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Perfectionnements à la production de mélanges gazeux non oxydants.
Cette invention est relative à la production de mélanges gazeux non oxydants employés dans les procédés de traitement thermique des métaux, par une combustion contrôlée de gaz de houille, gaz à l'eau, gaz naturel, butane, ammoniac ayant ou non subi un cracking partiel et gaz analogues, avec de l'air.
Un appareil destiné à cette fin comprend habituel- lement une chambre de combustion et une chambre de catalyse
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où les gaz brûles sont envoyés pour éliminer toute trace d'oxygène. Quand on emploie du gaz ammoniac, on aménage aussi un serpentin de cracking qui reçoit habituellement de la cha- leur de la combustion de l'ammoniac ayant subi le cracking.
Cet appareil est soumis à des températures élevées qui ne sont pas exactement réglées, ce qui nuit à la sûreté et la durée de vie du catalyseur ainsi que du serpentin de cracking, si celui-ci est employé.
Suivant la présente invention, on règle la tempéra- ture ou les températures dans la zone de combustion et/ou dans la zone de catalyse en ramenant à la zone de combustion une quantité réglée de gaz de combustion refroidi, avant de l'employer dans des fours pour le traitement thermique de métaux ou dans une installation analogue. Il est notamment -avantageux de régler la température de cette manière dans les appareils qui utilisent le gaz ammoniac, étant donné que, outre qu'on prolonge la durée de vie du serpentin de cracking, il est possible de le garnir d'un catalyseur de cracking et d'obtenir ainsi un meilleur cracking et/ou une plus grande production.
Les gaz brûlés refroidis peuvent être introduits dans la chambre de combustion en tout point approprié, en un ou plusieurs endroits.Par exemple, quand on emploie du gaz naturel, du gaz de ville ou un gaz analogue, et que la cham- bre de combustion ne contient pas de serpentin de cracking, on peut introduire le gaz refroidi en un point situé immédia- tement en amont du catalyseur de manière qu'il règle la tem- pérature des gaz de combustion venant en contact avec lui. A titre d'alternative, on peut introduire le gaz refroidi ou une partie de celui-ci dans la chambre de combustion près du ou des brûleurs ou à travers ceux-ci; ceci est avantageux
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quand un serpentin de cracking est situé dans la chambre de combustion, de sorte que sa température peut être réglée di- rectement.
L'introduction de gaz refroidi près des brûleurs ou à travers ceux-ci tend à rendre les gaz trop froids pour que le catalyseur élimine efficacement l'oxygène, et une autre caractéristique de la présente invention consiste à introduire une quantité réglée d'air immédiatement en amont du catalyseur de manière à maintenir la température voulue.
Dans la combustion avec de l'air et sous contrôle, d'ammoniac ayant ou non subi un cracking partiel, en vue de la production d'azote ou de mélanges d'azote et d'hydrogène, on a éprouvé jusqu'à présent des difficultés en cherchant à ré- duire à des proportions négligeables l'ammoniac résiduel des produits de combustion. Même la présence de traces d'ammoniac dans les gaz est nuisible dans certains cas, par exemple quand on emploie les gaz pour constituer une atmosphère pro- tectrice pour le recuit clair de certains métaux, tels le cuivre.
On a trouvé que la petite quantité d'ammoniac res- tant aprèsla combustion peut être éliminée en substance en envoyant les gaz de combustion chauds conjointement avec une petite quantité prédéterminée d'oxygène sur un catalyseur de cracking d'ammoniac ou un catalyseur d'oxydation maintenu à une température élevée. La teneur en oxygène requise peut être assurée en faisant en sorte qu'une fraction de l'air des gaz de départ échappe à la combustion, par exemple grâce à une construction appropriée du brûleur, ou en ajoutant un gaz à teneur en oxygène juste avant que les gaz de combustion viennent en contact avec le catalyseur. En règle générale, la totalité de l'oxygène est consommée, mais ceci n'est pas essentiel dans certains cas.
Il faut choisir la teneur en
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oxygène de manière que tout l'ammoniac non décompose soit éliminé et que la teneur en oxygène des gaz finals ne dé- passe pas la quantité tolér.able (s'il en existe une) pour Inapplication particulière envisagée.
