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Procédé pour augmenter le rendement en vapeur produite par la cha- leur émise lors des synthèses catalytiques effectuées à haute pres- sion.
De nombreuses propositions ont déjà été faites pour utiliser la chaleur émise résultant de réactions chimiques exo- thermiques (notamment entre des gaz) par exemple lors de la synthèse sous pression de l'ammoniac ou du méthanol. Il est usuel (et très important pour l'économie du procédé) de produire de la va- peur par échange thermique indirect entre les gaz ayant réagi et quittant le dispositif de synthèse et l'eau d'alimentation d'une chaudière à vapeur.
Mais les gaz qui s'échappent de la chaudière contiennent encore une quantité de chaleur déterminée, qui n'est plus utilisable dans cette chaudière dans les conditions d'échange thermique qui y règnent, étant donné que, dans le cas le plus favo-
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rable, la température des gaz n'est abaissée que jusqu'à la tempé- rature à laquelle se trouve l'eau d'alimentation du systeme La-Mont.
Le but de l'invention est de créer un procédé permettant d'augmenter sensiblement la quantité de chaleur contenue dans les gaz de réaction quittant le dispositif de synthèse, et par consé- quent la quantité de vapeur à basse pression pouvant être produite.
Les recherches qui ont conduit à l'invention ont en effet révélé que la quantité de vapeur sous pression pouvant être obtenue (aussi bien de vapeur à basse pression que de vapeur sous une pression plus élevée) peut être considérablement augmentée en élevant la température du gaz pénétrant dans l'appareil de synthèse, de façon non seulement à amener au générateur de vapeur monté en aval de l'appareil de synthèse une plus grande quantité de chaleur mais de réaliser cet apport à une température plus élevée, ce qui améliore en même temps l'échange de chaleur indirect.
Ce résultat est obtenu, suivant l'invention, par le fait que les gaz de réaction quittant l'installation productrice de vapeur montée en aval de l'appareil ae synthèse à la température de la vapeur produite, sont soumis, avant leur entrée par exemple dans l'appareil refroidisseur condensant le produit de réaction à liquéfier, à un nouvel échange thermique avec le mélange de gaz de réaction envoyé sous pression dans le four de synthèse. vu fait ae l'abandon de la quantité de chaleur résiduelle des gaz de réaction au gaz ae synthèse frais, qui est froid, l'appareil de condensation au produit de réaction, monté en aval dans le trajet suivi par le gaz, est déchargé, et en outre le niveau de température du mélange gazeux entrant dans le four de synthèse est relevé pratiquement de la méme valeur.
fin conséquence, le niveau de température au gaz sortant du four de synthèse qui reprend cette augmentation de chaleur dans l'échangeur thermique au réacteur s'élève et il en résulte une augmentation de la quantité ou ae la pression ae la vapeur, par suite ce la plus grande différence ae température par rapport à
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l'eau d'alimentation de la chaudière.
Dans tous les l'ours à naute pression actuellement en usage pour la synthèse catalytique du gaz ammoniac, le gaz frais donc froid descend dans une chambre intermédiaire disposée entre l'enveloppe extérieure à haute pression et la chemise intérieure du four de synthèse ou le conduit d'amenée, jusqu'à la base de l'échan- geur thermique prévu dans presque tous les fours de synthèse ou faisant partie de chaque four, et il parvient à travers cet échan- geur, à l'appareil à catalyse.
Par conséquent, étant donné que l'échange thermique entre le gaz frais, aont la température d'ad- duction est augmentée suivant l'invention, et le courant de gaz ayant réagi quittant le four ae synthèse, se produit dans la partie la plus basse de l'échangeur thermique, le niveau de température à l'intérieur du four ou de la masse au catalyseur elle-même n'est pratiquement pas modifié, de sorte que malgré la meilleure récupé- ration de la chaleur résultant de la réaction catalytique exother- mique, celle-ci n'est elle-même nullement influencée de façon néga- tive. Le surplus de chaleur passe donc dans le gaz de synthèse évacué ayant réagi, en contournant le catalyseur.
Dans le cas précité, il n'est donc pas nécessaire d'as- surer une meilleure utilisation de la chaleur en augmentant les dimensions au dispositif d'échange thermique du réacteur, et il est au contraire possible d'utiliser les appareils employés jusqu'à présent sans les modifier. Le dispositif supplémentaire nécessaire à la mise en oeuvre du procédé perfectionné, objet de l'invention, est simplement constitué par un échangeur thermique de type usuel, approprié aux températures rencontrées, monté dans le courant de gaz entre la chaudière à chaleur perdue et le condenseur destiné à la séparation de l'ammoniac ou de tout autre produit final et réa- lisant un échange thermique avec le mélange de gaz de synthèse frais et froia qui arrive au système.
