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La présente invention concerne le noir de carbone et plus particulièrement un procédé perfectionné de fabrication d'un noir de carbone possédant des caractéristiques nouvelles combinées de finesse de particules aussi avantageuse que possible et d'un degré élevé de pureté. L'invention concerne aussi une nouvelle installation convenant particulièrement à l'application de ce procède.
En raison de la combinaison remarquable de propriétés du noir de carbone obtenu par le procédé ce l'invention, il est particulièrement précieux comme agen t de mélange dans les compositions de caoutchouc et comme pigment dans la -
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fabrication de l'encre ou produits analogues.
D'une manière générale, le procédé de l'invention consiste à injecter violemment dans une flamme soufflée à l'état de forte turbulence dans une enceinte limitée un ou plusieurs courants de gaz naturel ou autres hydrocarbures, désignés ci-après pour abréger "hydrocarbure ou gaz de fabrication" de façon à réaliser un mélange instantané et complet que possible du gaz de fabrication avec les gaz de la flamme soufflée. Puis on fait passer le mélange des gaz de la flamme et du gaz de fabrication dans une chambre de forme allongée, confinée et calorifugée, à haute température, à grande vitesse et sous forte turbulence.
Le gaz de fabri- oation se décompose ainsi en noir de carbone sous l'effet de la chaleur directement absorbée à partir des gaz de la flamme, et le noir de carbone ainsi formé est entraîné dans et hors de la zone de décomposition par le courant gazeux à grande vitesse, est refroidi à une température appropriée permettant de le recueillir, et recueilli d'une manière quelconque courante.'
La flamme soufflée peut être formée par la combustion d'un mélange de combustible fluide dit " gaz combustible ", par exemple de gaz naturel et d'un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air.
Suivant une caractéristique particulière- ment avantageuse de l'invention, la proportion d'air@@u d'oxygène doit être sensiblement en excès par rapport à celle qui est nécessaire à la combustion complète du gaz combustible, de façon à former une flamme soufflée oxydante.
Cependant, au lieu d'une flamme soufflée oxydante, on peut former une flamme soufflée neutre ou réductrice, en réduisant la proportion d'air dans le mélange combustible à une valeur égale.ou inférieure à celle qui est nécessaire à la combustion complète du gaz combustible. On a constaté que la nature de la flamme exerce une notable influence sur les caractéristiques du noir de carbone produit.
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Certaines caractéristiques spéciales et combinaisons de diverses caractéristiques que doit posséder un noir de carbone destiné à la formation .de mélanges de caoutch@uc dépendent dans une large mesure du type de .composé 'de caoutchouc: à fabriquer et des propriétés qu'on, désire faire acquérir aux @@objetsn@@ caoutchouc qu'il sert à fabriquer.
En effet, .si l'on-.choisit un type de noir carbone par exemple du noir de carbone d'impact de la quailité pour caoutchouc, on constate que la composition de caoutchouc c ainsi obtenue est complètement renforcée, c'est-à-dire que la composition de caoutchouc vulcanisée possède une forte résistance à la traotion, un module élevé de rigidité et d'excellentes propriétés de résistance à l'usure. En conséquence, ce type de noir de carbone est dit "noir de renforcement total". Si l'on choisit un autre type de noir de carbone, en effectuant le mélange dans des conditions équivalentes, on constate que la résistance à la traction et à l'usure de la composition de caoutchouc vulcanisée ainsi obtenue est moindre. Ces noirs de carbone sont dits généralement "noirs de semi-renforcement" ou parfois "noirs tendres".
De même, certains noirs de carbone font acquérir aux oompositions de caoutchouc un module relativement faible.
D'autres forment des compositions de caoutchouc qui s'é- chauffent très fortement par flexion, d'autres leur font acquérir des propriétés de fort rebondissement, d'autres encore une résistivité électrique forte ou relativement faible, Les caractéristiques des noirs de carbone sont ainsi désignées d'après les caractéristiques de la composition de caoutchouo normale avec laquelle ils sont mélangés, c'est-à-dire de module élevé ou faible, de résistivité électrique forte ou faible, de rebondissement fort ou faible, etc.
