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PROCEDE D'HYDROGENATION DU CHARBON.
La présente invention a trait à un procédé de réglage de la température dans les réactions d'hydrogénation du charbon.
L'hydrogénation du charbon, en vue de former des hydrocarbures liquides, constitue une réaction exothermique qui libère une quantité de chaleur plus ou moins fixe pour chaque kilo d'hydrogène combiné avec 100 kilos de charbon. Pour ce motif, tous les procédés d'hydrogénation du charbon sont pourvus de moyens pour éliminer de la chaleur de la réaction soit par un échange indirect de chaleur, soit par l'infection d'un gaz relativement froid tel que l'hydrogène.
Toutefois, ces moyens dépendent habituellement du taux du transfert de la chaleur à travers le mélange réactionnel et son enceinte, ce transfert étant faille par suite de la nature physique des pàtes de charbon en cours de traitement et de l'épaisseur des chambres de pression utilisées
Le problème de l'élimination de la chaleur de la réaction est également fonction du taux de la réaction. Il serait avantageux de faire fonctionner un procédé d'hydrogénation du charbon à un taux élevé de réaction, parce que de cette façon il est possible de convertir plus de matière dans une dimension donnée de chambre de pression.
Le taux de la réaction d'hydrogénation du charbon dépend comme la plupart des réactions chimiques de la température et, en général, cette dépendance ne s'écarte pas notablement de l'observation classique que le taux de la plupart des réactions chimiques double pour chaque élévation de 10 à 20 C de la température de la réaction.
Toutefois, à mesure que le taux de la réaction s'élève, une plus grande quantité de chaleur est engendrée en un volume d'espace du convertisseur et, à moins qu'on n'élimine cette chaleur additionnelle, elle provoquera une nouvelle élévation du taux de la réaction, en augmentant ainsi le taux auquel est engendrée la chaleur de la réaction et en provo-
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quant un état de dérèglement. L'accumulation de la chaleur dans les réactions non réglées à haute pression crée non seulement un danger d'explosion, mais à mesure que la température monte, une réaction nuisible se produit, à savoir que les produits d'hydrogénation, liquides à l'origine commencent à se combiner entre eux pour former du coke, ce qui obstrue le convertisseur et amène l'arrêt de l'installation.
Bien qu'on ne connaisse pas avec précision les vitesses de réaction dans un procédé d'hydrogénation du charbon, le tableau suivant donne quelques observations qualitatives sur le taux de la réaction d'hydrogénation du charbon, et le taux de la réaction de cokéfaction suivant la température.
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Température <SEP> Taux <SEP> de <SEP> la <SEP> réaction
<tb> Taux <SEP> de <SEP> cokéfaction <SEP> ¯ <SEP>
<tb> de <SEP> la <SEP> réaction <SEP> d'hydrogénation <SEP> , <SEP> ¯ <SEP>
<tb> 400 C-450 C. <SEP> Très <SEP> lente <SEP> Négligeable <SEP> . <SEP>
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450 C-500 C <SEP> Modérée <SEP> Très <SEP> lente
<tb> 500 C-550 C <SEP> Rapide <SEP> Lente
<tb> 550 C-500 C <SEP> Très <SEP> rapide <SEP> Modérée.
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Dans ces conditions, on a établi jusqu'à présent les procédés d'hydrogénation du charbon de telle façon à opérer dans la gamme de tempé-ratures de 425 C-475 C. dans laquelle on n'obtient que des taux de réaction lents à modérés, mais on a ménagé un facteur dé sécurité d'environ 100 C au-dessous de la température de cokéfaction. Dans ces conditions, les mesures prises normalement pour régler la chaleur, par exemple la réduction de la température de l'hydrogène, sont habituellement suffisantes pour amener la réaction sous contrôle au cas où, pour un motif quelconque la température commencerait à monter.
Le but de la présente invention consiste à réaliser un moyen rapide pour réduire la chaleur dans les réacteurs d'hydrogénation du charbon, de façon à pouvoir réaliser la réaction dans la gamme de tempé ratures dans laquelle on obtient des taux élevés de réaction, tout en ménageant un facteur convenable de sécurité grâce auquel, si la température monte vers la zone de cokéfaction, la température de la réaction peut être rapidement abaissée. On arrive à ce but en injectant un liquide à une température relativement basse dans le réacteur et en faisant circuler rapidement le liquide dans le réacteur de telle sorte que la température soit abaissée dans la zone entière de la réaction.
Selon l'invention, il importe que le liquide puisse circuler dans tout le réacteur, car l'injection du liquide dans une partie stagnante du convertisseur ne servirait qu'à localiser le refroidissement, tandis que la température continuerait à monter dans d'autres parties du convertisseur. Bien qu'on puisse utili- ser d'autres liquides pour refroidir le réacteur, par exemple des hydrocarbures, des huiles de lavage et similaires, l'eau constitue le liquide préféré. L'action de refroidissement de l'eau est constituée non seulement par son absorption de la chaleur lorsque sa température est portée à celle du réacteur, mais aussi par sa chaleur de vaporisation lorsqu'elle se trans forme en vapeur, puisque l'eau injectée se change rapidement en vapeur aux températures de réaction atteintes.
Toutefois, comme les gammes de pression de la réaction sont de l'ordre de 210 à 700 kg/cm2, il ne se produit pas une évaporation instantanée de l'eau de sorte que l'eau liquide peut circuler au moins en partie dans le convertisseur avant d'être entièremert transformée en vapeur. L'effet de refroidissement est ainsi distribué uniformément puisque l'eau liquide ne commence à s'évaporer que lorsqu'elle a atteint son point d'ébullition aux températures et pression en cause.
