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"Procédé et appareil pour la transformation d'hydrocarbures sensiblement saturés en hydrocarbures non saturés".
La présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour la transformation d'hydrocarbures sensiblement saturés en hydrocarbures non saturés par pyrolyse ou cracking.. L'appareil que prévoit l'invention est étudié de façon à brûler dans des
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conditions stables des mélanges dl-hydrocarbures si pauvres ou si riches ou contenant aes proportionâ si grana*s ae diluants ou bien animés. d'un mouvement à vitesse si grande que la com- bustion dans les conditions normales soit instable ou itapossi- ble.
Dans les procédés de production d'hydrocarbures non satu- rés par combustion partielle et refroidissement tels qu'ils sont couramment appliqués, l'hydrocarbure et l'oxydant sont chauffés de combustion
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au préalable, metlangés à l'avance et envoyés dans une chambre/a travers une grille formée' d'un --and nômbre d'orifices dont cha- Lez ' sta'bilis iées sur les pour- cun a un 'petitdiamètre. Les flammes stabilisées sur les pour- tours de sortie de ces orifices ont nécessairement une faible
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longueur de sorte qu'il a ,si7ni"ce saireen princ.ip0j,de prévoir une chambre de com'6uation;( dant le diamètre s,oit nettement plus i ' F . , t ' gra2d que sa longueur. S.
I"on essaie d'envoyer les produits de ,> > , . j la ouibustio 'dans une tub,.re à¯.,g,àzf la grande surface de la gril.e néceitâit' la >à'un collecteur des produits de , .j.:'Î ...... , . ' combustion capable ''de. rassembler oe's. derniers, et ce collecteur damleàit lisu au point' d vue de l .eorstruotiona des diffi- cultes et. fendrait en outre a'; prolonger la temps pendant lequel les produits de la combustion.se trouvent à une température élevée.
L'appareil perfectionné que prévoit l'invention pour la combustion-d'un mélange d'un combustible gazeux ou vaporisé ou pulvérisé avec un gaz oxydant comprend une chambre de combustion ayant une longueur relativement grande par rapport à sa dimen- sion transversale et pourvue d'un orifice d'entrée du mélangea
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à une etréa.té àt d'un orifice de sortie des produits de la corabustlon,,à l'autre extrémité, et un dispositif de stabilisation de la fla±me disposa dans cette chambre de combustion danJ.e tra- jet du mélange de combustion qui s'écoule à travers elle.
Ce dispositif de stabilisation de la flamme peut être une chicane
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disposée da manière à fn4roliser un écoulement turbulerlt,conbe, par exèmple,,un esne aisros- de façon que son axe soit parallèle à l'axe longitudinal de la chambre de combustion. Suivant un constituées
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mode tie réalisation de l'ajareil, plusieurs cb.icanesaar exer,x- ple par des tiges sont disposées dans un pian transversal à l'a- xe longitudinal de la chambre de combustion. Une source active
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de chaleur acnstituée par exemple par un Drûleur à veilleuse où l'il métallique chauffe électriquement et placée dans la chambre
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de coabustio4 peut également être employée.
On sait qu'un t,aux élevé d dégaeent de chaleur par unité de volume peut' être obtenu par la combustion cyclique d'un com-
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préalablement' bustible gazeux/mélange dans un oxydant, la combustion se dérou- lant dans une.installation:
comprenant une chambre de combustion
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de longueur nettement supérieure a.'son iàiaulétte quand le oombus- tible gazeux est utilisé le(on une proportion (par rapport à la
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qua bi-bé 3'oxydant) égale) ou iini'C,r.iéirr à la proportion stocchio- m3tr'que et quend 1&. cnmpre is combustion'comporte un orifice de sdrtie (le",S,Prod-uits (le 001,ibustio,i-1 déboutant dans l'atmosphère environnante, $fin que le I)PO'esSU8 '(le combustion se déroule en principe ',la pression atmosphérique.' Une pareille chambre de combustion peut être constituée par :
un tube à garnissage réfrac- taire dans lequel les réactifs' préalablement mélangés sont intro- duits par une section d'admission affectant la forme d'un ou plusieurs canaux de petit diamètre dans lesquels la vitesse du gaz est supérieure à la vitesse de la propagation de la flamme
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dans la Mélange, Le combustion aans 1& cnambre peut, moyennant convenable un réglage/des conditions opératoires, être astreinte à se dérou- ler par cycle, les réactifs non brûlés descendant par le tube pen-
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dant un cycle et étant e:
¯l'lia.s lorsqu'ils se mélangent aux pro- duits de combustion chauds provenant du cycle précédent, la flam- me se propageant ensuite'rapiaonent en remontant le tune jusqu'à ou qu'elle s' 4teié dans la section d'admission en perinattant de
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nouveaux réactifs non brûlas de descendre dans le tube pour @@@@
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en±laà1=zJs ooe 7eiit. La fréquence ayelicue dÎpenL- de ==¯ composition du .,.1 a.aa de réactifs irtroauits, de leur teDapéz.at-i= -re et de leur pression, des dimensions de la cir:.bze di cobus't- et aussi du dessin de la section d'admission de l'appareil.
