Brevet FR2529903A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne un procédé et une installation pour distiller des matières carbones telles que le schiste bitumineux dans une cornue avec utilisation de corps porteurs de chaleur - appelés ci-après caloporteurs et constitués par des billes céramiques par exemple - qui sont plus chauds que la matière à distiller et qui sont recyclés. On a déjà proposé de distiller des matières carbonées comme le schiste bitumineux dans une cornue rotative au moyen de caloporteurs tels que des billes céramiques qui sont introduits avec la matière carbonée dans la cornue tournante. Lorsque les billes très chaudes viennent en contact avec le schiste préchauffé mais moins chaud, ce dernier est porté à une température où les liquides volatiles et les gaz combustibles qu'il contient sont chassés et peuvent etre collectds. Des brevets typiques décrivant des procédés de ce type sont, par exemple, les brevets des Etats-Unis d1Amérique 2 872 386, 3 020 227, 3 265 608 et 3 925 190. Jusqu'à présent le rapport pondéral billes/schiste a été fixé plus ou moins au hasard (généralement entre 1:1 et 3:1), sans études approfondies pour- connaitre le rapport pondéral optimal entre les billes ou autres caloporteurs et le schiste bitumineux aux températures spécifiques où ils étaient utilisés ou traités. Pour ce qui concerne les billes cdramiques, elles ont toujours posé un problème d'exploitation en raison de leur tendance à se fissurer, à perdre des éclats et à se casser sous des conditions de fonctionnement dures. A cause de ce problème, certains exploitants préfèrent ne -pas dépasser une certaine différence de température préconçue entre les billes et le schiste, en se tenant le raisonnement que le choc thermique produit sur chaque bille à son contact avec le schiste froid ou moins chaud provoquerait la fissuration de la bille ou son écaillage (perte d'éclats de sa surface) dans le cas d'une trop forte différence de température, quel que soit le coefficient de transfert de chaleur du système. Le but principal de l'invention est donc d'apporter un procédé et une installation de distillation à rendement élevé, dans lesquels la fissuration et l'écaillage des billes céramiques ou autres caloporteurs soient réduits à un minimum. Selon l'invention, un procédé pour distiller une atière- carbonée, dans lequel on ajoute des caloporteurs (corps porteurs de chaleur) plus chauds et recyclés à la matière carbonée et on les fait circuler enseMble d proximité de transfert de chaleur l'un de l'autre dans une cornue ou un four de distillation pour porter la matière carbonée à sa température de distillation, et dans lequel esiste un rapport pondéral caloporteurs/matière carbonée critique, au-dessous duquel les caloporteurs se fissurent ou perdent des éclats facilement, est essentiellement caractérisé en ce que a) on détermine expérimentalement ledit rapport pondéral critique, exprime comme une fonction continuellement croissante de la différence de température entre les calsporteurs et la trière carbonée, ayant une pente fortement montante dans le sens de l'augmentation de la différence de température ; b) on relève ladite différence de tcpérature pendant le processus ; et c) on établit un rapport pondéral optimal, entre les caloporteurs et la matière carbonée, qui est légèrement plus grand que ledit rapport pondérai critique pour différence de température relevée. Selon une autre caractéristique du procédé de l'inven tion > en cas de variation de la différence de te?rature entre les caloporteurs et la matière carbonée pendant le processus : (d) an relève les change,-izents de ladite différence de température ; et (e) on remplace le rapport pondérai optimal entre les caloporteurs avec la matière carbonée par un nouveau rapport pondéral optimal en fonction du changement de ladite différence de température, le nouveau rapport optimal étant également un peu plus grand que le rapport pondéral critique pour la différence de température changée. Dans le-procédé selon l'invention, is rapport pondéral peut être modifié par la variation du débit d'alimentation en calo porteurs pendant que le débit d'alimentation en matière carbonée est maintenu constant ou, inversement, par la variation du débit d'alimentation en matière carbonée pendant que le débit d'alimentaton en caloporteurs est maintenu constant. Une installation selon l'invention pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend une cornue ou un four, un dispositif pour alimenter la cornue en matière carbonée un dispositif pour alimenter la cornue en caloporteurs plus Ehaudsque la matière carbonée et recyclés après leur sortie de la cornue, ainsi que des moyens pour faire circuler la matière carbonée et les caloporteurs ensemble à proximité de transfert de chaleur