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Procéda de réalisation de réactions gazeuses à hautes tempéra- tures,
L'objet de la présente invention est un procédé pour la réalisation de réactions gazeuses à hautes températures, par exemple le traitement de méthane gazeux ou de gaz contenant du méthane (tel que gaz de fours à coke) avec de la vapeur d'eau en vue d'obtenir de l'hydrogène.
Pour réaliser ces réactions gazeuses, on a déjà utilisé une chambre de réaction équipée d'empilages qui, dans une pé- riode, sont chauffée à la température nécessaire pour la réac- tion, tandis que dans l'autre période, les gaz à traiter sont passés à travers la chambre de réaction ainsi réchauffée.
Avec de tels dispositifs, le procédé est, jusqu'à présent, conduit de telle façon que, dans une période,les empilages de la chambre de réaction sont chauffée d'une manière continue et ensuite, après fermeture de l'admission de gaz de chauffage, le
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gaz à traiter, de compagnie avec la vapeur, est envoyé en direc- tion contraire à travers la chambre de réaction ainsi réchauffée.
Pourtant, avec l'emploi des dits appareils de la manière spéci- fiée plus haut, les matériaux réfractaires des empilages sont soumis à de sévères fatigues du fait que la chaleur pénètre len- tement ces réfractaires, passant très lentement de la surface des briques à leur intérieur de manière que les parties extérieu- res des empilages réfractaires sont chauffées pendant une pério- de à une température supérieure ou au moins sensiblement égale à leur point de ramollissement.
L'objet principal de la présente invention est l'appliea - tion au procédé ci-dessus de perfectionnements par lesquels la dite fatigue des empilages des chambres de réaction est évitée.
Selon la présente invention, le réchauffage de la chambre de réaction dans une période se fait d'une manière intermittente c'est-à-dire que la période de réchauffage est subdivisée en différentes périodes de telle manière qu'une courte période de chauffage est suivie d'une période de repos pendant laquelle on fait passer un courant d'air à travers l'empilage de la chambre de réaction, pour effectuer une compensation en vue d'obtenir une pénétration uniforme de la chaleur dans les briques et une distribution convenable de la chaleur, et après avoir réchauffé l'empilage à la température désirée, on passe du gaz et de la vapeur à travers la chambre de réaction ainsi réchauffée et ainsi de suite. Selon l'invention, l'air est donc chauffé à une température peu en dessous du point de ramollissement des maté- riaux réfractaires.
L'objet de la présente invention comprend aussi les moyens par lesquels le dit réchauffage de l'air est obtenu. Ceci est effectué selon la présente inventiongar l'application de brû- leurs très petits qui, outre ceux nécessaires pour le réchauf - fage de l'empilage de la chambre de réaction, sont destinés au réchauffage de l'air pendant la période de repos. Les deux sspè-
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ces des dits brûleurs peuvent avantageusement être employées pour le réchauffage. Dans ce cas, après le réchauffage des em- pilages, les petits brûleurs sont seulement utilisés pour le réchauffage de l'air.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir des moyens protégeant les empilages de la chambre de réaction contre l'atteinte des flammes et d'éviter ainsi des surchauffa- ges locaux. A cet effet, le gaz utilisé au réchauffage des em- pilages est brûlé dans des chambres spéciales de combustion d'une forme telle que les empilages de réaction ne sont atteints que par les gaz chauds de combustion. A ce sujet et selon la présente invention, il se trouve entre les empilages et la cham- bre de combustion proprement dite des plaques de choc en réfrac- taires ayant pour but d'éviter tout tourbillonnement.
Un autre objet de l'invention est d'appliquer au procédé ci-dessus des perfectionnements qui assurent l'obtention de courtes flammes dans la combustion des gaz de chauffage dans la chambre de combustion. A cet effet et suivant la présente invention, l'air est amené au gaz destiné au réchauffage des empilages, avant l'entrée de ce gaz dans les brûleurs.
Enfin, un objet de l'invention est la disposition de moyens convenables par lesquels le rendement de l'appareil est notable- ment augmenté, et d'une chambre de réaction avec chambre de régé- nération de deux côtés et d'une chambre centrale de combustion, ainsi que de moyens assurant le réchauffage alternatif des cham- bres de réaction et de régénération par les gaz de réaction qui les traversent.
