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La présente invention concerne la fabrication de noir de carbone, et plus particulièrement un procédé de fabrication qui comporte la décomposition thermique d'hydrocarbures, en les mélangeant rapidement et unifor- mément avec un milieu gazeux portd à une température supérieure à la température à laquelle les hydrocarbures se décomposent en formant du noir de carbone.
Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique, No 2.859.663 du 17 novembre 1953, au nom de George L.
Heller, est décrit et revendique un procède du type cite
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ci-dessus, dans lequel un mélange d'un combustible et d'un gaz oxygéné, de l'air par exemple, est injecté à travers un ou plusieurs canaux de brûleurs à travers l'une des extrémités d'une chambre de réaction cylindri- que allongée, suivant une direction sensiblement tangente aux parois de celle-ci, et y est brûlé en formant un cy- clone . tourbillonnant de gaz chauds soufflés qui traver- sent la chambre longitudinalement, et les hydrocarbures à décomposer, qui seront par la suite appelés:
hydrocarbures de base, sont injectés séparément dans la masse tour- billonnante de gaz chauds, suivant une direction sensi- blement radiale, en un ou plusieurs points, en aval des canaux des brûleurs et près du pourtour du courant des gaz tourbillonnants.
La présente invention se propose en premier lieu de perfectionner des procédés du type décrit dans le brevet précité et d'augmenter ainsi sensiblement leur rendement en noir de carbone.
Un a.spect particulièrement intéressant du brevet précité, est l'utilisation de celui-ci lorsque les hydro- carbures de base sont des hydrocarbures lourds, de poids moléculaire. élevé, contenant de grandes proportions de constituants aromatiques, par exemple des fractions d'hydrocarbures lourds ou des résidus provenant du crac- king" du pétrole lors de la production de carburant.
(Quoique la présente invention convienne particulièrement à des processus dans lesquels les hydrocarbures de base sont du type ci-dessus, l'invention, sous son aspect le plus large, n'est pas limitée à cette application.
Pour obtenir un fonctionnement sans irrégulari- tés des courants gazeux soufflés tangentiels, dans des procédés de ce type, on a trouvé que le mélange combus- tible doit contenir une proportion d'oxygène telle qu'il en résulte une flamme soufflée oxydante. Lorsque des
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proportions plus réduites d'oxygène ou d'air sont uti- lisées, on risque d'avoir des 'retours de flammes" dans les canaux des brûleurs, à moins que les tuyères d'injec- tion d'hydrocarbure des brûleurs soufflés ne soient aveu- cées jusqu'à une position où elles sont sujettes à une destruction rapide par la chaleur rayonnée par la cham- bre du four.
La demanderesse a trouvé toutefois, qu'en pro- duisant une flamme sensiblement non oxydante, le rende- ment en noir de four, dans des processus comme celui qui vient d'être décrit, pouvait être sensiblement augmenté.
Il apparaît que dans des traitements de ce type, où, l'on emplois une flamme soufflée oxydante, une fraction consi- dérable des hydrocarbures de base, ou du noir de carbone résultant, est normalement brûlée et le rendement s'en trouve proportionnellement diminué.
La demanderesse a trouvé en outre que le rende- ment en noir de four pour une quantité donnée d'hydro- carbures de base, dans les traitements de ce type, dans lesquels des courants soufflés oxydants sont utilisés, peuvent être accrus de fagon notable en introduisant dans les gaz soufflés chauds, avant d'y mélanger les hydrocarbures de base, un éliminateur d'oxygène dans une proportion suffisante pour sa combiner avec l'oxy- gène actif, ou les composants oxydants des gaz soufflés, afin de réduire leur pouvoir oxydant jusqu'au-dessous du point d'équilibre dynamique, c'est-à-dire de neutra- liser la capacité d'oxydation de ces gaz aux conditions de température et de temps régnant dans le traitement particulier envisagé.
Comme éliminateur d'oxygène, on peut utiliser un gaz de fumée, chaud de préférence, contenant des propor- tions sensibles d'hydrogène, qui se combinera aveo lea composants oxydants des gaz soufflés, ou encore d'autres
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matières sous forme de gaz ou vapeur, qui se combineront avec ces composants oxydants en formant des produits de réaction gazeux qui se séparent facilement du noir de carbone. On pourrait utiliser, par exemple, à cet effet un gaz naturel bon marché,, ou d'autres hydrocarbures faible poids moléculaire, ou encore de l'hydrogène sen- siblement pur, la. ou l'on peut s'en procurer économique- ment.