l'un de l'autre dans la cornue.Selon l'invention, une telle installation est caractérisée en ce qu'elle possède en plus des dispositifs pour régler la quantité de caloporteurs et la quantité de matière carbonée amenés à la cornue, des moyens pour relever la différence de température entre les caloporteurs et la matière carbonée amenés à la cornue, de même qu'un dispositif sensible à la différence de température relevée pour ajuster le rapport pondéral caloporteurs/matière carbonée à une valeur optimale qui dépasse Iégerement le rapport pondéral critique pour la différence de température relevée. Le rapport optimal est considéré légèrement plus grand que le rapport critique lorsqu'vil dépasse ce dernier tout au plus de quelques dizièmes à la différence de température relevée, lorsqu'il est par exemple de 2}1 à 2,3 alors que le rapport critique est égal à 2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique de ensemble d'une installation sel-on l'invention ; et - la figure 2 est un graphique indiquant différents rapports pondéraux billes/schiste et en particulier les rapports critique et optimal en fonction de la différence de température entre les billes recyclées et le schiste bitumineux distillé. Comme il ressort également de la représentation schématique de la figure 1, la partie centrale ou principale d'une installation selon l'invention est une cornue 12, à laqueLle une matière carbonée broyée telle que du schiste bitumineux broyé est amenée par une voie ou un conduit 14 et à laquelle des caloporteurs plus chauds et continuellement recyclés, de petites billes céramiques par exemple, sont amenés par une voie ou un conduit 16. La cornue-12 peut être entrainée en rotation par un moteur (non représenté). La rotation de la cornue inclinée fait circuler la matière carbonée et les caloporteurs plus chauds ensemble et à proximité de transfert de chaleur l'un de l'autre dans la cornue. L'arrivée de schiste bitumineux broyé brut est indiquée par la flèche 18 et un appareil de préchauffage conventionnel pour le schiste est représenté par le rectangle 20. Un tambour perforé ou un tamis cylindrique tournant 22 est utilisé à la sortie de la cornue 12 pour séparer le résidu du schiste bitumineux des billes céramiques. Ces dernières pourraient avoir un diametre d'environ 13 mm par exemple, auquel.cas le schiste serait broyé en fragments inférieurs à 13 mm. Les ouvertures du tambour ou du tamis 22 seraient alors de l'ordre de 13 mm, ou un peu moins, ce qui ferait tomber les fragments de résidu de schiste à travers le tamis 22 dans un collecteur 24, tandis que les billes rouleraient par-dessus les ouvertures et tomberaient par l'extrémité ouverte du tambour 22 dans un collecteur 28. La flèche 26 indique schématiquement I'évacuation, en vue d'un traitement consécutif, des solides accumulés formant le résidu. du schiste bitumineux.Les billes céramiques sont renvoyées par un conduit 30, un élévateur 32 et un conduit 34 à un appareil de chauffage de billes 36 qui les porte de nouveau à une température élevée. Cet appareil comprend une chambre de combustion 42 qui est alimentée en air et combustible par des tuyaux 38 et 40 et qui produit la chaleur nécessaire au réchauffage des billes entrant par le conduit 34. Le rapport pondéral entre les billes ou autres caloporteurs recyclés et le schiste. bitumineux traité peut être varié ou établi de manière désirée. L'installation représentée à titre d'exemple sur la figure 1 comprend un appareil d'alimentation en billes 44 qui permet de varier le débit des billes permises de passer par le conduit 16 jusque dans la cornue 12. Un appareil d'alimentation en schiste 45 permet de varier le débit du schiste broyé envoyé à partir de l'appareil de préchauffage 20 et à travers le conduit 14 jusque dans la cornue 12. Ces deux appareils d.'alimen- tation permettent la variation facile du rapport pondéral billes/ schiste. La température du schiste bitumineux préchauffé est relevée au point 46 et un signal électrique représentatif de cette température est transmis par une ligne d'entrée de commande 50 à un circuit de régulation et de contrôle 48. (Les lignes de commande sont représentées en traits mixtes pour les distinguer des conduits d'alimentation dans la représentation schématique de la figure 1.) De façon analogue, la température des billes céramiques recyclées est relevée au point 52 et un signal électrique correspondant est transmis par une ligne d'entrée de commande 53 au circuit 48. Si désiré, au lieu de les relever aux points 48 et 52, les températures du-schiste et des billes pourraient être relevées aux points où les conduits 14 et 16 introduisent le schiste et les billes directement dans la cornue tournante 12.Le circuit de régulation 48 envoie des signaux électriques appropriés, par des