Procédé pour réaliser des réactions chimiques par passage de gaz à travers un arc électrique, dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
et application de ce procédé
I1 est connu d'effectuer la synthèse de certains composés chimiques en faisant passer des gaz ou des mélanges de gaz appropriés à travers une décharge électrique, par exemple à travers un arc électrique.
C'est ainsi, par exemple, que l'on peut obtenir l'acétylène à partir d'hydrocarbures tels que le méthane ou l'éthane ou que l'on peut obtenir des oxydes d'azote à partir d'un mélange d'oxygène et d'azote ou encore l'acide cyanhydrique à partir d'un mélange d'hydrocarbures, d'azote et d'hydrogène ou d'un mélange d'hydrocarbures et d'ammoniac, etc.
En raison, d'une part, de la faible proportion de matière première subissant effectivement le processus de synthèse et, d'autre part, de la décomposition importante que la matière produite par la synthèse subit du fait de la température élevée de l'arc, le rendement d'une telle installation est généralement médiocre en ce qui concerne la quantité de matière produite par l'installation dans l'unité de temps.
Dans le cas, par exemple, de la synthèse de l'acide cyanhydrique, à partir d'un mélange de propane et d'ammoniac, en utilisant un arc alimenté sous 2400 volts entre deux électrodes distantes de 90mm pour une consommation de 10 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit, la production d'acide cyanhydrique ne dépasse pas environ 360 g par heure.
On peut augmenter la production horaire en augmentant simultanément le débit des gaz traversant l'arc et la longueur de l'arc et, par voie de conséquence, la tension d'alimentation. Ainsi, pour un arc entre deux électrodes distantes de 21 cm sous une tension de 4000 volts, la production horaire peut atteindre 1500g d'acide cyanhydrique, la consommation d'énergie électrique par kilo d'acide cyanhydrique produit, restant à peu près la mme que dans le cas précédent. On peut augmenter encore la distance des électrodes jusqu'à par exemple 30 cm, la tension d'alimentation étant alors 5000 volts, et l'on obtient une production d'acide cyanhydrique de 2 kg environ par heure pour une consommation d'énergie électrique restant entre 10 et 10, KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
Bien qu'on constate que la quantité d'acide cyanhydrique produite par heure est approximativement proportionnelle à l'écartement des électrodes, on ne peut sans inconvénient augmenter indéfiniment la distance entre les électrodes. En effet, l'augmentation de cette distance implique une augmentation corrélative de la tension d'alimentation telle que, si l'on désirait par exemple obtenir une production de l'ordre de 8 kg d'acide cyanhydrique par heure, il serait nécessaire d'écarter les électrodes l'une de l'autre d'une distance d'un mètre environ, ce qui obligerait à alimenter l'arc sous une tension tRs élevée, de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de volts, ce qui n'est pas aisément réalisable industriellement et entraîne des frais considérables au point de vue de l'isolement, des dispositifs et mesures de sécurité,
etc.
On ne peut non plus envisager, pour éviter l'utilisation de tensions trop élevées, de diminuer la pression de travail dans le réacteur car, d'une part, cela poserait de nouveaux problèmes techniques, tels que des problèmes d'étanchéité difficiles à résoudre industriellement et, d'autre part, cela tendrait à transformer le régime d'arc, indispensable à ce type de synthèse, en un régime d'effluve qui lui serait défavorable.
La présente invention a en vue d'éliminer ces inconvénients et d'augmenter la production horaire du composé désiré, par exemple l'acide cyanhydrique, dans un mme réacteur sans augmenter l'écartement des électrodes, c'est-à-dire sans augmenter la tension d'alimentation et sans diminuer la pression de travail.
L'invention a pour objet un procédé pour réaliser des réactions chimiques par passage de gaz à travers un arc électrique, caractérisé en ce qu'on utilise dans le mme réacteur au moins deux arcs électriques montés en parallèle sur le secondaire d'un mme transformateur d'alimentation, la distance entre deux arcs consécutifs, c'est-à-dire entre deux paires d'électrodes, étant au moins égale à la distance entre les électrodes d'une mme paire en régime de fonctionnement.
L'adaptation de l'impédance des décharges à l'impédance du circuit secondaire du transformateur peut tre assurée en période de démarrage par une ou plusieurs selfs à saturation variable et en période de régime au moyen de selfs fixes placées dans le circuit secondaire du transformateur, les selfs à saturation variable pouvant alors tre mises hors circuit.