Les recherches qui on conduit à la présente inventiez ont
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permis de constater que9 'ie- qu'une combustion cyclique dans 1.< appareils de ce 9--en",connus jusqu'à présent soit diffidie à réa- liser quand le râr.,3ort ces réactifs est sensiblement différent le la proportion stoechiométrique, la combustion eycliquet dans ces conditions, s'amorce ais'ent et est maintenue dans l'app-.il tel que le prévoit l'invention.
Une particularité.de l'invention réside dans ce fait que le
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dispositif de stabilisation âe la.fl.rj.e cOifiprend une tuyère combustiblepropre à injdéter uu jet de combustible dans la cheur- megt bre parallèle/a poà axe longitudinal, un 5leùient'à'obstructiGn disposa dans le trajet du jet afin-d'étaler le coubuatible sous la forme d'une, nappe mince, et un distributeur faisant arriver
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de iluir ou de l'oxygène dlns le voisinage de cet élément d'ob- struction,par exeifiple à la Jlince nappe de combustible en vae d'=;,#-- surer sa combustion àt de réaliser une région de température elo-. vae dans la ch,;4ubre de coûbustion pour stabiliser la combustion du mélange qui a été mélangé au préalable.
La tuyère peut être dirigée en principe suivant l'axe soit vers l'amont, soit vers l'aval. Avec des chambres de,combustion de ce type, on éprou- ve une certaine difficulté pour utiliser un brûleur à veilleu- sa du type classique de façon telle que sa flamme demeure stable
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au cours du fonctionnement quand la vitesse d'4evüleerW .u gaz est élevée, Au contraire, l'appareil que prévoit l'invention est
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capable d'assurer un fonctionnement staole dans les eireoz;:ts 1- Es cui Vendent d'être indiquées.
Suivant une dispositixm co-ù,oeo4e, l' orne distributeur e.
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constmtué par un\tube disposé coaxialement la tuyère de jail- lissement du combustible afin de méncger un crifice angulaire de passage de 1,1,air au de l'oxygène. Mais d'autres dispositions peuvent être adoptées si désiré.
Ainsi, par exemple, l'élément d'obstruction peut être poreux et les gaz oxydants peuvent le traverser pour produire un effet de refroidissement contrecarrant le ressuage.. Cet effet peut être produit dans d'autres parties de ]!appareil, par exemple dans un support de l'élément d'obstrue- , tion en le constituant à l'aide d'un matériau poreux et en/faisant passer le conbustible au l'oxydant (comburant).
Si la vitesse d'écoulement du gaz à travers la chambre de combustion risque d'être très élevée, il est commode de prévoir une stabilisation la de la flamme pour/soustraire à la déformation;en disposant le distributeur de façon à faire arriver.l'air ou l'oxygène des deux côtés de la mince nappe de combustible. Un effet analogue peut être obtenu dans le cas où la tuyère et le distributeur sont dirigés vers l'amont moyennant.un réglage précis de la vitesse d'écoulement de l'ai ou de l'oxygène.
A titre de variante, l'é- lément d'obstruction' peut avoir des dimensions suffisamment gran- des pour supporter la totalité de la.mince nappe de combustible sur sa surface, afin de réaliser un support ménanique de la flam- me résultante et de la soustraire la déformation. Dans ce der- nier cas, l'élément d'obstuction se comporte à la manière d'une chicane'fortement et suffisamment chauffée que heurte le mélange combustible.