lignes de sortie de commande 56 et 57, aux appareils dlalimentation 44 et 45. De préférence, la température du schiste distillé est captée au point 47, ou à tout autre point adéquat à la sortie de la cornue 12, et un signal électrique correspondant est transmis de. façon semblable au circuit de régulation 48 par une ligne d'entrée de commande 49. En fournissant au circuit de régulation 48 les températures d'entrée et de sortie et en le dotant des dispositifs ad8quats, le processus de distillation peut être régulé avec maintien d'un bilan thermique approprié pour la cornue 12. Par exemple, si l'alimentation en air et en combustible par les tuyaux 38 et 40 de l'appareil de chauffage de billes 36 est maiptenue constante on peut utiliser l'appareil réglable 44 pour l'alimentation en billes pour maintenir les billes réchauffées à une température constante au point 52.En conditions d'équilibre, le débit en billes sera généralement maintenu constant. I1 est possible aussi de varier le débit d'alimentation en schiste bitumineux brut pour maintenir le résidu de schiste à une température de sortie de cornue constante au point 47. En réponse à de faibles variations dans la température du schiste brut, détectées au point 46, le circuit de régulation 48, selon un mode de réalisation préféré, augmente ou diminue le débit du schiste brut pour maintenir constante la température de décharge désirée, au point 47, qui correspond au rapport pondéral adéquat entre les billes et le schiste. Les appareils d'alimentation réglables 44 et 45 pour les billes et le schiste peuvent avoir touts exécutions désirées, chacun pouvant comprendre par exemple un moteur électrique à vitesse variable faisant tourner une vis d'alimentation, une vanne å clapet comme décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amerique 3 550 904, ou tout autre système da vanne ou de distribution capable de régler avec précision la quantité et le poids des billes céramiques ou de la matière carbonée amenés è la cornue 12. Bien entendu, si les températures du schiste et des billes sont sensiblement constantes, leurs débits peuvent également entre maintenus constants. Des changements échelonnés du débit de billes ou de schiste seraient nécessaires en cas de changements qui affecteraient la chaleur dans le système. Il pourrait s'agir, par exemple, d'un changement dans les caloporteurs (en ce qui concerne leurs dimensions ou le matériau dont il sont faits), d'un changement dans la vitesse de rotation de la cornue, d'un changement dans la ne turc de la matière carbonée traitée, ou d'un changement dans la configuration de la section d8Qntrée de la cornue. Chacun de- ces changements peut nécessiter la détermination d'un nanfeu rapport pondéral optimal -entre les billes céramiques et la altière carbonée. Le graphique de la figure 2 représe.te une courbe rapport pondéral billes/schiste en fonction de la différence de température en degres Fahrenheit et Celsius entre les billes sortant de l'appareil de chauffage de billes 36 et le schiste sortant de l'appareil dc préchauffage 20. Pour commencer, l'attention est tirée sur des résultats d'expérimentatíons indiqués sur ce graphique par des cercles contenant des points et des cercles contenant des croix. Ces derniers représentent des essais qui n'ont pas produit une fissuration ou un écaillage important des billes céramiques par suite de chocs thermiques. Par contre, les cercles avec les points à l'interieur représentent des essais au cours lesquels les billes céramiques, par suite de chocs thermiques, ont subi une fissuration ou un écaillage important.La ligne intermédiaire 61 représente donc le rapport pondéral critique - déterminé expérimentalement entre les billes et le schiste. On voit que cette ligne ou courbe présente une forte pente montante dans le sens de l'augmentation de la différence de température. La zone hachurée 62, située légèrement adroite de la ligne 61, correspond au rapport pondéral optimal avec lequel il y a très peu de fissurations ou d'écaillages et avec lequel, en même temps, la quantité de billes ou d'autres caloporteurs pour une quantité donnée de schiste est minimale. Dans un système tel que décrit ici, en diminuant la quantité des billes nécessaire pour produire la distillation d'une quantité donnée de schiste, le processus de distillation devient plus économique.En d'autres termes, en utilisant le rapport pondéral optimal tel que décrit ici, il devient possible de distiller davantage de schiste dans une installation donnée, ou de distiller la même quantité de schiste dans une installation plus petite. Comme mentionné dans ce qui précède, on pourrait supposer qu'il n'y ait pas ou seulement très peu de fissurations ou d'écaillages au-dessous d'une différence de température préconçue et que, au-dessus