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PROCEDE POUR PRECIPITER HORS DES GAZ DES MATIERES SOLIDES, PARTICULIEREMENT
POUR LA FABRICATION DE NOIR DE FUMEE.
Le présente brevet a pour objet un procédé pour précipiter hors des gaz des matières solides, particulièrement pour la fabrication de noir de fumée à partir d9hydrocarbures gazeux ou sous forme de vapeurs en présence d'oxygène ou de mélanges de gaz contenant de l'oxygène et le cas échéant de gaz combustiblesde préférence contenant de l'hydrogène,mais aussi des matières solides finement divisées, telles des oxydes de métaux ou de métalloïdes obtenus par transformation de combinaisons métalliques avec des gaz combustibles, dans une tisonne. '
Beaucoup d'autres procédés techniques fournissent aussi des matières solides de l'espèce qui se trouvent dispersées dans un milieu gazeux plus ou moins finement divisées et le cas échéant aussi, en tout ou en partie sous forme colloïdale.
Le procédé envisagé conformément à l'invention, sera expliqué dans son application pour la fabrication du noir de fumée, étant entendu comme signalé déjà ci-dessus, que son application s'étend dans tous les cas où il y a lieu de précipiter hors des gaz des matières solides finement divisées.
On sait que dans la fabrication de noir de fumée suivant le procédé dit "procédé Furnace-black", on a généralement jusqu'ici fait passer en brouillard dans une flamme relativement grande des combinaisons liquides contenant du carbone qui, de cette façon, ont été dissociées avec combustion partielle et formation simultanée de noir de fumée.
Dans cette façon de pro- céder, la répartition de l'hydrocarbone dans le volume de la flamme n'est, naturellement, pas homogène de sorte que les conditions de formation de noir de fumée doivent être tout à fait différentes aux divers points de la flamne, ce qui rend extraordinairement difficile l'obtention d'un produit qui soit homogène au point de vue grosseur et structure des particules.De plus, la combustion de l'hydrocarbone ou du gaz combustible ne doit pas seulement
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fournir l'énergie de dissociation pour la formation de noir de fumée mais aussi la chaleur pour la vaporisation de l'hydrocarbone liquide, chaleur qui, en outre et vu.
que la tension superficielle augmente considérablement au fur et à mesure ou diminue le diamètre des gouttes, peut dépasser notablement la normale.
On a bien proposé déjà de vaporiser les hydrocarbones qui sont liquides sous conditions normales et de les amener à laflamme sous forme de vapeur, séparés des gaz combustibles et des mélanges de gaz fournissant l'oxygène. Ainsi on peut mieux utiliser, pour la réaction de dissociation, la chaleur provenant de la combustion proprement dite; toutefois, il n'est pas possible par là d'éliminer les difficultés inhérentes à la répartition non homogène des composants de réaction dans la flamme quand ces composants sont amenés séparément. Il n'est donc pas possible non plus, de cette façon, de garantir l'obtention d'un produit homogène avec rendement maximum.
Il a été trouvé dans l'exécution du procédé faisant l'objet de l'invention, qu'en mélangeant de façon homogène les composants de réaction et en les amenant ensemble, alors seulement, à transformation dans la flamme, on peut simplifier grandement la production de noir de fumée, à partir d'hydrocarbones en présence de mélanges de gaz contenant de l'oxygène et, le cas échéant, de gaz combustibles, en particulier contenant de l'hydrogène et, si l'on se place au point de vue obtention d'un produit homogène de valeur, améliorer le système et le rendre plus économique.
Ce procédé n'était pas du tout facile à concevoir car on a cru jusqu'ici nécessaire de faire se dérouler dans une zone de flamme déterminée les phénomènes qui entrainant des réactions allant de pair avec une combustion, surtout lorsque, la combustion étantaccompagnée d'une dissociation, de la chaleur est enlevée à la flamme.
