Brevet FR2838068A1 — publié le 20031010

compris entre 0,35 et O,SO. La présente invention se rapporte à un procédé de conversion de charges hydrocarbonées en gaz de synthèse par oxydation partielle et à un appareil pour la mise en ouvre dudit procédé. Les charges hydrocarbonées pouvant étre retenues dans le cadre de l'invention incluant les gaz naturels, I'éthane, le propane, les gaz de pétrole liquéfiés, les naphtas, les kérosènes, les gazoles atmosphériques, les gazoles sous vide, les asphaltes, les pétroles bruts, les gaz de four à coke, ainsi que les mélanges de ces différents corps. Les gaz de synthèse obtenus dans le cadre de l'invention sont des mélanges d'hydrogène et d'oxyde de carbone ou d'hydrogène, d'oxyde de carbone et d'azote, pouvant contenir de petites quantités d'autres gaz. Il existe actuellement différents types de procédés et d'appareils d'oxydation partielle de charges hydrocarbonées. La réaction est effectuée au moyen de -brûleurs dans une chambre de combustion recouverte intérieurement d'un ciment réfractaire pour l'isolation de la paroi. En effet, ies températures atteintes dans la flamme sont élevées malgré l'ajout de vapeur d'eau. Ces températures élevées cond uisent en outre à la formation de suies, ce q ui dim in ue la sélectivité et le rendement des procédés et induit des coûts d'investissement et de fonctionnement supplémentaire. L' invention a j ustement pour objet de résoud re les difficu ltés et inconvénients des différents procédés de conversion actuellement connus. Ce but est atteint dans l'invention en prévoyant: d'utiliser en tant que corps de départ un premier gaz contenant au moins % d'hydrogène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580 C, un deuxième gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, préchauffé à une température supérieure à 580 C, un troisième gaz contenant un mélange des hydrocarbures à convertir et de vapeur d'eau, un quatrième gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, à la température ambiante, de faire tout d'abord circuler ces différents gaz dans quatre conduits séparés, sans les mélanger, - à un premier niveau donné de circulation, d'introduire le premier et le deuxième gaz à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir, - à un deuxième niveau donné de circulation, d'introduire le troisième et le quatrième gaz à courants croisés dans une deuxième chambre contiguë à la première, de sorte à les mélanger, - à un troisième niveau donné de circulation, d'introduire les effluents de la première et de la deuxième chambre à courants croisés dans une troisième chambre contiguë à la fois à la première et à la deuxième chambre, de sorte à mélanger lesdits effluents et à amorcer la réaction de conversion, - puis, après avoir laissé ia réaction des effluents de la troisième chambre se poursuivre dans une quatrième chambre contiguë à la troisième, d'effectuer à un quatrième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un film de tel que de la vapeur d'eau, de l'eau liquide ou de l'huile, - de récupérer alors les produits de transformation. Un débit-volume d'hydrogène contenu dans le premier gaz supérieur à deux fois et de préférence trois fois le débit-volume d'oxygène contenu dans le deuxième gaz est conseillé. Un débit-masse d'hydrogène contenu dans le premier gaz inférieur à 6 % et de préférence 3 % du débit-masse d'hydrocarbures contenus dans le troisième gaz est conseillé. En ce qui concerne le troisième gaz, ii est recommandé de le constituer à partir d' u ne charge hydrocarbonée à la tem pératu re ambiante si el le est gazeuse ou préchauffée à une température supérieur à 80 C si elles est liquide et de vapeur d'eau à une température supérieur à120 C. Un débit-masse de vapeur d'eau contenue dans le troisième gaz supérieur à 10 % du débit-masse d'hydrocarbures contenus dans le troisième gaz est conseillé. En ce qui concerne le quatrième gaz, il est recommandé de le continuer à partir d'oxygène ou d'aire à la température amblante. Un débit-masse d'oxygène contenu dans le quatrième gaz supérieur au débit-masse des hydrocarbures contenus dans le troisième gaz est conseillé. On a noté que la réaction de conversion amorcée dans ladite troisième chambre se développe dans une quatrième chambre contiguë à la troisième. Afin de réduire la température du mélange gazeux en écoulement dans ladite quatrième chambre, il est recommandé