Cet éliminateur d'oxygène, c'est-à-dire cet agent réducteur, est introduit dans la zone de combustion de la chambre de réaction, séparément du mélange combusti- ble, qui est injecté à travers les canaux d'injection, de telle manière qu'il se mélange intimement aux gaz soufflés oxydants avant que les constituants oxydants de ces gaz ne puissent consumer ou entrer en réaction d'une autre facon avec les hydrocarbures de base, injec- tés raidalement.
Il est généralement .avantageux de mélanger l'éli- minateur d'oxygène aux/gaz soufflés oxydants avant le mélange de ces derniers avec les hydrocarbures de base.
Toutefois, conformément à un aspect plus large de la présente invention, l'éliminateur d'oxygène peut être mélangé aux gaz soufflés en même temps que les hydrocar- bures de base, pourvu que cet éliminateur soit de telle nature que sa vitesse d'oxydation ou de combustion soit sensiblement supérieure à celle des hydrocarbures de base dans les mêmes conditions. Lorsqu'un éliminateur d'oxy- gène de ce type est utilisé, il peut être pré-mélangé avec les hydrocarbures de base, en l'utilisant, par exem- ple, comme agent de vaporisation pour ceux-ci.
Les caractéristiques de l'invention résulteront de la description qui suit, et des dessins annexée, dans lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la chambre de réaction avec des accessoire., y oompri. l'équipement de refroidissement adjacent;
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La figure 2 est une coupe latérale de la, chambre de réaction suivit la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe latérale de la chambre de réaction suivant la ligne 3-3 de la figure 1 montrant plus nettement le. disposition des tuyères d'injection des hydrocarbures de base.
En se référant aux dessins, une chambre de réac- tion cylindrique 1 dont une extrémité débouche dans un refroidisseur vortical 2. L'extrémité gauche de cette chambre de ré&ction débouche dans une chambre de combus- tion un peu plus grande le.9 dont l'extrémité d'amont est obturée par un bloc en matériaux réfractaires 3 que tra- verse axialement un tuyau 4, à travers lequel on peut al- lumer lea brûleurs et qui, lorsqu'il ne sert pas, est normalement 'fermé par un capuchon 4a.
La chambre 1 est délimitée par les parois cylin- driques 5 en matériaux hautement réfractaires, qui à leur tour sont recouverts par un second revêtement de matières réfractaires de four 6 qui délimitent également la cham- bre la. Ce garnissage réfractaire est couvert par la cou- che 7 en-matières calorifuges. S'étendant à travers les deux couches réfractaire et calorifuge formant les parois latérales du four; sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal de la. chambre, se trouvent des brûleurs d'injection 8, qui pénètrent chacun dans la chembre de combustion suivant une direction circonférentielle ou tangente, ainsi qu'il est plus visible à la figure 2.
L'appareil représenté est pourvu de deux groupes iden- tiques de ces brûleurs disposés à des distances diffé- rentes du bloc 3. On peut, lors du fonctionnement, uti- liser à volonté un seul ou lea deux groupes de brûleurs, ou bien un seul ou plusieurs brûleurs de chaque groupe.
Plus loin en aval, la chambre de four est pour- vue d'un groupe de quatre tuyères d'injection 9 d'hydro-
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carbures de base, disposées radialement et à 90 l'une de l'autre, et qui traversent les Parois latérales du four, ainsi qu'il ressort clairement de l'examen de la figure 3. Ces tuyères sont destinées à l'injection dans la chambre de four des hydrocarbures liquides devant être décomposés et sont disposées normalement avec leurs ex- trémités sensiblement à fleur des parois intérieures de la chambre de four. La. présente invention est indépen- dante du type de tuyère utilisé, le type représenté sur le dessin, est de ceux dans lesquels les hydrocarbures de base liquides sont amenés à travers un tube 10 et où un gaz vaporisant est introduit sous pression à travers le tube 11.
