Procédé et appareil pour la fabrication catalytique de l'anhydride sulfurique. Cette invention a trait à un procédé pour la fabrication de l'anhydride sulfurique par contact et à un appareil pour l'exécution de ce procédé.
Dans ce procédé on fait réagir à une température élevée de l'anhydride sulfureux et des gaz contenant de l'oxygène - usuelle ment sous forme d'air - en présence d'un ca talyseur :convenable tel que le platine, diver ses substances contenant du vanadium, etc.
Selon l'invention, on fait passer au moins une partie (Tu gaz devant réagir, au moins relativement froid, à travers des échangeurs de chaleur au moins en partie noyés dans une couche de catalyseur, la dernière partie au moins du parcours du gaz dans les échan geurs étant en contre-courant par rapport au gaz traversant la. masse de contact et en re lation directe d'échange de chaleur avec cette masse.
Dans ce procédé, on peut faire usage de l'un ou plusieurs :quelconques des cataly seurs bien connus. Un avantage de la pré sente invention est toutefois qu'elle se prête à l'application de catalyseurs extrêmement actifs permettant des charges élevées sans produire un échauffement excessif et sans risquer par conséquent de détériorer le ca talyseur et de diminuer le rendement en pour cent.
L'oxydation de l'anhydride "sul fureux en anhydride .sulfurique donne nais sance à .des quantités de chaleur considéra bles et doit être réalisée à une température élevée et de préférence à une température maintenue constante entre certaines limites. La réaction ne s'accomplit pas si la tempé rature descend trop bas et il est par consé quent nécessaire non seulement d'assurer un refroidissement adéquat, mais aussi de pré voir un dispositif réfrigérant maintenant 1a température entre les limites désirées en tous les points de la couche du catalyseur ou en tous les points de la couche dans la quelle la. réaction est la.
plus intense. De nombreux dispositifs compliqués ont déjà été essayés dans l'appareil pour régler l'oxyda tion de l'anhydride sulfureux en anhy dride sulfurique. Ces essais n'ont pas réussi ou présentent des inconvénients. D'autre part, le refroidissement ne pou vait être rendu strictement proportionnel à la quantité de gaz de réaction traversant l'appareil et il était par conséquent néces- sare de régler ou limiter la production d'un convertisseur donné.
Le procédé selon l'invention permet d'as surer un refroidissement qui, entre les limi tes de travail, est sensiblement directement proportionnel à la. quantité de gaz de réac tion traversant l'appareil et de maintenir par conséquent une température uniforme même si la quantité de gaz traversant l'appareil subit des variations considérables, étant donné que la chaleur développée est aussi proportion nelle à. la quantité de gaz traversant l'appa reil.
En opérant comme indiqué, on effectue une grande partie du refroidissement du con vertisseur, et plus particulièrement de sa. charge catalytique à. l'aide de gaz devant réagir et ces gaz sont portés à une tempé rature de réaction convenable.
Dans une forme de réalisation préférée du procédé, on commence par faire circuler également les gaz frais ou une fraction de ces gaz dans la direction des gaz que ren ferme la ruasse de contact et, en relation d'é change de chaleur par rapport aux gaz par tiellement chauffés, ceux-ci circulant en con- tre-courant par rapport au courant de gaz passant dans la masse de contact et en rela tion d'échange de chaleur par rapport à ce courant. Ainsi, les gaz froids admis sont d'abord amenés en relation d'échange de cha:
leur avec les gaz partiellement chauffés et sont finalement amenés en relation d'échange de chaleur avec la. masse de contact que ren ferme le convertisseur et qui élève encore leur température, l'échauffement étant tou tefois tempéré par l'effet de refroidissement des gaz admis frais.
Dans .certains cas, il est désirable de ne chauffer qu'une fraction des gaz; on peut alors faire circuler une fraction en relation d'échange de chaleur avec la masse de con tact et en contre-courant par rapport aux gaz traversant cette masse,
tandis que d'autres fractions de gaz frais peuvent être directe ment introduites dans toute zone de tempéra ture convenable ou désirable du convertis- seur. On peut faire circuler d'abord plusieurs fractions du gaz dans le sens du courant du gaz à travers la masse de contact, puis en sens inverse, et faire en sorte que ces gaz se mélangent -à tout endroit ou zone désiré ou convenable. On peut aussi modifier la. longueur du passage en contre-courant en relation d'échange de chaleur avec la masse de contact soit pour l'ensemble des gaz ad mis, soit pour certaines fractions de ces gaz.
La circulation en contre-courant suivant l'in vention peut aussi être combinée avec des échangeurs de chaleur séparés servant à re froidir ou chauffer des gaz, et ces échangeurs peuvent faire partie intégrante .de la struc ture du convertisseur ou être installés à l'ex térieur de cette structure ou encore être ins tallés partie à l'intérieur et partie à l'exté rieur. Diverses combinaisons de zones cata lytiques différentes et de taux différents de refroidissement peuvent aussi être appliquées et l'on représentera sur les dessins annexés quelques-unes de ces formes de réalisation possibles.
Le passage des .gaz encontre-courant ou alternativement dans le même sens et en contre-courant peut être obtenu dans un grand nombre de convertisseurs de types di vers; les dessins ne représentent que quel ques convertisseurs des types usuels, et l'in vention n'est en aucune façon limitée aux convertisseurs particuliers représentés.
La présente invention est bien entendu particulièrement avantageuse quand on fait usage de catalyseurs très actifs et où des changes élevées sont par conséquent possi bles. Le refroidissement automatique permet d'obtenir des rendements énormes avec des ca talyseurs convenablement actifs et sans qu'il soit besoin d'une surveillance extrême comme cela serait essentiel si le refroidissement n'é tait pas automatique, comme jusqu'à ce jour,
auquel cas il faudrait exercer une surveil- lancc@ de tous les instants ou régler manuel- lement le refroidissement si des moyens de réglage étaient prévus. 31 est bien entendu toutefois que les avantages de l'invention peuvent être obtenus même avec des cataly seurs qui ne sont pas extrêmement actifs et qui, par conséquent, ne permettent pas des charges élevées.
En pareils cas, Yautomatieité est encore importante en ce sens qu'elle évite les perturbations .dues aux variations de charge.
Le réglage automatique de la tempéra ture à l'aide -des gaz de réaction, lequel ré glage est simple et efficace, augmente non seulement les productions possibles, mais empêche aussi l'échauffement excessif local du catalyseur, c'est-à-dire la formation de zones chaudes qui constituent de graves in convénients dans de nombreux types de con vertisseurs tels que, par exemple, les conver tisseurs Grillo. Le procédé peut être réalisé à des pres sions supérieures ou inférieures à l'atmos phère, étant donné qu'il n'est pas nécessaire d'assurer l'herméticité aux gaz des éléments échangeurs de chaleur.
L'invention peut aussi être appliquée conjointement avec d'autres moyens de re froidissement. Toutefois, un des avantages particuliers des formes de réalisation préfé rées de la présente invention, dans lesquelles la totalité du refroidissement a lieu à l'aide des gaz de réaction, est que ces gaz emprun tent au -catalyseur le maximum de chaleur, de sorte qu'il n'est. pas nécessaire d'employer de grandes quantités de combustible pour chauffer les gaz de réaction et qu'on peut se contenter dans beaucoup de cas d'un simple échangeur de .chaleur utilisant les gaz d'é chappement, sans avoir recours à d'autres moyens de chauffage, en particulier lorsque les charges sont élevées.
Le dessin annexé représente, schématique ment -et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil convertisseur pour l'exécution du procédé selon l'invention.
