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L'invention concerne un procédé pour la production, sans faire usage de catalyseurs, de gaz de synthèse (oxyde de carbone + oxygène) par la combustion partielle avec l'oxygène d'nydro- carbures aliphatiques gazeux concentrés, par exemple du méthane, ainsi qu'un brûleur pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Le brevet italien N 446.318 de la même demanderesse décrit un procédé pour la production de gaz de synthèse à partir d'hydro- carbures aliphatiques gazeux et d'oxygène, dans lequel on fait réagir les hydrocarbures avec l'oxygène dans une première phase, en imprimant un mouvement de tourbillonnement à la masse gazeuse, et ensuite, dans une deuxième phase, on fait réagir les produits
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de réaction de la première phase, exclusivement aux dépens de la chaleur engendrée dans celle-ci, en présence de catalyseurs connus en soi, avec la caractéristique .que les hydrocarbures 'et l'oxygène sont, introduits ensemble dans le four de combustion, à l'aide d'ajutages communs, ou de brûleurs, si bien que déjà par suite de cette manière d'introduction,
on produit un tourbil- lonnement énergique des gaz introduits. Cette méthode d'introduc- tion dans le four de réaction, où la première phase a lieu, ce four étant contigu à une chambre de catalyse où la deuxième phase s'effectue, permet d'opérer, à la différence des tentatives pré- cédentes connues, avec des gaz (hydrocarbures et oxygène) prati- quement purs, c'est-à-dire non dilués, sans formation de noir de fumée.
La formation de noir de fumée et la transformation incom- plète dû méthane sont, en effet, les difficultés principales aux- quelles se sont heurtées jusqu'à présent toutes les tentatives d'appliquer industriellement les réactions connues en soi (re- présentées dans le cas du méthane par les équations suivantes), en utilisant des hydrocarbures pratiquement purs (95-100%) ou ne contenant pas de gaz inertes ou de vapeur. lère phase (exothermique).
(I) 2CH4 + O2 = 2CO + 4H2 (II) CH4 + 202 = CO2 + 2H2O phase (endothermique, aux dépens de la première).
(III) CH4 + H2O = CO + 3H2 (IV) CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
On a maintenant trouvé, et cela forme l'objet de la présent invention, un perfectionnement de ce procédé, qui permet d'une manière surprenante d'opérer sans catalyseur, ainsi que d'éli miner la formation de noir de fumée.
et de réduire à une quantité négligeable la présence de méthane dans le produit (de l'ordre d 0,2 % en volume) et qui représente ainsi un progrès technique
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remarquable, sans compter l'avantage de pouvoir opérer avec une chambre de réaction ou un four de volume réduit, tout en présen- tant aussi l'avantage de pouvoir opérer à des températures éton- namment basses, c'est-à-dire d'environ 90000, toujours en utili- sant des hydrocarbures pratiquement purs à 95-100%, c'est-à-dire ne contenant pas de gaz inertes ou de vapeur.
La présente invention a, en outre, pour objet un dispositif perfectionné, et plus particulièrement un brûleur perfectionné à prémélange, utile pour réaliser le procédé en question.
Le procédé selon la présente invention est caractérisa essentiellement par un prémélange tout à fait intime, toujours hors de la chambre de réaction, par exemple de CH4 et 02' obtenu par la rencontre des courants gazeux, de sorte que les composantes efficaces des énergies cinétiques des deux gaz, c'est-à-dire les quote-parts des énergies cinétiques des débits gazeux se rappor- tant aux composantes de direction opposée des vitesses des deux gaz de réaction, soient égales et de préférence de l'ordre de 100-200 kg/Nm3 de CH4 ou des valeurs correspondantes, selon la formule e = mv2/2, si l'on utilise un autre hydrocarbure gazeux à la place du méthane. Sur ce principe se base aussi la construc- tion des brûleurs selon l'invention.
Ces brûleurs, étudiés parti- culièrement pour un fonctionnement à la pression atmosphérique, permettent d'obtenir les résultats de mélange parfait mentionnés, avec des valours négligeables, des pertes de charge de l'ordre de 500 Kg/m2.
Le mélange gazeux, se composant de Co, H2, CO2 et H2O, ave c des teneurs en CH4 résiduaire de l'ordre de 0,2 % vol. et sans noir de fumée, obtenu par ce procédé, a un rapport H2/CO d'envi- ron 2, et une teneur en CO2 qui peut être aussi de l'ordre de 1 % vol., et il peut être utilisé directement pour la production de méthanol ou de produits dérivant de la synthèse Fischer-Tropsh, sans qu'il soit nécessaire de le traiter dans un deuxième réacteur.
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Comme on le sait, un deuxième réacteur est toujours néces- saire pour la conversion du CO en hydrogène, ce cas se présentant dans l'utilisation du mélange gazeux pour la synthèse de l'ammo- niac;dans le deuxième réacteur, la réaction suivante a lieu :
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. - 0 2. + Ha (v) .