On peut séparer le mélange gazeux introduit dans le réacteur en autant de courants élémentaires qu'il y a de paires d'électrodes et soumettre indépendamment chacun de ces courants à l'action d'un arc.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif objet de l'invention et illustre, également à titre d'exemple, deux mises en ceuvre du procédé objet de l'invention.
La fig. 1 est le schéma électrique de la première forme d'exécution.
Les fig. 2 et 3 représentent respectivement des coupes horizontales (suivant II-II de la fig. 3) et verticale (suivant III-III de la fig. 2) de cette première forme d'exécution.
La fig. 4 est le schéma électrique de la seconde forme d'exécution.
Sur la fig. 1, on a représenté en A1 et Bl les bornes de connexion à la source de courant, par exemple un réseau monophasé de 380volts. Sur ce réseau est branché, par l'intermédiaire d'une self S
a saturation variable, le primaire d'un transformateur élévateur de tension T dans le circuit secondaire
duquel sont montées les électrodes Ej, E2, E3, E4.
Ainsi qu'on le voit sur la figure, chaque paire
d'électrodes est reliée au secondaire du transformateur par l'intermédiaire d'une self fixe L, ou LI.
La self S dont le rôle est d'adapter l'impédance variable de la décharge entre la période d'amorçage
de celle-ci et l'instant où le régime est atteint, permet ainsi de travailler avec une tension d'alimenta
tion constante pour l'amorçage de l'arc et, en outre,
d'ajuster l'intensité en fonction du débit gazeux et
des caractéristiques imposées à la décharge. L'adap
tation de l'impédance au moyen de la self S n'est utilisée en principe que lors de la mise en marche de l'installation, l'adaptation de l'impédance en régime normal étant assurée par les selfs fixes Ll et L2, le transducteur ne jouant plus aucun rôle à ce moment, de façon à diminuer au maximum la consommation d'énergie électrique.
Dans chaque paire d'électrodes, l'une au moins des électrodes est mobile par rapport à l'autre. Pour mettre le dispositif en service, on rapproche l'une de l'autre les électrodes de chaque paire, l'arc jaillit et on écarte alors les électrodes jusqu'à la distance désirée qui, dans tous les cas, ne doit pas tre supérieure à la distance entre deux paires consécutives d'électrodes. Pour assurer le fonctionnement stable de l'installation, il est nécessaire que les selfs L et L2 soient de caractéristiques identiques.
Bien qu'on n'ait représenté que deux paires d'électrodes sur la fig. 1, on peut en disposer un plus grand nombre en parallèle dans le mme réacteur, ce qui permet d'augmenter la production horaire proportionnellement au nombre de paires d'électrodes sans modifier la tension d'alimentation.
Chaque paire d'électrodes comporte en série une self
L d'adaptation de l'impédance en régime normal.
De mme, dans le schéma de la fig. 1, le transducteur est placé dans le primaire du transformateur, mais on peut également le placer dans le circuit secondaire du transformateur, les selfs pouvant selon leurs caractéristiques fonctionner aussi bien en basse tension qu'en haute tension.
Le réacteur de ce dispositif représenté schématiquement sur les fig. 2 et 3 comprend un caisson 10 en tôle à double paroi dans lequel peut circuler un fluide de refroidissement. Des électrodes 1 1 et 12 sont montées de préférence obliquement l'une par rapport à l'autre, pour éviter une instabilité de la décharge. L'électrode 12 est fixe et l'électrode 1 1 est mobile. Une deuxième paire d'électrodes 1 la- 12a est montée de façon analogue, les deux électrodes 1 1 et 1 la étant solidaires d'un mme organe mobile 1 lob qui peut tre commandé par un servomécanisme.
Les gaz à faire passer à travers la décharge électrique sont introduits dans le réacteur par un conduit 15 débouchant sous un déflecteur 16 dans un caisson 17, dont le couvercle 18 est percé de deux orifices rectangulaires 19 et 20 placés respectivement sous chaque paire d'électrodes.
