Brevet FR2687142A1 — publié le 19930813

L'invention concerne un procédé de transformation de gaz naturel en produit d'intérêt, notamment l'acétylène. Elle concerne également un procédé pour la fabrication d'éthylène à partir du produit obtenu lors de la transformation du gaz naturel indiqué ci-dessus. Elle concerne enfin un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de transformation selon l'invention. La formation d'acétylène à partir du gaz naturel (méthane) requiert l'apport d'une quantité d'énergie considérable. La réaction peut être schématisée de la façon suivante 2 CH4 - > C2H2 + 3 H2 ) aH25 = 350 kJ par mole de C 2H2 Cette réaction très endothermique nécessite un apport d'énergie important qui est en pratique assuré par des procédés thermiques à haute température ou par des procédés à l'arc. Plusieurs procédés industriels ont été mis au point afin d'assurer cette transformation Parmi les procédés thermiques à haute température, on peut citer le chauffage à une température voisine de 1000"C du gaz méthane comme cela est décrit par Wulff dans Bogart M.J.P., Schiller G.R., Coberly C.J. "The Wulff Process for Acetylene from Hydrocarbons", Petroleum Processing vol. 8, p. 377 (1953). On a également proposé de faire brûler le gaz naturel provoquant ainsi la combustion partielle de celui-ci. Ce procédé a notamment été décrit dans KIRK-OTHMER Encyclopedia of Chemical Technology (1978), pp. 211-237. En ce qui concerne les procédés à l'arc, on a proposé d'utiliser un arc à courant continu entre électrode non consommable, avec de l'hydrogène comme source de plasma. Le plasma d'hydrogène formé par l'arc électrique réagit directement avec l'hydrocarbure qui peut être injecté tangentiellement dans la chambre de réaction. Il s'agit également d'un procédé à haute température. Ce procédé a été décrit par Huels dans Chemie Ingenieur Technik, 1969, 41, 204 et Hydrocarbon processing, 1962, 41, n" 6. Un autre procédé faisant intervenir un plasma d'hydrogène obtenu par une décharge électrique provenant d'un arc électrique à courant alternatif a été utilisé par la société Hoechst et décrit notamment dans Encyclopedia of Chemical Technology. Une variante de ce procédé consiste à injecter en début ou en fin d'une flamme d'hydrogène, du gaz méthane. Tous ces procédés présentent l'inconvénient majeur de produire une quantité importante de carbone, ce qui implique périodiquement des étapes de nettoyage très difficiles des appareillages. Il a également été proposé récemment par la demande de brevet français FR-A-2 639 346 de mettre en contact un plasma d'argon avec le gaz méthane dans un lit de particules fluidisé par un courant d'hydrogène. Le lit fluidisé a pour fonction de permettre un meilleur contrôle de la température en assurant des transferts d'énergie rapides entre les particules solides et le plasma. D'après ce document, il a été observé qu'un tel procédé permettait de réduire de façon significative la formation de carbone. Un des objets de la présente invention est de proposer un procédé de conversion du gaz méthane en produit d'intérêt, notamment l'acétylène avec une excellente sélectivité, tout en minorant de façon significative la formation de carbone. D'autres objets et avantages de la présente invention vis-à-vis de l'art antérieur apparaîtront au cours de la description qui va suivre. En premier lieu, l'invention concerne un procédé de transformation de gaz naturel en produit d'intérêt, notamment l'acétylène, caractérisé en ce que l'on met en contact un plasma basse température d'oxygène éventuellement en mélange avec un plasma de gaz inerte, avec du gaz naturel et en ce que l'on récupère le produit de la réaction. Bien que de nombreux plasmas de gaz inerte puissent être utilisés en association avec le plasma d'oxygène, d'un point de vue pratique, il sera avantageux de choisir, comme mélange, l'air pour un intérêt économique évident. Ainsi, dans ce cas, le plasma utilisé sera de préférence un plasma d'air. On rappelle que le gaz naturel est formé dans une proportion très importante (environ 85 %) de gaz méthane. C'est pour cela que dans cette description, lorsque l'on parle du produit mis à réagir, on emploie le terme