Fig. 1 est une coupe verticale d'un pre mier exemple; Fig. .2 est une coupe horizontale du même convertisseur; Fig. '3 et 4 sont des détails d'un disposi- tif pour la fixation des tubes de conbertis- seur;
Fig. 5 est une coupe verticale d'un con vertisseur et montre une autre disposition de tubes réfrigérants; Fig. 6 est une coupe verticale d'un con vertisseur dans lequel des tubes réfrigérants sont en contact avec les gaz d'échappement ainsi qu'avec le catalyseur; Fig. 7 montre en coupe verticale un con vertisseur et un échangeur de chaleur exté- rieur; Fig. 8 .montre en coupe verticale un con vertisseur et un échangeur de chaleur inté rieur;
Fig. 9 montre en coupe verticale un con vertisseur comportant plusieurs couches de catalyseur et montre l'introduction de plu sieurs portions de gaz réfrigérants.
Fig. 10 est une coupe verticale d'une au tre forme de réalisation du convertisseur de fig. 9; Fig. 11 est une coupe verticale d'un con vertisseur et montre une autre variante de fig. 9; Fig. 1.2 et 13 sont des détails en coupe verticale d'autres formes de réalisation de tubes réfrigérants; Fi-. 14 est une coupe d'un convertisseur inversé; Fig. l5 est un détail du tube à gaz de fig. 11.
Le catalyseur est représenté à l'état gra nulaire dans la fig. 1 et par des points dans les autres figures. Il est bien entendu que cette représentation du catalyseur est pure ment schématique et conventionnelle et que l'invention n'est en aucune faon limitée à l'emploi de types ou formes quelconques de catalyseur.
Le convertisseur de fig. 1 comprend une enveloppe externe formée d'-anneaux 1, munis de bridés 2) et reliés à une pièce supérieure 3 et à une pièce inférieure 4.
Les gaz devant réagir pénètrent dans la pièce supérieure par un tuyau 5, sont distribués à l'aide de ebi- canes, 32, puis .descendent dans les tubes ré frigérants centraux 9 et remontent ensuite dans les tubes réfrigérants externes 11, en sens inverse.
Les tubes 11 sont assujettis aux tubes internes 9 par des moyens de fixation convenables, par exemple à. l'aide d'assem blages à baïonnette comme représenté dans les fig. 3. et 4, la tige 10 pénétrant dans la. fente à baïonnette du tube 11. D'autres dis positifs de fixation, par exemple des dispo sitifs comportant des chaînes de faible lon gueur, des crochets, etc. peuvent aussi être employés.
Bien entendu, les tubes réfrigé rants internes 9 sont fermement montés dans la plaque supérieure 7, et l'alignement des tubes 9 et 11 peut être assuré à l'aide de pattes d'espacement 12.
Après s'être élevés -à l'intérieur des tubes 11, les gaz sortent par des perforations pré vues au sommet des tubes, pénètrent dans l'es pace à gaz supérieur 8, puis descendent à travers le catalyseur 19. Le catalyseur est re tenu par une toile métallique ou paroi per forée 1.3 à travers laquelle les gaz de réaction pénètrent dans la capacité inférieure du con- vertisseur pour s'échapper ensuite par le tuyau d'échappement 6.
Le catalyseur peut être introduit soit par des ouvertures latérales 16, soit par des ou vertures de la plaque 7, ces dernières étant fermées par des bouchons 17. Le catalyseur peut être retiré par la. tubulure d'évacuation 18. Si on le désire, on peut remplir les tuyaux 16 et 18 de quelque matière inerte convenable. On mesure les températures en divers points à l'aide de thermomètres 30 qui ont été représentés sous forme de pyromètres électriques mais peuvent, bien entendu, être de tout autre type convenable.
Lorsque- des gaz réfrigérants additionnels sont désirés à <B>là..</B> surface du catalyseur, endroit on la réac tion est la plus violente, ces gaz peuvent être dérivés d'un tuyau d'alimentation 15 et intro duits par des tuyaux 14.
En fonctionnement, les gaz froids ou re froidis admis descendent d'abord dans les tubes : 9 et ne sont donc pas directement en relation d'échange de chaleur avec le cataly seur, mais sont en relation d'échange de cha leur avec les gaz qui montent dans les tubes 11. Les gaz froids sont ainsi graduellement réchauffés et, à leur sortie de l'extrémité ouverte des tubes 9, ces gaz montent dans les tubes 11 en relation directe d'échange de cha leur avec le catalyseur et en contre-courant par rapport aux gaz traversant le catalyseur.
Comme dans le procédé de fabrication de S-0'' par contact, le catalyseur est très chaud, dans leurs mouvements d'élévation à l'inté rieur des tubes 11, les gaz s'échauffent ra pidement et progressivement, l'élévation de température étant quelque peu modérée par l'action réfrigérante des gaz descendant dans les tubes 9, de sorte que, au moment on. ils émergent de la partie supérieure des tubes 11, les gaz ne possèdent pas une température excessivement élevée. Les gaz chauffés, avec ou sans autre addition de gaz frais ou froids délivrés par les tuyaux 14, passent alors à travers le catalyseur dans lequel la réaction a lieu.
Toutefois, le catalyseur ne peut pas se surchauffer puisqu'il est en relation d'é change de chaleur intime avec les tubes et est refroidi par les gaz admis. Le fait que les gaz entrant en contact avec les couches supérieures du catalyseur sont partiellement refroidis par les gaz chie renferment les tu bes 9 et peuvent être .mélangés avec une quan tité convenable de gaz froids arrivant par les tuyaux 14. empêche efficacement une réaction trop violente dans les zones supé rieures du catalyseur.
On voit que le convertisseur échauffe d'une manière régulière les gaz froids ad mis et que, en même temps, le catalyseur lui-même est refroidi. Il en résulte que ce mode d'écoulement permet une action de re froidissement très uniforme; en même temps, grâce aux tuyaux 14, il devient possible de contrecarrer les accroissements brusques de température dans les zones supérieures du catalyseur en augmentant brusquement et con sidérablement l'admission de gaz froids. Ainsi, un refroidissement efficace se produit automatiquement pour les usages ordinaires et, en cas d'urgence, des élévations brusques de température peuvent être combattues pres que instantanément par l'introduction de grandes quantités de gaz froids par les tuyaux 14.
Aux endroits où le catalyseur employé n'est pas très actif, et où un échauf fement exagéré brusque n'est donc pas à craindre, en particulier à la surface la pre mière rencontrée par les gaz, les tuyaux d'amenée de gaz frais auxiliaires peuvent être supprimés.
La chaleur qui se développe aux divers points du catalyseur n'est bien entendu au cunement uniforme, étant donné que le pour centage de beaucoup le plus grand de la réaction, et par conséquent du dégagement de chaleur, se produit dans les premières couches de catalyseur et qu'une différence de température assez grande existe par con séquent du sommet à. la base des couches ca talytiques.
Cette différence de température est utilisée efficacement en amenant d'abord les gaz froids qui émergent de l'extrémité inférieure des tubes 9 en relation d'échange de chaleur avec une partie du catalyseur qui est à une température relativement basse; à mesure qu'ils s'échauffent et montent dans les tubes 11, les gaz entrent alors en échange de chaleur avec un catalyseur de plus en plus chaud, de sorte qu'ils sont en tout temps sou mis à une différence de température suffi sante pour provoquer le transfert d'une quan tité de chaleur grande et constante du cata lyseur aux gaz.
En même temps, la tempé rature excessive qui pourrait autrement être produite dans les couches supérieures du ca talyseur est modérée dans une certaine me sure par le fait que les gaz montants non seulement absorbent la chaleur du cataly seur, mais abandonnent aussi une certaine quantité croissante de chaleur aux gaz froids admis que renferment les tubes 9.
La disposition du courant de gaz par rap port au catalyseur est non seulement agen cée pour absorber le maximum dechaleur, mais en raison du fait que les gaz sont conduits à l'intérieur de tubes disposés les uns dans las autres et possédant par contre une sec- tion de passage relativement faible, le cou rant est très rapide et le transfert de chaleur extrêmement efficace.