d'alimenter cette quatrième chambre de façon étagée par de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide puivérisée, ladite alimentation étant réalisce par des injecteurs répartis sur les parois de ladite quatrième chambre et disposés de sorte à se faire croiser les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide avec l'écoulement principal du mélange réactionnel. Toujours avec l'objectif de réduire la température du mélange gazeux en écoulement dans la quatrième chambre mais aussi afin de récupérer de l'énergie thermique, il est égaiement recommandé de faire circuler à contre courant dans une double enveloppe entourant iadite quatrième chambre de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide, afin de produire de la vapeur d'eau à haute température. La réduction de température combinée à l'ajout de vapeur d'eau a pour effet de diminuer la production de suies, par rapport aux brûleurs conventionnels. Cette 0 diminution de température autorise également une construction métallique de l'appareil selon l'invention. Il est conseillé de conduire la réaction à une pression inférieure à1 M Pa. Si l'on est amené, par suite de pertes de charge plus fortes en aval du réacteur, à dépasser cette pression de réaction de 1M Pa, il pourra devenir nécessaire de réaliser la construction d'une partie desdits premier et deuxième conduits en matériaux céramiques. Comme on l'a déjà indiqué, I'invention se rapporte également à un appareil pour la mise en _uvre du procédé que l'on vient de présenter. Cet appareil comprend: - un premier conduit à faces planes, de section rectangulaire, pour l'alimentation en ledit premier gaz préchauffé, - un deuxième conduit à faces planes, de section rectangulaire, pour l'alimentation en ledit deuxième gaz préchauffé, - un troisième conduit à faces planes, de section rectangulaire, pour I'alimentation en ledit troisième gaz, - un quatrième conduit à faces planes, de section rectangulaire, pour l'ailmentation en ledit quatrième gaz, - une première chambre de mélange-réaction parallélépipédique dans laquelle débouchent lesdits premier et deuxième conduit par deux ouvertures adjacentes, de sorte à se faire croiser les courants de premier et deuxième gaz, - une deuxième chambre de mélange parallélépIpédique dans laquelle débouchent lesdits troisième et quatrième conduits par deux ouvertures adjacentes de sorte à se faire croiser les courants des troisième et 3s quatrième gaz, une troisième chambre de mélange-réaction parallélépipédique contiguë à la fois à la première et à la deuxième chambre et dans laquelle arrivent les effluents desdites première et deuxième chambre par deux ouvertures adjacentes, de sorte à se faire croiser les courants desdits effluents, s - une quatrième chambre de mélange-réaction contiguë à la troisième chambre, alimentée en amont par ies effluents de la troisième chambre et, de manière étagée, par de la vapeur d'eau ou de l'eau puivérisée introduites dans la quatrième chambre par des injecteurs répartis sur les parois de ladite chambre et disposés de sorte que les jets de vapeur o d'eau ou d'eau liquide puivérisée se croisent avec le courant principal du mélange réactionnel, - une chambre de tempe contiguë à la quatrième chambre, alimentée en amont par les effluents de la quatrième chambre et par un fluide de trempe introduit par des injecteurs disposés de sorte que les jets de fluide de trempe se croisent avec le courant principal de mélange réactionnel, et en aval de laquelle on récupère les produits de transformation. Les objets, caractéristique et avantages de l'invention appara^'tront plus clairement de la description qui va suivre faite en référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels: - la figure 1: représente une coupe de l'appareil selon la ligne aa de la figure 2, - la figure 2: représente une vue de droite de l'appareil, - la figure 3: représente une coupe de l'appareil selon la ligne bb de la figure 1, - la figure A est un agrandissement d'une partie de la figure 1. Si l'on se reporte à ces figures, on voit que l'appareil comporte: - un conduit (1) d'alimentation en ledit premier gaz, de section rectangulaire, à faces planes (A) et (B) formant un angle dièdre convergent a', d'ouverture de larguer 1' et de longueur L, - un conduit (2) d'alimentation en ledit deuxième gaz, de section rectangulaire, à faces planes (C) et (D) formant un