Comme mentionné ci-dessus, la possibilité d'obtenir, sans catalyseur et sans addition de vapeur, un mélange de gaz constitué d'une façon prédominante par du C0 + H2, avec des teneurs en CH4 de l'ordre de 0,2 % vol., sans formation de noir de fumée, par une combustion partielle avec de l'oxygène en utilisant des hydrocarbures satures (par exemple CH4)à l'état pratiquement pur (95-100% vol.), c'est-à-dire non dilués avec des gaz inertes ou de la vapeur et en opérant environ à 900 C, représente un fait absolument nouveau et surprenant, même par rapport au procédé du
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déjà ,-eja brevet italien N 446.318/mentionné, qui pourtant représentait déjà un fait nouveau et surprenant par rapport à l'état antérieur de la technique, comme déjà signalé ci-dessus.
Selon la présente invention, les deux gaz de réaction sont mélangés au préalable et introduits dans le four de réaction . à l'aide d'un ou plusieurs buûleurs, chacun se composant d'un mélangeur et d'un tuyau de sortie, Selon l'invention, le mélange doit résulter de la rencontre des deux courants gazeux et la di- rection des deux courants doit pouvoir assurer une valeur élevée de la composante de la vitesse utile pour la rencontre et aussi .pour la pénétration réciproque des courants,
En outre, on doit obtenir deux courants extrêmement minces, si bien qu'il soit possible d'atteindre une composition microsco- piquement uniforme du courant mélangé, pendant le temps de passage à travers le mélangeur-brûleur.
A l'aide de brûleurs pourvus de prémelangeurs expérimentaux pourvus d'éléments de construction variables (sections de sortie,
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etc..), on a étudie systématiquement l'influence qu'exercent sur le mélange les facteurs suivants : la vitesse (facteur cinétique), l'épaisseur et l'angle des deux courants gazeux croisés des gaz de réaction CH4 et 02 On a étudié en outre un mélangeur dans le- quel le mêlant des deux gaz est obtenu par opposition des deux courants gazeux tournant en sens inverse. Dans ce mélangeur, à l'aide d'une spirale, on imprime au début au courant d'hydrocar- bure (méthane) un mouvement de rotation, qui est ensuite arrête graduellement par l'injection en sens inverse de nombreux jets d'oxygène, sortant de trous dont l'axe est incliné, ménages dans la paroi du tuyau intérieur.
Si l'opposition entre les deux courants est parfaite, le mélange sort de la chambre sans mouvements prédominants @ de rotation. Le tuyau de sortie a la fonction de tranquilliser le .courant mélange, en ren- dant les courants partiels parallèles entre eux et à l'axe du tuyau, dans le but d'obtenir que la flamme se détache facilement et régulièrement et d'en empêcher des retours. On a ainsi trouvé que les éléments caractéristiques de l'efficacité du mélange sont, soit la valeur de la composante tangentielle de l'énergie pour les deux courants (énergie de rotation), soit 3 le temps de séjour du mélange dans le brûleur; au-delà d'une certaine limite de cette énergie, le deuxième élément devient prédominant sur le premier.
Sur la base de ces recherches, on a trouvé que par des. brûleurs réalisant le principe de prémélange exposé ci-dessus, et par des composantes efficaces des énergies cinétiques comme indique plus haut, on obtient le résultat désiré. @
La construction des brûleurs à prémélange suivant la pré- sente invention est illustrée schématiquement, à simple titre démonstratif et non limitatif, dans le dessin ci-annexé, dans lequel : la figure 1 représente, en,section longitudinale, une forme de réalisation d'un brûleur (tuyau de sortie) selon l'invention,
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et les figures 9 et 2' représentent deux coupes transversales, suivant les lignes correspondantes AA et BB de la fig. 1; la fig. 3 représente une forme de réalisation d'un premélangeur à courants croisés :
selon l'invention, tandis que la fig. 4 représente la coupe partielle selon la ligne AA de la fig. 3; la fig. 5 représente une vue en coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation du prémélangeur, à courants tournants, se- lon l'invention, dont la fig. 6 montre une coupe transversale selon la ligne AA de la fig. 5.
Le mélangeur selon les figures 3 et 5. respectivement est destiné à être appliqué au brûleur ou au tuyau de sortie de la f ig. 1.
Selon le dessin, le brûleur de la fig. 1 est constitué essentiellement d'un tuyau de sortie proprement dit, désigné par 1, qui peut être réuni par la bride 4 à la bride correspondante 2' du premelangeur (voir figures 3 et 5) d'où le mélange d'hydrocar- bure (par exemple méthane) et oxygène entre dans ce tuyau, dans le sens de la flèche dessinée.
Le tuyau 1 est pourvu, dans le premier tronçon d'un raccord latéral 3 et d'une bridqde sûreté 4, et à l'interieur il est divisé en chambres longitudinales de sortie par un cloisonnement b, par exemple comme représenté en coupe A-A (fig. ), tandis que dans un deuxième tronçon il y a un cloisonne- ment 6, lequel n'occupe toutefois pas toute la longueur du tron- çon et dont les diaphragmes sont déplacés par rapport à ceux du cloisonnement 5, comme représenté dans la coupe B-B (fig. 2').
