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IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED résidant à LONDRES.
PROCEDE ET APPAREIL POUR CONDENSER L'ANHYDRIDE PHTALIQUE VAPORISE.
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour condenser l'anhydride phtalique vaporisé, et se rapporte en particulier à la condensation à grande échelle de l'anhydride phtalique obtenu en faisant passer la vapeur de naphtalène mélangée à de l'air (ordinairement en excès) sur un catalyseur solide, en fabrication continue.
On connaît diverses manières d'effectuer, à l'échelle industrielle, l'oxydation partielle du naphtalène en faisant passer sa vapeur mélangée d'air sur un catalyseur. Quelle qu'en soit la forme, la partie de l'appareil employée dans laquelle se trouve le catalyseur et où se produit l'oxydation est généralement appelée le convertisseur. A mesure que l'oxydation se pour- suit,à une température de 400 C il sort du convertisseur un mélange d'azote, d'oxygène non consumé (éventuellement), d'anhydride carbonique, de vapeur d'eau, d'anhydride phtalique et de sous-produits, le tout sous la forme d'un gaz chaud à 400 C environ ou à une température quelque peu inférieure.
Lorsque ce gaz chaud est refroidi à des températures inférieures à 130 C, l'anhydri- de phtalique se sépare sous forme solide, soit en neige, soit en masses cris- tallines croissantes attachées à n'importe quelle surface solide refroidie en contact avec le gaz chaud. Aux températures intermédiaires, l'anhydride phtalique peut se condenser sous forme liquide. Si des précautions ne sont pas prises pour régler la température de refroidissement, de la vapeur d'eau peut se condenser également et de l'acide phtalique peut se former, ce qui est indésirable.
Telles sont les considérations préliminaires qui doivent être présentes à l'esprit dans la mise au point d'un appareil permettant de sépa- rer à grande échelle l'anhydride phtalique du gaz chaud sortant du convertis- seur, le but étant la séparation complète de l'anhydride phtalique à l'état aussi pur que possible avec un minimum de phases de fabrication.
Diverses formes de condenseurs ont été décrites. Par exemple, on a proposé de faire passer le courant de gaz chaud dans une série de cham- bres à parois extérieurement refroidies. On a également suggéré de faire
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passer le gaz chaud dans des récipients contenant des tubes parcourus par un fluide de refroidissement. Dans ces formes connues d'appareils de con- densation, le taux de refroidissement du gaz, comparé aux dimensions des surfaces de refroidissment est assez bas.
La présente invention se rapporte à une forme perfectionnée d'ap- pareil de condensation, dont les dimensions et le mode de fonctionnement sont établis pour satisfaire aux conditions indiquées plus haut, et assurer un taux de refroidissment élevé comparé aux dimensions des surfaces de refroi- dissement et l'invention comprend -également le procédé de condensation de l'anhydride phtalique à l'aide de cet appareil.
Suivant l'invention, un procédé pour la séparation de l'anhydri- de phtalique des gaz chauds obtenus par l'oxydation catalytique du naphtalène consiste à faire passer les gaz chauds, à une vitesse suffisante pour y main- tenir un état de tourbillonnement, dans au moins un groupe d'une série de groupes de tubes de dimensions appropriées et de forme adaptée à la turbulen- ce du courant admis, pouvant être refroidi ou chauffé extérieurement., ces groupes étant formés chacun d'un tube au moins, à appliquer un agent de re- froidissement aux groupes de tubes dans lesquels les gaz chauds passent puis à isoler au moins un de ces groupes de tubes de la conduite d'alimentation en gaz chauds, à appliquer un agent de chauffage à ces groupes isolés et à recueillir l'anhydride phtalique fondu de ces groupes de tubes dans un réci- pient approprié.
