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De nombreux dispositifs sont utilisés pour récupérer sous forme de vapeur la chaleur de réactions des synthèses sous pression élevée, telles que la synthèse de l'ammoniaque.
La plupart d'entre eux utilisent la circulation au contact des gaz réa- gissant ou venant réagir, d'un fluide dont les calories seront utilisées dans une chaudière extérieure pour produire la vapeuro Cette solution permet une régulari- sation de la température de réaction, mais elle est compliquée, nécessite la cir- culation d'un fluide intermédiaire, entraîne des déperditions de chaleur importan- tes et fait perdre une placé¯ précieuse à l'intérieur de l'enceinte de catalyse sous pression.
On sait, par ailleurs, depuis longtemps, et diverses utilisations in- dustrielles l'ont confirmé, régulariser parfaitement la température de la réaction à l'aide des gaz devant réagir, en adaptant les surfaces d'échange entre le gaz réagissant et les gaz frais, et en utilisant des arrivées supplémentaires de gaz froids en des points convenableso
La présente invention a pour objet de réaliser la récupération de la chaleur avec un rendement maximum sans utilisation de fluide intermédiaire tout en assurant la régularisation parfaite de la température de réaction.
A cet effet, elle consiste notamment à utiliser séparément ou en combinaison les caractéristi- ques suivantes : 1 - Les gaz chauds sous pression élevée allant à l'organe récupérateur circulent dans un tube lui-même entouré par le gaz sous la même pression élevée sortant après son refroidissement de la chaudière, de sorte que sa température est devenue com- patible avec l'emploi de métaux de qualité courante, n'ayant à résister qu'à 1' action de la pression.
2 - Le groupe de catalyse comportant valorisation de la chaleur de réaction est logé dans une enceinte à paroi froide équipée d'une série d'écrans thermiques en- tre lesquels circulent depuis l'extérieur jusqu'à la zone intérieure de réaction des fluides de plus en plus chauds.
3 - Les gaz chauds sortant du four de réaction sont conduits vers l'organe récu- pérateur par une tuyauterie qui est elle-même entourée concentriquement par la tuyauterie beaucoup moins chaude où circulent les gaz sous pression sortant de l'organe récupérateur.
4 - Les gaz partiellement refroidis sont ramenés à l'intérieur de la chambre ré- sistant à la pression où ils circulent dans un ensemble d'éléments échangeurs disposés co-axialement et à l'extérieur de la chambre de réaction disposée axia- lement. Toutefois à titre de variante on peut admettre dans le cadre de l'inven- tion, que des éléments d'échange thermique entre gaz à transformer et gaz déjà transformé et partiellement refroidis par l'organe de récupération, soient en to- talité ou en partie logés dans un élément auxiliaire distinct extérieur au tube, principal. Des écrans thermiques concentriques évitent les déperditions de cha- leur: le 'gaz frais entrant circule le long des parois de la chambre de pression en les maintenant froides.
5 - Les gaz à transformer ainsi préchauffés dans les échangeurs circulent ensuite dans de nouveaux changeurs thermiques logés dans la chambre de réaction propre- ment-dite où ils s'échauffent jusqu'au seuil d'amorçage de la réaction, par con- tact avec les parois où circulent les gaz en réaction,, 6 - La surface d'échange entre gaz en réaction et gaz allant vers la zone de réac- tion est déterminée de façon qu'en sortie de la chambre de réaction les gaz se trouvent refroidis à une température voisine du seuil d'activité de la réaction, particulièrement favorable au déplacement de l'équilibre jusqu'au voisinage de la teneur maximum du produit à fabriquer .
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7 - La température en sortie de la chambre de réaction est réglée notamment par réglage de la pression de la vapeur dans la chaudière de récupération; on peut également la régler par un robinet de by-pass agissant sur le débit de gaz dirigé vers l'organe récupérateur.
D'autres objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront au court de la description ci-après, relative aux dessins ci-joints qui représentent sché- matiquement, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 1 est un schéma montrant la circulation des gaz dans un, dispositif conforme à l'invention servant par exemple à la fabrication de l'am- moniaque.
La figure 2 est une coupe des principaux éléments d'un four fonction- nant d'après le schéma de la figure 1.
Sur la figure 1, le four est un four cylindrique d'axe A-B (seule la moitié gauche de ce four a été schématisée). L'enveloppe extérieure du dit four a été matérialisée par la ligne en pointillé mixte 1 et l'intérieur du four de catalyse proprement-dit a été limité par la ligne en pointillé mixte 2. Les gaz . sous pression et à basse température pénètrent dans le four en 3 où ils sont gui- dés dans le sens des flèches: ils y parcourent une série de zones concentriques qui les amènent progressivement à l'intérieur du four proprement-dit 4.
