Procédé pour produire, dans un milieu gazeux, une réaction chimique,
et machine pour la mise en oeuvre de ce procédé.
11 a déjà été préconisé de produire, dans un milieu gazeux, une réaction chimique par compression adiabatique suivie d'une expansion adiabatique dans un cylindre d'une machine à mouvement alternatif, la compression étant aussi adiabatique que possible et se pour suivant jusqu'à ce que la. pression et la haute température voulues soient atteintes, et l'ex- pansion subséquente du produit de la réaction. étant aussi adiabatique que possible, de manière à refroidir ainsi le produit immédiatement après ou pendant la réaction, sous l'effet de la détente.
Il est ainsi possible d'obtenir un chauffage et un refroidissement très rapides, qui sont extrêmement avantageux pour permettre à certaines réactions de se produire pendant un court intervalle de temps et d'une manière satisfaisante. Le gaz à comprimer peut être un gaz ou un mélange de. gaz devant réagir, un aérosol si un des agents de la réaction se trouve à l'état liquide ou solide, un gaz inerte ou un des éléments de la réaction dans lequel un liquide destiné à réagir doit être subséquemment injecté. Il peut être avantageux d'ajouter un gaz inerte à un gaz devant réagir et que l'on doit comprimer, de façon à obtenir une plus grande valeur du rapport Cp du mélange à comprimer et, par
Ce conséquent, une température plus élevée pour un rapport de compression donné.
L'énergie nécessaire à la compression est fournie dans une large mesure par la détente du produit de la réaction. En raison de la perte de chaleur et des pertes qui résultent du frottement, il est presque toujours nécessaire, lorsque l'énergie libérée par la réaction est insuffisante, de fournir un apport d'énergie, même si l'énergie de détente est théoriquement égale ou légèrement supérieure à l'énergie de compression, et e'est pourquoi il a été préco- nisé d'utiliser, pour la mise en oeuvre de ce procédé, un moteur à piston avec arbre à manivelle disposé de manière à recevoir un apport d'énergie. Cependant, il en résulte une machine compliquée et coûteuse.
L'invention a pour but de modifier ledit procédé pour produire, dans un milieu gazeux, une réaction chimique par compression adiabatique suivie d'une expansion adiabatique dans un cylindre d'une machine à mouvement alternatif, et de fournir une machine simple pour la mise en oeuvre de ce procédé modifié.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce que, pour entretenir le mouvement de ladite machine, on utilise l'énergie d'expansion d'un gaz moteur qu'on introduit sous pression dans ledit cylindre, à une pression inférieure à la pression maximum susceptible de s'établir dans ce cylindre au cours d'un cycle de la machine.
La machine à deux temps que comprend également l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un cylindre dans lequel est monté un piston limitant au moins un espace de travail dans ce cylindre, ce dernier présen- tant des orifices d'admission pour les agents devant subir ladite réaction chimique, d'échappement pour les produits de cette réaction et d'admission pour ledit gaz moteur.
Si on faisait arriver le gaz moteur au eommencement de la détente, sa pression devrait être égale à celle qui règne alors dans le eylindre, c'est-à-dire pratiquement à la pression maximum régnant dans ce cylindre au cours d'un cycle de la machine. Pour éviter qu'il en soit ainsi, on peut faire arriver le gaz moteur pendant la course de détente, lorsque la pression dans le cylindre est devenue inférieure à la pression qu'on désire donner à ce gaz mo- teur. Pendant le reste de la course de détente, le gaz moteur accomplit alors un travail dont la valeur peut être réglée en choisissant sa pression et, par suite, l'instant d'admission peut être choisi en fonction de la quantité d'énergie qui est nécessaire pour faire fone- tionner la machine à la vitesse désirée.
Le gaz moteur peut aussi être introduit ou injecté à un instant approprié de la course de compression, de façon qu'il soit comprimé avee le gaz à traiter qui a été introduit dans le colin- dre avant la compression, et ne se détende que plus tard, en ayant soin évidemment que le supplément d'énergie de détente du gaz eomprimé soit suffisant pour faire fonctionner la machine à la vitesse désirée. Il faut également tenir compte de l'influence exercée par ce gaz moteur sur la composition du mélange à comprimer ainsi obtenu et sur la pression et la température au cours de la compression. Le gaz moteur peut encore être injecté au cours de la compression et de la détente.
Le gaz moteur choisi est généralement de la vapeur d'eau qui peut être obtenue à la pression voulue d'une manière relativement simple et peu coûteuse. On peut aussi employer des vapeurs de liquides autres que l'eau.