Plus spécifiquement, suivant l'invention, on condense l'anhydri- de phtalique des gaz chauds obtenus comme ci-dessus à l'aide d'un appareil comprenant un certain nombre de ce qu'on appellera - pour plus de simplicité, des condenseurs de Liebig et qu'on peut également appeler des échangeurs de chaleur à enveloppe et tube, par un procédé dans lequel on fait passer le gaz chaud par une partie mais non par tous les condenseurs de Liebig pen- dant un temps choisi pour que l'écoulement des gaz ne soit pas sérieusement ralenti par la formation d'agglomérés à la surface intérieure des tubes dû condenseur, et dans lequel on fait passer ensuite le courant de gaz chaud d'au moins un de ces condenseurs de Liebig dans un autre inutilisé jusqu'a lors, et, en même temps que s'effectue ce changement,
on fait sortir le li- quide de refroidissement de l'enveloppe du condenseur ainsi séparé du courant de gaz et on le remplace par un liquide de chauffage approprié pour faire fondre l'aggloméré et s'écouler l'anhydride phtalique,' liquide ainsi formé dans un récipient approprié; et on poursuit ces opérations en cycle.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, dans le procé- dé décrit ci-dessus, le passage des gaz chauds du convertisseur dans le ou les groupes de tubes auxquels on applique momentanément un agent de refroi- dissement est arrêté lorsque l'aggloméré d'anhydride phtalique condensé for- mé à l'intérieur du tube ou des tubes est assez épais pour entraîner une ob struction faisant obstacle à la sortie des gaz chauds du. convertisseur, et le courant de gaz chauds du convertisseur est immédiatement dérivé vers un autre groupe ou d'autres groupes de tubes de sorte que l'agent de refroidis- sement et l'agent de chauffage sont appliqués cycliquement aux divers grou- pes de tubes de façon que la condensation de l'anhydride phtalique dans l'ap- pareil et son élimination soient continues au. point de vue de la sortie des gaz du convertisseur.
Dans sa forme la plus simple, l'appareil suivant l'invention comprend au moins une paire de condenseurs de Liebig.
Comme indiqué plus haut, les tubes des condenseurs ont des di- mensions particulières.
Les condenseurs sont utilement, mais non nécessairement, montés en position verticale ou inclinée d'au moins 20 sur l'horizontale, le but de cet agencement étant d'assurer l'évacuation rapide de l'anhydride phtali- que fondu et une disposition facile relativement au convertisseur.
Suivant une caractéristique de l'invention, lorsque le gaz chaud
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contenant l'anhydride phtalique sous forme de vapeur est refroidi dans un échangeur de chaleur approprié à une température de 140 -160 c environ, puis circule dans les tubes de condenseurs, son comportejient dans ces tubes cor- respond à des nombres de Reynolds de 50.000 à 100.000 environ.
Les tuyaux étant, par exemple et pour simplifier, de section transversale circulaire \. tuyaux d'acier de modèle courant), ces nombres de Reynolds pouvant être obtenus par le calcul avec des unités concrètes (pieds-secondes-etc.)sont les nombres indiqués pour le domaine de l'écoulement hautement turbulent par exemple sur le graphique de la page 382 du "Chemical Engineers' Hand-
Book" édité par J.H.Perry-3ème édition, New-York, Toronto et Londres 1950.
Pour une grandeur déterminée de convertisseur, fonctionnant nor- malement, un volume déterminé de gaz chaud contenant de l'anhydride phtali- que doit donc être traité par unité de temps, et l'invention est basée sur un réglage du refroidissement par l'emploi de tuyaux de dimensions appropriées quant au diamètre et à la longueur, en équilibrant la circulation dans ces tuyaux pour obtenir un refroidissement optimum dans des conditions d'écoule- ment turbulent, en tenant compte des températures désirables, des pertes de pression et des pertes minimum de produit sous forme de vapeur dans les gaz de sortie.