11 convient de se rendre compte de cefait que le combusti- ble introduit par la tuyère de jaillissement du dispositif de stabilisation paut, bien que ceci ne soit pas nécessaire,-être identique au combustible qui arrive par l'orifice d'admission du mélange de la chambre. Ainsi, par exemple, il est avantageux d'employer de 1'hydrogène comme combustible d'alimenttion du dis- positif de stabilisation à cause de la température très élevée
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qu'il produit en brûent dans l'oxygène et en raison du fait que la,vapeur engendrée est un diluant inerte qui peut être aisément condensé- à partir des produits de combustion.
L'invention englobe la construction d'un appareil du type susindiqué sous une forme se prêtant à la production d'acéty- lène ou d'autres hydrocarbures non saturés (parmi lesquels on peut mentionner l'éthylèbe) en partant d'un combustble hydrocarbure et en utilisant la chaleur de combustion du combustible dans l'air et (ou) dans l'oxygène pour favoriset la pyrolyse et (ou) le crac- king d'un excès du combustible et en soumettant le produit ga- zeux résultant à un refroidissement suffisamment rapide jusqu'à une température à laquelle les hydrocarbures non saturés sont stables (le plus souvent inférieure à 200 0) de façon à produire un mélange refroidi contenant une proportion notable de ces com- posés.
Dans un pareil procédé, l'instabilité intrinsèque de la lieu combustion du mélange riche en combustible a donné/dans le pas- sé à des difficultés graves. Mais une chambre de combustion du type prévu par l'invention est éminemment appropriée à son em- ploi dans des procédés de ce genre. d'est ainsi que l'orifice de sortie des produite de combustion peut communiquer avec un dispositif de refroidissement capable'de soumettre ces produits au refroidissement.rapide qui est nécessaire. Suivant une disposi- tion à adopter de(. préférence, le dispositif de refroidissement est constitué par une turbine à gaz dans laquelle les produits de combustion peutent se détendre par voie adiabatique en produi- sant un travail utile.
L'utilisation d'une turbine à gaz pour assurer le refroidissement rapide de ces gaz chauds est d'ailleurs décrite dans le brevet belge n 498,503 déposé le 4 octobre 1950.
Un retour de flamme dans la tubulure d'admission à partir de la chambre de combustion peut être empêché non seulement en s'assu- rant que la vitesse d'écoulement du mélange de gaz dans la tubu- lure d'admission est supérieure à la vitesse de'propagation de la flamme dans le mélange mais également en plaçant un intercepteur
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de flamme convenable dans l'embouchure de l'orifice d'admission pour empêcher le passage de la flamme vers l'amont, auqeul cas' ' la vitesse d'écoulement dans la tubulure d'admission n'a pa be- soin d'être supérieure à la vitesse de la propagation de la flamme.
Le procédé peut être amorcé par n'importe quel moyen connu, notamment par.un allumage provoqué par une étincelle ou bien par d'une flamme une bougie à incandescence ou par le reflux délibéré/.initialement ,stabilisée vers un orifice de sortie du système, cet orifice de sortie pouvant être le conduit d'échappement normal ou bien un
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autre orifice supplémentaire ne servant que p9ur l'inflammation , ' de, manière
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et étudie, a, pouvoir âtre ensuite obture*,, <"' 'Le rondement en acétylène obtenu par,la réaction de pyro- lyse l'et ('ou) 'de cracking es,f"o,n,cti,on d; , térap , e séjour du mélan go dp. réaction;.dans ala , ahé.rabvé cq., combustion f3..1a haute tempéra- , 'la , .
F,, I4 , ,y ,, ,,, haute' tempera- ture 1 en questi'on..' Le temp; ;.'''é,ou ;cotrsp nd,,nit ' différen- ' ., , i; < , , < , j< ,, <j,,< , ' , . tes'''expériences'peut être" exprimé siz',ne''b,a' a relative comme 'étant' le 'temps ,t,ue'rnetl.p ,'r.éïàrrt.lg,e'poür,',t'vé' e ,'1,'.ch.,.iblxe de oombu'stion.quand'il'se trouve â le x',s,sidn à température ',Y gué..