gaz naturel, alors que, lorsque l'on aborde la réaction chimique elle-même, l'on parlera de la molécule de méthane bien qu'il y ait dans une très large mesure un chevauchement entre les deux expressions. De préférence, le rapport molaire de l'oxygène au gaz méthane est compris entre 0,2 et 0,4, et avantageusement environ 0,25. L'utilisation d'un plasma d'oxygène basse température permet de diminuer singulièrement la formation néfaste de carbone. De façon générale, la température du plasma sera comprise entre 500 et 1200"C et avantageusement entre 800 et 10000C. Il s'agit donc d'un plasma qui a été refroidi par rapport à la température de sa formation. Plusieurs moyens appropriés permettant d'obtenir une telle diminution de température seront décrits ci-après lors de l'exposé du dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Précisons néanmoins dès à présent qu'il s'agit de faire agir le plasma formé dans une zone intermédiaire appropriée dite de post-décharge. L'invention concerne également un procédé en continu de transformation de gaz naturel selon les conditions indiquées ci-dessus, caractérisé en ce que l'on amène dans une chambre de réaction en continu du gaz naturel dont le débit est compris entre 70 et 300 ml/min, par une ou plusieurs arrivées, et un plasma d'oxygène ou éventuellement un plasma d'air, dont le débit est compris entre 80 et 400 ml/min rapporté à des conditions normales (I atm, 0 C). Par rapport aux autres procédés décrits dans l'art antérieur, celui-ci permet d'utiliser un gaz plasmagène d'un coût minime puisqu'il s'agit de préférence d'air. Le produit de la réaction est ensuite récupéré par des moyens appropriés bien connus de l'homme du métier. Plusieurs moyens permettant de former un plasma d'oxygène ou d'air ou de tout autre mélange d'oxygène avec un gaz inerte sont bien connus de l'homme du métier et l'invention n'est pas limitée à un mode particulier de formation dudit plasma. Néanmoins, il a été trouvé qu'il était très intéressant d'utiliser pour cela un générateur de micro-ondes associé à un guide d'onde. L'oxygène ou l'oxygène en mélange avec un autre gaz inerte passant au travers de ce guide d'onde est transformé en plasma qui ensuite est mis à réagir dans les conditions indiquées ci-dessus avec le méthane. Comme autre source de plasma, on pourrait utiliser en remplacement du guide d'onde une cavité résonante. Même si cette variante conduit à des résultats satisfaisants, on doit néanmoins noter que le rendement électrique de la décharge est meilleur avec un guide d'onde. Le produit principal qui est récupéré du produit de réaction est l'acétylène. Néanmoins, d'autres produits d'intérêts ou secondaires sont également formés à l'occasion de cette réaction. Parmi les autres produits qui sont détectés dans le produit de réaction, on peut citer l'éthane, l'éthylène, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'hydrogène et l'eau. Le méthane qui n'est pas consommé peut éventuellement être recyclé par des moyens appropriés. Cette quantité dépendra en partie, dans le cas d'un procédé en continu, du débit et du temps de séjour des différentes espèces réactives dans la chambre de réaction. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'éthylène à partir du produit de la réaction obtenu selon le procédé décrit ci-dessus. De façon générale, l'éthylène est obtenu par mise en contact du produit de la réaction avec de l'hydrogène et un catalyseur d'hydrogénation. Les catalyseurs d'hydrogènation sont bien connus et sont ceux qui sont couramment utilisés dans le cadre de l'hydrogénation des double liaisons carbone-carbone. On peut citer à titre indicatif le platine, le platine supporté, le palladium, le palladium supporté, le rhodium et tous les métaux connus pour favoriser ce genre de réaction. L'homme du métier saura, sans autre indication particulière, établir les quantités de catalyseur nécessaires en fonction du débit du courant gazeux et des autres conditions opératoires. Selon une variante particulièrement avantageuse de ce procédé, l'hydrogène est fourni par la réaction du méthane avec le plasma d'oxygène éventuellement en mélange avec un plasma de gaz inerte, ce qui revient à