Les dessins annexés représentent à titre d'exemple non limitatif une forme préférée de réalisation de l'invention.
La figure 1 indique une coupe verticale par l'appareil.
La figure 2 représente une coupe verticale suivant II-II de la figure 1.
La figure 3 indique une coupe partielle suivant III-III de la figure 1.
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La figure 4 indique une coupe partielle et longitudinale par un brûleur à gaz.
La figure 5 indique la vue partielle des plaques de choc.
Dans une enveloppe 1 en tôle, pourvue d'un revêtement ré- fractaire 2 se trouvent les chambres de réaction 3 et 4 munies d'empilages qui se composent de briques réfractaires perforées, ainsi que les régénérateurs 5 et 6 également munis d'un empilage réfractaire disposé horizontalement à la direction du courant.
Chaoune des chambres 3 et 4 comprend une ruche compensatrice composée de plaques réfractaires 7 et 8. Entre ces ruches est disposée la chambre de combustion 9 et dans celle-ci, les brû- leurs 10 et 10a, réunis par séries, une à chaque extrémité de la chambre de combustion 9. Les brûleurs installés à l'extré - mité de la chambre de combustion 9 sont reliés entre eux par les tuyaux de connexion 11 et 12, sur l'extrémité supérieure desquels sont installées les soupapes d'étranglement 13 et 14 qui, par les tuyaux d'alimentation 15 et 16, sont raccordées à la conduite à gaz de chauffage 17. Avant leur raccordement à la conduite à gaz de chauffage 17, les tuyaux d'alimentation 15 et 16 portent les registres automatiques 18 et 19.
Les soupa - pes d'étranglement 13 et 14 sont manoeuvrées par les leviers 20 et 21, la tringle de manoeuvre 22 et le mécanisme à manivelle 23 qui est entraîné par le moteur 24. pour que l'engrenage entrai- ne à la fois les deux soupapes 13 et 14, les leviers 20 et 21 sont réunis entre eux à leur extrémité supérieure, par la trin- gle 25 à articulation.
Entre les brûleurs 10 et 10a sont installés les petits brûleurs 26 et 26a reliés entre eux par séries au moyen des tuyaux de connexion 27 et 27a. Sur ces tuyaux sont montés les registres automatiques 28 et 29. Les tuyaux 27 et 27a aboutis - cent également à la conduite à gaz de chauffage 17.
A l'extrémité extérieure des régénérateurs 5 et 6 sont raccordées les chambres de distribution 30 et 31 qui communi
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quent également avec les tuyaux de branchement 34 et 35 par les ouvertures d'amenée 32 et 33.
La conduite 34 aboutit aux tuyaux de branchement 36 et 37 qui, de leur côté, portent les registres automatiques 38 et 39 et arrivent enfin aux tuyauteries de distribution 40 et 41.
La conduite 35 aboutit aux tuyaux de branchement 42 et 43 qui communiquent avec la tuyauterie de distribution 41 quand le registre 44 est ouvert, et avec la tuyauterie 40, si c'est le registre 45 qui est ouvert.
A la tuyauterie 40, qui sert de collecteur des fluides à traiter, aboutissent la conduite d'air 46, la conduite du gaz à traiter 47 et la conduite à gaz de balayage 48. Ces conduites peuvent, par les registres automatiques 49, 50 et 51, être reliées à la tuyauterie 40 ou en être séparées.
La tuyauterie 41 qui est destinée à l'évacuation des flui- des traités ou des fumées, débouche dans le tuyau 52 recevant les produits obtenus à la réaction ou dans la conduite des fu- ment) 53. Les conduites à produit de pyrogénation 52 et 53 peu- vent être isolées par les registres d'obturation (54 et 55) depuis la tuyauterie 41.