Dans la disposition de fig. 1 dans laquelle les tubes réfrigérants ne descendent que sur une partie seulement de la. hauteur de la couche de catalyseur et sont placés (voir fig. 2) relativement près les uns des autres, les gaz de réaction traver sent les couches supérieures des catalyseurs entre les tubes à une vitesse élevée et l'é chauffement excessif local est ainsi évité dans une grande mesure.
En même temps, les gaz partiellement épuisés qui traversent la zone inférieure de catalyseur possèdent une vitesse beaucoup plus faible en raison de l'élargissement du passage et sont par canaé- quent maintenus en contact avec le cataly seur pendant une période de temps suffi sante pour assurer une réaction très com plète. De cette façon, en proportionnant et disposant convenablement les tubes réf rigé- rants, on peut régler très exactement les vi tesses des gaz pour satisfaire aux exigences de toute réaction particulière et l'on peut charger le catalyseur dans la mesure maxi mum d'une manière certaine et efficace.
Ceci est très important, car dans l'oxydation cata lytique de l'anhydride sulfureux, le cataly seur est souvent très coûteux et le rende ment économique du procédé dépend dans une très grande mesure du degré de charge possible du catalyseur.
La combinaison d'un refroidissement ef ficace et uniforme à l'aide des tubes avec un refroidissement d'urgence efficace par l'introduction de gaz dérivés du tube 15 donne à cet appareil une souplesse en ser vice qui est très désirable et qui est obtenue sans aucune perte d'efficacité du convertis seur lui-même.
En utilisant la chaleur de réaction pour préchauffer les gaz admis, on peut réaliser de grandes économies en combus- tible et, dans beaucoup de cas, on n'aura guère ou pas besoin d'un complément de chauffage, ou bien on pourra employer les gaz d'échappement pour obtenir ce complé- mënt. Cette variante sera décrite relative ment aux fig. 6@ à 8. La fig. 5 représente une forme de réali sation dans laquelle les tubes 11 s'étendent sensiblement sur toute la hauteur du cataly seur, réglant la température au fond aussi bien qu'ailleurs.
Ceci est désirable quand la concentration en SO? est propre à générer une grande quantité de chaleur et qu'il faut aussi refroidir la portion, du fond pour as surer une température assez basse d'ans toutes les parties du catalyseur et avoir un rende ment maximum. Les tubes 9 ne s'étendent cependant pas jusqu'aux extrémités fermées des tubes hl, de façon à éviter un refroidis sement excessif du catalyseur dans sa par tie inférieure. Bien entendu, le fonctionne ment du convertisseur de fig. .5 est identi que à celui de fig. 1.
La fig. 6 montre une façon d'employer la chaleur des gaz d'échappement en prolon geant à la fois les tubes 9 et les tubes 11 au delà de la plaque perforée inférieure 13 et dans la chambre d'échappement du con vertisseur. Des chicanes 33 peuvent être pré vues pour assurer une relation d'échange de chaleur plus intime des gaz d'échappement avec les tubes 11.
Le convertisseur de fig. 6 est avantageux lorsqu'on désire maintenir une différence de température uniforme en tous les points du catalyseur et où il est nécessaire de préchauf fer à une température relativement élevée les gaz admis. Ce type de convertisseur peut être employé très efficacement pour une oxy dation d'anhydride sulfureux dans laquelle il est désirable de préchauffer les gaz devant réagir à une température relativement élevée et dans laquelle, dans la plupart des cas, la chaleur qui peut être empruntée au cataly seur lui-même ne suffirait pas pour effec tuer une élévation suffisante de la tempé rature.
La fig. 7 représente un convertisseur du type de fig. 1 qui est relié à un échangeur de chaleur externe pour chauffer les gaz ad mis .à l'aide des gaz d'échappement. L'échan geur de chaleur externe peut être de tout type convenable tel que la construction tubulaire représentée ou tout autre construction cou- rante. Un tuyau de by-pass 34 commandé par un obturateur 35 peut être employé pour ré gler la. quantité de gaz d'échappement tra versant l'échangeur de chaleur et régler d'une façon correspondante le degré de chauf fage qui a lieu à l'intérieur de cet appareil.
D'une manière analogue, on peut faire cir culer une partie ou la, totalité des gaz admis à travers l'échangeur de chaleur par une ma- noeuvreconvënable des obturateurs 36 et 37, de façon à régler la. température de ces gaz.
La fig. 8 représente un convertisseur travaillant de la. même façon que celui de fig. 7, mais contenant un échangeur de cha leur interne composé de tubes 38, de chica nes 33 et d'un tuyau d'admission 39 percé de trous 40. Les gaz d'échappement traversent les tubes 38, tandis que les gaz admis par le tuyau 5 passent autour des tubes chauf fants et des chicanes 33 traversent les trous 40 et passent par le tuyau d'admission 39 dans la chambre supérieure du convertis seur. Par un réglage convenable, comme dans la fig. 7, on peut modifier la quantité relative des, gaz -de réaction traversant l'é changeur de chaleur pour satisfaire à toute condition particulière.
Bien entendu, on peut faire usage à la fois d'un échangeur de cha leur interne et d'un échangeur de chaleur externe.
La fig. 9 représente un type différent de convertisseur dans lequel deux gaz r6frigé- rants distincts sont employés au lieu d'un seul. Le second gaz réfrigérant pénètre dans la. chambre supérieure 22 du convertisseur par un tuyau 23 et est distribué par des chi canes 32 aux tubes 20 concentriques aux tu bes 9. Le premier gaz est introduit dans les tubes 9 par le tuyau 5 et la chambre supé rieure '3. Les deux gaz se mélangent à l'ex trémité inférieure des tubes 9 et 20 et le mé lange de gaz s'élève dans les tubes 11, les effets de refroidissement sur les catalyseurs étant bien entendu analogues à ceux décrits relativement à la fig. 1.
La fig. 9 représente aussi l'application de deux couches distinctes 19 et 29 de cataly seur, ces deux couches étant séparées par la plaque perforée au toile métallique 28. Les couches de catalyseurs peuvent être compo sées des mêmes catalyseurs ou de cataly seurs différents. Ainsi, par exemple, la pre mière couche peut contenir des catalyseurs extrêmement actifs et la seconde, qui n'est pas fortement refroidie, peut contenir des catalyseurs moins actifs;
ou bien, étant donné que la concentration des gaz de réac tion est maximum dans la première couche, cette première couche peut contenir des ca: talysews mains actifs, la seconde contenant des catalyseurs plus actifs. Bien entendu, on peut faire usage de plus de deux .couches. La disposition de plusieurs couches n'est pas non plus limitée à la construction particu lière des tubes réfrigérants de fig. 9 et peut être appliquée à la construction réfrigérante des autres figures.
L':application de plusieurs couches de ca talyseur peut être appliquée également à la construction des autres figures.
La fig. 10 représente un convertisseur muni de moyens pour introduire deux por tions de gaz, l'une de l'espace 3 dans les tubes 9, comme .décrit pour les figures, pré cédentes, l'autre par le tube 25, ce second gaz étant distribué par des chicanes 26 et des cendant par des tuyaux 27 directement dans l'espace à catalyseur, de sorte qu'un courant de gaz froid frappe la partie supérieure du catalyseur. Ce type de convertisseur est très utile lorsque les conditions de travail (con centration du S02, etc.) sont telles. qu'une grande proportion de la, chaleur est dévelop pée dans la couche supérieure de catalyseur et un échauffement excessif est empêché par les courants de gaz froids venant. frapper cette partie chaude du catalyseur.
Un réglage très uniforme et efficace de la température peut être réalisé à l'aide de ce type de con vertisseur, et lorsque les gaz qui pénètrent dans l'espace 3 sont préchauffés, ils échauf fent légèrement les gaz froids passant dans les tuyaux 27 et sont eux-mêmes légère ment refroidis. Les gaz chauds sortant des tuyaux 11 se mélangent aussi immédiate ment avec les gaz' froids arrivant par les tuyaux 27, et un réglage uniforme de la température peut être effectué facilement.
