Procédé de fabrication synthétique de l'ammoniaque à partir de ses éléments. L'invention a pour objet un procédé de fabrication synthétique de l'ammoniaque à partir de ses éléments, dans lequel on opère la catalyse du mélange gazeux renfermant les constituants, sous une très haute pression et à température élevée.
On sait que la fabrication synthétique de l'ammoniaque à partir de ses éléments n'a pu jusqu'ici être effectuée industriellement qu'ëtt portant à une certaine pression les gaz devant réagir. Pour cette pression; on a pro posé des chiffres de 1 à 100 atmosphères, en opérant à une température supérieure au rouge sombre, en présence d'un catalyseur ou sans catalyseur.
Puis Haber a réussi à établir un procédé industriel en opérant également à température relativement élevée et en présence de catalyseurs, mais en utilisant des pressions plus élevées, à savoir 100 à 200 atmosphères, déjà utilisées dans l'industrie des gaz com-. primés et qu'il considère cependant comme énormes.
D'ailleurs Haber lui-même a indiqué dans son travail sur la question part dans "Zeit- echrift für Elektrochemie XIX, année 1913e, les pressions auxquelles il a opéré et qui sont comprises entre les chiffres ci-dessus; il a mentionné, de plus, que théoriquement la teneur en AzHa n'augmente proportionnelle ment à la pression que lorsque les conditions de la réaction ne permettent d'obtenir que des teneurs faibles en ammoniaque et que, pour des concentrations élevées, le relèvement de la pression n'est plus aussi avantageux.
On sait, d'ailleurs, que sous les pressions au delà de 200 à 300 atmosphères les gaz, notamment l'azote et l'hydrogène pris isolé ment ou en mélange, se laissent comprimer de moins en moins facilement, ce qu'on ex plique par la notion du co-volume, c'est-à-dire du volume propre de la matière supposée incompressible et qui limite le volume le plus petit auquel on peut réduire un gaz. Il en résulte que, sous ces pressions la densité des gaz, augmente moins rapidement que la pres sion et il en est, par suite, de même de l'action dite "action des masses" qui est un des facteurs de l'équilibre de la réaction.
Du reste, au point de vue pratique, il semblait certainement extrêmement difficile de réaliser des pressions beaucoup plus élevées que celles ci-dessus, de maintenir étanches les appareils oir. elles sont appliquées et de les combiner avec des températures élevées. Les diverses considérations qui précèdent devraient donc faire écarter toute idée de dépasser les pressions de 150 à 200 atmo sphères qui étaient jusqu'ici réalisées dans l'industrie des gaz comprimés. En fait, toutes les recherches ont tendu, depuis Haber, à abaisser autant que possible la pression de fonctionnement..
Or, les présents inventeurs ont trouvé que, en opposition avec la tendance signalée ci- dessus, or) petit opérer d'une façon courante à des pressions beaucoup plus élevées que ces dernières pressions, qu'il y a avantage à re courir à des pressions de l'ordre de 400 à 2000 atmosphères et que l'opération peut se faire sans aucuxie difficulté dans certaines condi tions.
Ces pressions, noir encore usitées jus qu'ici à leur connaissance dans l'industrie, sont du domaine de celles qui se présentent dans les engins d'artillerie et qui sont dénommées ci-après "hyperpressionsIl ; là encore, la pré sence d'un catalyseur est indispensable, niais l'augmentation dur rendement de la réaction permet de ne pas être obligé de recourir à des catalyseurs très efficaces et qui se trouvent être coûteux; on pourra prendre des catalyseurs connus, tels que par exemple le fer.
Les expériences ont montré que la tem pérature la plus favorable est d'environ 500 à<B>700</B> degrés centigrades suivant la nature du catalyseur employé. On obtient ainsi, même avec des catalyseurs peu efficaces, des coefficients de combinaison pratiquement con venables.