L'amenée séparée des composants de réaction fut jusqu'ici considérée indispensable pour la raison aussi que, de l'avis général, il fallait craindre, pour un mélange de gaz amené homogène à la flamme, des retours d'allumage et des obstructions dus à la précipitation prématurée du produit solide de dissociation. On a constaté avec surprise que l'amenée à la flamme des composants de réaction en mélange homogène non seulement ne présente pas les dites difficultés mais permet aussi d'employer le procédé avec plus de sécurité, plus économiquement et avec bon rendement tout en obtenant un noir de fumée homogène et de valeur.
Dans la façon de procéder qui fait l'objet de l'invention, il se forme, surtout quand l'oxygène est ajouté comme tel ou sous forme de mélanges de gaz en quantités qui suffisent au moins à brûler complètement l'hydro- gène contenu dans le gaz combustible, une flamme relativement petite à concentration maximum de chaleur où les pertes par rayonnement sont réduites au minimum, l'énergie maximum étant disponible pour le cracking respectivement la dissociation de l'hydrocarbone.
L'amenée des composants de réaction en un mélange homogène, telle que la prévoit l'invention, a de plus l'avantage que, du fait que se forment des flammes relativement petites, le temps de séjour dans la flamme du noir de fumée qui s'est formé peut, le cas échéant, être court ce qui fait qu'on évite des modifications de surface indésirées des particules de noir de fumée.
Par l'emploi de dispositifs spéciaux comme, par exemple,un brûleur multijets, on peut aider encore à la formation de flammes courtesprésentant un rapport. volume de flamme superficie de flamme respectivement hauteur de flamme élevé, d'ailleurs favorable au sens de l'invention.
Pour la bonne exécution du procédé qui fait l'objet de l'inven- tion, l'emploi de brûleurs de construction appropriée revêt une importance qui ne doit pas être sous-estimée. Lors de l'installation des brûleurs, il faut veiller avant tout à ce que, d'une part, le mélange des composants soit
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intime et homogène et à ce que d'autre part., il quitte en un courant régu- lièrement calmé, de préférence laminaire, 1-'ouverture commune pour entrer dans la flamme. C'est pourquoi il convient tout particulièrement d'employer des brûleurs qui, outre une chambre de mélangepour les gaz participant à la réaction, présentent des dispositifs où puisse être dirigé et calmé le cou- rant de gaz.
Le cas échéant, il faut prévoir aux brûleurs des dispositifs à l'aide desquels les becs puissent, avec certitude, être maintenus exempts de dépôts de noir de fumée sans influencer notablement la composition homogène de la flamme. Dans ce but, on peut adapter au bec des racleurs mécaniques mo- biles, par exemple un anneau de profil concentrique ou bien diminuer,,à pro- ximité immédiate du bord du brûleur, la vitesse d'inflammation des gaz sor- tants, au moyen par exemple d'un courant de gaz de balayage passant au-dessus du bec, et étrangler ainsi la réaction à cet endroit, remploi de ce gaz de balayage, de 1-'air de préférence.,
provoque un éloignement de la réaction au bord du brûleur et/ou une dilution du mélange de réaction ramené ainsi au- dessous de la limite d'inflammation; il exerce une influence tant mécanique que physique.
Un brûleur tubulaire qui s'est avéré convenir excessivement bien pour le procédé qui fait l'objet de l'invention est représenté schématiquement aux figures annexées 1 et la.
A la figure 1, le chiffre 1 indique le tube de brûleur proprement dit tandis que le chiffre 2 indique le bec. A l'extrémité du tube opposée à la flamme, se trouve la chambre de mélange 3 avec les amenées 4 et 5 pour les composants de réaction. Pour réaliser dans la chambre de mélange 3 une mélan- ge homogène des composants, on provoque par la disposition suivante un violent tourbillonnement des gaz respectivement des vapeurs qui entrent: l'amenée de un composant au moins débouche tangentiellement dans la chambre de mélange., tandis que l'autre arrive suivant une direction oblique à la première.
L'amenée tangentielle est représentée par 4 et l'amenée axiale par 5. Devant la chambre de mélange, côté flamme, sont disposés sur une bonne partie du brûleur tubulaire des organes guides 7 qui forment une chambre de destruction du mouvement tourbillonnaire 6 Un exemple de disposition des ces organes guides est représenté à la figure I ap our laquelle on a choisi les mêmes chiffres-repères qu'à la figure i. Seule l'amenée de gaz 4 est ici divisée et présente une branche 4 a.