Du carburant hydrocarbure est fourni aux brûleurs par les conduits munis de vannes 12 faisant saillie axia- lement dans les canaux de chaque brûleur, et qui s'ar- rêtent non loin de la parai intérieure de la chambre de combustion. L'air pour la combustion est forcé, par des.
moyens quelconques convenables, par le conduit 13 qui l'introduit tangentiellement dans le conduit annulaire 14, ainsi qu'il ressort clairement de la figure 2, chaque groupe de brûleurs étant équipé d'un conduit d'air séparé Les extrémités extérieures des canaux des brûleurs débou- chent dans le conduit d'air 14 et auront avantageusement la forme représentée à la figure 2, afin d'utiliser le tourbillonnement de l'air dans ce conduit pour faciliter sa pénétration dans les différents canaux des brûleurs.
Lors du fonctionnement du four à noir de carbone représenté, un mélange combustible formé par l'air intro duit par le conduit 13 et du combustible hydrocarbure amené par les tubes 12 est injecté tangentiellement à une gronde vitesse dans la chambre de combustion, et y est brûlé afin de former un cyclone tourbillonnent de gaz soufflés qui traverse la chambre de réaction longitudina- lement. Les hydrocarbures de base sont injectés radiale-
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ment dans cette masse tourbillonnante, de.gaz chaude par .Les tuyères pulvérisantes 9 et se mélangent pour ainsi dire instantanément celle-ci et se décomposent par la chaleur qu'ils en absorbent, en formant du noir de carbone en suspension dans les gaz du tour.
Le noir de carbone en suspension résultant reflue hors de la chambre de réaction et s'élève à travers le refroidisseur vertical 3 ou il est refroidi par des jets d'eau en pluie 24. L'eau éventuellement non vaporisée provenant de ces jets ainsi que le noir de carbone éven- tuellement arraché de la suspension, tombent dans un pui- sard 25, et la suspension refroidie passe par l'extrémité supérieure par le conduit 26 vers un appareil classique de séparation et de récupération.
Ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus, il est en général avantageux de régler les proportions de combus- tible hydrocarbure et d'air de fagon à obtenir une flamme sts.ble qui ne vibre pas excessivement, et ne, se rabatte pas dans les canaux des brûleurs, et telle que les gaz soufflés aient des caractéristiques oxydantes.
Dans une forme de réalisation préférée de la présente invention, l'éliminateur d'oxygène est mélangé à ces gaz chauds soufflés avant que n'y soient mélangea les hydrocarbures de base. Ceci peut être réalisé en in- troduisant ces éliminateurs à l'extrémité d'amont de la chambre de combustion par des moyens convenables quel- conques, par exemple, par le tuyau 4, ou si l'on n'uti- lise qu'un seul groupe de brûleurs, par un ou plusieurs brûleurs de l'autre groupe, auquel cas les canaux de ces brûleurs que traverse l'éliminateur d'oxygène ne seront pas alimentés en oxygène.
Suivant une variante, nous réserve de remplir les conditions précédemment expliquées, l'éliminateur d'oxygène de forme gazeuse peut être introduit et mélangé
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aux gaz soufflés en même temps que s'effectue l'introduc- tion et le mélange des hydrocarbures de base. Dans l'ap- pareil représenté,, ceci pourrait s'accomplir en intro- duisant cet éliminateur mélangé au gaz pulvérisateur par la tuyère pulvérisatrice 9. Ainsi qu'il a été, souligne, cette solution ne peut être utilisée que lorsque la. nature du réducteur d'oxygène est telle qu'il entrera en réac- tion avec les constituants oxydants des gaz soufflés avant que ceux-ci n'aient eu le temps de réagir notablement avec les hydrocarbures de base.
La proportion optimum d'éliminateur d'oxygène à utiliser est fonction des autres conditions de fonction- nement, et devrait évidemment être augmentée lorsqu'aug- mentent les caractéristiques oxydantes des gaz. La pro- portion de celui-ci dépendra également de la capa.cité de réaction de cet éliminateur*.Pour entrer en réaction avec les constituants oxydants des gaz soufflés, ou les neu- tra.liser.