Un convertisseur de construction ana logue est représenté par la fig. 11, mais le mélange des gaz arrivant par les tuyaux 27 avec ceux sortant des tuyaux 11 est effec tué en dirigeant les gaz sortant des tuyaux 27 plus ou moins horizontalement. Ceci s'ob tient à l'aide de fonds démontables 38 mon tés dans les tuyaux 27 et obligeant les gaz à sortir par les trous 39 des tubes, effec tuant ainsi un mélange plus uniforme des deux gaz et empêchant les jets de gaz froids de heurter la surface du catalyseur, comme ils seraient très sujets à le faire dans la cons truction de fig. 10 lorsque les vitesses des gaz passant dans les tuyaux 27 sont élevées.
La fig. 1.5 montre le détail des parois infé rieures des tuyaux 27.
Lc convertisseur .de fig. 11 présente aussi l'emploi de deux couches différentes de catalyseur, l'une refroidie par les tubes 11, l'autre non refroidie. Dans l'une et l'au tre des fig. 10 et 11, le catalyseur peut être introduit dans le convertisseur non seulement par d'ouverture de remplissage 16, mais aussi par les tuyaux 27, après avoir enlevé les fonds 3:8 de ces tuyaux dans le cas du convertis seur de fig. M.
Four certaines applications, il est avantageux d'effectuer le remplissage à travers ces tubes en vue de distribuer le catalyseur d'une façon plus uniforme.
Les fig. 1.2 et 1,3 représentent d'autres constructions permettant d'introduire plu sieurs gaz ou portions de gaz. Dans la fig. 12 les tuyaux 27 sont disposés d'une façon qui ressemble un peu à celle de fig. 11 et le tube 11 est fermé en haut et présente des trous situés juste au-dessous du niveau du catalyseur afin que les gaz chauds sortant des tubes pénètrent dans le catalyseur sans se mélanger avec les gaz froids arrivant par les tuyaux 27. Le tube interne 9 est aussi perforé dans l'exemple représenté, mais il pourrait bien entendu ne pas l'être et être ouvert à son extrémité inférieure.
Dans la fig. 1,3, les gaz froids arrivant de l'espace 8 passent par les tubes 9 et 11 comme dans les figures précédentes, mais au lieu de pénétrer directement dans l'espace situé au-dessus du catalyseur, ils sont déli vrés à l'intérieur d'un espace 40 dans lequel des .gaz froids sont délivrés par les tuyaux 14 et un mélange intime est assuré par .des chicanes .31. Le mélange de gaz descend alors par des ouvertures de la plaque 42 et vient frapper le catalyseur 19. Le tube 11 peut-être supporté par des saillies 43 reposant sur la plaque 42.
La fig. 14 représente un convertisseur du type général décrit ci-dessus, mais inversé, les gaz s'élevant d'abord dans les tubes 9, descendant ensuite dans les tubes 11 et re montant finalement à travers le catalyseur. Cette construction est avantageuse pour cer taines Installations et son fonctionnement est très analogue à, celui des convertisseurs des autres figures. On peut, bien entendu, introduire par les tuyaux 1.4 du gaz froid supplémentaire dérivé du collecteur com mun 1.5.
De nombreuses autres modifications peu vent être apportées aux constructions repré sentées, celles-ci n'étant que des exemples de quelques formes de réalisation du convertis seur selon l'invention. L'invention n'est pas limitée à la. construction précise représentée par ces figures et comprend les modifications qu'il peut être nécessaire ou désirable d'y apporter pour satisfaire aux conditions d'ins tallations catalytiquement particulières.
Les convertisseurs représentés permettent un réglage très souple et très uniforme de la température et ce réglage peut faci lement être adapté à, des formes de conver tisseurs et types de catalyseurs particuliers qui peuvent être désirables dans certains cas particuliers. Le réglage permis en introdui sant un ou plusieurs courants séparés de gaz froids d'une manière convenable en vue de leur mélange avec des gaz partiellement chauffés,
en combinaison avec les nombreu ses modifications qui peuvent être appor tées à la longueur et à la section transver sale des tubes refroidissants, est particu- lièrement avantageux dans la fabrication de l'anhydride sulfurique par contact, qui est fortement exothermique et exige,des soins de réglage de la température.
Le réglage sim ple et efficace de la température, tant des gaz admis, que de la masse catalytique elle- même, peut être réalisé sans perte apprécia ble de chaleur et, dans beaucoup de cas, l'utilisation effective de la chaleur engen drée dans la. réaction peut rendre inutile l'ap plication d'une chaleur externe quelle qu'elle soit.
Ainsi, non seulement la présente inven tion offre un moyen efficace pour le réglage de .la température dans la, fabrication cata lytique du SOg, mais =elle réalise dans beau coup de cas ce résultat désirable avec une dépense en combustible beaucoup plus fai ble que celle de convertisseurs employés jus qu'à ce jour. Les mécanismes réfrigérants com pliqués comme on en employait dans un grand nombre de convertisseurs antérieurs sont rendus inutiles, ce qui réalise une diminu tion marquée du coût initial. Toutefois, il est bien entendu -que la présente invention n'est pas limitée aux cas où les gaz sont re froidis uniquement comme il a été indiqué.
Au contraire, lorsque cela est .désirable, le refroidissement selon la présente invention peut être combiné avec un refroidissement à. liquide par serpentins, chemises, etc.
Dans la plupart des figures, les tubes 9 et 1.1 sont supposés vides et, pour beaucoup de buts, cette construction est satisfaisante, étant à la fois simple et économique.
Il sera toutefois désirable, dans certains cas, d'aug menter l'efficacité de transfert de chaleur des tubes réfrigérants et, en pareils cas, les tu bes 11 ou (et) les tubes 9 pourront être rem plis de matières dé bonne conductibilité calo rifique appropriées au transfert de la cha leur (tournures de métal, hélices de métal, etc.) dans le but -de diminuer la section de passage -des .gaz, d'augmenter leur vitesse et d'assurer un contact d'échange de chaleur plus intime avec les surfaces d'échange de chaleur des tubes. Bien entendu,
les moyens ainsi appliqués pour augmenter le transfert de la chaleur peuvent être appliqués dans certains des tubes, d'autres restant vides. II est ainsi possible d'égaliser la température du catalvseur dans toutes les parties de la. section transversale du convertisseur. Par exemple, clans beaucoup de cas, les parois du convertisseur tendent à refroidir le cata lyseur placé près de la périphérie, tandis que le catalyseur qui se trouve au centre tend à conserver sa chaleur.
Par un réglage convenable de la capacité de refroidissement des tubes à gaz, réglage effectué en niodi- fiant la position ou les dimensions des tubes ou en ajoutant des éléments échangeurs de chaleur, on peut refroidir les parties centrale du catalyseur à. la même température que les parties périphériques. La. capacité de refroi dissement peut être modifiée d'une manière analogue en prolongeant les tubes 9 pour constituer dans certains cas des sections de tube relativement longues dans lesquelles la circulation du gaz est relativement lente, comme dans la fig. 5.
On peut, bien entendu, augmenter progressivement les longueurs d ^s tubes 9 en allant de la. périphérie vers le cen tre du convertisseur, et la. variation de l'effi cacité de refroidissement résultant de chan gements apportés à la. longueur des tubes 9 On du fait de prévoir des trous convenables clans les parois de ces tubes peut être adapté de nombreuses façons différentes pour effec tuer un réglage exact de la capacité de re froidissement qui peut être désirable dans cer taines constructions.