Comme chicanes, on a employé dans le cas en présence des tôles qui sont disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudi- nal du brûleur tubulaire; chacune des chicanes 7 se déplace radialement contre celle qui la précède et autour de l'axe longitudinal du brûleur, comme l'indiquent, à la figure I a, les lignes pointillées 7 a.
Pour Inexécution du procédé, l'amenée axiale 5 n'est pas absolument nécessaire. On peut aussi, sans que le mélange en soit influencé, introduire en 4 le gaz combustible chargé d'hydrocarbone et, en 4 a, l'air ou l'oxygène. D'autre part, l'air respectivement l'oxygène peut être amené à la chambre de mélange en partie par la conduite 4 a, en partie par la conduite 5.
La partiedu. brûleur tubulaire 1 voisine du bec peut être entourée d'une chemise 8 qui est rabattue à sa partie inférieure 9 et forme avec le bord du brûleur une fente annulaire 10. Dans l'espace annulaire formé par la chemise 8 et la paroi 1 du brûleur tubulaire, on peut introduire un gaz de balayage, en particulier de l'air qui sort en nappe par la fente annulaire 10 et entoure et balaye le bec de manière homogène.
Le procédé qui fait l'objet de l'invention permet aussi d'emplo- yer des mélanges de gaz qui contiennent, en plus de l'hydrocarbone gazeux ou sous forme de vapeur et, le cas échéant, de gaz combustibles, de .1''oxygène exclusivement, c'est-à-dire de pratiquer la transformation de façon efficace et avec sécurité en employant de l'oxygène pur.
L'avantage de cette façon de procéder réside en ce que les gaz résiduaires de la réaction de combustion respectivement de dissociation, contrairement à ce qui se passe quand on utilise l'air comme porteur d'oxygène? sont exempts d'azote qui, sinon, est amené avec l'air de combustion.
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Dans une forme d'exécution particulièrement avantageuse du procé- dé qui. fait l'objet de l'invention, avec l'emploi d'oxygène pur, on peut in- troduire de la vapeur d'eau surchauffée dans la partie de la zone de réaction où la température des produits gazeux de réaction comporte encore au moins 1000 . La vapeur d'eau, réagit avec une partie du noir de fumée qui se forme dans une mesure correspondant à la réaction gaz à l'eau, avec formation d'o- xyde de carbone et d'hydrogène; elle permet en même temps, si on établit l'équilibre gaz à l'eau, la transformation en oxyde de carbone du bioxyde de carbone éventuellement contenu dans les gaz résiduaires.
Par là, la réaction de la vapeur d'eau provoque dans une certaine mesure avec les particules de noir de fumée un rongeage de la surface des particules et ainsi une activa- tion désirable du noir de fumée formé.
Par l'introduction de vapeur d'eau, on arrive à ce que les gaz résiduaires s'enrichissent à la fois en oxyde de carbone et en hydrogène et s'obtiennent en une composition qui permette de les utiliser pour diffé- rents usages. On peut, par exemple, utiliser ce mélange de gaz comme gaz de synthèse, mais aussi pour la vaporisation des hydrocarbones liquides et en- fin même comme gaz combustible pour la production de noir de fumée. Il y a donc pour l'ensemble du procédé de production de noir de fumée, grâce à l'ob- tention de gaz résiduaires utilisables, une amélioration appréciable de la rentabilité, en particulier lorsque le mélange de gaz résiduaires qui s'est formé est ramené en circuit après précipitation du noir de fumée et des élé- ments condensables, surtout de l'eau.
Pour stabiliser l'équilibre gaz à l'eau établi et empêcher la formation en retour de bioxyde de carbone même selon l'équilibre Boudouard dans le sens 2 CO#CO2 + C, il convient de soumettre les produits de réaction, par injection d'eau, avant qu'ils quittent la zone de réaction pro- prement dite, à un refroidissement rapide qui ne peut toutefois être poussé qu'à des températures qui soient encore supérieures au point de rosée du mé- lange de gaz.