Des catalyseurs de cracking d'ammoniac appropriés sont en général ceux utilisés avec succès dans la fabrication synthétique d'ammoniaque, notamment ceux possédant un noyau de magnétite. D'autres catalyseurs appropriés sont le nickel, le cuivre et le palladium, de préférence sous forme de tissu métallique. Avec la plupart des catalyseurs il importe de maintenir la température du catalyseur à au moins 500 C. On peut assurer de manière appropriée le réglage de température en recourant au procédé décrit ci-dessus.
Jusqu'à présent, quand on voulait produire de l'azo- te sensiblement pur, on rencontrait des difficultés à choisir correctement les proportions de réactifs et à assurer la réac- tion complète de manière que ni l'hydrogène ni l'oxygène ne soient décelés en quantités mesurables après la réaction, et une caractéristique supplémentaire de la présente invention consiste à prévoir un moyen de tourner ces difficultés. Ce moyen consiste à faire en sorte que les gaz aient alternati- vement de faibles teneurs en hydrogène et en oxygène après avoir passé sur le catalyseur de cracking d'ammoniac ou le catalyseur d'oxydation et en faisant passer les gaz'sur une masse métallique destinée à être réduite et oxydée alternati- vement.
On décrira ci-après plusieurs exemples d'exécution de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : -
Fig. 1 est une coupe schématique d'un appareil pour la production de gaz non oxydants à partir de gaz ammoniac,
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faite en vue d'expliquer le procédé pour régler la température.
Fig. 2 est une coupe schématique d'un appareil analogue.
Fig. 3 est une coupe schématique d'un appareil analogue destiné à la production d'azote sensiblement pur.
Sur la Fig. 1, un récipient cylindrique 1 revêtu intérieurement de réfractaire 2 et de matière calorifuge 3 est fermé aux deux extrémités par des flasques 4 et 5. Le récipient comprend trois zones, une zone de combustion 6, une zone catalytique 7 et une zone de refroidissement 8, la zone de refroidissement étant de préférence séparée de la zone catalytique 7 par un disque réfractaire perforé 9.
Le flasque 4 porte une tuyère de brûleur 10 et les branchements d'entrée et de sortie 11 et 12 d'un serpentin de cracking 13 et il est protégé par une matière réfractaire ou calorifuge appropriée 40. En regard de la tuyère de brûleur 10 et devant les matières catalytiques 14 est disposée une feuille perforée de métal ou alliage 15 résistant à la cha- leur, pour empêcher que la flamme de la tuyère de brûleur 10 frappe directement les matières catalytiques 14. Ces matières catalytiques se présentent de préférence sous la forme d'un certain nombre de couches de tissus métalliques, par exemple de tissus de nickel et de cuivre, suivis dans certains cas d'un tissu de palladium.
Le flasque 5 porte la sortie de gaz 32, les bran- chements d'entrée et de sortie 16 et 17 d'un serpentin de refroidissement 18 et un cylindre métallique 19 fermé à une extrémité et perforé près de l'extrémité de sortie de l'ap- pareil, comme c'est représenté. Le cylindre métallique sert à amener les gaz en meilleur contact avec le serpentin de refroidissement 18, mais il peut être omis si on le désire.
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Le serpentin de refroidissement et/ou la chambre de refroidis- sement peuvent aussi être omis éventuellement ou être placés à l'extérieur du récipient 1.
On envoie du gaz ammoniac au serpentin de cracking 13 par un tuyau 11 et il sort, partiellement cracké., par le tuyau de sortie 12, puis passe à le. tuyère de brûleur 10. Dans la tuyère il se mélange à une quantité d'air limitée réglée et brille, la combustion fournissant la chaleur pour le crae- king dans le serpentin de cracking 13. Les produits de com- bustion entrent par les perforations de la tôle 15 dans la zone catalytique 7 où tout oxygène restant brûle complète- ment, puis ils traversent les trous du disque 9, lèchent le serpentin de refroidissement 18 et sortent par le tuyau de sortie 32.
Il est préférable de produire dans la tuyère de brûleur une flamme à haute température, et à cet effet il est avantageux de mélanger à fond le gaz ammoniac cracké et l'air avec lequel on veut le brûler dans la chambre de combustion.
La tuyère 10 se compose d'un tube intérieur 21 et de trois tubes concentriques 22, 23 et 24 qui l'entourent et qui délimitent trois passages annulaires concentriques dont le passage médian est parcouru par du gaz ammoniac cracké et dont les passages intérieur et extérieur sont parcourus par l'air qu'on veut brûler complètement ou presque complètement.