Il n'est pas nécessaire de monter les tubes réfrigérants de façon à assurer leur hermé ticité parfaite aux gaz et il n'est pas non plus nécessaire de les maintenir à l'état her métique aux gaz parce que les petites fuites sont pour la plupart inoffensives, étant donné que le courant de gaz est tel qu'une fuite pro- voquerait simplement le passage d'une fai ble quantité de gaz froid clans l'espace à. ca talyseur et n'aurait aucun effet sur le pro e6dé, à moins qu'il s'agisse de fuites très grandes.
Cet avantage est très important, car, dans l'oxydation catalytique de l'anhy dride sulfureux, le produit est bon marché et il faut que les convertisseurs subissent le moins possible d'interruptions pour que le procédé soit réalisable économiquement. Bien entendu, lorsque les échangeurs de chaleur externes sont combinés avec des convertis- seurs, il faut que les échangeurs de chaleur eux-mêmes soient maintenus hermétiques.
Un autre avantage que présentent la plu part des exemples décrits de convertisseurs réside dans le fait que les tubes 11 sont en tourés de catalyseurs sur presque toute leur longueur et sont aussi exposés à des gaz chauds. Des liquides corrosifs, sous forme d'un brouillard d'acide, n'ont donc pour ainsi dire pas tendance à se former, de sorte que les tubes n'ont pas tendance à se corro der. Ceci constitue un autre avantage de la. présente invention et contribue beaucoup à empêcher les interruptions et éviter les ré parations coûteuses.
Le système de refroidissement de la pré sente invention est très souple et peut être exécuté de bien des façons. Une seule cou che de catalyseur peut être refroidie effica cement, ou bien on peut faire usage de cou ches séparées de catalyseur dont certaines sont refroidies et dont d'autres ne le sont pas. L'application de plusieurs couches est représentée clairement dans les fig. 9 et 11.
Ces couches peuvent entrer en contact les unes avec les autres ou être séparées par une plaque perforée (fig. 9) ou par une plaque perforée et un espace à. gaz (fig. 11). Cette dernière construction est avantageuse dans beaucoup de cas parce que les gaz ayant subi une réaction partielle sont mis à même de se mélanger avant de venir frapper une seconde couche .de catalyseur, une égalisation plus efficace de la température du gaz étant ainsi possible.
Les proportions des composants d'une seule couche de contact ou de différentes couches peuvent bien entendu varier entre les limites d'une bande échelle. Les propor tions de la réaction ayant lieu clans la partie refroidie et dans la. partie non refroidie du ca talyseur peuvent aussi varier. On a. trouvé qu'il est avantageux de faire en sorte que 75 à 80 % de la conversion s'effectuent dans la partie du catalyseur qui entoure les tubes réfrigérants. Bien entendu, l'invention n'est aucunement limitée à ces proportions.
En raison de la grande souplesse et de la grande précision possible du réglage de la température offertes par l'invention. il est possible de charger le catalyseur à un degré beaucoup plus élevé qu'à l'aide des convertisseurs usuels, étant donné que la. charge, et par suite le chauffage du cataly seur, peuvent être portés à un point beau coup plus rapproché de la limite supérieure que lorsqu'on effectue le refroidissement d'une autre façon. L'économie de chaleur dépend évidemment des dimensions de l'unité et beaucoup de grandes unités travaillant avec des réactions fortement exothermiques ne demandent pas de chaleur externe.
L'in vention n'est toutefois limitée en au cune façon à l'emploi d'installations qui ont des dimensions suffisantes pour rendre un chauffage externe inutile; on peut au con traire également employer des convertisseurs plus petits demandant un chauffage externe, mais ce dernier sera. rendu très faible du fait de la bonne utilisation de la chaleur dégagée par la réaction.
De nombreux types de convertisseurs normaux peuvent être rendus propres à l'exé cution du procédé selon l'invention sans qu'il soit nécessaire d'en modifier considérablement la construction; ceci constitue un avantage de grande importance industrielle dans le cas de nombreux convertisseurs de grandes di mensions qui représentent une très grande mise de fonds.
Par exemple, le convertis seur Grillo bien connu employé dans l'oxy dation de l'anhydride sulfureux n'exige que le minimum de modifications pour être muni de tubes réfrigérants comme ceux décrits et, lorsqu'il a ainsi été modifié, on constate qu'il donne des rendements considérablement supé rieurs en anhydride sulfurique. D'autres con vertisseurs du type à couche peuvent aussi être reconstruits suivant l'invention sans exi ger de modifications importantes.
Lorsqu'il est question de "relation indi recte d'échange de chaleur" dans ce qui suit, on entend par cette expression une relation telle que celle entre les gaz que contiennent. les tubes à. extrémités ouvertes et le cataly seur. Ces gaz ne sont pas en relation directe d'échange de chaleur avec le catalyseur parce que la, chaleur du catalyseur ne peut pas leur être transférée directement, par exemple par l'intermédiaire d'une simple paroi métallique.
mais est au contraire obligée de traverser au moins un espace rempli de gaz en mouve ment, de sorte que la chaleur d'une partie du catalyseur, au lieu d'atteindre normale ment les gaz que renferment les tubes < < . ex trémités ouvertes au même niveau, est con duite vers le haut ou vers le bas par les gaz qui se meuvent entre ladite partie-,et les tubes à extrémités ouvertes. Il se produit un trans fert de chaleur du catalyseur aux gaz pas sant dans les tubes à extrémités ouvertes, mais ce transfert est indirect, et non en ligne droite.
L'expression "en relation directe<B>d'é-</B> change de chaleur" s'entend pour les cas où l'échange a lieu à travers une paroi pleine ou tout autre agent qui n'est pas en mou vement et qui, par conséquent, transfère la. chaleur plus ou moins directement, par exem ple du catalyseur aux gaz.
Process and apparatus for the catalytic manufacture of sulfur trioxide. This invention relates to a process for the manufacture of sulfur trioxide by contact and to an apparatus for carrying out this process.
In this process, sulfur dioxide and gases containing oxygen - usually in the form of air - are reacted at a high temperature in the presence of a suitable catalyst such as platinum, various substances containing vanadium, etc.
According to the invention, at least a part (the gas to be reacted, at least relatively cold) is passed through heat exchangers at least partly embedded in a layer of catalyst, at least the last part of the gas path in the exchangers being in counter-current with respect to the gas passing through the contact mass and in direct relation to heat exchange with this mass.
In this process, one or more of the well known catalysts can be used. An advantage of the present invention, however, is that it lends itself to the application of extremely active catalysts allowing high loadings without producing excessive heating and consequently without risking damage to the catalyst and reducing the percent yield.
The oxidation of sulfurous anhydride to sulfuric anhydride gives rise to considerable amounts of heat and must be carried out at an elevated temperature and preferably at a temperature kept constant within certain limits. The reaction does not take place. not accomplished if the temperature drops too low and it is therefore necessary not only to ensure adequate cooling, but also to provide a cooling device keeping the temperature within the desired limits at all points of the catalyst layer or at all points of the layer in which the reaction is present.
more intense. Many complicated devices have already been tried in the apparatus for controlling the oxidation of sulfur dioxide to sulfur dioxide. These tests were unsuccessful or have drawbacks. On the other hand, the cooling could not be made strictly proportional to the quantity of reaction gas passing through the apparatus and it was therefore necessary to control or limit the output of a given converter.
The method according to the invention makes it possible to ensure cooling which, between the working limits, is substantially directly proportional to the. quantity of reaction gas passing through the apparatus and therefore maintaining a uniform temperature even if the quantity of gas passing through the apparatus undergoes considerable variations, since the heat developed is also proportional to. the amount of gas passing through the appliance.
By operating as indicated, a large part of the cooling of the converter is carried out, and more particularly of its. catalytic charge at. using gases to react and these gases are brought to a suitable reaction temperature.