effectuer l'hydrogénation in situ et directement et concomitamment après la réaction conduisant à la formation de l'acétylène. Avantageusement, le catalyseur d'hydrogènation sera présent lors de la formation du produit de réaction. L'invention a également pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé qui vient d'être décrit précédemment. Le dispositif selon l'invention est constitué d'une chambre de réaction reliée d'une part à un moyen d'acheminement d'un plasma d'oxygène provenant d'une source appropriée et éventuellement d'un gaz inerte et à un ou plusieurs moyens d'alimentation de gaz naturel et d'autre part à un moyen d'évacuation du produit de la réaction et en ce que le moyen d'acheminement constitue une zone de post-décharge du plasma. Le moyen d'acheminement du plasma est relié à un guide d'onde au travers duquel passe l'oxygène éventuellement en mélange avec un gaz inerte formé par un moyen approprié. Dans le cas où le mélange est de l'air, le gaz sera fourni par une entrée d'air située en amont du guide d'onde. Le moyen d'acheminement du plasma constitue une zone de post-décharge permettant de refroidir le plasma. Cette zone devra être aussi étroite que possible dans la direction du courant du plasma, mais suffisante pour jouer son rôle de zone de post-décharge. Selon une autre variante particulière, le moyen d'évacuation est dans l'axe du moyen d'acheminement. D'autres variantes préférées sont indiquées ci-après Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend deux moyens d'alimentation situés symétriquement de part et d'autre de la direction du flux de plasma, de manière à ce que la composante, parallèle au flux de plasma, du flux de gaz naturel soit opposée audit flux de plasma. De préférence, le dispositif est caractérisé en ce que les moyens d'acheminement et d'alimentation sont des tubulures pénètrant dans une chambre de forme sensiblement sphérique définissant une zone centrale de réaction. De préférence, le dispositif est caractérisé en ce que les tubulures forment une étoile à trois branches sensiblement équidistantes les unes des autres au niveau angulaire. Le dispositif est caractérisé en ce que la chambre de réaction avec le ou les moyens d'alimentation constituent un vortex, lesdits moyens d'alimentation étant tels qu'ils permettent une arrivée tangentielle du flux de gaz naturel et le moyen d'acheminement de plasma est une tubulure pénétrant dans le vortex. Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux moyens d'alimentation de préférence au moins quatre, situés les uns par rapport aux autres à distance angulaire égale, sur un cercle dont la normale est colinéaire à l'axe du flux de plasma, de manière à ce que le flux de gaz naturel soit perpendiculaire au flux de plasma. L'invention sera mieux comprise maintenant à la lumière de la description qui va suivre de trois dispositifs particuliers, respectivement en relation avec les figures 1, 2, 3 et 4. - Les figures 1, 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale des trois dispositifs selon l'invention qui sont donnés à titre d'illustration. - la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 1. Selon les figures 1 et 2, un réacteur tubulaire 1 est muni à une de ses extrémités d'une entrée d'air 2 et comporte à proximité de celle-ci une zone 3 d'activation de l'air par micro-ondes, cette zone traversant, selon une direction normale à l'axe du tube, un guide d'onde 4 au moyen de deux ouvertures 5 et 6, en regard l'une de l'autre. Le guide d'onde est relié à une de ses extrémités 7 à un générateur de micro-ondes 8 et à l'autre extrémité 9 à un piston 10 pouvant coulisser au travers d'une ouverture 11, disposée centralement, pratiquée dans l'extrémité rectangulaire 9 du guide d'onde.Cette zone d'activation 3 est suivie d'une zone dite de postdécharge 12, de profondeur d relativement faible, cette zone étant suivie immédiatement d'une autre zone 13 formant chambre de réaction munie à son entrée de cinq ouvertures 14, permettant l'injection du gaz naturel et d'une ouverture 15 reliée à un moyen approprié permettant le maintien de la pression. Les ouvertures 14 et 15 étant situées sur un cercle dont l'axe est colinéaire