Le tube central est fermé à l'extrémité extérieure à l'appa- reil par une fenêtre de verre ou un autre disque amovible, de manière qu'on puisse introduire une tuyère à hydrogène ou autre tuyère appropriée distincte en vue d'amorcer le fonc- tionnement de l'appareil. Les extrémités intérieures des tubes concentriques 22, 23 et 24 sont tournées à l'intérieur pour obliger les courants d'air et de gaz cracké à converger et à se mélanger à fond autour du bouchon perforé 25. On
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obtient ainsi une flamme très courte et chaude, assurant une combustion efficace.
Les gaz quittant l'appareil par le tuyau 32 vont par les tuyaux 33 et 41 au four ou autre appareil auquel sont destinés les gaz non oxydants. Une certaine partie des gaz sor- tant du tuyau 41 peuvent être ramenés à la zone de combustion par un tuyau 34 (représenté en pointillés) qui va au côté aspiration de la soufflerie 30 employée pour débiter de l'air par le tuyau 31 aux espaces annulaires compris entre les tubes 21 et 22 et entre les tubes 23 et 24. Toutefois, de préféren- ce, le gaz en retour passe par la soufflerie 35 et par le tuyau 38 à un espace annulaire compris entre les tubes 36 et 24. De cette façon on abaisse la température des gaz de com- bustion chauds quittant la tuyère du brûleur et, par suite, on règle la température du serpentin de cracking 13.
Au lieu ou en plus de cela, on peut envoyer une partie du gaz dans le récipient juste en regard des tissus catalytiques par les tuyaux 37 et 20, tandis qu'on peut in- troduire de l'air par le tuyau 39. De cette façon on assure au catalyseur un réglage de température précis.
Une soufflerie unique intercalée dans la conduite 33 peut remplacer les souffleries 30 et 35, la pression dans l'appareil de combustion étant alors inférieure à la pression atmosphérique et les extrémités extérieures des anneaux à air de la tuyère de brûleur étant ouvertes à l'air.
Sur la Fig. 2, un récipient cylindrique 1 revêtu intérieurement de réfractaire 2 et de matière calorifuge 3 est fermé aux deux extrémités par des flasques 4 et 5. Le récipient comprend trois zones, une zone de combustion 6, une zone de catalyse 7 et une zone de refroidissement 8. La zone de refroidissement 8 est séparée de la zone de catalyse
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par un disque réfractaire perforé 9.
Le flasque 4 porte une tuyère de brûleur 10 et les branchements d'entrée et de sortie 11 et 12 d'un serpentin de cracking 13, et il est protégé par une matière réfractaire appropriée 40. En regard de la tuyère de brûleur 10 et devant les matières catalytiques 14 est située une tôle perforée 15 faite en métal ou alliage réfractaire, pour empêcher les flammes de la tuyère de frapper directement les matières ca- talytiques 14. Les matières catalytiques sont constituées par un certain nombre de tissus faits en un métal approprié tel que le nickel, le cuivre ou, dans certains cas, le palladium.
Le flasque 5 porte la sortie de gaz 32, les branches d'entrée et de sortie 16 et 17 d'un serpentin de refroidisse- ment à eau 18 et un cylindre métallique fermé à une extrémité et perforé près de l'extrémité de sortie de l'appareil, comme c'est représenté. Le cylindre métallique sert à amener les gaz en meilleur contact avec le serpentin de refroidisse- ment, mais il peut être omis si on le désire.
On envoie du gaz ammoniac au serpentin de cracking 13 par le tuyau 11 et il sort, partiellement cracké, par le tuyau 12. Il passe ensuite à la tuyère de brûleur 10 où il se mélange à une quantité d'air limitée réglée et brûle, la cha- leur développée servant à cracker de nouvelles quantités d'am- moniac parcourant le serpentin 13. Les produits de combustion entrent par les perforations de la tôle 15 dans la zone cata- lytique 7. Une quantité prédéterminée d'air est ajoutée aux gaz par le tuyau 20 juste avant qu'ils viennent en contact avec les matières catalytiques. L'oxygène de cet air, dont la présence est nécessaire pour éliminer l'ammoniac résiduel, est lui-même éliminé par combinaison avec l'hydrogène durant le passage à travers les tissus catalytiques.