L'enveloppe en tôle 1 avec son revêtement réfractaire 2 est subdivisée aux points 56, 37 et 58. A ces points, les dif- férents tronçons de l'enveloppe 1 ou les têtes fermant les cham- bres de distribution 30 et 31 sont boulonnées avec interposi- tion de garnitures, pour éviter toute fuite de gaz depuis les empilages à l'espace pouvant exister entre l'enveloppe 1 et le revêtement réfractaire 2, par suite de dilatation thermique. La partie chauffée du four est solidement supportée par une fonda- tion 59, tandis que l'autre partie, ainsi que les têtes du four s'appuient sur les poutres 60 et 61 par les rouleaux 62.
A l'aide des tuyaux d'amenée 63 reliés à la tête des brû- leurs 64, les tuyères des brûleurs 10 ou 10a peuvent être ali- mentées en air, afin de rendre la flamme moins fumante c'est-à-
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dire plus courte et bien chaude, de sorte qu'il n'y a pas à craindre de dépôt de carbone sur les briques d'empilage (Fig.2).
La figure 4 indique plus en détail les têtes des brûleurs 64 telles qu'elles sont prévues pour l'usage indiqué plus haut.
Le gaz de chauffage amené par le tuyau de connexion 12 passe par les tuyères 65 et arrive au canal central 66. A son entrée dans les dites tuyères, il est additionné d'air primaire qui, amené par le tuyau 63, entre dans le canal annulaire 67 entou- rant la tuyère 65. Les deux fluides passant par le canal commun 68, entrent dans la chambre de combustion en 69.
Pour plus de stabilité, l'enveloppe 1 entourant le revête- ment réfractaire 2 est pourvue de cercles métalliques 70 sur lesquels sont fixées des consoles 71 prenant appui sur les rou- leaux 78 (fig.3).
Ainsi que l'indique la figure 5, les ruches réfractaires 7 et 8 présentent des interstices très étroits 72. Ils sont cons- titués par de minces plaques verticales 73 et horizontales 74 qui sont toutes biseautées à leurs extrémités. Grâce à ce bi- seau de ces plaques, le gaz ne trouve que peu de résistance à la rencontre de ces ruches. De plus, l'épaisseur des plaques est choisie de telle façon qu'en cas d'une température trop élevée, qui serait préjudiciable aux matériaux d'empilage, la chaleur est rapidement distribuée.
Le fonctionnement de l'appareil est comme suit : supposons que tous les registres soient fermés, que le processus de pyrogénation soit fini et que l'on désire réchauf- fer les ruches 7 et les empilages 3 et 5 . A cet effet, les re- gistres 49 sur la conduite d'air 46 ainsi que le registre 45 sur le tuyau de branchement 43 sont ouverts de sorte que l'air frais peut passer dans les tuyaux 40, 43, 35 et traverser la chambre de distribution 31, et ensuite les empilages 6,4 et les ruches 8. Dans ces empilages l'air est réchauffé par les briques qui lui cèdent leur chaleur, après quoi l'air ainsi
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réchauffé entre dans la chambre de combustion 9. Pendant cette période de réchauffage, les brûleurs 10 sont en fonction.
Le gaz de chauffage et l'air chaud brûlent en passant par toute la chambre de combustion 9, à la fin de laquelle les gaz chauds complètement brûlés entrent dans les ruchesréfractaires 7, ensuite dans les empilages de réaction 3 et enfin dans l'empi- lage de régénération 5. Pendant cette période, les gaz brûlés cèdent leur chaleur aux empilages, et les gaz perdus, refroidis à une température convenable, sortent de l'appareil par la cham- bre collectrice 30 et 1'ouverture 32. Ensuite, ils traversent les tuyaux 34 et 37 et le registre 39, qui est ouvert, et pas- sent par les tuyaux 41 et 53 à la cheminée.
Ensuite, 11-alimentation des brûleurs 10 qui sont reliés par le tuyau 11 à la soupape d'étranglement 13 raccordée par le tuyau 15 et le registre ouvert 18 à la conduite 17 à gaz de chauffage, est alternativement réduite et augmentée à l'aide de la soupape 13 avec cône d'étranglement 13a en amenant ce dernier à l'aide des leviers 20,25 et 21, le mécanisme à manivelle 23 et le mo- teur 24 alternativement dans les positions d'ouverture et de fermeture totales ou partielles selon le besoin. De cette maniè- re, on produit les intervalles de chauffage nécessaires pour permettre à la chaleur absorbée par les parties extérieures des briques d'empilage de pénétrer dans l'intérieur des briques.