à l'axe du tube, et disposées à égale distance les unes des autres. Ainsi, après que l'air ait pénétré par l'entrée 2 puis ait été transformé en plasma dans la zone d'activation 3 et refroidi dans la zone de post-décharge 12, il pénètre dans la zone 13 de réaction entre le méthane et ledit plasma. Cette zone de réaction contient une nacelle 16 sensiblement à mi-chemin, comportant un catalyseur de réaction 17 formé d'une zéolithe, ladite nacelle étant reliée par une tubulure 18 à la sortie 19 du réacteur tubulaire, située dans l'axe de celui-ci, de telle manière que le mélange plasma/méthane passe nécessairement par l'intérieur de la nacelle contenant le catalyseur pour sortir du réacteur tubulaire par la tubulure. L'extremité 19 est prolongée par des moyens d'évacuation 20 reliés à un piège à oxyde d'azote 21 et à une pompe 22. I1 est possible de brancher sur ce moyen d'évacuation 20 un système d'analyse 23 constitué successivement à partir du branchement 24 d'une boucle de prélèvement 25 puis d'un chromatographe en phase gazeuse 26 et de moyens d'analyse informatique 27.Les différents éléments constituant des moyens d'évacuation et d'analyse peuvent être isolés les uns des autres par des robinets 28. La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un second dispositif permettant de réaliser le procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend une chambre de réaction sensiblement sphérique 29 munie d'une entrée de plasma 30 par laquelle pénètre jusqu'à la zone centrale 31 de la chambre de réaction une tubulure 32 d'amenée du plasma. La tubulure de longueur appropriée correspond à la zone de post-décharge 12 de la figure 1. Le dispositif 33 d'obtention du plasma est similaire à celui décrit à la figure 1 et est constitué par le prolongement 34 de la tubulure 32 d'amenée du plasma, ledit prolongement tubulaire 34 traversant un guide d'onde 35 similaire au guide d'onde décrit à la figure 1. C'est pourquoi il n'est pas décrit en détail, l'homme du métier pouvant se référer pour cela à la description précédente de la figure 1. La chambre de réaction comprend deux autres ouvertures 36 et 37 d'amenée du gaz méthane, ces ouvertures étant traversées par des tubulures 38, 39 permettant d'amener le gaz naturel jusqu'à la zone centrale de réaction 31 précédemment mentionnée. Ces tubulures 38 et 39 sont telles que le flux de gaz qui les traverse arrive à la zone centrale selon une direction dont la composante parallèle à la direction de l'air est opposée à celle-ci. Par ailleurs, les deux flux de gaz naturel sont situés symétriquement par rapport à la direction du flux de plasma, de telle manière que les trois flux (les deux flux de gaz naturel et de flux d'air) forment une étoile à trois branches. La chambre de réaction comporte une sortie 40 située dans l'axe de direction du flux d'air et opposée à l'entrée 30. Selon la figure 4 qui est une variante du dispositif selon la figure 3, l'entrée et l'obtention du plasma se font dans la même condition qu'à ladite figure 3 et sont identifiées par les mêmes numéros ainsi que la sortie du produit de réaction. Par contre, deux entrées de gaz naturel 41, 42 sont situées de telle manière que le flux de gaz naturel entrant dans la chambre de réaction soit tangentiel et de direction opposée. Selon la figure 4, l'un des flux rentre selon une direction parallèle et de même sens que le flux d'air, tandis que l'autre flux de gaz naturel entre selon une direction parallèle au flux d'air mais de sens opposé. Cette disposition permet de créer à l'intérieur de ladite chambre un tourbillon de type "Vortex". I1 est possible de placer au niveau de la tubulure de sortie 40 une nacelle contenant un catalyseur de réaction comme dans le dispositif des figures 1 et 2. Exemple de réalisation particulier de mise en oeuvre avec le dispositif Les conditions suivantes ont été réalisées : le réacteur est un tube de silice de 30 mm de diamètre et de 600 mm de long. I1 traverse un guide d'onde qui est relié à un générateur de micro-ondes fournissant une puissance 800 watts à 2450 MHz. Le réacteur est traversé par un débit d'air de 100 ml/min. L'alimentation de méthane s'effectue à 9 mm du guide d'onde