Enfin, les inventeurs ont trouvé que, même pour des appareils de puissance de production relativement faible, la réaction, une fois amor cée, se poursuit saris nécessiter un apport continu de chaleur pour son entretien. La chaleur en excès peut être aisément recueillie sous forme utilisable, par exemple sous forme de vapeur d'eau à haute pression qui pourrait; par exemple, fournir une partie de la force motrice nécessaire à. l'accomplissement du procédé.
En raison du grand coefficient de com binaison obtenu et de la pression ménie de fonctionnement, l'ammoniaque fabriqué pourra facilement être liquéfié au moyen d'une cir culation d'eau froide, à l'exclusion de tout moyen frigorifique spécial.
On peut éviter ainsi les difficultés techniques signalées par Haber qu'il y a à réaliser saris perte trop considérable de chaleur des appareils sous pression dont une partie est chauffée à haute température et l'autre refroidie à la tempé rature, assez basse, d'environ 30 degrés centi grades au-dessous de zéro, qui est nécessaire dans soir cas pour amener la liquéfaction de l'ammoniaque.
De plus, au lieu de faire passer plusieurs fois de suite le mélange réactionnel sur la même matière catalvsaute. avec addition, après chaque passage d'un peu de mélange neuf, comme dans les procédés connus jusqu'ici, orr peut faire circuler le mélange successivement sur des catalyseurs disposés cri série, en général au nombre de deux ou trois seulement pour 1000 atmosphères, en raison du coeffi cient de transformation élevé.
Cette manière d'opérer permet de rejeter les gaz au dehors après passage sur le dernier catalyseur, gaz qui contiennent, outre le faible résidu d'azote et d'hydrogène noir combinés, les impuretés de ceux-ci tels que l'argon si l'azote est ex trait de l'air atmosphérique. Le procédé peut ainsi s'effectuer d'une façon continue, alors que, dans les procédés connus jusqu'ici, il faut de temps cri temps interrompre le foirc- tionnement pour évacuer au dehors les im puretés qui se sont petit à petit accumulées dans les opérations précédentes.
Le résultat industriel important atteint par le présent procédé est que le rendement en ammoniaque fabriqué est considérablement augmenté puisque le facteur de combinaison peut atteindre 50 % cri fonctionnant sous 1000 atmosphères, alors que les procédés em ployés jusqu'ici ire dépassent pas 11 < r 14'1"0- Dans le procédé faisant l'objet de l'inVen- tion la réaction a lieu sous urne pression de l'ordre de 400 à 2000 atmosphères, en pré sence d'une matière catalysante,
et on opère de faon qu'après l'amorçage de la réaction, obtenu par un apport de chaleur extérieure, la température de réaction se maintienne de 500 à 700 C par la chaleur même dé gagée par la combinaison en enlevant à l'ex térieur tout excédent de cette chaleur.
Le dessin schématique ci-joint représente, à titre d'exemple, une forme d'appareil pour l'exécution du présent procédé.
On suppose que le mélange d'azote et d'hydrogène, dans la proportion volumétrique de trois parties du second pour une du pre mier, est comprimé par les machines connues à 100 atmosphères par exemple. Dans cet état, ledit mélange est aspiré par un tuyau t et, après passage éventuel dans des purifi cateurs lion figurés, par un compresseur spécial à très haute pression, dénommé "hyperconr- presseur", Ci C=. Cette machine est par exemple à deux étages et constituée par des cylindres où travaillent des pistons-plongeurs ppi. Dans le premier étage la pression du mélange est élevée de 100 à 300 atmosphères,
dans le second de 300 à 1000.
K est Lui premier catalyseur dans lequel le mélange hypercomprimé pénètre par tr 13. Cet appareil est constitué par un long tube métallique très épais T, sans soudure, par exemple en acier, à grande résistance méca nique et faible conductibilité calorifique, fermé à son extrémité de droite et dans lequel un autre tube T' à parois peu épaisses, ouvert à l'extrémité de droite, est placé concentrique ment, tuidé à 'son extrémité libre par une bague ajourée J.