En utilisant comme éliminateur d'oxygène un gaz hydrocarbure, par exemple un gaz naturel du type alimen- tant les brûleurs soufflés, on a constaté que le rapport entre l'air et le total des gaz, c'est-à-dire, gaz com- bustible plus gaz auxiliaire ou éliminateur, pouvait être ramené à 6,85 : 1, dans des opérations du type décrit, sans production de noir de carbone, provenant soit du gaz combustible, soit du gaz auxiliaire. Ceci peut être constaté par 1'absence de. noir-de carbone dans les gaz de combustion résultants. Il ,est généralement avantageux toutefois, que le.rapport de l'air au gaz total ne soit pas inférieur à environ 9 : 1.
Le rapport de l'air au gaz total nécessaire pour obtenir une combustion complète du combustible dépendra, évidemment, des qualités de celui-ci, ainsi que des con- ditions de la combustion. Ceci se détermine très facile- ment par une analyse des gaz des fumées dans les conditions
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de fonctionnement particulières données., Conformément à, la présente invention, il est en général avantageux d'introduire suffisamment de gaz auxiliaire pour élever la quantité totale de gaz introduit, c'est-à-dire de gaz combustible plus le gaz auxiliaire, à une proportion telle qu'entre 85 et 90 % de la combustion soit complète théoriquement.
Ceci demandera habituellement un rapport air au gaz total compris sensiblement entre 9,3 : 1 et
9,8 : 1.
9,8 : 1. Le but du gaz auxiliaire est non seulement d'éli- miner l'oxygène libre mais encore de réduire tous les composais oxydants des gaz soufflés, par exemple, CO2 et vapeur d'eau, afin de retarder ou de réduire au minimum les réactions secondaires qui ont tendance à réduire le rendement en noir de carbone par unité d'hydrocarbure de base.
Pour obtenir des résultats optimum dans les con- ditions de traitement que l'on rencontre habituellement, le gaz auxiliaire fourni doit être suffisant pour effec- tuer une réduction des composés oxydants des gaz souf- flés à un degré tel que la proportion de CO2 contenu dans les gaz résultants oscille entre environ 4,5% et
10 %, la proportion de CO entre environ 9,5 % et 3 %, la proportion de O2 ne dépasse pas environ 1/2% et qu'au- cune quantité appréciable de gaz éclairant ne soit décela- ble.
L'invention, ainsi que les avantages qu'elle ap- porte seront illustrés, ci-après, par des exemples carac- téristiques d'opérations exécutées sur un appareil du type décrit de dimensions commerciales. Dans chacun des exemples, l'air de combustion était fourni à raison de 6.100 m3. par heure et le rapport air/combustible, qui passait par les brûleurs était dans chaque cas de
11,4 : 1. Les autres conditions opératoires ainsi que le rendement obtenu sont donnés dans le tableau ci-contre.
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Dans chacun de ces exemples, à l' exception des cas 1 et 5, un éliminateur d'oxygène fut employé, conformément à l'invention; cet éliminateur était du gaz naturel du même type que le gaz combustible. Dans les exemples 1 et 5, destinés à. servir de comparaison, on n'a pas utilise de réducteur d'oxygène.
EMI10.1
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EXEMPLE <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8
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<tb> Hydrocarbure
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<tb> de <SEP> base
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<tb> lit/heure <SEP> 636 <SEP> 636 <SEP> 590 <SEP> 545 <SEP> 748 <SEP> 636 <SEP> 566 <SEP> 522
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<tb> Eliminateur
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<tb> m3/heure <SEP> 0 <SEP> 88.2 <SEP> 128 <SEP> 170 <SEP> 0 <SEP> 88.2 <SEP> 127 <SEP> 127
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<tb> Rapport <SEP> air/
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<tb> gaz <SEP> total <SEP> 11.4 <SEP> 9.52 <SEP> 8.87 <SEP> 8.28 <SEP> 11.4 <SEP> 9.52 <SEP> 8.90 <SEP> 8.90
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<tb> Rendement <SEP> de
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<tb> carbone <SEP> en <SEP> kg
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<tb> ,par <SEP> litre <SEP> d'
<tb>
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<tb> hydrocarbure
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> base <SEP> 0,42 <SEP> 0,47 <SEP> 0,54 <SEP> 0,59 <SEP> 0,38 <SEP> 0,46 <SEP> 0,50 <SEP> 0,
55
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Dans les exemples ci-dessus, 1 à 4 inclus, les hydrocarbures de base étaient des goudrons, dits "de pression- obtenus lors du cracking du cycle carboné par Cracking catalytique. Dans les exemples de 5 à 8 inclu- sivement, les hydrocarbures de base étaient des résidus obtenus par fractionnement thermique d'un produit aroma- tique brut.'