Pour des installations importantes, on peut tre conduit à utiliser une alimentation en courant triphasé, chaque phase alimentant un réacteur comportant plusieurs arcs en parallèle. La fig. 4 représente, à titre d'exemple, une telle installation. Les réacteurs, au nombre de trois sont représentés en 20, 21, 22. Ils comportent chacun quatre paires d'électrodes telles que respectivement cl c'1 ... f J'î ... gl g'l. L'alimentation s'effectue au moyen d'un transformateur triphasé Tl. Les selfs à saturation variable S1 S2 S3 sont montées en série avec les enroulements du secondaire et l'alimentation de chacune des paires d'électrodes s'effectue par l'intermédiaire d'une self fixe telle que L1.
Pour illustrer le procédé de l'invention, on donne ci-après quelques exemples de son application à la synthèse de l'acide cyanhydrique à partir d'un mélange de propane et d'ammoniac.
Dans les exemples on utilise un dispositif tel que celui représenté aux fig. 2 et 3, alimenté par un transformateur monophasé.
Exemple 1 :
Le transformateur élévateur de tension peut fournir une tension de 6000 volts à vide au secondaire.
Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 67 mm de mercure avec un débit de 6000 litres par heure d'ammoniac et 2000 litres par heure de propane ramenés à 00 et sous 760mm.
Les selfs LI et La sont chacune de 0,54 Henry. Le primaire du transformateur est alimenté sous 320 volts avec une intensité de 500 ampères, soit 40 KW, le secondaire du transformateur étant alors sous une tension de 5000 volts. La distance entre les électrodes est en régime de 30 cm, cette longueur étant également celle des fentes 19 et 20, dont la largeur est, par ailleurs, de 8 cm. Chaque arc est alimenté sous une tension de 3300 volts, avec une intensité de 15 ampères par arc. La puissance totale dissipée dans les deux arcs est de 34 KW. Avec une telle installation, la production horaire d'acide cyanhydrique est de 3,9 kg par heure, avec une consommation d'énergie électrique prise à la ligne de 10,8 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
On a consommé pour 1 kilo d'acide cyanhydrique produit 1,02 kg de propane et 1,13 kg d'ammoniac, compte non tenu de la récupération de l'ammoniac dans les gaz effluents.
Exemple 2:
On utilise un dispositif du mme type, mais au lieu de deux paires d'électrodes, il en comporte trois, séparées de 30 cm. Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 65 mm de mercure à travers les trois pipes d'admission sous chaque paire d'électrodes, le débit des gaz est de 9000 litres par heure d'ammoniac et 3000 litres par heure de propane, mesuré à 0O sous 760 mm de mercure. La tension au primaire du transformateur est de 315 volts, l'intensité de 730 ampères, la puissance consommée à la ligne est de 60 KW, la tension au secondaire du transformateur est de 5000 volts. Les trois arcs sont alimentés chacun sous une tension de 3350 volts avec une intensité totale pour les trois arcs de 43 ampères et une puissance totale consommée dans les arcs de 50 KW.
La production horaire d'acide cyanhydrique est de 5,95 kg par heure avec une consommation d'énergie électrique à la ligne de 10,9 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit.
D'autre part, on a consommé 1 kilo de propane et 1,12 kg d'ammoniac pour 1 kilo d'acide cyanhydrique produit.
Exemple 3:
On opère comme dans les exemples précédents, mais le dispositif comporte quatre paires d'électrodes espacées les unes des autres de 30 cm, les électrodes de chaque paire étant en régime distantes de 30 cm. Les gaz arrivent dans le réacteur sous une pression absolue de 63 mm de mercure avec un débit de 12000 litres par heure d'ammoniac et 4000 litres par heure de propane, mesuré à 0O sous 760 mm de mercure. La tension au primaire du transformateur est de 310 volts, l'intensité étant de 980 ampères, la puissance conspmmée à la ligne étant de 80 KW. La tension au secondaire du transformateur est de 5100 volts, les arcs sont alimentés chacun sous une tension de 3400 volts, avec une intensité totale de 55 ampères et une puissance totale consommée dans les arcs de 65 KW.
La production d'acide cyanhydrique est alors de 8 kg par heure avec une consommation d'énergie électrique de 10,6 KWh par kilo d'acide cyanhydrique produit et une consommation de 1 kilo de propane et 1,13 kg d'ammoniac.
D'une façon générale, on a remarqué qu'en ce qui concerne la synthèse de l'acide cyanhydrique, la pression absolue à l'intérieur du réacteur doit tre comprise entre 50 et 70mm de mercure.