'arranger pour qu'une partie seulement du mélange'réactionnel entre en réaction ce qui revient au même Les inconvénients de cette méthode sont :le volume considérable, et donc le coût élevé de l'appareillage par rapport à la production réalisée ainsi que la consommation supplémentaire d'énergie nécessitée par la présence du diluant à faire circuler; enfin, la présence du diluant complique généralement la ré- cupération des produits de la réaction.
Un autre moyen consiste à réaliser la réaction dans un appareil dont la surface d'échange calorifique rapportée au volume est suffisante pour assurer l'élimination des calories excédentaires. Pour appliquer ce principe on a souvent recours à des appareils dans lesquels l'espace réactionnel, c'est- à-dire le volume dans lequel se produit la réaction, est constitué par de nombreux éléments de faible volume unitaire groupés en parallèle de manière à présenter une grande surface pour un volume donné;
on adoptera par exemple la disposition dite en faisceau tubulaireo
Très efficace au point de vue des échanges de chaleur, cette disposition présente, en pratique, des inconvénients sérieux dont les prin- cipaux sont :difficulté d'assurer une répartition uniforme du mélange réac- tionnel entre les éléments, de contrôler efficacement le comportement de chaque élément, d'accéder à l'intérieur de ces petits éléments pour les net- toyer, les réparer, ou, le cas échéant,.remplacer la masse¯catalytique qu'ils contiennent;
coût.élevé de. l'appareil, entretien rendu incommode par la mul-
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tiplïcité des raccords, joints ou soudures plus ou moins accessibleso
L'appareil suivant l'invention se caractérise en ce qu'il comporte une seule zone réactionnelle constituée par tout ou partie d'un espace annu- laire compris entre deux corps homothétiques disposés l'un dans l'autre; le choix des dimensions de ces deux corps détermine la surface d'échange que l'on veut présenter aux fluides qui s'écoulent par cet espace annulaire ;
lesparois externes du corps extérieur et les parois internes du corps intérieur sont refroidies par tous moyens appropriéso
D'autres caractéristiques de cet appareil seront décrites plus en détail ci-après, en référence au dessin annexé sur lequel :
La figo 1 est un schéma en coupe de l'appareil;
La figo 2 représente une variante.
Cet appareil se compose essentiellement (Figo 1) d'un corps cy- lindrique 1 fermé à sa partie supérieure par un couvercle 2 muni d'un joint, et à sa partie inférieure par un fond annulaire 3o Ce fond peut être assem- blé par un ou deux joints à brides ou soudé à l'autogèneo Dans ce dernier cas, l'appareil ne comporte comme joint que celui du couvercle 2 qui, placé dans une zone refroidie par l'afflux du mélange réactionnel, se trouve dans les meilleures conditions de tenueo
A l'intérieur du corps 1 est disposé un cylindre coaxial 4 de même diamètre que l'orifice du fond annulaire auquel il s'adapte par joint ou par soudure et dont la hauteur est égale à celle du corps 1. Il est fer- mé à sa partie supérieure par un chapeau 5 de forme appropriée pour facili- ter l'écoulement du fluide admis dans l'appareil par la tubulure 6.
Cette disposition permet la libre dilatation du cylindre intérieur sans aucun ar- tificeo
L'espace réactionnel est constitué par tout ou partie de l'espa- ce annulaire compris entre le corps 1 et le cylindre intérieur 4. On voit immédiatement qu'en choisissant le diamètre et la hauteur des éléments 1 et 4 on peut, pour un volume donné de l'espace annulaire, obtenir telle surface d'échange que l'on veut, cette surface étant constituée par celles du corps 1 et du cylindre 40
Cet espace réactionnel est généralement garni de corps de remplis- sage catalytiques ou non, reposant sur une grille 10 qui ménage en-dessous un espace libre afin d'éviter les trajets préférentiels F des fluides vers les orifices de sortie.
La conductibilité calorifique de ce remplissage doit être prise en considération lors du calcul de l'appareil et la distance entre les parois de 1 et 4 dépend en partie de ce facteur.
Les produits de la réaction sortent par plusieurs tubulures 8 dont le nombre dépend des dimensions de l'appareil et doit être suffisant pour assurer une répartition correcte du flux dans l'espace réactionnel, Ces tubulures aboutissent à un collecteur 9.
La surface externe du corps 1 et la surface interne du cylindre 4 peuvent être munies d'ailettes facilitant les échanges thermiques. Le corps 1 peut être refroidi par la seule action de l'air ambiant, par de l'air soufflé en 13 ou être entouré d'une enveloppe 11 (figo 2) dans laquelle on fait circuler un fluide approprié, liquide ou gazeux, Le cylindre 4 étant fermé à sa partie supérieure est refroidi par un courant d'air f ou tout au- tre fluide approprié amené par la tuyauterie axiale 7.
Le chapeau 5 du cylindre 4 peut être calorifugé pour éviter le refroidissement prématuré des fluides amenés par la tubulure d'entrée 6, mais, dans le cas où l'on jugerait utile de préchauffer le mélange réaction- nel, on supprimerait ce calorifuge et on inverserait le sens du fluide ré- frigérant f (figo 2). Ce fluide distribué en 14 se répartit dans l'envelop- pe 11-12 et dans la conduite 10, l'enceinte 4 et la cheminée 7. Dans ces conditions, une partie de la chaleur recueillie sur la paroi du cylindre 4 est transmise au mélange réactionnel avant son entrée dans l'espace réaction- nel.