avec un débit de 80 ml/min. La pression totale est alors de 1333Pa. Dans ces conditions le pourcentage de méthane consommé est de 67 %. Les rendements exprimés en atomes de carbones de carbone sont respectivement 36 %, 4 %, 4 %, 40 % pour l'acétylène, l'éthylène, l'éthane et le monoxyde de carbone. On retrouve ainsi 84 % du méthane consommé, le reste étant sous forme de propane et de composés cyanés. En outre, on trouve du dihydrogène en concentration telle que le rapport H2/CO soit égal à 2. REVENDICATIONS 1. Procédé de transformation de gaz naturel en produit d'intérêt, notamment l'acétylène, caractérisé en ce que l'on met en contact un plasma basse température d'oxygène, éventuellement en mélange avec un plasma de gaz inerte, avec du gaz naturel et en ce que l'on récupère le produit de la réaction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport molaire de l'oxygène au méthane est compris entre 0,2 et 0,4. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport molaire de l'oxygène au méthane est d'environ 0,25. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du plasma est compris entre 500 et 12000C. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plasma est un plasma d'air. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le débit de gaz naturel est compris entre 70 et 300 ml/min et le débit d'air est compris entre 80 et 400 ml/min rapportés à des conditions normales (1 atm, 0 C). 7. Procédé pour la fabrication d'éthylène à partir du produit de la réaction obtenu selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit produit de réaction est mis en contact avec de l'hydrogène et un catalyseur d'hydrogénation. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'hydrogène utilisé est celui produit lors de la formation du produit de réaction. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le catalyseur d'hydrogénation est présent lors de la transformation du méthane de façon à hydrogéner directement l'acétylène en éthylène. 10. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une chambre de réaction (13) reliée d'une part à un moyen d'acheminement (12) d'un plasma d'oxygène provenant d'une source appropriée et éventuellement d'un gaz inerte et à un ou plusieurs moyens d'alimentation (14) de gaz naturel et d'autre part à un moyen d'évacuation (20) du produit de la réaction et en ce que le moyen d'acheminement constitue une zone de post-décharge. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen d'acheminement du plasma est relié à un guide d'onde (4) au travers duquel passe l'oxygène, éventuellement en mélange avec un gaz inerte, fourni par un moyen approprié (2), de façon à transformer l'oxygène éventuellement en mélange avec un gaz inerte en plasma. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen d'évacuation est dans l'axe du moyen d'acheminement. 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend deux moyens d'alimentation (38,39) situés symétriquement de part et d'autre de la direction du flux de plasma, de manière à ce que la composante, parallèle au flux de plasma, du flux de gaz naturel soit opposée audit flux de plasma. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens d'acheminement et d'alimentation sont des tubulures pénètrant dans une chambre de forme sensiblement sphérique définissant une zone centrale (31) de réaction. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les tubulures forment une étoile à trois branches sensiblement équidistantes les unes des autres au niveau angulaire. 16. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la chambre de réaction (13) avec le ou les moyens d'alimentation (41,42) constituent un vortex, lesdits moyens d'alimentation étant tels qu'ils permettent une arrivée tangentielle du flux de gaz naturel et le moyen d'acheminement de plasma est une tubulure pénétrant dans le vortex. 17. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux moyens d'alimentation (14), de préférence au moins quatre, situés les uns par rapport aux autres à distance angulaire égale, sur un cercle dont la normale est colinéaire à l'axe du flux de plasma, de manière à ce que le flux de gaz naturel soit perpendiculaire au flux de plasma.