angle dièdre convergent OC2, d'ouverture de largeur 12 et de longueur L, - un conduit (3) d'alimentation en ledit troisième gaz, de section rectangulaire, à faces planes (E) et (F) formant un angle dièdre convergent OC3, d'ouverture de largeur 13 et de longueur L, - un conduit (9) d'alimentation en ledit quatrième gaz, de section rectangulaire, à faces planes I et J formant un angle dièdre convergent a9, d'ouverture de largeur 19 et de longueur L, -: une chambre (5) parallélépipédique de longueur L, de largeur 1, et de hauteur 12, dans laquelle débouchent par la gauche le conduit (2) et par le bas le conduit (1), - une chambre (10) parallélépipédique de longueur L, de largeur i3 et de hauteur 19, dans laquelle débouchent par la gauche le conduit (9) et par le haut le conduit (3), - une chambre (6) parallélépipédique de longueur L, de largeur 13 et de hauteur 12, dans laquelle arrivent par la gauche les effluents de la chambre (5) et par le haut les effluents de la chambre (10), - une chambre (7) parallélépipédique, à faces planes (G), (H) et (A), de longueur L, de largeur 17 et de hauteur h7, contiguë à la chambre (6), alimentée en amont par les effluents de la chambre (6), - des injecteurs (11) de vapeur d'eau ou d'eau liquide puivérisée, répartis sur les parois (A) et (H) de la chambre (7) et disposés de sorte que les jets de vapeur d'eau ou d'eau liquide croisent le courant principal de gaz circulant dans la chambre (7), - un conduit (12) de section rectangulaire entourant la chambre (7), formant ainsi une double enveloppe dans laquelle on fait circuler de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide afin de produire de la vapeur d'eau à haute température par échange de chaleur avec les gaz cIrculant dans la chambre (7), - une chambre (8) de trempe contiguë à la chambre (7), alimentée en amont par les effluents de la chambre (7) et par un fluide de trempe introduit par des injecteurs (4) disposés de sorte que les jets de fluide de trempe se croisent avec le courant principal. On peut maintenant préciser certaines caractéristiques du procédé et de I'appareil selon l'invention: - un angle des plans des ouvertures des conduits (1) et (2) compris entre et 120 et de préférence égal à 90 est conseillé, - un angle des plans des ouvertures des conduits (3) et (9) compris entre et 120 et de préférence égal à 90 est conseillé, - un angle des plans des ouvertures des conduits (2) et (3) compris entre et 120 et de préférence égal à 90 est conseillé, - un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (5) inférieur à 10 - s et de préférence à 10-5 S est recommandé, - un temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (6) inférieur à 10 s et de prétérence inférieur à 10-5 S est recommandé. De façon a éclairer au mieux les conditions d'application de l'invention, on va maintenant présenter deux exemples opératoires. Exemple 1: On a construit un réacteur caractérisé par les données géométriques suivantes (cf.fig. 1 à4): L= 10mm,1, = 1 mm,12=0.5 mm, 13=1 mm,19 =0.5 mm. Les angles des plans des ouvertures des conduits (1) et (2), (9) et (3), (2)et (3) sont égaux à 90 . On alimente le conduit (1) par un débit de 9.10-3 mol s' d'hydrogène préchauffé à 725 C, le conduit (2) par un débit de 3.10-3 mol.s-' d'oxygène préchauffé à 725 C, le conduit (3) par un débit de 30.103mol.s' de méthane à ia température amblante et par un débit de 6.10 -3 mol.s-' de vapeur d'eau à 125 C, le conduit (9) par un débit de 18.10-3 mol.s' d'oxygène à la température amblante. Les injecteurs (11) et (4) sont alimentés par de l'eau liquide. La réaction est conduite à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique; Les produits gazeux récupérés après ia trempe sont constitués essentiellement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de gaz carbonique. Exemple 2: On a construit un réacteur analogue à celui décrit dans l'exemple 1 et s caractérisé par les données suivantes: L = 10 mm, l, = 1 mm, l2= 0.5 mm, i3= 5 mm, 19= 3 mm. On alimente le conduit (1) par un débit de 9.10 -3 mol.s-' d'hydrogène à 725 C, ie conduit (2) par un débit de 3.10 -3 mol.s-, d'oxygène à 725 C, le conduit (3) par un débit de 30.10 -3 mol.s-' de n-heptane à 125 C et par un débit de 60.10 -3 mol.s' de vapeur d'eau à 125 C, le conduit (9) par un débit de 125.10 -3 mol.s' d'oxygène à la température ambiante. La réaction est conduite de la même manière que dans l'exemple 1. Les produits gazeux récupérés après la trempe sont constitués essentiellement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de gaz carbonique. 