-Ce second tube, qui ren ferme, vers la droite, la matière catalysante, est fixé à son extrémité de gauche dans un bouchon métallique A, lui-même vissé à force et de façon étanche (joints encastrés en cuivre par exemple) sur l'extrémité gauche du tube extérieur. Sur la tête du bouchon r1 est vissé, de façon étanche, un autre tube épais G cons tituant condenseur et entouré à cet effet d'une enveloppe E à circulation d'eau.
La section intérieure de G s'élargit dans le bas en F,' où s'accumule le liquide condensé, qu'un robinet 1i permet d'extraire au dehors, tandis que les gaz lion combinés se dirigent par le tube H vers un second catalyseur Ki et, si nécessaire, vers un troisième, dont les dimensions peuvent aller en décroissant.
L'ensemble <I>T</I> Tr constitue, dans sa partie de gauche, lui échangeur de températures, où le mélange gazeux arrivant par B s'échauffe jusqu'à la température de réaction, gràce à la chaleur dégagée par celle-ci. Dans la partie de droite, ce mélange sert d'intermédiaire pour l'évacuation au dehors de la chaleur de réaction.
En ce qui concerne cette évacuation, on remarquera qu'avec l'emploi des hy perpressions, en raison du coefficient très élevé de combi- rraison qu'elles permettent, la quantité de chaleur dégagée par la réaction est très grande, de sorte qu'il est possible d'évacuer beaucoup de chaleur 1, l'extérieur, sans que la tempé rature dans la chambre de réaction descende au-dessous de celle qui convient, c'est-à-dire de 500 à 700 centigrades, comme il a été dit plus haut et cette évacuation est même nécessaire pour éviter une trop grande éléva tion de température.
Dans ces conditions, au lieu de rendre calorifuge on de chauffer la surface extérieure de l'enceinte, comme il serait nécessaire de le faire pour maintenir la température de réaction si cette, réaction ne dégageait qu'une faible quantité de chaleur, il est au contraire possible de la refroidir, puisque c'est gràce à la chute de température entre la chambre de catalyse et cette surface extérieure que l'évacuation de chaleur aura lieu.
Cette chute de température pourra être d'autant plus grande que la paroi de l'enceinte sera médiocre con ductrice de la chaleur et, à cet effet, l'en ceinte est constituée, comme il a été dit plus haut, par un métal à mauvaise conductibilité thermique; de plus, si cela est utile, on inter pose entre la chambre de réaction et la paroi interne supportant la pression, une couche de matière isolante, telle que l'amiante. Sur le dessin ci-annexé cette couche isolante serait appliquée contre la paroi intérieure du tube T.
On remarquera, en outre, que, du fait des hyperpressions le volume de l'appareil dans lequel la chaleur se dégage, est faible, de sorte que, vu la petitesse du diamètre de la paroi, le flux calorifique traversant cette paroi devra être très dense, d'oii encore la possibilité d'augmenter la chute de température par un refroidissement convenable de la surface ex térieure du catalyseur. Ce refroidissement sera effectué par le contact direct de l'air extérieur ou, si besoin est, par la circulation d'un liquide au contact de la surface extérieure de la paroi; ce liquide pourra être de l'huile ou encore de l'eau sous pression d'une chaudWe, auquel cas on aurait comme sous-produit de la vapeur d'eau sous pression.
Il résulte de ce qui précède qu'on pourra maintenir les couches extérieures de l'enceinte à des températures qui, beaucoup moindres que celle de la réaction, seront assez basses pour ne pas compromettre la résistance mé canique du métal et son imperméabilité aux gaz.
Naturellement, la réaction ne s'amorce pas seule. On pourra l'amorec:., par exemple, à l'aide d'une résistance de chauffage élec trique placée vers l'extrémité droite de T; le courant électrique sera supprimé dès l'ob tention de la réaction.