In a preferred embodiment of the process, one starts by also circulating the fresh gases or a fraction of these gases in the direction of the gases contained in the contact line and, in relation to the heat exchange with respect to the gases. partially heated, these circulating in counter-current with respect to the gas flow passing through the contact mass and in heat exchange relation with respect to this current. Thus, the cold gases admitted are first brought into an exchange relation of cha:
their with the partially heated gases and are finally brought into a heat exchange relationship with the. contact mass which the converter closes and which further raises their temperature, the heating being however tempered by the cooling effect of the fresh admitted gases.
In some cases it is desirable to heat only a fraction of the gases; a fraction can then be made to circulate in heat exchange relation with the contact mass and in countercurrent with respect to the gases passing through this mass,
while other fresh gas fractions can be introduced directly to any suitable or desirable temperature zone of the converter. Several fractions of the gas can be circulated first in the direction of the gas flow through the contact mass, and then in the reverse direction, and cause these gases to mix - at any desired or suitable location or zone. You can also modify the. length of the passage in countercurrent in heat exchange relation with the contact mass either for all the gases admitted, or for certain fractions of these gases.
The counter-current circulation according to the invention can also be combined with separate heat exchangers for cooling or heating gases, and these exchangers can be an integral part of the converter structure or be installed in the converter. outside of this structure or be installed partly inside and partly outside. Various combinations of different catalytic zones and different cooling rates can also be applied and some of these possible embodiments will be shown in the accompanying drawings.
The passage of .gaz against the current or alternately in the same direction and against the current can be obtained in a large number of converters of di-verse types; the drawings show only a few converters of the usual types, and the invention is in no way limited to the particular converters shown.
The present invention is of course particularly advantageous when very active catalysts are used and where high exchange rates are therefore possible. Automatic cooling makes it possible to obtain enormous yields with suitably active catalysts and without the need for extreme monitoring as would be essential if the cooling was not automatic, as up to now,
in which case it would be necessary to exercise constant supervision or to regulate the cooling manually if means of regulation were provided. It is of course understood, however, that the advantages of the invention can be obtained even with catalysts which are not extremely active and which, therefore, do not allow high loads.
In such cases, automation is still important in that it avoids disturbances due to load variations.
The automatic temperature control with the aid of reaction gases, which is simple and efficient, not only increases the possible outputs, but also prevents excessive local heating of the catalyst, i.e. the formation of hot zones which are serious drawbacks in many types of converters such as, for example, Grillo converters. The process can be carried out at pressures above or below the atmosphere, since it is not necessary to ensure the gas-tightness of the heat exchange elements.
The invention can also be applied in conjunction with other cooling means. However, one of the particular advantages of the preferred embodiments of the present invention, in which all of the cooling takes place with the aid of the reaction gases, is that these gases borrow maximum heat from the catalyst, so than it is. it is not necessary to use large quantities of fuel to heat the reaction gases and that in many cases it is possible to be satisfied with a simple heat exchanger using the exhaust gases, without having recourse to other means of heating, in particular when the loads are high.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, several embodiments of the converter apparatus for carrying out the method according to the invention.
Fig. 1 is a vertical section of a first example; Fig. .2 is a horizontal section of the same converter; Fig. 3 and 4 are details of a device for securing the conberiser tubes;
Fig. 5 is a vertical section of a converter and shows another arrangement of refrigerant tubes; Fig. 6 is a vertical section through a converter in which the refrigerant tubes are in contact with the exhaust gases as well as with the catalyst; Fig. 7 shows in vertical section a converter and an external heat exchanger; Fig. 8 shows in vertical section a converter and an internal heat exchanger;
Fig. 9 shows in vertical section a converter comprising several layers of catalyst and shows the introduction of several portions of refrigerant gases.
Fig. 10 is a vertical section of another embodiment of the converter of FIG. 9; Fig. 11 is a vertical section of a converter and shows another variant of FIG. 9; Fig. 1.2 and 13 are vertical sectional details of other embodiments of cooling tubes; Fi-. 14 is a sectional view of an inverted converter; Fig. 15 is a detail of the gas tube of FIG. 11.
The catalyst is shown in granular state in fig. 1 and by dots in the other figures. It is understood that this representation of the catalyst is purely schematic and conventional and that the invention is in no way limited to the use of any types or forms of catalyst.
The converter of fig. 1 comprises an outer envelope formed of rings 1, provided with flanges 2) and connected to an upper part 3 and to a lower part 4.
The gases to react enter the upper part through a pipe 5, are distributed by means of ebibs, 32, then descend into the central refrigerant tubes 9 and then rise in the external refrigerant tubes 11, in the opposite direction. .
The tubes 11 are secured to the inner tubes 9 by suitable fixing means, for example. using bayonet assemblies as shown in fig. 3. and 4, the rod 10 entering the. bayonet slot of the tube 11. Other fixing devices, for example devices comprising chains of short length, hooks, and the like. can also be used.
Of course, the internal cooling tubes 9 are firmly mounted in the upper plate 7, and the alignment of the tubes 9 and 11 can be ensured by means of spacers 12.
After having risen inside the tubes 11, the gases exit through perforations provided at the top of the tubes, enter the upper gas space 8, then descend through the catalyst 19. The catalyst is re-released. held by a wire mesh or perforated wall 1.3 through which the reaction gases enter the lower capacity of the converter and then escape through the exhaust pipe 6.
The catalyst can be introduced either through side openings 16 or through openings or openings in the plate 7, the latter being closed by plugs 17. The catalyst can be removed through the. discharge tubing 18. If desired, the pipes 16 and 18 may be filled with any suitable inert material. Temperatures are measured at various points using thermometers 30 which have been shown as electric pyrometers but may, of course, be of any other suitable type.
When additional refrigerant gases are desired at the <B> there .. </B> surface of the catalyst, where the reaction is most violent, these gases can be bypassed from a feed pipe 15 and introduced by. pipes 14.
In operation, the cold or cooled gases admitted first descend into the tubes: 9 and are therefore not directly in a heat exchange relationship with the catalyst, but are in a heat exchange relationship with the gases which rise in the tubes 11. The cold gases are thus gradually reheated and, on their exit from the open end of the tubes 9, these gases rise in the tubes 11 in a direct heat exchange relationship with the catalyst and against -current with respect to the gases passing through the catalyst.
As in the process of manufacturing S-0 '' by contact, the catalyst is very hot, in their movements of rise inside the tubes 11, the gases heat up rapidly and gradually, the rise of temperature being somewhat moderated by the cooling action of the gases descending in the tubes 9, so that, at the time of. they emerge from the upper part of the tubes 11, the gases do not have an excessively high temperature. The heated gases, with or without further addition of fresh or cold gases delivered through the pipes 14, then pass through the catalyst in which the reaction takes place.
However, the catalyst cannot overheat since it is in an intimate heat exchange relationship with the tubes and is cooled by the admitted gases. The fact that the gases coming into contact with the upper layers of the catalyst are partially cooled by the gases containing the tubes 9 and can be mixed with a suitable quantity of cold gases arriving through the pipes 14. effectively prevents too much reaction. violent in the upper areas of the catalyst.
It can be seen that the converter heats up the cold gases ad put in a regular manner and that, at the same time, the catalyst itself is cooled. It follows that this mode of flow allows a very uniform cooling action; at the same time, thanks to the pipes 14, it becomes possible to counteract the sudden temperature increases in the upper zones of the catalyst by sharply and considerably increasing the admission of cold gases. Thus, effective cooling occurs automatically for ordinary uses and, in an emergency, sudden temperature rises can be countered almost instantly by the introduction of large quantities of cold gases through the pipes 14.
In places where the catalyst used is not very active, and where a sudden exaggerated heating is therefore not to be feared, in particular at the surface first encountered by the gases, the auxiliary fresh gas supply pipes can be deleted.
The heat which develops at the various points of the catalyst is of course not at all uniform, since the much greater percentage of the reaction, and therefore of the heat release, occurs in the first layers of catalyst. and that a fairly large temperature difference therefore exists from top to. the basis of the catalytic layers.