Pour obtenir la température de compression qu'on désire sous une pression de compression qui ne soit pas trop forte, il peut être avantageux de mélanger un gaz ou un mélange de gaz devant réagir avee un gaz auxiliaire, par exemple avec de la vapeur, dont le rapport-* est plus grand que celui
Cv du gaz ou du mélange de gaz devant réagir.
Ce mélange peut être efteetué avant ou pen- dant la compression et ledit gaz auxiliaire peut généralement également servir de gaz moteur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quatre formes d'exécution de la machine et illustre le procédé objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe axiale sehématique de la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en coupe schématique de la deuxième forme d'exécution.
La fig. 3 est une vue en coupe axiale de) a troisième forme d'exécution.
La fig. 4 est une vue en coupe d'un détail de cette forme d'exécution.
Les fig. 5A, 5B, 5C, 5D sont des vues en coupe axiale schématiques représentant plusieurs positions de fonctionnement de cette troisième forme d'exécution, et
les fig. 6, 7 et 8 sont une vue en coupe axiale, une vue en coupe transversale et une vue en plan schématiques de la quatrième forme d'exécution.
La première forme d'exécution représentée à la fig. 1 comprend deux pistons 1 et 1'qui sont accouplés l'un à l'autre par une tige 2 et qui sont done mobiles comme un piston unique dans 1'espace du cylindre divisé en deux parties 3 et 3'. Le cycle de la machine comporte deux temps. Dans chacun des espaces 3 et 3', le cylindre présente une lumière 4, respectivement 4', commandée par le piston et par laquelle s'échappe le produit de la réaction, et un orifice d'admission commandé par une soupape 5, respeetivement 5', pour du gzaz de vant réagir et qui déplace le produit de la réaction, assurant ainsi un balayage uniforme.
Des orifices commandés par des soupapes 6, respectivement 6', servent à l'admission de gaz moteur sous pression pendant la course de détente. Les soupapes 5 et 5'et, s il y a lieu, les soupapes 6 et 6', sont commandées par le déplacement de l'ensemble des pistons.
Dans la position représentée à la fig. 1, l'espace 3 du cylindre contient du gaz comprimé qui subit ou vient de subir la réaction et a tendance à se détendre. Les produits de la réaction sont ou ont été expulsés de 1'espace 3'du cylindre par du nouveau gaz devant réagir. Le déplacement des pistons est accéléré à partir de la gauche vers la, droite et la lu mière 4'et la soupape 5'sont fermées, puis il se produit une compression dans 1'espace 3', qui freine le déplacement des pistons.
Lorsque l'ensemble des pistons est arrivé dans une position déterminée, par exemple au voisinage du milieu de la course, et que la pression dans 1'espace 3 est devenue inférieure à celle du gaz comprimé dans 1'espace 3', la soupape 6 s'ouvre pendant le temps voulu et du gaz sous pression pénètre dans l'espace 3 du cylindre.
Le gaz sous pression fournit l'énergie nécessaire pour entretenir le mouvement de la machine. La compression dans l'espaee 3'du cylindre et la détente dans 1'espace 3 eontinuent jusqu'à. ce que le déplacement des pistons s'arrête. Entre temps, la lumière d'éehap- pement 4 et la soupape d'admission 5 se sont ouvertes et la machine recommence de fonc- tionner en sens inverse.
Les efforts agissant sur les couvercles du cylindre de la forme d'exécution représentée à la fig. 1 engendrent une force résultante qui a. adt sur le bâti et, étant donné qu'elle est va iable en grandeur et direction, elle peut provoquer des vibrations fâcheuses.
La fig. 2 représente une deuxième forme d'exécution qui comporte deux ensembles tels que celui repré- senté à la fig. 1 montés en parallèle et dont les pistons se déplacent toujours en sens inverses du fait qu'ils sont accouplés l'un à l autre par des crémaillères 7 et 7'et par une roue dentée 8. Quoique les efforts variables susdits n'engendrent plus de force axiale résultane puisqu'ils s'équilibrent, il subsiste cependant un couple variable en grandeur et direction.
Ce couple est également supprimé dans la forme d'exécution représentée aux fig. 3 et 4. Les espaces de travail du cylindre 3 dans lequel le piston 2 est mobile sont fermés aux extrémités de ce cylindre par des pistons de fermeture 9 et 9', qui sont accouplés l'un à l'autre par des supports 10 et 10'et par des tirants 11 et 11'et qui forment donc un ensemble mobile. Les lumières d'échappement 4 et 4'pour le produit de la réaction sont commandées par le piston central 2 et communiquent avec un tuyau d'échappement 12.