Pour autant que le procédé qui fait l'objet de l'invention soit appliqué en une chambre de combustion dont les parois soient en une matière qui réfléchit bien la chaleur rayonnante, particulièrement en céramique, il peut se produire une calcination de noir de fumée formé, calcination qui con- duit à une diminution de la teneur en empyreume. Il est toutefois recommanda- ble en cela de prévoir la zone de calcination entre la flamme proprement di- te et l'endroit où est introduite la vapeur d'eau qui doit servir à enrichir en oxyde de carbone et en hydrogène les gaz résiduaires.
On peut employer comme matière de départ pour la fabrication de noir de fumée suivant le procédé qui fait l'objet de l'invention, des hy- drocarbones qui, dans les conditions normales, sont gazeux ou aussi liquides et facilement vaporisables. En général, la teneur de semblables hydrocarbu- res liquides en éléments non distillables ne doit pas dépasser 8 %, de pré- férence elle ne doit toutefois pas dépasser 6 %. Dans le cadre de la présen- te invention, entrent, entr'autres, en ligne de compte des mélanges d'huiles anthracéniques et de résidus d'anthracène, la naphtaline, les huiles à cir- culation aromatiques provenant du raffinage des huiles.
Pour une exécution efficace du procédé qui fait l'objet de l'in- vention, les gaz combustibles ajoutés doivent avoir un pouvoir calorique d'au moins 2000 k cal, lequel aura d'ailleurs avantage à dépasser 3000 k cal. Sont en particulier utilisables l'hydrogène mais aussi certains mélanges de gaz industriels comme le gaz de ville le gaz de fours à coke ou le gaz à l'eau.
La précipitation des matières solides dispersées hors de leurs mi- lieux gazeux implique, dans beaucoup de cas, de grosses difficultés et sou- vent elle n'est possible, encore qu'incomplètement, qu'au prix de dépenses élevées en matière d'appareillage. En général, on se sert à cet effet d'in- stallations spéciales de filtrage ou on pratique la séparation et la précipi- tation des matières solides par précipitateurs électriques. Enfin, on travail- le aussi avec des cyclones et précisément pour la production de noir de fumée
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selon le procédé dit "procédé Furnace".
Outre les inconvénients ci-dessus décrits, il se présente souvent cette difficulté que la précipitation entraîne un fractionnement surtout lors- que, par exemple, comme dans la production de noir de fumée à la flamme, on utilise des chambres de précipitation dans lesquelles les particules se dépo- sent petit à petit., fractionnées selon leur poids et leur grosseur.
On obtient les mêmes résultats .-,avec une suite de plusieurs cyclo- nes et on n'arrive pas, dans tous les cas, à une précipitation complète des matières solides dispersées. Dans la plupart des cas, il est à peine possible d'arriver, sans mélange ultérieur, à des produits .homogènes.
Suivant l'invention, il a été trouvé quon peut pratiquer de façon très simple tout en obtenant un produit homogène, la précipitation de matières solides dispersées dans les gaz en tout ou en partie sous forme colloïdale, en donnant aux matières solides l'occasion de se coaguler d'abord sur un long parcours et en veillant à ce que les particules qui se coagulent progressive- ment ne se déposent pas mais restent en suspension pratiquement jusqu'à ce que prenne fin le phénomène de coagulation. C'est pourquoi, selon l'invention, les gaz contenant les matières solides sont amenés, fortement remués, vers la chambre de coagulation.
Le remous imprimé aux gaz peut être le fait d'un courant fort et, en particulier, turbulent; les gaz peuvent toutefois être soumis aussi à un mouvement tourbillonnant qui, lui aussi, provoque de fré- quents chocs entre particules de matières solides. Après la coagulation se fait la précipitation proprement dite des particules coagulées, précipitation que 1-'on pratique, de façon connue, au moyen de filtres, cyclones ou précipi- tateurs électriques.
Un avantage essentiel de la façon de procéder qui fait 1-*objet de l'invention réside dans le fait qu'on peut employer aussi, comme organe de précipitation, des cyclones uniquement car, étant donné la coagulation prévue, les précipitateurs proprement dits n'agissent plus que comme tels et ne sont plus,comme précédemment, chargés encore du travail de coagulation.