This temperature difference is effectively utilized by first bringing the cold gases which emerge from the lower end of the tubes 9 into a heat exchange relationship with a part of the catalyst which is at a relatively low temperature; as they heat up and rise in the tubes 11, the gases then enter into heat exchange with an increasingly hot catalyst, so that they are at all times subjected to a sufficient temperature difference to cause the transfer of a large and constant amount of heat from the catalyst to the gases.
At the same time, the excessive temperature which might otherwise be produced in the upper layers of the catalyst is moderated to some extent by the fact that the rising gases not only absorb heat from the catalyst but also give up an increasing amount. of heat to the cold gases admitted contained in the tubes 9.
The arrangement of the gas stream with respect to the catalyst is not only designed to absorb the maximum amount of heat, but due to the fact that the gases are conducted inside tubes arranged one inside the other and, on the other hand, having a sec - Relatively low flow rate, the current is very fast and the heat transfer extremely efficient.
In the arrangement of fig. 1 in which the refrigerant tubes descend only on part of the. height of the catalyst layer and are placed (see fig. 2) relatively close to each other, the reaction gases pass through the top layers of the catalysts between the tubes at a high speed and excessive local heating is thus avoided to a great extent.
At the same time, the partially exhausted gases which pass through the lower catalyst zone have a much lower velocity due to the widening of the passage and are inherently kept in contact with the catalyst for a period of time sufficient to ensure a very complete reaction. In this way, by suitably proportioning and arranging the reference tubes, the gas speeds can be adjusted very exactly to meet the requirements of any particular reaction and the catalyst can be loaded to the maximum extent of a reaction. sure and efficient way.
This is very important, since in the catalytic oxidation of sulfur dioxide the catalyst is often very expensive and the economics of the process depend to a very great extent on the degree of loading of the catalyst.
The combination of efficient and uniform cooling by means of the tubes with efficient emergency cooling by the introduction of gases derived from the tube 15 gives this apparatus a flexibility in service which is very desirable and which is achieved. without any loss of efficiency on the part of the convert himself.
By using the heat of reaction to preheat the inlet gases, great savings in fuel can be achieved and in many cases little or no additional heating will be required, or else the exhaust gas to obtain this supplement. This variant will be described in relation to FIGS. 6 @ to 8. Fig. 5 shows an embodiment in which the tubes 11 extend substantially over the entire height of the catalyst, regulating the temperature at the bottom as well as elsewhere.
This is desirable when the concentration of SO? is suitable for generating a large quantity of heat and it is also necessary to cool the portion, from the bottom to ensure a fairly low temperature in all the parts of the catalyst and to have maximum efficiency. The tubes 9 do not however extend to the closed ends of the tubes h1, so as to avoid excessive cooling of the catalyst in its lower part. Of course, the operation of the converter of fig. .5 is identical to that of fig. 1.
Fig. 6 shows one way of employing the heat of the exhaust gases by extending both the tubes 9 and the tubes 11 beyond the lower perforated plate 13 and into the exhaust chamber of the converter. Baffles 33 can be provided to ensure a more intimate heat exchange relationship of the exhaust gases with the tubes 11.
The converter of fig. 6 is advantageous when it is desired to maintain a uniform temperature difference at all points of the catalyst and where it is necessary to preheat the admitted gases to a relatively high temperature. This type of converter can be employed very effectively for sulfur dioxide oxidation in which it is desirable to preheat the gases to be reacted to a relatively high temperature and in which, in most cases, the heat which can be borrowed from the gas. the catalyst itself would not be sufficient to effect a sufficient rise in temperature.
Fig. 7 shows a converter of the type of FIG. 1 which is connected to an external heat exchanger to heat the ad put gases using the exhaust gases. The external heat exchanger can be of any suitable type such as the tubular construction shown or any other common construction. A bypass pipe 34 controlled by a shutter 35 can be used to regulate the. quantity of exhaust gas passing through the heat exchanger and adjust the degree of heating that takes place inside this unit accordingly.
In a similar manner, part or all of the gases admitted through the heat exchanger can be circulated by a suitable maneuver of the shutters 36 and 37, so as to adjust the. temperature of these gases.
Fig. 8 shows a converter working from the. same way as that of fig. 7, but containing an internal heat exchanger made up of tubes 38, chica nes 33 and an intake pipe 39 pierced with holes 40. The exhaust gases pass through the tubes 38, while the gases admitted by the pipe 5 pass around the heating tubes and baffles 33 pass through the holes 40 and pass through the inlet pipe 39 into the upper chamber of the converter. By suitable adjustment, as in fig. 7, the relative amount of reaction gases passing through the heat exchanger can be varied to meet any particular condition.
Of course, both an internal heat exchanger and an external heat exchanger can be used.
Fig. 9 shows a different type of converter in which two separate refrigerant gases are employed instead of one. The second refrigerant gas enters the. upper chamber 22 of the converter through a pipe 23 and is distributed by channels 32 to the tubes 20 concentric with the tubes 9. The first gas is introduced into the tubes 9 through the pipe 5 and the upper chamber '3. The two gases mix at the lower end of the tubes 9 and 20 and the gas mixture rises in the tubes 11, the cooling effects on the catalysts being of course similar to those described in relation to FIG. 1.
Fig. 9 also shows the application of two separate layers 19 and 29 of catalyst, these two layers being separated by the perforated plate with the wire mesh 28. The layers of catalysts can be composed of the same catalysts or of different catalysts. Thus, for example, the first layer may contain extremely active catalysts and the second, which is not strongly cooled, may contain less active catalysts;
or else, given that the concentration of the reaction gases is maximum in the first layer, this first layer may contain active catalysts, the second containing more active catalysts. Of course, more than two layers can be used. The arrangement of several layers is also not limited to the particular construction of the cooling tubes of fig. 9 and can be applied to the cooling construction of the other figures.
The application of several layers of catalyst can also be applied to the construction of the other figures.
Fig. 10 represents a converter provided with means for introducing two portions of gas, one of the space 3 in the tubes 9, as described for the preceding figures, the other through the tube 25, this second gas being distributed by baffles 26 and ashes by pipes 27 directly into the catalyst space, so that a stream of cold gas strikes the top of the catalyst. This type of converter is very useful when the working conditions (concentration of S02, etc.) are such. that a large proportion of the heat is developed in the top layer of catalyst and overheating is prevented by the incoming cold gas streams. hit that hot part of the catalyst.
A very uniform and efficient temperature control can be achieved using this type of converter, and when the gases entering space 3 are preheated, they slightly heat the cold gases passing through pipes 27 and are themselves slightly cooled. The hot gases exiting from the pipes 11 also mix immediately with the cold gases arriving from the pipes 27, and uniform temperature control can be easily effected.
A converter of similar construction is shown in FIG. 11, but the mixing of the gases arriving through the pipes 27 with those leaving the pipes 11 is effected by directing the gases leaving the pipes 27 more or less horizontally. This is achieved with the aid of removable bottoms 38 mounted in the pipes 27 and forcing the gases to exit through the holes 39 of the tubes, thus effecting a more uniform mixture of the two gases and preventing the jets of cold gas from escaping. strike the surface of the catalyst, as they would be very likely to do in the construction of fig. 10 when the velocities of the gases passing through the pipes 27 are high.
Fig. 1.5 shows the detail of the lower walls of the pipes 27.
The converter of fig. 11 also shows the use of two different layers of catalyst, one cooled by the tubes 11, the other uncooled. In one and the other of figs. 10 and 11, the catalyst can be introduced into the converter not only through the filling opening 16, but also through the pipes 27, after having removed the bottoms 3: 8 of these pipes in the case of the converter of fig. Mr.
For some applications, it is advantageous to fill through these tubes in order to distribute the catalyst in a more uniform manner.