L'air de combustion fortement réchauffé dans les empilages 6 et 4 et dans les ruches réfractaires 8 entre dans la chambre de combustion 9 et, passant par l'appareil en quantité non ré- duite pendant que les brûleurs 10 se trouvent en position étran- glée sert à retirer des ruches réfractaires 7 une partie de la chaleur y accumulée pour la conduire à l'empilage 3 qui se trou- ve en réchauffage. Afin d'éviter tout refroidissement des ruches et empilages pendant le repos de chauffage, qui ne dure cepen- dant que quelques secondes, l'air est réchauffé à une tempéra- ture suffisante.
Ceci peut être effectué soit à l'aide des brû-
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leurs 10, qui dans ce cas ne sont pas complètement coupés par le cône 13a de la soupape d'étranglement, soità l'aide des petits brûleurs 26 prévus entre les brûleurs 10 et qui, à ou- verture du registre 28, se trouvent alimentés par le tuyau 27 raccordé à la conduite à gaz de chauffage 17.
D'une manière similaire à celle dont l'alimentation des brûleurs 10 périodiquement réduite et augmentée à l'aide de la soupape d'étranglement 13, l'admission de l'air qui sert à modérer l'intensité de la flamme des dits brûleurs et qui est amené par le tuyau 63 à la tête des brûleurs 64, est périodi- quement modifiée à l'aide d'une soupape d'étranglement simi- laire.
Dès que l'empilage de réaction est porté à la températu- re voulue, sur une longueur suffisante, les registres 18, 28, 45, 39 et 54 sont fermés à l'aide d'un mécanisme non repré - senté dans les dessins ci-annexés. De même, le moteur 24 est automatiquement arrêté. Alors, suit une période de pyrogéna - tion, où les registres 50, 38, 44 et 55 se trouvent ouverts, de sorte que le mélange à traiter de gaz et de vapeur d'eau sortant de la conduite 47 se rend par la tuyauterie 40, 36, 34 à la chambre de distribution, et passe ensuite de gauche à droite à travers les empilages de régénération et de réac- tion. Les produits pyrogénés passent alors à travers les ru- ches 8 et les empilages 4 et 6, auxquels ils cèdent leur chaleur, après quoi, sortant de l'appareil par l'ouverture 33, ils sont évacués par la tuyauterie 55, 42,41, 52.
La période de pyrogénation terminée, le registre 50 est fermé et le registre 51 ouvert, de sorte que le gaz de bala - yage, par exemple l'acide carbonique ou un autre gaz inerte, amené par la conduite 48, passe en balayant la tuyauterie 40, 36, 34 et ensuite l'appareil même et sort enfin par la tuyau- terie 35, 42 , 41, 53. A cet effet, le registre 55 est fermé et 54 est ouvert, avant l'ouverture du registre 51. Le balaya-
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ge termine, le registre 51 est refermé tandis que le registre
54 reste ouvert. Les registres 49,45, 39 et 54 sont ouverts, après quoi suit une période de réchauffage qui s'opère d'une manière similaire à la précédente.
Pour maintenir l'équilibre thermique entre les empilages des deux côtés de l'appareil, il faut par intervalles invertir la direction des courants dans l'appareil. A cet effet, le processus de balayage étant terminé, tous les registres sont fermés, puis on recommence le réchauffage avec la position indiquée ci-après des différents registres et la direction correspondante des différents courants.
Les registres 49 et 30 sur l'amenée d'air et les registres 44 et 54 sur la sortie des fumées sont ouverts. Ainsi l'air sortant de la conduite 46 passe par la tuyauterie 40, 36, 34 et entre par l'ouverture 32 dans la chambre de distribution 30 côté gauche. Il traverse alors les empilages de régénération 5 et de réaction 3 ainsi que les ruches 7 et entre ensuite dans la chambre de combustion 9.
Le registre 19 étant ouvert, les brûleurs l0a se trouvent alimentés en gaz qui leur arrive par le tuyau 16 en communica- tion avec la conduite 17.