Au: cours -li-l!t une', expérience utilisant.une.chambre .,"''" \ < .j '< cLe.ccmbustion cylihdribue 'dont le diamètre'par rapport à, la lon- gueur représentait une relation de'' 2 : 9, on à constaté, qu'un temps de'se jour égal à 30 millisecondes environ assurait'un ren- . dément optimim à partir d'un aiélange de 1 : 6 parti ey0.n volume de méthane par une partie en volume d'oxygène. 'Une réduction considérable du rendement est obtenue avec'ce même type de com-
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bustion si le temps de séjour est inférieur'a'il5 millisecondes ou supérieur à 40 millisecondes.
Ce tube de combustion donne
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des rssulta-ts du meme ordre sous une pression Supérieure de 0,7kg par centimètre carré à la pression atmosphérique et un
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fonctir:ent stable avec m processus de combustion cyclique entretenr et un rendement appréciable en acétylène (5% ou davan-
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tage) peuvent être obtenus sous des pressions plus élevées (s'élevant jusqu'à 5 atmosphères au moins) taxis avec-un temps de ré séjour réduit.
Un chauffage préalable. du mélange qui pénètre dans lrappareil se traduit également par une influence nettement -favorable sur le rendement surtout lorsque le fonctionnement.se déroule sous pression.
L'invention sera d'ailleurs mieux comprise à la lecture de la suite de 'cette description cui a trait à divers modes de réa- sation de 1''appareil comme représenté par les dessins annexes. dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un appa- reil conçu en vue de fonctionne? avec un 'écoulement de gaz à grande vitesse.
La figure 2/est'.une vue en'coupe longitudinale d'un appa- reil destiné à fonctionner avec'un 'écoulement de gaz relative- ment lent.
La figure 3 est une vue schématique d'une. simple chicane.
La figure 4 est une vue. schématique d'une chicane conique.
La figure 5 est une vue' .schématique d'un cône plein formant chicane.
Dans l'appareil que montre la figure 1, une chambre de on- bustion,constituée par un conduit cylindrique 1, à paroi en pro- duit déramdique,capable d'assurer l'écoulement d'un mélange con- bustible à grande vitesse, passant depuis l'embouchure A, où le conduit a un diamètre réduit pour.former un orifice d'admission, jusqu'à l'embouchure de sortie B est munie d'une traverse en ma- tériau réfractaire 2,pourvue, selon l'axe longitudia 1 du con- duit, d'une.saillie cylindrique 3 faisant office d'élément d'ob- struction contre lequel peut être projeté un jet de combustible hydrocarbure jaillissant d'une tuyère axiale 4 alimentée de l'ex- térieur du conduit par un conduit 5.
Des tubes 6 et 7,destinés à être alimentés en air ou en oxygène arrivant par des tuyaux 8,
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9 et 10, coopèrent respectivement avec la tuyère 4 et avec la saillie cylindrique 3 pour¯ ménager des orifices annulaires 11 et .12 qui alimentant en air ou en oxygène les deux cotes du mince disque de combustible formé par la rencontre du jet de combustible avec la saillie 3..
,;Dans 111 appareil que montree la figure 2, une chambre de combustion,affectant la forme d'un tunnel en matériau ré- fractaire 21,obturé à son embouchure d'entrée A et béant à son embuiuchure de sortie B, est munie d'une traverse 22 dont la paroi comporte une saillie cylindrique 23, dirigée axialement, qui fait office d'élément d'obstruction épanouissant le com- bustible qui arrive par un conduit 24 se terminant par une tuyère 25 afin de lui imprimer la forme d'un disque mince. Le dans un large canal 26 étranglé à son extrémité conduit 24 est monté axialement/interne pour ménager un ori- fice annulaire 27 par lequel l'air ou l'oxygène est distribué sur le disque en question.
Plusieurs orifices d'admissionqui aboutissent dans la chambre aux endroits désignés par 28 et qui se trouvent sur un cercle concentrique à la t@yèrs 25 et à l'orifice xx 27, permettent au mélange préalablement brassée en vue de sa combustion)d'arriver dans la chambre. Si désiré, des mélanges ayant des compositions différentes peuvent arriver en passant à travers différents éléments des divers orifices d'admission en vue de subir un brassage ou mixage final dans la chambre.