Des lumières d'admission 5 et 5'sont ména gées dans la paroi du cylindre et sont commandées par les pistons de fermeture 9 et 9'.
Les lumières d'admission 5 et 5'pour le gaz devant réagir débouchent dans une enveloppe 13 qui entoure la machine et à laquelle un tuyau d'arrivée de gaz de réaction est raccordé par une tubulure 14. Des lumières pour l'admission du gaz moteur sous pression dans le cylindre sont désignées par 6 et 6'et sont fermées par des soupapes de retenue chargées par des ressorts. Cette troisième forme d'exé- cution comporte un mécanisme, représenté à la fig. 4, qui assure que l'introduction de gaz moteur n'ait lieu que pendant la course de dé- tente et non pendant la course de compression.
Un tiroir cylindrique 17 disposé entre un tuyau d'arrivée 20 pour le gaz moteur sous pression et des tuyaux 16 et 16'raccordés aux lumières 6 et 6'est actionné par une tige 18 dont les extrémités peuvent coopérer avec des butées 19 et 19'du tirant 11.
A la fig. 4 qui correspond aux positions des pistons représentées à la fig. 3, le tirant des pistons de fermeture se trouve dans sa position de fin de course gauche, de sorte que la course de détente suivante s'effectuera vers le côté droit de la figure. Le tiroir cylindrique est poussé vers la gauche par la butée 19', faisant ainsi communiquer les tuyaux 20 et 16' et fermant le tuyau 16. Au cours du mouvement suivant des pistons, correspondant à une détente dans 1'espace de travail de droite et à une compression dans 1'espace de travail de gauche, du gaz sous pression n'est admis que dans 1'espace de droite, lorsque la pression dans cet espace est devenue inférieure à celle du gaz moteur sous pression.
Vers la fin de la course, la butée 19 entraîne le tiroir 17 jusque dans son autre position extrême, symétrique par rapport à celle qui est représentée et pour laquelle du gaz moteur sous pression n'est admis que dans 1'espace de gauclie, pendant la détente qui se produit alors dans cet espace.
Les déplacements du piston central et des pistons de fermeture sont coordonnés par un levier 21 et par des bielles d'accouplement 22 et 23 qui relient respectivement les extrémités de ce levier aux pistons de fermeture et au piston central. Le rapport des longueurs des bras du levier est proportionnel au rapport des courses respectives des pistons, qui, de son côté, dépend du rapport des masses de ceux-ci.
Pour faciliter la compréhension du fone- tionnement de cette troisième forme d'exécu- tion, quatre positions successives des pistons et du tiroir de distribution du gaz sous pression ont été représentées aux fig. 5A, 5B, 5C, et 5D.
Les fig. 6, 7 et 8 représentent une qua- trième forme d'exécution comprenant un ey- lindre 3 dans lequel un piston 2 se déplace librement. Ce cylindre comporte des couvereles fixes et est mobile axialement dans son ensemble sur une glissière 24 d'un bâti. Les pressions variables qui règnent dans le cylin- dre de part et d'autre du piston provoquent des déplacements en sens inverses du piston et du cylindre qui vont et viennent selon des courses de longueurs inversement proportionnelles aux masses de ces deux éléments.
Des lumières d'admission et d'échappement du cylindre sont commandées par le piston, de- puis l'intérieur du cylindre, et par un tiroir à orifices, depuis l'extérieur du cylindre. Le cylindre comporte un orifice d'admission 25 pour du gaz devant réagir et des orifices d'échappement 26 pour le produit de la réaction ; à l'extérieur, ces orifices communiquent toujours librement avee des orifices 29 respee tivement 30 de la glissière et, par suite, avec un tuyau d'arrivée 32 pour le gaz de réaction et avec un tuyau d'échappement, non repré- senté.
La circulation est donc commandée exclusivement par le piston, de façon à dé- placer le produit de la réaction par l'admission d'une nouvelle charge de gaz introduite dans chaque position de fin de course du piston dans un des espaces de travail séparés par lui. Le piston pourrait comporter un on plu- sieurs déflecteurs faisant suivre le bon chemin au courant de gaz.