Comme la figure l'indique clairement, le tuyau 1 est refroidi par une double chemise d'eau 7, l'entrée 8 et la sorie 9 pour l'eau de refroidissement étant disposées de manière à faire circuler celle- ci dans les deux sens et des deux côtés du diaphragme 10-
La figure 3 représente un mélangeur dans lequel les gaz de réaction, 02 et par exemple CH4, entrent respectivement par les deux embouchures évasées 11 et 12 raccordées au moyen des raccords
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13 et 14 aux deux tuyaux 15 et 16 situés en face l'un de-l'au- tre.
A travers les extrémités de ces deux tuyaux, lesdits gaz en- trent dans une chambre de mélange annulaire, delimitée par le man- chon 17, qui présente une rainure annulaire 18, et par le corps obturateur à double cône 19 en acier inoxydable, réglable au moyen d'une manette graduée pour varier les sections d'entrée de l'oxygène et par exemple du méthane respective ment, et par consé- quent la vitesse, l'épaisseur et l'angle de rencontre des deux courants gazeux, c'est-à-dire les composantes efficaces de l'éner- gie cinétique des courants gazeux, comme dit plus haut.
La pièce
19, en déviant les deux jets provenant- de deux conduites alignées et opposées 11-13"15 et 12-14-16, d'oxygène et de méthane res- pectivement, dans une conduite unique annulaire périphérique, pro- duit des composantes axiales opposées notables ; lesgaz mélangés passent dans le tuyau de sortie 1 (voir fig. 1) du brûleur à tra- vers le raccord 21, attaché au manchon 17.
Un autre type de mélangeur est représenté dans la fig.5, et il est constitué par un tuyau rectiligne d'entrée 22 pour le gaz à brûler, par exemple duméthane. Dans le, tuyau se trouve un corps ou noyau hélicoïdal 23 en acier inoxydable qui imprime une rotation hélicoïdale au courant de ce gaz, avec une vitesse plutôt élevée dans le plan tangentiel.
Le tuyau est pourvu d'un prolon gement avec une paroi 24 qui est perforée, sur des circonféren- ces successives, par une série de trous 25 distribués uniformé- ment le long de la paroi du tronçon de tuyau et ayant une incli- naison dans les'plans tangentiel et radial (pour favoriser un mélange énergique des deux gaz), à travers lesquels on insuffle tangentiellement l'oxygène qui arrive de 26 dans la chemise 27, de aorte que les composantes tangentielles des vitesses des deux gaz sont dirigées en sens contraire et que celles de l'un neutrali. sent le courant de l'autre gaz. Il est évident que même cette cons- truction de mélangeur permet de contrôler les facteurs reconnus
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essentiels pour la présente invention.
Comme déjà dit, le mélange entre dans le tuyau de sortie 1 (fig. 1) avec un mouvement prati- quement exempt de turbulence, comme il le faut pour avoir au bout du tuyau de sortie une flamme régulière. Ces types de mélan- geurs ont été expérimentés avec des vitesses variables entre 20 et 120 m/sec. (types de la fig. 3) et de 15 à 100 m/sec, (type de la fig. 5) et les pertes de charge ont été de 475 Kg/m2.
Pour donner une idée des dimensions à adopter, par exemple pour un débit de 300 Nm3/h de CH4' il suffira de dire que dans le mélangeur du type de la fig. 3, la section d'ensemble de passage des deux gaz sera par exemple de l'ordre d'environ 0,0015 m2 (en déplaçant l'obturateur 19, le rapport entre les sections de passage du CH4 et du O2 varie, mais la somme de ces sections ne varie pas); l'obturateur pourra avoir par exemple un angle de
55 à la base du cône. Avec un mélangeur du type de la fig. 5, de mélange le volume de la chambre/entrela première et la dernière circonfé- rence trouee pourra être par exemple environ 900-1750 cm3, les trous pourront avoir un diamètre de par exemple 4-5 mm et leur nombre total par exemple 40-80.
Le temps de séjour des gaz dans le brûleur pourra être d'en- viron 0,012 sec., et pour un débit de 300 Nm3/h de CH4 on aura * un débit d'environ 230 Nm3/h d'oxygène..
En général on peut dire que le rapport 02/CH4 sera pratique- ment compris entre 0,5 et 0,8 avec un rapport 02/CH4 de par exemple 0,72, dans lequel cas on n'a pas de production de noir de fumée; l'équation stoechiométrique pourra être résumée comme suit:
CH4 + 0,72 02 = 0,90 CO + 1,66 H2 + 0,10 CO2 + 0,34 H2O outre de petites quantités de CH4residuaire qui, comme on le sait, vol. sont de l'ordre de grandeur de 0,2 % par rapport au gaz sec. Dans ces conditions, la quantité de vapeur formée dans le gaz produit est environ égale à 10 % vol. Cette valeur tend à diminuer lors- qu'on marche avec un rapport 02/CH4 inférieur à 0,72.
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Le procédé décrit est réalisé à pression atmosphérique, mais on peut tout simplement l'appliquer aussi aux pressions plus élevées, auxquelles le gaz naturel est disponible, avec une dimi- nution remarquable des consommations d'énergie dans les synthèses de l'ammoniaque et du méthanol.