Ils parcourent ainsi tout d'abord la zone 5 située le plus à l'extérieur si bien que la paroi de l'appareil reste soumise à une température relativement peu éle- vée. Ils pénètrent ensuite dans des zones 6 et 7 situées dans un échangeur où ils s'échauffent par contact indirect avec les gaz de réaction provenant de 1' organe récupérateur ainsi que cela sera exposé ci-après, une partie de l'élément échangeur 6-7 peut d'ailleurs être logé à l'extérieur du tube I. Les gaz- ainsi' échauffés pénètrent ensuite en 8 à l'intérieur du four prorement-di où-ils s'échauffent 'à nouveau par contact indirect avec les 'gaz circulant én 9 dans la'
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Le cas échéant un apport direct de gaz frais peut se faire en 11 d'une manière en soi connue pour parfaire le réglage de la tempé- rature à l'entrée et dans les tubes de catalyse. Les gaz sortent des tubes de ca- talyse en 12 par la partie centrale 2 de l'installation, puis sont dirigés laté- ralement, sortent du four de catalyse 13 pour pénétrer dans l'organe de récupéra- tion 14 constitué par une chaudière. A la sortie de cette chaudière, où leur tem- pérature a baissé de la quantité voulue, ils sont repris en 15 pour s'écouler en 16 à l'extérieur des gaz 12. De là ils arrivent en 17 et 18 dans l'éohangeur où ils se refroidissent au contact des gaz frais arrivant par 6 et 7. Sur le schéma, les zones d'échange indirect de chaleur ont été indiquées en hachuré.
A la sortie de l'échangeur en 19 ils sont évacués à l'extérieur des gaz venant par 16 et sor- tent en 20.
On voit ainsi que les parties les plus extérieures de l'installation sont parcourues en 5 et en 19 par des gaz froids ou par des gaz fortement refroi- dis, si bien que l'extérieur du four n'a pas besoin d'être très fortement calori- fugé. On voit également que les gaz soumis à la réaction sont peu à peu réchauf- fés jusqu'à la température de réaction d'abord dans l'échangeur 6-7, 17-18, puis en 8 au contact avec les gaz en réaction catalytique. Les gaz chauds sortant en 12 à la température la mieux appropriée au parachèvement de la réaction catalyti- que fournissent leur énergie calorifique à la chaudière 14, puis les gaz sortant de cette chaudière sont à nouveau refroidis dans l'échangeur 6-7, 17-18 avant d' être évacués.
On a ainsi un échauffement méthodique des gaz avant la réaction et un refroidissement également méthodique de ces gaz après réaction et après récu- pération de l'énergie calorifique qu'ils contiennent dans le récupérateur 14.
Sur la figure 2,21 désigne la paroi extérieure de la partie inférieu- re du four schématisée en 1 sur la figure 1, 22 l'échangeur de chaleur schématisé en 6-7, 17-18 sur la figure 1, et 23 les chambres du four dans lesquelles est
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disposé le faisceau de tubes de catalyseur 24 schématisé en 10 sur la figure 1.
Les gaz frais s'écoulent entre la face interne de la paroi 21 et la surface exté- rieure de l'échangeur 22. Ils pénètrent en 25 dans le dit échangeur qui est un échangeur double par exemple constitué par deux éléments échangeurs concentriques 26 et 27, séparés par un calorifuge. Cet échangeur entoure complètement le cylin- dre calorifugé à l'intérieur duquel se trouve le faisceau 24. Les gaz préchauffés pénètrent dans ce cylindre, balaient extérieurement, comme il a été dit précédem- ment, ce faisceau 24 avant d'y pénétrer par les orifices 28; assurant ainsi un nouvel échange efficace de chaleur. Le faisceau 24 comporte à cet effet un nombre de tubes permettant d'avoir la surface nécessaire et suffisante pour assurer les échanges désirés.
Des arrivées partielles de gaz frais à différentes hauteurs de ce nouvel échangeur ou à son extrémité, permettent de régler exactement les échanges aux différents points.
Le gaz ainsi préchauffé devant réagir pénètre ensuite ainsi qu'il a été dit sur le catalyseur à l'intérieur du faisceau de tubes 24 par les orifi- ces 28. Il y réagit en s'échauffant. A la sortie de ces tubes, en 29, il est en- voyé directement, ainsi qu'il a été dit dans la chaudière 14 disposée à l'extérieur.
A cet effet la partie supérieure de l'enceinte de réaction comporte une paroi ex- térieure 30 à l'intérieur de laquelle sont disposés deux tubes concentriques 31 et 32 et c'est par le tube intérieur 32 que les gaz pénètrent dans la chaudière.
Après avoir cédé les calories qu'il transporte jusqu'à une tempéra- ture dépendant de la surface d'échange du faisceau 24 et de la pression de la chaudière, le gaz refroidi est réintroduit dans le four de synthèse par l'espace compris entre les conduits 31 et 32 concentriques au conduit de sortie 32. Le conduit 32 peut être calorifugé intérieurement et le conduit 31 extérieurement, de sorte que le métal des tubes 31 et 32 est sensiblement à la même température et que ces deux tubes ne subissent l'un par rapport à l'autre que des différences de dilatation très faibles.