Si, dans des cas exceptionnels définis par exemple par l'appareil de synthèse utilisé, il n'est pas possible d'obtenir dans
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l'échangeur thermique principal un échange complet du surplus de chaleur arrivant avec le gaz frais, on peut compenser sans difficul- té une augmentation de température du gaz, avant son entrée dans la masse de contact, par une arrivée de gaz froid, comme cela est usuel dans beaucoup de types de réacteurs, sans que l'échange de chaleur en soit gêné dans l'échangeur thermique principal.
L'effet produit par le procédé tel que le prévoit l'in- vention peut être encore renforcé en isolant soigneusement le réci- pient de réaction dans lequel s'effectue la synthèse exothermique à haute pression, afin d'éviter les pertes de chaleur qui se produi- raient au préjudice de l'échange thermique ultérieur.
Dans le cas où la quantité de chaleur contenue dans les gaz de réaction n'est pas disponible pour le but décrit après avoir quitté ce qui peut être dénommé l'appareil à vapeur, par exemple parce que la quantité de chaleur restante est utilisée pour la pré- baration d'eau chaude, pour chauffer des bâtiments, ou pour une application équivalente, le niveau de température du gaz de réac- tion peut être également relevé de façon suffisante, en amont de la chaudière à vapeur, en faisant appel à cet effet à d'autres sources de chaleur, par exemple à la chaleurémise par des compresseurs, par la conversion du CO, etc...
Le procédé, objet de l'invention, permet d'augmenter le rendement, par exemple en vapeur à basse pression, dans des propor- tions comprises entre 30 et 50% et même davantage.
Dans l'esprit de l'invention, il ne s'agit nullement au réchauffement usuel au gaz frais pour l'amener tout simplement à la température d'amorçage de la catalyse au moyen de la chaleur du gaz ayant réagi, comme par exemple dans l'échangeur thermique principal du réacteur, mais il s'agit exclusivement de l'utilisa- tion de la quantité de chaleur résiduelle qui, après une utilisation optimum de la chaleur émise par réaction dans un générateur de va- Deur, est encore contenue dans les gaz usés, en fonction ae la tem- pérature de la vapeur produite, et qui devait être jusqu'ici consi-
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dérée comme perdue.
Ce qui fait ressortir la valeur du procédé, objet ae l'invention, c'est, outre le résultat déjà très intéres- sant obtenu, le fait que jusqu'à présent, il existait un préjugé tendant à ne pas envoyer dans le réacteur de gaz frais à température élevée, car on craignait ainsi de nuire au résultat de la catalyse et ae détériorer le réacteur par un refroidissement insuffisant.
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Lorsqu'on désire utiliser, dans une chaudière à valeur - usuelle chauffée par la chaleur.peraue et montée en aval du four de synthèse, la chaleur émise par la synthèse exothermique sous forme de vapeur a une pression élevée, par exemple à six atmosphères au- dessus de la pression atmosphérique ou davantage, il faut en consé- quence que le gaz de synthèse ayant réagi pénètre également dans cette chaudière à une température plus élevée. D'après la variante simple du procédé précédemment décrite, la totalité du gaz frais de synthèse est portée à une température supérieure par l'échange thermique, effectué suivant l'invention, avec le gaz de réaction quittant la chaudière à une température plus élevée.
Etant donné que, dans certains cas, l'enveloppe extérieure du four de synthèse, capable de supporter de fortes pressions, pourrait être amenée à une température inadmissible, on ne soumet à l'échange thermique avec le gaz de réaction, en aval du générateur de vapeur, qu'une partie (de préférence la plus grande partie en tenant compte des possibilités des appareils prévus) du gaz frais lors de la récupé- ration de chaleur à haute pression.
Cette partie du::mélange de gaz frais, portée presque à la température de la vapeur sous pression produite, est envoyée au four de synthèse par un orifice supplémentaire prévu dans le cou- vercle inférieur du four, ou au moyen d'un conduit tubulaire supplé- mentaire coaxial au conduit d'évacuation des gaz, et elle parvient dans le four sous l'échangeur thermique principal, où elle abandon- ne inuirectement sa chaleur au gaz de réaction sortant, pour passer ensuite sur le catalyseur.
L'autre partie du gaz frais est envoyée à la partie su- @
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périeure du four de synthèse de la manière usuelle, sans l'échange thermique suivant l'invention, en aval du générateur de vapeur, avec le gaz de réaction, de sorte qu'elle peut exercer un effet de refroidissement sensiblement maximum sur l'enveloppe extérieure et sur la chemise intérieure du four de synthèse. Les deux partiesdu gaz frais se réunissent sous l'échangeur thermique principal qui se trouve dans le four de synthèse et abandonnent en outre dans cet écnangeur thermique leur excès de chaleur au gaz ayant réagi quittant le four à synthèse, qui parvient alors à la chaudière à température élevée.