de cette différence de température, le détachement d'éclats des billes soit important. Si cela était vrai, il y aurait dans le graphique de la figure 2 une ligne horizontale à la place de la courbe 61 qui a été tracée sur la base d'essais et qui dément par conséquent cette supposition.. Les billes utilisées pour les essais dont les résultats ont servi a l'établissement du graphique de figure 2 avaient un diamètre d'environ 13 mm 1/2 pouce) et étaient faites principalement d'alumine ou d'oxyde d'aluminium. La température des billes amenées vers la cornue tournante était de 480 à 6800C. Dans une installation expérimentale, la cornue rotative pourrait avoir un diamètre d'environ 0,6 à 1,5 m, tandis qu'une cornue avec un diamètre de 3,6 à 4,2 m pourrait être utilisée pour des distillations industrielles. La vitesse de-rotation de la cornue pour les essais mentionnés ci-dessus était de 2 à 5 trZmin. La partie suivante de la description concerne le circuit de régulation et de centrale 48 et son fonctionnement, Comme déjà mentionné, les températures des billes réchauffées et du schiste préchauffé peuvent être captées aux points 52 et 46, ou alors directement à l'entrée de la cornue 12, et la température à la sortie de cette dernière est également captée, au point 47. I1 existe naturellement une faible chute de- température entre les points 46 et 52 et l'entrée de la cornue, dont il peut être tenu compte par l'introduction d'un coefficient de correction.Dans un état stable typique, la température des billes réchauffées était d'environ 6800cl celle du schiste préchauffé était d'environ 260 C et la température à la sortie de la cornue était d'environ 480"C. La différence entre les deux températures d'entrée était donc d'environ 4200C (750 F). Le rapport pondéraI billes/schiste etait environ 1,7, ce qui correspond au graphique de la figure 2. Avec ces paramètres et en tenant compte des pertes de chaleur dans la cornue et de la chaleur conte-nue dans les produits volatils évacués de la cornue, la température de sortie, au point 47, est d'environ 4800C, comme mentionné plus haut. Le circuit de régulation et de contrôle 48 peut fonctionner selon différents modes pour maintenir le point de fonctionnement de l'installation, comme désiré, dans la zone hachurée optimale 62 du graphique de la figure 2. Plus précisement, les températures des points 52; 46 et 47 peuvent être affichées pour que des écarts brusques par rapport à des valeurs normales puissent facilement entre constatés et que les changements ou les ajustements nécessaires soient effectués.Le circuit de régulation et de contrôle 48 peut également fonctionner selon un mode dans leque-l les billes réchauffées sont amenées vers la cornue à un débit relativement constant et la régulation est effectuée par la variation du débit d'alimentation en schiste prêchauffé au moyen de l'appareil d'alimen tátion 45. On peut obtenir ces résultats par un système de régulation "d'avance" qui est sensible aux températures des billes recyclées et du schiste, captées aux points 52 et 46 et qui change le débit d'alimentation en schiste (le débit d'alimentation en billes restant constant) de manière à établir un rapport pondéral billes/schiste situé, comme désire, dans la zone hachurée optimale 62 de la figure 2. La température relevée au point 47 confirmera que le processus se déroule effectivement dans cette zone 62. I1 est possible encore, au cas où la température et le débit des billes sont préfixés, de faire fonctionner le système comme un système de régulation à rétroaction avec une constante de temps relativement longue (supérieure au temps de passage par la cornue 12), et de varier le débit de schiste au moyen de l'appareil d'alimentation 45 de manière à produire la température prédéterminée au point 47 à la sortie de la cornue 12. Si la température au point 47 monte, le débit de schiste passant par l'appareil d'alimentation 45 sera augmenté et inversement. Des appareils d'indication permettent là aussi de vérifier que l'installation travaille effectivement au point correct dans la zone optimale 62 du graphique de la figure 2. Une légère baisse de température du schiste préchauf fé,-par exemple, produirait d'abord la diminution de la temperature de sortie au point 47, entraînant la réduction du débit de schiste de l'appareil d'alimentation 45, ce qui. correspond à une augmentation du rapport pondéral billes/schiste, comme demandé par la différence de température accrue, conformément au graphique de la figure 2. Bien entendu, les deux modes de régulation, d'avance et à rétroaction, peuvent etre utilisés de façon analogue avec maintien du débit d'alimentation en schiste à une valeur à peu près constante et variation du débit d'alimentation en billes par l'appareil d'alimentation réglable 44. I1 