On conçoit question que, pour la commodité de l'exposé, la tuyère dirigée vers l'élément d'obstruction.ait été @appelés t'tuyère à combustible" et bien que le distributeur ait été d'amener défini comme ayant pour fonction/de l'air ou de l'oxygène
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à la mince nappe, les rôles de ces deux éléments de l'installa- tion peuvent être inversés, C'est ainsi que l'appareil peut fonctionner également de façon satisfaisante si de l'air ou de l'oxygène arrive à la tuyère et est étalé sous la forme d'une
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mince nappe à laquellele combustible est auené par le distri- buteur.
Suivant la disposition que montre la figure 3, il est pré- vu une chicane 29 ,,en matériau réfractaire;. montée dans le conduit
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1 qui constitue la ch--mbie de combustion et s'étendant dioea6- tralement en travers de ce conduite Cette'chicane 29, affecte la forme d'une tige ou barre pouvant avoir ,une section droite, cir- culaire, rectangulaire ou polygonale. Une seule chicane est
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représentée, loi, mais il peut en être prévu plusieurs disposées parallèlement et formant par leur. énsetblej une grille.
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Dans la dispositicii que montre .la figure 4, il est prévu une chicane conique creuse 30 montée sur des supports 31 fai- sant partie solidaire de'la paroi du conduit 1. ' Cette, chicane
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et ces'supports sont constitués par unim 1atérieu-réfractaïre. .j .' .' .. ' '
Suivant la varl ente de réalisation que montre la figure
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la chinane conique 2 triontée de même sur le$' supports 31# ;es.t
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constituée par un matériau réractaire 'plin et est disposée de soit , façon que sa base/orientée vers .llara0ont, compte tenu de ,1'écou- lement du mélange de combustion dans le conduit 1.
La base de cette chicane 32 peut constituer l'élément d'obstruction dont il a été parlé ci-avant et peut par exemple remplacer la traverse
22 et la saillie 23 décrites à propos de la figure 2. D'après les dispositions représentées par les figures 2 et 5, la traver- se 22 et la saillie 23 ou bien le support 31 et la chicane coni- ' que 32 peuvent être poreux de façon que l'oxygène moléculaire (par exemple de l'air) puisse servir à entraîner le combustible ou l'oxygène moléculaire jusqu'à la flamme formée sur l'élément d'obstruction comme mentionné 'di-avant.
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Des expériences effectuées avec l'appareil du type repré- senté par la figure 2 ont donné des résultats satisfaisants.
La majeure partie de la chambre de combustion avait une forme circulaire, un diamètre de 62mm,5 et une longueur de
125 mm. Il y avait sept orifices d'admission 28 du mélange préalablement brassé de combustible hydrocarbure et d'oxygène.
Le combustible hydrocarbure employé était un gaz ayant la compo- sition suivante : - 85% de méthane, 7,5 de bioxyde de carbone et 7,5 d'azote. Avec un écoulement horaire de 91 m3 de combus- tible hydrocarb¯uré et de 46 m3.5 environ d'oxygène à la pres- sion atmosphérique et à la température atmosphérique ou à peu près dans la chambre de combustion et avecun écoulement horaire de 8m3,5 environ de combustible hydrocarbure par la tuyère 25 et de 5m3,5 environ d'oxygène par-l'orifice 27, une combustion stable du mélange principal a pu être entretenue avec un rapport (en'volume) égal à 1,96 : 1 entre le combustible et l'oxygène.
Un rendement en acéthylène excédant 6% en volume des pro- duits de combustion secs a été obtenu.. Ceci ne représente pas nécessairement le rapport de mélange optimum qui peut être sou- mis à la réaction dans des conditions stables ni le rendement optimum en acétylène. Les gaz recueillis contenaient également de notables quantités d'hydrogène et d'oxyde de carbone dans le rapport de 2 : et pouvait trouver leur utilisation comme gaz de synthèse du cours de réactions ultérieures.
Les modalités d'excécution du procédé et les,détails de réalisation de l'appareil peuvent être modifiée, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques,
REVENDICATIONS.
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