Ainsi, par exemple, avec du gaz et de l'anhydride phtalique sortant du convertisseur dans un rapport usuel quelconque, (entre 30 : et
7 : 1 en poids) à raison de 300 à 650 livres par heure (136-294 kg/h. ) la température du gaz à l'entrée peut être comprise entre 140 et 160 C comme indiqué plus haut, et celle du gaz à la sortie peut être comprise.entre 50 et 80 c et dans ces conditions, les tubes des condenseurs de l'invention (dans ce cas de section circulaire) ont un diamètre intérieur d'environ 2 pouces ou 45-55 mm et 60 à 80 pieds (environ 20 à 25 mètres) de longueur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un appareil sui- vant l'invention dans sa forme la plus simple, c'est-à-dire comprenant une paire de condenseurs. Sur ce dessin, a est un tuyau venant d'un refroidis- seur relié lui-même à un convertisseur. Par le tuyau a, dans le sens indiqué par la flèche, pénètre le mélange de gaz encore chaud contenant l'anhydride phtalique qui doit être condensé. Le tuyau a se divise en deux branches munies de deux vannes schématiquement représentées et indiquées par b, b dont une est ouverte quand l'autre est fermée, lorsque l'appareil fonctionne suivant le procédé de l'invention.
Le courant de gaz passe alors suivant le cas dans la tête de condenseur .9. oU.9.. On remarquera que, le dessin étant schématique, les deux condenseurs de Liebig comprenant chacun un grou- pe de tubes sont représentés l'un au-dessus de l'autre, alors qu'en pratique ils sont placés côte à côte, et chacun d'eux est représenté avec deux tubes intérieurs, tandis qu'en pratique le nombre de ces tubes peut être un ou plus suivant la grandeur du convertisseur, le diamètre de chaque tube étant choi- si pour assurer un écoulement de gaz hautement turbulent comme décrit. On remarquera également que l'assemblage est symétrique sous d'autres rapports, de sorte que les caractéristiques attribuées par la suite à la branche 2 s'appliquant également à la branche 1, même lorsqu'elles ne sont pas répétées sur le dessin.
En ce qui concerne la branche 2, le courant de gaz passe dans les tubes de condenseur d, d enfermés dans l'enveloppe ou la chemise e,, et sort par l'extrémité de sortie f munie-d'un tuyau g. L'extrémité inférieu- re de la sortie f est reliée à un récipient pour l'anhydride phtalique fon- du,ledit récipient étant avantageusement muai d'un serpentin de chauffage et de tuyaux de décharge.
Les enveloppes ou chemises e e sont munies de tuyaux s s à la partie supérieure et de tuyaux t,,t à la partie inférieure. Pour la facilité des opérations plusieurs tuyaux peuvent être prévus. Lorsque la branche 2 travaille comme condenseur, de l'eau est introduite par le tuyau t et déborde par le tuyau 2; lorsque la branche 2 est vidée du produit de condensation et que la branche 1 fonctionne comme condenseur, de la vapeur est introduite dans la branche 2 par le tuyau s, la sortie de la vapeur con densée s'effectuant par le tuyau t.
Des vannes appropriées sont prévues pour que la branche 1 et la branche 2 fonctionnent alternativement (si on le
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désire, des connections appropriées sont établies pour rendre la manipulation des vannes à vapeur et à eau et des vannes b,b automatique ou simultanément réglable).
La plus grande partie de l'anhydride phtalique se condense, comme on l'a décrit ci-dessus sous la forme d'agglomérés à l'intérieur des tubes, mais une partie se condense en neige dans le gaz en mouvement, est par con- séquent entraînée et sort par la sortie des tubes de condenseur. Cette nei- ge peut être recueillie de diverses manières. Suivant une autre caractéris- tique de l'invention, facultative celle-ci, la neige est séparée de l'effluent gazeux en faisant passer le gaz par un dispositif de filtrage à toile métal- lique d'un modèle particulier décrit ci-après.
Cette caractéristique de l'invention est représentée sur le dessin, mais pour la facilité seulement, sous la forme d'un appendice à la branche 2.
Le tuyau de dérivation h transporte le courant de gaz de sortie, entraînant avec lui sous forme de neige, une certaine quantité d'anhydride phtalique.
Ce gaz passe par l'orifice d'entrée j dans la chambre k (qui peut être munie d'un fond amovible, non représenté, pour,¯qu'on puisse la vider de temps à autre ou qui peut aboutir directement à un récipient équipé d'un serpentin de chauffage et relié au récipient principal). La chambre k forme la partie inférieure d'un récipient vertical, et est séparée de la partie supérieure par une cloison annulaire 1 portant un support de palier et un palier p
Sur le bord intérieur de 1 est monté un cylindre de toile métal- lique m (la toile est représentée par des croix) dont la partie supérieure est fermée par un disque n. Finalement, les gaz de sortie passent vers une cheminée par le tuyau r.