Figs. 1.2 and 1.3 represent other constructions making it possible to introduce several gases or portions of gas. In fig. 12 the pipes 27 are arranged in a way which somewhat resembles that of FIG. 11 and the tube 11 is closed at the top and has holes located just below the level of the catalyst so that the hot gases leaving the tubes enter the catalyst without mixing with the cold gases arriving through the tubes 27. The inner tube 9 is also perforated in the example shown, but it could of course not be and be open at its lower end.
In fig. 1,3, the cold gases arriving from space 8 pass through tubes 9 and 11 as in the previous figures, but instead of entering directly into the space located above the catalyst, they are delivered to the inside a space 40 in which cold .gas are delivered by pipes 14 and an intimate mixture is provided by .des baffles .31. The gas mixture then descends through openings in the plate 42 and strikes the catalyst 19. The tube 11 may be supported by projections 43 resting on the plate 42.
Fig. 14 shows a converter of the general type described above, but inverted, the gases first rising in tubes 9, then descending in tubes 11 and finally rising again through the catalyst. This construction is advantageous for certain installations and its operation is very similar to that of the converters of the other figures. It is of course possible to introduce through the pipes 1.4 additional cold gas derived from the common collector 1.5.
Numerous other modifications can be made to the constructions shown, these being only examples of a few embodiments of the converter according to the invention. The invention is not limited to. precise construction shown in these figures and includes the modifications that may be necessary or desirable to make to meet the conditions of catalytically particular installations.
The converters shown allow a very flexible and very uniform adjustment of the temperature and this adjustment can easily be adapted to particular converter shapes and types of catalyst which may be desirable in certain particular cases. Adjustment permitted by introducing one or more separate streams of cold gases in a suitable manner for mixing with partially heated gases,
in combination with the numerous modifications which can be made to the length and cross-section of cooling tubes, is particularly advantageous in the manufacture of contact sulfur trioxide, which is highly exothermic and requires special care temperature setting.
The simple and efficient control of the temperature, both of the inlet gases and of the catalytic mass itself, can be achieved without appreciable loss of heat and, in many cases, the effective use of the heat generated in it. the. reaction may render the application of any external heat unnecessary.
Thus, not only does the present invention provide an efficient means for temperature control in the catalytic manufacture of SOg, but in many cases it achieves this desirable result with much lower fuel expenditure than. that of converters used to this day. Complicated cooling mechanisms as used in many prior converters are rendered unnecessary, resulting in a marked reduction in initial cost. However, it is of course -that the present invention is not limited to cases where the gases are re-cooled only as indicated.
On the contrary, when it is desirable, the cooling according to the present invention can be combined with cooling to. liquid by coils, jackets, etc.
In most of the figures, tubes 9 and 1.1 are assumed to be empty and, for many purposes, this construction is satisfactory, being both simple and economical.
In some cases, however, it will be desirable to increase the heat transfer efficiency of the refrigerant tubes and, in such cases, the tubes 11 or (and) the tubes 9 may be filled with materials of good heat conductivity. rifics suitable for the transfer of heat (metal turnings, metal propellers, etc.) with the aim of reducing the passage section of the gases, increasing their speed and ensuring more intimate heat with the heat exchange surfaces of the tubes. Of course,
the means thus applied to increase the heat transfer can be applied in some of the tubes, others remaining empty. It is thus possible to equalize the temperature of the catalvseur in all parts of the. cross section of converter. For example, in many cases the walls of the converter tend to cool the catalyst catalyst placed near the periphery, while the catalyst in the center tends to retain its heat.
By proper adjustment of the cooling capacity of the gas tubes, adjustment made by varying the position or dimensions of the tubes or by adding heat exchange elements, the central parts of the catalyst can be cooled to. the same temperature as the peripheral parts. The cooling capacity can be altered in a similar way by extending the tubes 9 to in some cases constitute relatively long tube sections in which the gas flow is relatively slow, as in FIG. 5.
One can, of course, gradually increase the lengths of ^ s tubes 9 from the. periphery towards the center of the converter, and the. variation in cooling effi ciency resulting from changes to the. length of tubes 9 Provision of suitable holes in the walls of these tubes can be adapted in many different ways to achieve the exact adjustment of cooling capacity which may be desirable in some constructions.
It is not necessary to mount the refrigerant tubes in such a way as to ensure their perfect gas tightness and it is not necessary to keep them in the gas hermetic state either because small leaks are for the most part harmless, since the gas flow is such that a leak would simply cause a small amount of cold gas to pass through the space. catalytic converter and would have no effect on the process, unless it involves very large leaks.
This advantage is very important because, in the catalytic oxidation of sulfur dioxide, the product is inexpensive and the converters must undergo as few interruptions as possible in order for the process to be economically feasible. Of course, when external heat exchangers are combined with converters, the heat exchangers themselves must be kept airtight.
Another advantage of most of the described examples of converters is that the tubes 11 are in catalyst towers over almost their entire length and are also exposed to hot gases. Corrosive liquids, in the form of an acid mist, therefore hardly tend to form, so that the tubes do not tend to corrode. This constitutes another advantage of the. present invention and go a long way in preventing interruptions and avoiding costly repairs.
The cooling system of the present invention is very flexible and can be performed in many ways. A single catalyst layer can be effectively cooled, or separate catalyst layers can be used, some of which are cooled and others not. The application of several layers is clearly shown in Figs. 9 and 11.
These layers can come into contact with each other or be separated by a perforated plate (Fig. 9) or by a perforated plate and a gap. gas (fig. 11). This latter construction is advantageous in many cases because the partially reacted gases are able to mix before impinging upon a second catalyst layer, thereby more effective equalization of the gas temperature being possible.
The proportions of the components of a single contact layer or of different layers can of course vary between the limits of a ladder band. The proportions of the reaction taking place in the cooled part and in the. uncooled part of the catalyst may also vary. We have. have found that it is advantageous to have 75-80% of the conversion take place in the part of the catalyst which surrounds the cooling tubes. Of course, the invention is in no way limited to these proportions.
Due to the great flexibility and the great possible precision of the temperature adjustment offered by the invention. it is possible to charge the catalyst to a much higher degree than using conventional converters, since the. The charge, and hence the heating of the catalyst, can be brought to a point much closer to the upper limit than when the cooling is effected in any other way. The heat saving obviously depends on the size of the unit and many large units working with strongly exothermic reactions do not require external heat.
The invention is however not limited in any way to the use of installations which have sufficient dimensions to render external heating unnecessary; on the contrary, you can also use smaller converters requiring external heating, but the latter will be. made very low due to the good use of the heat given off by the reaction.
Many types of normal converters can be made suitable for carrying out the process according to the invention without it being necessary to considerably modify the construction thereof; this constitutes an advantage of great industrial importance in the case of numerous converters of large dimensions which represent a very large investment.
For example, the well-known Grillo converter employed in the oxidation of sulfur dioxide requires only the minimum of modification to be fitted with refrigerant tubes like those described, and when so modified it is found that 'it gives considerably higher yields of sulfur trioxide. Other converters of the layer type can also be reconstructed according to the invention without requiring significant modifications.
When it is a question of "indirect relation of heat exchange" in what follows, by this expression is meant a relation such as that between the gases which it contains. the tubes to. open ends and the catalyst. These gases are not in a direct heat exchange relationship with the catalyst because the heat from the catalyst cannot be transferred to them directly, for example through a single metal wall.
but is on the contrary obliged to pass through at least one space filled with moving gas, so that the heat of part of the catalyst, instead of reaching normally the gases which the tubes contain <<. ex hoppers open at the same level, is driven upwards or downwards by the gases which move between said part, and the tubes with open ends. There is heat transfer from the catalyst to the gases passing through the open ended tubes, but this transfer is indirect, not in a straight line.
The expression "in direct relation to <B> e- </B> heat change" is understood to mean cases where the exchange takes place through a solid wall or any other agent which is not in soft vement and which, therefore, transfers it. heat more or less directly, for example from the gas catalyst.