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Il est avantageux de produire dans la tuyère de brûleur une flamme à haute température, et à cet effet le brûleur est construit de manière à assurer que l'air et l'am- moniac cracké se mélangent à fond. La tuyère de brûleur re- présentée sur la Fig. 2 est constituée par un tube intérieur 21 entouré de trois tubes concentriques 22, 23 et 24 délimi- tant trois passages annulaires concentriques dont le passage médian est parcouru par le gaz ammoniac cracké et dont les passages intérieur et extérieur sont parcourus par l'air qu'on veut brûler complètement ou presque complètement. L'air peut être débité sous pression ou il peut être aspiré en diminuant convenablement la pression dans l'appareil au moyen d'un ven- tilateur aspirant ou dispositif analogue intercalé dans la conduite de sortie de gaz.
Le tube central 21 est fermé à l'extrémité extérieure à l'appareil par un couvercle amovible, par exemple une fenêtre de verre ou de mica, de manière qu'on puisse introduire un dispositif de chauffage et d'allumage, par exemple à flamme d'hydrogène, en vue d'amorcer le fonc- tionnement de l'appareil. Les extrémités intérieures des tu- bes 22, 23 et 24 sont tournées à l'intérieur pour obliger les courants d'air et de gaz cracké à converger et à se mélanger à fond autour du bouchon perforé 25. Cette tuyère de brûleur produit une flamme très courte et chaude et assure ainsi une combustion efficace.
Sur la Fig. 3, l'appareil est analogue à celui re- présenté sur la Fig. 2 excepté qu'une quatrième zone est pré- vue dans l'appareil à brûleur. Les chiffres de référence 1 à 25 ont la même signification que sur la Fig. 2. Entre la zone de refroidissement 8 et la zone de catalyse 7 est située une zone 26 dans laquelle sont placés des tissus ou copeaux de cuivre ou matières analogues. Une petite quantité de gaz est
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envoyée par un tuyau 27 et le branchement 28 à un appareil (non représenté) servant à indiquer la concentration d'hydro- gène et par un branchement 29'à un appareil (non représenté) indiquant la concentration d'oxygène, ce gaz étant retiré d'entre les tissus catalytiques et la masse de cuivre de la zone 26.
Cette masse est destinée à subir une oxydation et une réduction alternantes, et on envoie de l'air par le tuyau 20a pour oxyder de la manière voulue la masse de cuivre.
Si on suppose que la masse de cuivre contenue dans la zone 26 s'est oxydée au cours du fonctionnement du brûleur, on manoeuvre la vanne de réglage commandant le débit de gaz ammoniac au serpentin de cracking, ou la. vanne commandant le débit d'air à la tuyère de brûleur ou de préférence au tuyau 20a,de manière à créer une faible concentration d'hydrogène dans le gaz quittant la branche 28. La masse de cuivre conte- nue dans la zone 26, maintenue à une température de l'ordre de 500à 600 ,commence alors à subir une réduction et la faible teneur en hydrogène du gaz passant sur elle est élimi- née.
Aprèsun'laps de temps approprié, on manoeuvre la ou les vannes de manière à créer une faible concentration d'oxy- gène dans le gaz sortant par la. branche 29, à la suite de quoi la masse de cuivre partiellement réduit commence à. s'oxyder et la faible concentration d'oxygène passant sur elle est éliminée.
Il est préférable de disposer le serpentin de crac- king, le catalyseur et la masse métallique dans un seul ré- cipient afin de réduire au minimum les pertes, mais si on le désire, on peut les loger dans des récipients distincts.
On a proposé antérieurement un procédé pour le re- cuit de métaux dans une atmosphère neutre ou réductrice, se- lon lequel on retire continuellement du four le gaz protecteur
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contaminé par l'oxygène et on le fait passer conjointement avec une petite quantité de gaz protecteur, obtenu par com- bustion d'ammoniac cracké ou partiellement cracké avec de l'oxygène, sur un catalyseur servant à éliminer l'oxygène résiduel. Il est clair que la demanderesse ne revendique pas dans la présente demande l'emploi d'une notable proportion de gaz protecteur utilisé contaminé par l'oxygène, visant à éliminer l'ammoniac résiduel des gaz de brûleur.
REVENDICATIONS ---------------------------
1.- Procédé pour produire des mélanges gazeux non oxy- dants par une combustion avec de l'air, sous contrôle, de gaz de houille, gaz à l'eau, gaz naturel, butane, ammoniac ayant ou non subi un cracking partiel et gaz analogues, les gaz de combustion passant sur un catalyseur en vue d'éliminer l'oxygène, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on ramène à un ou plusieurs points de la chambre de combustion, en vue de régler la température, une quantité réglée de gaz brûlés refroidis, avant de les employer dans des fours pour le trai- tement de métaux ou installations analogues.