Etant donné par exemple, que la pression de la vapeur de l'eau à 350 C. est de 170 kg/ cm2, il se produit un refroidissement considérable du mélange réactionnel
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pendant que l'eau est en phase liquide, ce qui permet, en entretenant une circulation appropriée, à l'eau injectée de refroidir une autre partie de la zone de réaction en adsorbant de la chaleur au cours de son évapora tion. De plus, même si l'eau s'est toute évaporée avant d'avoir progréssé bien loin dans le convertisseur, son effet refroidisseur sera encore rapidement distribué dans tout le convertisseur.
Ceci est dû au fait que le contenu du réacteur voisin du point d'introduction de l'eau se refroidit appréciablement, et que ces parties plus froides circulent rapidement vers les sections plus chaudes du convertisseur et produisent un effet refroi- dissant uniforme.
Il doit être entendu que l'on pratique principalement l'innée tion d'un liquide refroidisseur comme mesure de contrôle en vue de réduire la température de la réaction chaque fois que cette température se rappro- che de la température de cokéfaction. Toutefois, l'existence d'une pa reille mesure de réglage est très importante, car elle permet de faire fonc- tionner l'installation à une gamme de températures comprise entre 500 et
550 C pour laquelle le taux d'hydrogénation est très rapide. Toutefois, étant donné que l'installation de refroidissement est toujours disponitle à titre de mesure de sécurité en attente, on peut toujours s'en servir au cours de l'opération à d'autres moments qu'aux périodes critiques.
Elle procure par exemple un moyen rapide d'abaisser la température de la réac- tion sans troubler les débits en d'autres points du système.
Comme dit précédemment, les avantages de la présente invention ne sont obtenus que si le liquide refroidisseur circule rapidement à travers le convertisseur. On a représenté au dessin annexé un type de convertisseur permettant de parvenir à ce but. Le convertisseur se compose d'une chambre verticale 10 à haute pression, contenant un tube intérieur 11 de tirage. Un arbre 12, sur lequel est calée une hélice 13 ou autre dispositif de brassage, se prolonge dans ce tube et provoque une circulation ascendante du mélange réactionnel le long du tube de tirage puis descendante le long des murs du convertisseur, le sens de l'écoulement étant indiqué par la flèche sur le dessin.
On peut évidemment toutefois inverser le sens de l'écoulement. Pour injecter le liquide refroidisseur dais le réacteur, on se sert d'une pompe à haute pression (non représentée) qui, de façon avantageuse, communique directement par le tuyau 14 avec la conduite d'alimentation 15 débouchant dans la base du convertisseur, de sorte que le liquide refroidisseur peut être entrainé par les produits qui circulent dans le convertisseur, puis vers le haut dans le tu e de tirage 11, dans le quel il se mélange intimement au courant en circulation de pâte de charbon et d'hydrogène. On retire les produits d'hydrogénation du charbon par le tuyau de trop plein 16, et ils quittent le convertisseur par le tuyau 17 d'évacuation des produits.
Dans un exemple, on a utilisé un convertisseur d'un petit modèle, du type de celui représenté dans le dessin, pour hydrogéner une pâte de charbon sous une pression de 315 kg/cm2. La pâte de charbon se composait de charbon bitumeux dispersé dans une huile de mise en pâte. On a maintenu la température à 535 C, laquelle n'est que légèrement inférieure à la gamme de la cokéfaction et est comprise dans la gamme de températures permettant d'obtenir des vitesses élevées d'hydrogénation. Afin d'illustrer l'invention, on a introduit de l'eau dans la base du convertisseur avec une pompe à haute pression. Pendant les six minutes pendant lesquelles l'eau fut injectée, il se produisit une chute de température de 25 à 50 C. et le taux de la réaction s'est notablement réduit. On a introduit 0,6 kg d'eau, tandis que le convertisseur contenait 9 kg de matière.
Ainsi, la quantité d'eau nécessaire est peu importante par rapport à la quantité de matière en cours de réaction, et son introduction ne cause aucun changement appréciable dans la composition des produits d'hydrogénation.
Dans un autre exemple, on utilise un convertisseur de grande dimension, tel que représenté, pour hydrogéner une pâte de char': on (un mé-
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lange de charbon bitumeux et d'huile de mise en pâte) sous une pression de 245 kg/cm2. On a pris la température du convertisseur en un point de réglage situé près du haut du tube 11 de tirage comme représenté. On choisi le point de réglage en un endroit éloigné de celui par lequel on injecte l'eau en vue de démonter l'effet de la circulation sur le réglage de la température dans l'ensemble du convertisseur. A un moment de l'opération, la température du convertisseur était de 450 C. et on a laissé cette température augmenter jusqu'à ce qu'elle atteigne 470 C.
A ce moment, la température a commencé à s'élever à un taux d'environ 10 C. par 15 minutes. Ce taux d'élévation de la température, si on 1' avait laissé progresser, aurait provoqué de la cokéfaction dans le con vertisseur. Quand la température a atteint 475 C., on a pratiqué trois injections approximativement égales d'eau à des intervalles de deux minutes jusqu'à ce qu'on ait atteint un total de 21 litres. Plusieurs minutes après l'injection d'eau par la base du convertisseur, la température au point de réglage a atteint un maximum de 401,5 C, puis elle est tombée rapidement à 470 C. où elle est demeurée constante au niveau opératoire désiré. La quantité d'eau nécessitée pour atteindre ce but s'est élevée à environ 2 % en poids du contenu du réacteur.
Ainsi, une très petite quantité d'eau est efficace pour le réglage de la température dans l'ensemble du réacteur, à condition de maintenir une circulation rapide du contenu du réacteur.