Comme précédemment, les brûleurs 10a sont coupés par inter- valles à l'aide de la soupape d'étranglement 14, le cône d'é - tranglement 14a étant manoeuvré par les leviers 21 et 22, le mécanisme à manivelle 23 et le moteur 24, de manière à produire des interruptions de chauffage permettant une compensation de chaleur entre les ruches 8 et l'intérieur de l'empilage de réac- tion 4. Ceci est obtenu par l'introduction de l'air pendant la période où les brûleurs 10a sont coupés, l'air qui arrive tou- jours en quantités égales par le tuyau 34 étant réchauffé dans les empilages 5 et 3 et dans les ruches 7, de sorte qu'une par- tie de la chaleur de ces dernières est transportée aux empila- ges moins chauffés.
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Aussi, quand le courant prend cette direction, on peut continuer le réchauffage de l'air pendant la période de l'in- terruption du chauffage, et ceci, soit par une fermeture moins complète des brûleurs 10a, soit à l'aide des petits brûleurs 26a qui, à registre 29 ouvert, sont alimentés en gaz par le tuyau 27a en communication avec la conduite 17. Corame le gaz de chauffage, quand le courant prend cette direction, entre dans la chambre de combustion 9 du même coté que l'air de combustion réchauffé dans les empilages, toute la longueur de la chambre de combustion 9 peut, dans ce cas aussi, être utilisée au dé- veloppement des flammes, de façon que seuls les gaz brûlés peu- vent atteindre les ruches réfractaires 8 et les empilages 4 et 6 à réchauffer.
Grâce au biseau des arêtes frontales des plaques 73 et 74 des ruches 8, le gaz entre dans l'empilage sans aucun tourbillonnement. Après avoir été refroidis dans l'empi- lage de régénération 6 à une température suffisamment basse, les gaz brûlés sont rassemblés dans la chambre de distribution 31, d'où ils sortent par l'ouverture 33. Ensuite ils passent par les tuyaux 35 et 42, le registre 44, qui est ouvert, par la tuyauterie 41 et le registre 33, également ouvert, et puis sont évacués par le carneau à la cheminée.
La période de réchauffage terminée, les registres d'air 49, 38 et ceux des fumées 44 et 54, ainsi que le registre à gaz 19 respectivement 29 sont fermés, tandis que les registres d'air 50 et 45 et ceux des fumées 39 et 55 sont ouverts. Le procédé de pyrogénation recommence et les gaz à traiter arrivent par la conduite 47 et la tuyauterie 40, 43, 35 et l'ouverture 33 dans l'appareil. Ils passent à travers les empilages de régénération 6, et de réaction 4 et les ruches 8, et les produits de la pyro- génation quittant la chambre passent par les empilages opposés 7, 3 et les ruches 5 et sortent de l'appareil par l'ouverture 33. Ensuite ils passent par les tuyaux 34 et 37, le registre 39, qui est ouvert, par la tuyauterie 41 et 42 et par le regis-
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tre 55, également ouvert, aux appareils de traitement complé - mentaire.
La pyrogénation terminée, le registre 50 est fermé et 51 est ouvert, de manière que l'appareil est balayé, comme décrit ci-dessus, après quoi les gaz de balayage passent par les tuyau- teries 34, 37, 41 et, le registre 55 étant fermé et 54 ouvert, sont évacués à la cheminée.
Le procédé objet de l'invention peut naturellement être réalisé par l'application de plusieurs chambres de combustion entre plusieurs chambres de réaction.
La description ci-dessus indique une forme particulière de la réalisation de l'invention, mais celle-ci peut être éga- lement réalisée dans toute autre forme rentrant dans le cadre des revendications énumérées ci-après.
REVENDICATIONS .
1. Un procédé pour la réalisation de réactions gazeuses à hautes températures dans des chambres de réactions équipées d'un empilage réfractaire, caractérisé par le fait que l'empi- lage réfractaire est traversé périodiquement par des gaz chauds de combustion qui le réchauffent à la température voulue, après quoi le courant de gaz chauds est coupé et les gaz à traiter sont conduits à travers les chambres de réaction ainsi por - tées à haute température, où ils sont mis en réaction, les dif- férents processus se répétant dans la même succession.