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L'appareil est normalement construit en métal, le choix de celui- ci étant guidé par la nature des produits traités et le régime thermique à suivre, mais rien ne s'oppose à L'emploi d'autres matériaux si les produits traités ou les conditions de marche l'exigent; toutefois, quelle que soit la matière employée, les parois devront avoir une conductibilité thermique suf- fisante pour assurer les échanges thermiques selon le principe de l'inven- tiono
L'appareil peut être utilisé sous une pression voisine de la pres- sion atmosphérique ou sous pression fortement réduite; son emploi sous pres- sion élevée, quoique théoriquement possible, est contre-indiqué en raison de l'épaisseur qu'il faudrait donner aux parois et qui nuirait aux échanges ther- miques.
Essentiellement destiné à la mise en oeuvre de réactions en phase gazeuse, avec ou sans catalyseur, il peut néanmoins être utilisé pour faire réagir un liquide avec un gaz, ou même des liquides entre eux, en présence ou non de catalyseurso
Le mode de circulation des fluides à l'intérieur et à l'extérieur de l'appareil peut être changé sans qu'on sorte pour cela des limites de l'in- vention, sous réserve que soient observés les principes sur lesquels est ba- sée l'inventiono
Exemples d'applications : l. - Fabrication de formol.
Le formol est obtenu en faisant passer un mélange d'air et de va- peurs de méthanol sur un catalyseur maintenu vers 6000 par l'exothermicité de la réaction
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Si l'on veut obtenir une forte production par unité de volume ca= talytique, la température s'élève et le formol est détruit en totalité ou en partie par les réactions parasites,
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au détriment du rendement.
Une unité industrielle multitubulaire, constituée par 10 éléments contenant chacun 250 cm3 de catalyseur groupés en parallèle, fournit par 24 heures 3 To500 de produit marchand avec un rendement de 77% de la théorieo
On la remplace par un appareil construit suivant le schéma 1 du présent brevet, en acier inoxydable mince, mais avec assemblage du fond par soudure. Le mélange air-vapeurs de méthanol est amené par la tubulure 6, les produits de la réaction sortent par les tubulures 8 et le collecteur 9.
Le corps 1, muni de larges ailettes, est refroidi par l'air ambiant le cylin- dre 4 par un courant d'air soufflé amené par la tuyauterie 7. Le volume de catalyseur contenu dans l'espace annulaire est de 2 1.500, soit égal à ce- lui des 10 tubes de l'appareil remplacé.
Dans ces conditions, la production journalière est de 5 T.250, c'est-à-dire que le même volume de catalyseur produit 1,5 fois plus tandis que le rendement atteint 83% de la théorie.
2. - Fabrication de cyclohexane.
Le benzène peut être hydrogéné catalytiquement en cyclohexane suivant la réaction
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au-dessus de 200 C 1?équilibre de la réaction se déplace vers la gauche, ce qui empêche l'obtention d'un produit exempt de benzène en-dessous de 180 la vitesse de réaction décroît considérablement au détriment de la capacité de production de l'appareillage.
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Pour éviter les fâcheux effets de la surchauffe, il est d'usage de diluer les vapeurs de benzène dans un grand excès d'hydrogène qui est re- cyclé après récupération du cyclohexane forméo Cependant, pour que le temps de contact du mélange réactionnel avec le catalyseur soit suffisant, on est conduit à employer des volumes catalytiques tels que la production horaire de 1 litre de catalyseur n'est que de 10 grammes.- on est aussi obligé de fai- re circuler dans l'appareillage un volume considérable d'hydrogène qui ne sert que de véhicule de chaleuro
On utilisera un appareil construit en cuivre rouge suivant le sché- ma 2 du présent Breveta
Le mélange de vapeur de benzène et d'hydrogène,
dans lequel la pro- portion de ce dernier gaz ne sera que légèrement supérieure à la théorie - de l'ordre de 10%-, est amené par la tubulure 6 et traverse le catalyseur dis- posé dans l'espace annulaire. Les produits de la réaction, constitués par du cyclohexane en vapeurs et 1-'excès d'hydrogène sont évacués par les tubulu- res 8 et le collecteur 9.
Le corps principal est entouré d'une enveloppe 11, le fond du cy- lindre 4 est fermé, le cylindre 4 et l'enveloppe 11 sont reliés à un collec- teur de distribution par lequel arrive un courant d'huile portée à une tempé- rature de l'ordre de 140 . Une partie de cette huile circule dans l'envelop- pe 11 et en sort par le collecteur 12; une autre partie pénètre dans le cylin- dre 4, s'échauffe au contact des parois, abandonne une partie de sa chaleur au mélange réactionnel à travers la paroi du chapeau 5 qui n'est pas calori- fugé et s'échappe par la tuyauterie 70 Le préchauffage du mélange réactionnel ainsi réalisé permet l'amorçage de la réaction dès le contact avec le cataly- seur qui reste cependant maintenu à la température optima'par la circulation d'huile.
Dans ces conditions, 1 litre de catalyseur peut fournir à l'heure 300 go de cyclohexane contenant moins de 1 % de benzène non hydrogénée La réduction massive du volume des gaz résiduels, qui ne réprésentent qu'une frac- tion de l'hydrogène mis en jeu, simplifie considérablement la récupération du cyclohexaneo
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R E V E N D i C A T 1 0 N So o ¯¯¯rsz===sr ===â
1.
- Appareil pour la mise en oeuvre de réactions exothermiques, caractérisé en ce qu'il comporte une seule zone réactionnelle constituée par tout ou partie d'un espace annulaire hermétiquement clos compris entre les surfaces interne et externe de deux corps homothétiques engagées l'une dans l'autr.e et réunies en bout par des cloisons étanches, ainsi que des espaces créés à l'intérîeur du corps interne et à l'extérieur du corps ex- terne pour la circulation de fluides de refroidissement ou de réchauffage.