Comme indiqué déjà, il faut, dans l'exécution du procédé qui fait 1-'objet de l'invention, que les particules coagulées au début, respectivement les particules passées de l'état aérosol à l'état aérogel restent en suspension et servent, dans une certaine mesure, d'amorce ou de noyau de con- densation pour la séparation ultérieure du gaz des particules non encore coagulées. Dans le cas de dispersions colloïdales, le passage complet à la forme gel doit donc se faire en présence de particules déjà coagulées.
Pour pouvoir provoquer la coagulation sur un parcours aussi long que possible, les gaz contenant les matières solides, le cas échéant sous forme d'aérosol, sont amenés à tourbillonner dans des chambres spacieuses ou avantageusement conduits à travers des chambres dont la longueur est plusieurs fois plus grande que le diamètre. Conviennent particulièrement à cet effet de longs tubes ou longs canaux qui sont soit conçus de telle sorte soit pourvus de dispositifs tels que le courant de gaz peut y être plusieurs fois dévié. On peut arriver à ce résultat au moyen de tôles de guidage ou de tôles de renvoi ou, ce qui est particulièrement avantageux, au moyen-de tubes courbes ou en forme d'épingle à cheveux ou sinueux.
Il s'est avéré que la vitesse à laquelle les gaz contenant les ma- tières solides sous forme finement divisée ou colloïdale parcourent les chambres de coagulation doit être au moins de 10 mètres/seconde et, ce qui est avantageux, comporter morne plus de 18 mètres/seconde, par exemple 20 à 25 mè- tres/seconde, pour éviter efficacement le dépôt des particules d'abord coagulées et maintenir celles-ci en suspension, avec certitude, pendant tout le phénomène de coagulationo
Lorsque les gaz ou mélanges de gaz contenant les matières solides renferment des particules facilement condensables, il est essentiel de maintenir la température des chambres de coagulation au-dessus de celle du point de rosée du gaz ou mélange de gaz en présence.
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Quand on emploie plusieurs appareils de précipitation, par exemple des cyclones, pour la séparation des matières solides coagulées, on peut, si la chose s'avère nécessaire pour des considérations d'encombrement ou autres, disposer aussi entre les divers cyclones des voies de coagulation et diviser ainsi la chambre de coagulation totale nécessaire.
Le procédé qui fait l'objet de l'invention est applicable dans tous les cas où il y a lieu de précipiter hors des gaz, des matières solides finement diviséeso REVENDICATIONS.
1) Procédé pour précipiter hors des gaz, des matières solides, particulièrement lors de la fabrication de noir de fumée à partir d'hydrocarbones gazeux ou sous forme de vapeurs en présence d'oxygène ou de mélanges de gaz contenant de l'oxygène et, le cas échéant, de gaz combustibles de préférence contenant de l'bydrogène, caractérisé par le fait que les composants de réaction sont mélangés de façon homogène puis amenés ensemble à transformation dans une flamme
2) Procédé pour précipiter hors des gaz, des matières solides, en tout ou en partie sous forme colloïdale, caractérisé par le fait que les gaz qui contiennent la matière solide sont conduits en un courant et/ou tourbillon fort, en particulier turbulent, à travers des chambres dont la longueur est plusieurs fois plus grande que le diamètre,
les particules déjà coagulées étant maintenues en suspension pendant pratiquement tout le phénomène de coagulation et la précipitation proprement dite des matières solides coagulées se faisant d'une manière connue, par exemple au moyen de cyclones, précipitateurs électriques ou filtres.
3) Procédé suivant les revendications 1 et 2, particulièrement lors de la fabrication de noir de fumée, caractérisé par le fait qu'on em- ploie, en quantité au moins suffisante pour la combustion complète de la proportion d'hydrogène du gaz combustible, de l'oxygène comme tel ou sous forme de mélanges de gaz.
4) Procédé suivant les revendications 2 et 3, particulièrement lors de la fabrication de noir de fumée, caractérisé par le fait que le mélange de gaz à transformer contient, en plus d'hydrocarbones gazeux ou sous forme de vapeurs et, le cas échéant, de gaz combustibles, de l'oxygène exclusivement.