3s REVENDICATIONS 1. Procédé de conversion par oxydation partielle de charges hydrocarbonées telles que les gaz naturels, I'éthane, le propane, les gaz de pétrole liquéfiés, les naphtas, les kérosènes, les gazoles atmosphériques, les gazoies sous vide, les asphaltes, les pétroles bruts, les gaz de fours à coke, ainsi que les mélanges de ces différents corps, en gaz de synthèse tels que des mélanges d'hydrogène et de monoxyde de carbone ou d'hydrogène, de monoxyde de carbone et d'azote, caractérisé en ce que: - on utilise en tant que corps de départ un premier gaz contenant au moins % d'hydrogène en volume, préchauffé à une température supérieur à 580 C, un deuxième gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume préchauffé à une température supérieure à 580 , un troisième gaz i5 contenant un mélange de la charge hydrocarbonée à convertir et de vapeur d'eau, un quatrième gaz contenant au moins 20 % d'oxygène en volume, à la température amblante, - on fait tout d'abord circuler ces différents gaz sans les mélanger dans quatre conduits séparés, - à un premier niveau donné de circulation, on introduit le premier et ie deuxième gaz à courants croisés dans une première chambre de sorte à les mélanger et à les faire réagir, - à un deuxième niveau donné de circulation, on introduit le troisième et le quatrième gaz à courants croisés dans une deuxième chambre, de sorte à les mélanger, - à un troisième niveau donné de circulation, on introduit les effluents de la première et de la deuxième chambre à courants croisés dans une troisième chambre contiguë à la fois à la première et à la deuxième chambre de sorte à mélanger lesdits effluents et à amorcer la réaction de conversion, - puis, après avoir laissé la réaction des effluents de la troisième chambre se poursuivre dans une quatrième chambre contiguë à la troisième, on effectue à un quatrième niveau donné de circulation une trempe du mélange réactionnel en y ajoutant un fluide tel que de la vapeur d'eau, de I'eau liquide ou de l'huile, - on récupère alors les prod u its de transform ation trem pés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte de façon étagée de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide puivérisée dans ladite quatrième chambre. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on fait circuler dans une enveloppe entourant la quatrième chambre de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide. 4. Appareil pour la mise en _uvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend: - quatre conduits (1, 2, 3, 9) à faces, planes, de section rectangulaire, pour lo la distribution desdits premier, deuxième, troisième et quatrième gaz respectivement, o une première chambre (5) parallélépipédique dans laquelle débouchent lesdits premier et deuxième conduits par deux ouvertures adjacentes, o une deuxième chambre (10) parallélépipédique, dans laquelle débouchent lesdits troisième et quatrième conduits (3) et (9) par deux ouvertures adjacentes, o une troisième chambre (6) parallélépipédique, dans laquelle arrivent les effluents des chambres (5) et (10) par deux ouvertures adjacentes, o une quatrième chambre (7) contiguë à la chambre (6) et alimentée par les effluents de la chambre (6) , o des injecteurs (11) de vapeur d'eau ou d'eau liquide puivérisée répartis sur les parois de iadite chambre (è), o un conduit (12) entourant la chambre (7) et formant ainsi une double enveloppe alimentée par de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide, o une chambre (8) de trempe contiguë à la chambre (7), alimentée en amont par les effluents de la chambre (7) et par un fluide de trempe introduits à l'aide d'injecteurs (4), à la sortie de laquelle on récupère les produits de transformation trempés. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les angles formés par les plans des ouvertures des conduits (1) et (2), (3) et (9), ( et (3) sont compris entre 60 et 120 et de préférence égaux à 90 . 6. Procédé et appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de séjour moyen des gaz dans la chambre (5) est inférieur à 10 s et de prétérence à 10 -5 S. ProcAdA et appamil sewn lane queonque des -ndabons pcAdentes, cact6hsA en ce que le tamps de scour moyen des gag