Afin que le courant de gaz frais ainsi reconstitué dans l'échangeur thermique principal arrive sur le catalyseur à la tempé- rature optimum pour la synthèse, l'échangeur thermique principal peut être sensiblement plus court que les types usuels de fours catalytiques, dans lesquels il ne se produit pas de réchauffement du gaz frais à l'extérieur du four de synthèse, ce qui permet éga- lement d'agrandir la chambre du catalyseur, et par conséquent d'aug- menter le rendement du four à ammoniac considéré.
De cette façon, on uarvient, en mettant en oeuvre le principe précédemment décrit, à nroduire, grâce à la chaleur émise par la réaction catalytique exothermique, de la vapeur à une pression de 6 atmosphères environ au-dessus de la pression atmosphérique, et même davantage, sans modifier sensiblement les installations usuelles et sans compromettre la réaction catalytique.
Les exemples suivant donnés à titre non limitatifs, permettront de mieux comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre. Dans ces exemples les volumes indiqués sont mesurés dans les conditions normales de température et de pression.
EXEMPLE 1.-
On envoie dans un four à ammoniac 50.000 m3/h d'un mélange gazeux N2A2à une température de 20 C. A partir de cette quantité de gaz t'rais 45.000 m3/h de gaz de réaction (contenant 12 Vol. % de NH3) quittent le four à une température de 200 C, c'est-à-dire avec
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une augmentation de température de 180 C. Ce gaz parvient dans la chaudière à "chaleur perdue" dont l'eau d'alimentation se trouve à
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une température de départ de 130 C; et la quitte à cette¯nêm:tém; ;'1....':; "V pérature. La différence de température des gaz chauds évacuéàµ"Fqg±f ,:,...:,..'" utilisable pour la production de vapeur, est donc dans ce cas au]:1):1) bzz maximum de 70"U.
;l%ib Par contre, suivant l'invention, le gaz sortant du founl, . .¯¯ #, ¯ bzz et quittant le générateur de vapeur à au moins 130 C est amené dans. une relation d'échange thermique indirect avec le gaz arrivant' ':' dans le four, qui est, comme précédemment, à la températeur de 20 C, ce qui élève la température de ce dernier gaz par exemple à 60 C. L'augmentation de température, soit 40 C, s'ajoute aux 200 C résultant de l'élévation de température de 180 C produite par la catalyse, qui reste pratiquement non modifiée, ce qui donne 240 C. La différence de température utilisable pour la production de vapeur est donc maintenant de 110 C au lieu de 70 C comme précé- demment. Le rendement en vapeur est ainsi augmenté de 50% environ.
EXEMPLE 2.-
On envoie 60.000 m3/h d'un mélange de gaz N2/H2 à une température de 35 C dans un four à ammoniac. Avant d'entrer dans le four à ammoniac, les deux tiers de ce mélange gazeux (40.000 m3/h) sont chauffés dans un échangeur thermique monté en aval du généra- teur de vapeur et sont portés ainsi à 170 C, puis ils sont envoyés, à travers un orifice ménagé dans le couvercle inférieur du four de synthèse, dans l'espace compris entre ce couvercle inférieur du four et le fond de l'échangeur thermique principal. Le tiers de la quantité de gaz précitée (c'est-à-dir 20.000 m3/h) qui est achemi- né vers le bas à travers l'interstice annulaire ménagé entre l'enve- loppe extérieure et la chemise intérieure du four de synthèse, subit le long de son trajet un réchauffement qui le porte à 95 C.
La réunion de ce courant ae gaz à celui qui pénètre sous le couvercle inférieur du four à 170 C donne une température de mélange à 145 C.
Le mélange de gaz (60.000 m3/h) est alors chauffé plus avant de la
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manière usuelle dans l'écnangeur thermique principal du four de synthèse et.il franchit la zone de contact pour, après être repassé une nouvelle fois à travers l'échangeur thermique principal, quitter le four de synthèse à une température de 300 C. Dans un générateur de vapeur monté en aval du four de synthèse, on produit en refroi- dissant le courant de gaz sortant du four de synthèse à 300 C (53.700 m3/h) une quantité de vapeur de 3,78 tonnes par heure à une pression de 7 atmosphères au-dessus de la pression atmosphérique.
Le courant de gaz qui a été refroidi dans le générateur de vapeur et ramené à une température de 180"C entre alors dans l'échangeur . thermique supplémentaire qui se trouve à l'extérieur du four de synthèse, pour y réchauffer la partie mentionnée ci-avant formée de 40.000 m3/h de gaz frais et pour la porter à 170 C. La production de vapeur spécifique réalisée selon cet exemple représente 0,78 kg environ de vapeur par kilogramme de NH.
Les détails de mise en oeuvre peuvent être modifiés, sans s'écarter de l'invention,'dans le domaine des équivalences tech- niques.