La neige d'anhydride phtalique est retenue par la toile métallique. L'arbre o supporté par le palier ± et d'autres figurant sur le dessin, est entraîné par une poulie ou une roue dentée et porte des racloirs ±0 Ceux-ci tournant lentement, maintiennent le lit de neige sur la toile métallique à une épaisseur uniforme, et la neige qu'ils détachent tom- be dans la chambre k.
La toile métallique est faite de préférence de fils d'acier inoxy- dable, tissés en carré avec 16 fils au pouce.
En fonctionnement,pour assurer le refroidissement mentionné, le liquide de refroidissement (avantageusement de l'eau) dans les chemises est maintenu à 30-40 c Cette température des chemises n'est pas assez basse pour que l'eau se condense en même temps que l'anhydride phtalique et, par conséquent, il ne se forme pas d'acide phtalique. A mesure que l'anhydride phtalique se condense, il se forme un dépôt (agglomérés ou doublage) à l'in- térieur des tubes et l'épaisseur de ces agglomérés augmente en un point quel- conque jusqu'à ce que la surface intérieure n'en soit plus assez froide pour provoquer une nouvelle agglomération en ce point. De cette façon, le tube se garnit, de plus en plus loin, d'anhydride phtalique massif en couche plus ou moins uniforme.
Lorsqu'on arrive au moment où la condensation sur toute la longueur du tube devient inefficace et où l'écoulement des gaz est ralenti, l'eau dans la chemise est évacuée et remplacée par de la vapeur (comme fluide de chauffage) comme décrit plus haut. Pour un fonctionnement économique, le cycle entier de condensation et de fusion est tel que la durée de condensa- tion pour chaque branche est au moins égale à 30 minutes environ.
En consé- quence, avec un tube de deux pouces (50 mm) de diamètre et de 70 pieds 21,3 m de longueur et un courant initial de gaz de 450 livres/heure (20,4 kg/h) . par tube, la différence de pression entre les deux extrémités du tube passe en 45 minutes de 1,5 livre/pouce carré (0,1 kg/cm2) à 3,5 livres/pouce carré (0,25 kg/cm2) et la température du gaz de sortie s'élève après 45 minutes à 75 C environ. Lorsqu'on arrive à ce stade, ou avant d'y arriver, on effectue la fusion du dépôt.
L'opération de fusion, avec de la vapeur à 165 C dans la chemise, demande environ 5 minutes à partir du moment où le tube atteint la température de 165 c On obtient alors environ 20 livres (9 kg) d'anhydride phtalique sous forme de produit de condensation dans un tube de la taille indiquée, et par conséquent, pour un condenseur unique formé de n tubes, le rendement est 20 n livres par heure, et pour une paire
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de ondenseur suivant l'invention dans enferme la plus simple,
40 n livres par neure. Ce chiffre ne comprend pas l'anhydride phtalique re- cueilli sous forme de neige dans le dispositif décrit.
REVENDICATIONS.
1. Procédé pour la séparation de l'anhydride phtalique des gaz chauds obtenus par oxydation catalytique du naphtalène, caractérisé en ce qu'on fait passer ces gaz chauds à une vitesse choisie pour y maintenir un état turbulent, par au moins un groupe d'une férié de groupes de tubes dont les dimensions et la forme sont choisies en relation avec l'état turbulent du gaz, et qui peuvent être refroidis ou chauffés extérieurement, lesdits groupes étant formés chacun d'au moins un tube, on applique un agent de refroidissement aux groupes de tubes par lesquels passent les gaz chauds et on isole au moins un de ces groupes de tubes de la conduite d'alimenta- tion en gaz chauds, on applique un agent de chauffage aux groupes isolés de tubes et on recueille l'anhydride phtalique fondu de ces groupes de tubes dans un récipient approprié.