va de soi que la description qui précède ne s'applique qu'à un exemple de mise en oeuvre pour la distillation de schiste bitumineux et que des modifications sont à prévoir pour des conditions et des matières différentes. Par exemple, les appareils d'alimentation réglables 44 et 45 peuvent filtre combinés, l'un avec l'appareil de chauffage de billes 36, l'autre avec l'appareil de préchauffage de schiste 20. Un autre changement possible concerne la taille des billes. Des billes céramiques d'un diamètre de 19 et de 25 mm par exemple ont également été utilisées avec succès, les fragments de la matière carbonée broyée étant chaque fois plus petits que les billes afin de faciliter la séparation.D'autres matières carbonées qui ont été traitées avec succès selon le procédé et avec une installation selon l'inventioa sont le caoutchouc et le charbon. Dans le cas de la distillation du caoutchouc sans préchauffage, il fallait utiliser un rapport pondéral beaucoup plus élevé entre les billes et le caoutchouc, de l'ordre de 8:1 a 10:1, en partie à cause de la plus forte différence de température entre les billes réchauffées et le caoutchouc Qir départ et aussi en raison du coefficient de transfert thermique différent a l'entrée de la cornue. L'invention n'est donc nullement limitée, par exemple, aux conditions iad:iquées par le graphique de la figure 2 et expliquées en détail dans ce qui précède. REVENDICATIONS 1. Procédé pour- distiller une matière carbonée, selon lequel on ajoute des caloporteurs (corps porteurs de chaleur) plus chauds et recyclés à la matière carbonée et on les fait circuler ensemble à proximité de transfert de chaleur l'un de l'autre dans une cornue ou un four de distillation (12) pour porter la matière carbonée à sa température de distillation et dans lequel existe un rapport pondéral caloporteurs/matière carbonée critique, au-dessous duquel les caloporteurs se fissurent ou perdent des éclats facilement, caractérisé en ce que a) on détermine expérimentalement ledit rapport ponde- ral critique, exprimé comme une fonction continuellement croissante de la différence de température entre les caloporteurs et la matière carbonée, ayant une pente fortement montante dans le sens de l'augmentation de la différence de température b)- on relève ladite différence de température pendant le processus ; et c) on établit un rapport pondéral optimal, entre les caloporteurs et la matière carbonée, qui est légèrement plus grand que ledit rapport pondéral critique pour la différence de température relevée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en cas de variation de la différence de température entre les caloporteurs et la matière carbonée pendant le processus d) on relève les changements de ladite différence de température ; et e) on remplace le rapport pondéral optimal entre les caloporteurs avec la matière carbonée par un nouveau rapport pondéral optimal en fonction du changement de ladite différence de température, le nouveau rapport optimal étant également un peu plus grand que le rapport pondéral critique pour la différence de température changée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on modifie le rapport pondéral par la variation du débit d'alimentation en caloporteurs pendant que l'on maintient le débit d'alimentation en matière carbonée sensiblement constant. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lton modifie le rapport pondéral par la variation débit d'alimentation en matière carbonée pendant que l'on maintient le débit d'alimentation en caloporteurs sensiblement constant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière carbonée est da schiste bitumineux et les caloporteurs plus chauds et recyclés sont des billes céramiques. 6. Installation pour lamie en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications l à 5, conrDrenant une cornue (12? ou un four, un dispositif (45) pour alimenter la cornue en matière carbonée, un dispositif (44) pour alimenter la cornue en caloporteurs plus chauds que la matière carbonée et recyclés après leur sortie de la cornue, ainsi que des moyens pour faire circuler la matière carbonée et les caloporteurs ensemble à proximité de transfert de chaleur l'un de l'autre dans la cornue, caractérisée en ce qu'elle possède des dispositifs d'alimentation (44 > 45) capables de régler la quantité de caloporteurs et la quantité de matière carbonée amenés à la cornue (12), des moyens (46, 52) pour relever la différence de température entre les caloporteurs et la matière carbonée amenés à la cornue, de même qu'un dispositif (48) sensible à la différence de température relevée pour ajuster le rapport pondéral caloporteurslmatière carbonée à une valeur optimale qui dépasse légèrement le rapport pondéral critique pour la différence de température relevée.