Le passage par les lumières 28 et 28'du cylindre qui servent à faire arriver du gaz moteur sous pression ou du gaz auxiliaire, par exemple de la vapeur, à partir d'un tuyau 33 jusque dans les espaces de travail du cylindre est commandé à la tois par la position du piston par rapport an cylindre et par celle du cylindre par rapport au tiroir de la g] is- sière qui comporte les lumières 31 et 31'. Dans la position représentée a la fig. 6. les deux lumières sont fermées ; le cylindre est alors à fin de course vers la droite et le piston à fin de course vers la gauche. Pendant la course suivante, un moment arrive où les lumières 28 et 31 communiquent et où le piston 2 ne ferme plus la lumière 28.
Le gaz sous pression est ainsi admis dans l'espace de travail de gauche du cylindre contenant le produit de la réaction précédente qui se détend. Un instant plus tard, les lumières 28'et 31'viennent en regard l'une de l'autre avant que le piston n'ait fermé la lumière S', et, par suite, du gaz sous pres sion est également admis dans l'espaee de tra- vail de droite dans lequel s'effectue la compression, et ce gaz peut servir de gaz auxiliaire pendant la compression, son rapport Cp/@ étant avantageux et permettant d'obtenir
Cv une température de compression plus élevée pour un rapport de compression donné.
Cette forme d'exécution permet donc d'introduire du gaz auxiliaire pendant la compression et pendant la détente ; si on désire n'introduire du gaz auxiliaire que pendant la détente, on peut prévoir des soupapes séparées telles que celles de la troisième forme d'exécution.
Au moyen d'une ou de plusieurs butées ou de ressorts, on s'arrange pour que les déplacements du cylindre s'effectuent de part et d'autre d'une position centrale qui est à midistance entre deux positions extrêmes symétriques par rapport à la glissière.
Le bâti sur lequel le cylindre est mobile pourrait être construit de diverses manières différentes de celle représentée, par exemple [omporter un trou cylindrique dans lequel serait logé le cylindre mobile. On pourrait réluire le frottement au minimum en rempla- çant autant que possible le frottement de glissement par un frottement de roulement ou m compensant la charge verticale du poids du cylindre au moyen de canaux d'allégement par lesquels le gaz sous pression est introduit on de dispositifs analogues.
Les machines décrites ei-dessus peuvent être mises en marche en se servant du gaz sous pression et en amenant leurs divers éléments dans des positions respectives dans lesquelles re gaz peut pénétrer dans un espace de tra -ail
On va maintenant décrire, également à titre d'exemple, une forme d'exécution du pro cédé susceptible d'être mis en oeuvre au moyen de des machines décrites. Dans cette forme d'exécution, la réaction chimique produite est le fractionnement ou craquage de. paraffine solide. On évapore préalablement la paraffine et on utilise de la vapeur comme gaz auxiliaire, le rapport vapeurlparaffine étant égal à 5. 6 en poids.
Dans ces conditions, ! a machine effectue 1400 courses par minute, la température d'admission est de 4000 C et ! a température, maximum calculée est de !) 20" C. Le pourcentage de conversion est de 7 : 3, el /o en poids ; 48, 5 /o en poids des produits du fractionnement, par rapport à l'admission, uppartiennent a. ux roupes C1 a C (methane i butane). Avee de plus faibles rapports va peurlparaffine, on obtient de plus faibles températures maxima et de plus faibles pour rentages de conversion. Une très grande partie des oléfines ainsi obtenues sont des oie- fines a.
On a effectué d'autres essais avec de l'azote eomme gaz auxiliaire, au lieu de vapeur, et pour le fractionnement ou eraquage de ; as-oil et de propane. Lors du fractionnement de propane, on a pu obtenir des rende tnents relativement élevés en acétylène.
Outre les fractionnements ou craquages, on il ( proposé d'effectuer diverses réactions selon ! e procédé spécifié, par exemple des ehlorurations, des oxydations et des nitrurations de composés organiques présentant une double liaison. On a effectué des expériences relatives à des oxydations partielles et à des hydrogénations.
REVENDICATIONS :
I. Procédé pour produire, dans un milieu gazeux, une réaction chimique par compression adiabatique suivie d'une expansion adiabatique dans un cylindre d'une machine à mouvement alternatif, caractérisé en ce que, pour entretenir le mouvement de ladite machine, on utilise l'énergie d'expansion d'un gaz moteur qu'on introduit sous pression dans ledit cylindre, à une pression inférieure à la pression maximum susceptible de s'établir dans ce cylindre au cours d'un cycle de la machine.