La gaz repasse ensuite dans l'échangeur double 26-27 où il circule en se refroidissant de l'échangeur intérieur vers l'échangeur extérieur duquel il sort dans l'espace compris entre le tube 31 et la paroi 30, concentriquement au tube de retour de la chaudière 14 qui est calorifugé extérieurement à sa paroi extérieure 31.
Les échangeurs peuvent être faits de faisceaux de tubes droits ou d' un ou plusieurs tubes enroulés en spirales ou toute autre solution convenable.
La disposition des échangeurs à l'extérieur de l'enceinte contenant le catalyseur permet de leur donner une grande longueur et une grande surface, ce qui permet d'améliorer le rendement de la récupération thermique.
La disposition de doubles échangeurs concentriques séparés par un iso- lement permet de réduire dans une très forte proportion la déperdition de chaleur et permet de laisser aisément la libre dilatation de toutes les parties.
La chaudière peut être disposée directement sur la pièce de fermeture du tube de synthèse, ce qui réduit au minimum toutes les pertes.
Un relèvement de la pression de fonctionnement de la chaudière déter- mine un relèvement de la température du gaz accompagné par conséquent d'un relè- vement de la température à la sortie des échangeurs 26-27 dans le four 24. En maintenant celui-ci vers 200-220 , on peut obtenir en 29, à la sortie des tubes de catalyse, des températures de l'ordre de 450-470 , particulièrement favorables à l'obtention de teneurs élevées en ammoniaque dans le gaz sortant de la catalyse.
Un relèvement analogue de la température du gaz à la sortie 26-27 peut être obtenu par un by-passage réglable du gaz se rendant à l'organe de ré- cupération.
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Le gaz ayant réagi, bien refroidi dans les échangeurs permet de conser- ver froides les pièces ayant à subir la pleine pression de synthèse, donc de les construire en acier de qualité courante. Le four de synthèse lui-même est égalemen en acier ordinaire.
Un 'certain nombre de joints coulissants sont nécessaires entre les di- verses parties du circuit pour assurer la libre dilatation mais tous ces joints ne sont soumis qu'à la faible différence de pression résultant des pertes de char- ge diverses dans le circuit et sont faciles à réaliser la plupart pouvant être autoclaves.
Dans un tel dispositif, la chaudière peut travailler à telle tempéra- ture et pression que l'on désire sans créer aucune difficulté technique dans 1' appareillage de synthèse.
REVENDICATIONS.
1. Dispositif pour la récupération de la chaleur dégagée dans des réacteurs sous pression élevée, utilisant un organe récupérateur tel qu'une chau- dière, caractérisé par le fait que les gaz chauds sous pression élevée allant à l'organe récupérateur circulent dans un tube lui-même entouré par le gaz, sous la même pression élevée, sortant après son refroidissement dans le dit organe récupérateur.
2. Dispositif dans lequel le réacteur proprement-dit est logé dans une enceinte à paroi froide équipée d'une série d'écrans thermiques entre les- quels circulent depuis l'extérieur jusqu'à la zone intérieure de réaction, des fluides de plus en plus chauds.
3. Dispositif d'après 1, caractérisé par le fait que les gaz chauds sortant du réacteur sont conduits vers l'organe récupérateur par une tuyauterie qui est elle-même entourée concentriquement par la tuyauterie beaucoup moins chaude où circulent les gaz sous pression sortant de l'organe récupérateur.
4. Dispositif d'après 1, caractérisé par le fait que les gaz partiel- lement refroidis sont ramenés à l'intérieur de l'appareillage résistant à la pres- sion où ils circulent dans un ensemble d'éléments échangeurs disposés co-axiale- ment et à l'extérieur de la chambre de réaction, des écrans thermiques concentri- ques évitent les déperditions de chaleur, tandis que les gaz frais entrants cir- culent le long des parois de l'appareillage résistant à la pression en les main- tenant froides.
5. Dispositif d'après 1 et 4, caractérisé par le fait que, les gaz à transformer, ainsi préchauffés dans les échangeurs, circulent ensuite dans de nouveaux échangeurs thermiques logés dans la chambres de réaction proprement-dite où ils s'échauffent jusqu'au seuil d'amorçage de la réaction, par contact avec les parois où circulent les gaz en réaction.
6. Dispositif d'après 1, caractérisé par le fait que la surface d'échange entre gaz en réaction et gaz allant vers la zone de réaction est déter- minée de façon qu'en sortie de la chambre de réaction les gaz se trouvent refroi- dis à une température voisine du seuil d'activité de la réaction, qui est parti- culièrement favorable au déplacement de l'équilibre jusqu'au voisinage de la te- neur maximum du produit à fabriquer.
7. Dispositif d'après 1, caractérisé par le fait que la température à la sortie de la chambre de réaction est réglée notamment par réglage de la pression de la vapeur dans la chaudière de récupération, ou par un robinet de by- pass agissant sur le débit de gaz dirigée vers l'organe récupérateur.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.