EXEMPLE 9
Dans un .traitement réalisé dans un appareil simi- laire à celui qui vient d'être décrit, dans lequel l'air était fourni aux brûleurs à raison de 5.100 m3/heure, un gaz combustible d'une valeur thermique de 3257 k.cal. et qui théoriquement demandait un rapport air/gaz de : 10,6:1 fut utilisé; on a pris avantageursement un rapport air soufflé/gaz de 11,6 :
1 et on a utilisé comme combue- tible le même gaz que celui employé pour l'élimination d'oxygène à une vitesse comprise entre 9,5 et 10,6 m3/ heure. Dans ces conditions le rendement en noir de car-'
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bone p.r unité d'hydrocarbure de base, se trouveit très sensiblement augmenté par rapport à celui que l'on ob- tient dans des conditions opératoires similaires où l'on n'emploie pas de réducteur d'oxygène.
EXEMPLE 10
Dans des opérations avec un appareil similaire et en utilisait des gaz comoustibles du même type que dans l'exemple 9 et en alimentant le processus à raison de 5.100 m3. d'air par heure, le rapport sir/gaz com- bustible étant de 11,8 et les hydrocarbures de base étant introduits avec un débit de 615 litres/heure, on a introduit exialement dans la. chambre de combustion un gaz auxillaire du même type que le gaz combustible à raison de 125 litres à l'heure et obtenu un rendement de noir de carbone équivalent à 0,60 kg par litre d'hy- drocarbure de base.
On a constaté que les hydrocarbures paraffinés de faible poids moléculaire, comme ceux présents normale- ment dans les gaz naturels, réagissent beaucoup plus avec l'oxygène que les hydrocarbures aromatiques/plus lourds. En raison de cette différence de la vitesse d'oxy- dation, on-peut employer avantageusement ces gaz hydro- carbures à frxible poids moléculaire uomme éliminateurs d'oxygène, avantageusement sous forme de gaz naturel, là ou des hydrocarbures aromatiques lourds sont utilisés comme hydrocaroures de base. Dans ces conditions, du gaz naturel par exemple, pourra 3tre utilisé avantageurssment, comme gaz pulvérisant, ou être mélangé à celui-ci.
Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, l'invention s'appliqua plus spécialement en cas d'emploi d'hydro- carbures lourds, de poide moléculaire élevé, comme ceux qui proviennent du caracking du pétrole, comme base, et en particulier là où cas hydrocarbures de base contien- nent de 20 à 95 %, en général de 60 à 95 %, de leur poids de constituants aromatiques, sinsi qu'il a été déterminé
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par les épreuves suivant la méthode américaine D-875-46T de la Société Américaine d'Essais des Matières.
Comme exemples de tels hydrocarbures lourds, on peut citer des huiles résiduelles lourdes ou des goudrons comme l'huile combustible No 5, No 6 ou le Bunker C ou des produits connus dans le commerce sous le nom de 'goudrons de pression', ou du "flash drum tra", caractérisés par une forte aromaticité, un bas point d'écoulement, et un poids spécifique élevé. Les goudrons préférés de ce type sont ceux syant das densités de 1,0 à 1,16, des viscosités
SSU Fural à 50 C comprises entre 125 à 250, solubles dans le pentachlorophénol,, et ayant un poids spécifique de 0,95 a 1,1. On peut facilement se procurer ces pro- duits à la plupart des, raffineries qui utilisent des méthodes de cracking thermique.
Lors de l'emploi, ces goudrons lourds sont chauffés au préalable à environ 120 0, .ou autant qu'il est nécessaire pour en réduire la viscosité et permettre leur pulvérisation, mais pas au-dessus de 260 C. Un autre procédé efficace consiste à diluer ces produits résiduels lourds avec un hydrocarbure aromtique afin d'assurer le degré de fluidité désiré.