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Le procédé de l'invention convient particulièrement à la préparation d'un noir de carbone caractérisé par la finesse la plus avantageuse de ses particules, un degré élevé de pureté, une intensité de coloration la plus avantageuse, une réaction non acide, la facilité avec laquelle il peut être manipulé économiquement dans la formation des mélanges de caoutchouc, de l'encre, etc. et son aptitude à faire acquérir une combinaison remarquable de propriétés aux composés de caoutchouc auxquels il est incorporé.
En tant qutagent de formation des mélanges de caoutchouc le noir de carbone de l'invention possède une nouvelle combi- naison de caractéristiques, à savoir qu'il est facile à traiter, ne gêne pas la vulcanisation et fait acquérir aux compositions de caoutchouc avec lesquelles il est mélangé un renforcement total, une résistance supérieure à la flexion, un faible hystérésis, une conductivité électrique satisfai- sante, une stabilité thermique satisfaisante et de bonnes propriétés de vieillissement. Le procédé de l'invention permet de faire varier dans une certaine mesure les diverses caractéristiques individuelles du noir de carbone, en fai- sant varier les conditions dans lesquelles on opère, ainsi qu'on le verra plus loin en détail.
D'une manière générale, l'installation de l'invention consiste dans une chambre de réaction de forme allongée, ne contenant pas d'obstacle et calorifugée, comportant à une extrémité un dispositif pour faire brûler le mélange combustible gazeux dans des conditions de nature à projeter la flamme résultante à grande vitesse dans la chambre de réaction et à continuer à faire passer les produits de la combustion dans cette chambre. Des orifices sont ménagés au voisinage de l'extrémité de la chambre où se trouve le brûleur de façon à injecter dans la chambre, et dans le courant de gaz,chauds
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qui y passe, un ou plusieurs courants de gaz d'hydrocarbure de fabrication.
On peut faire varier entre des limites étendues les dimensions de la chambre de réaction suivant la capacité qu'on désire obtenir et pour satisfaire à diverses conditions de fonctionnement. Les proportions relatives de la chambre et l'emplacement des orifices d'injection du gaz de
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fCLbrica tion sont aussi susceptibles de modifications, ainsi' qu'on le verra plus loin.
On a obtenu des résultats de fonctionnement satisfai-
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sants à l'échelle semi-indus trielle , par exemple, avec une installation consistant en une chambre cylindrique do forme
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allongée et calorifugée, d'un di4r.étre intérieur de 18 cm et d'une longueur de 40 em. On insuffle à l 'extrémi.té- 1 2uont de lu 0:][;.:1;; bre un mélange hétérogène se composant de 10 parties d'air et 1 partie de gaz naturel en volume avec un débit de 250 m3 par heure.
On injecte le gaz naturel, consistant principalement en méthane et constituant le gaz de fabrica-
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tison, dans la chambre avec un débit de 28#3 m3 par heure par quatre orifices de 6,35 mm dirigés radialen.ent répartis à 90 autour de la chambre et-situés à une distance de 34 cm de l'orifice d'arrivée du gaz combustible . Le gaz de fabrication ainsi injecté dans les gaz chauds de la flamme se mélange
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prcsqu 'lnst.;ntal1émen t avec eux et s'échauffe ainsi à haute température. Au cours de cette opération, la température de la cll1.lli:bre en un point situé à 60 cm en aval du point d'injec- tion du gaz de fabrication est de 1260 C et celle des gaz sortant de la chambre est de 1408 C.
On abaisse la tempéra- ture desGaz sortent de la chambre à une valeur d'environ
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76010 en les f4:isant passer dns un siègent de refroidis-,6c.ent â eheaisa d'eau, puis on les refroidit à une température inférieure à 315 C et on les recueille dI ns un filtre du typo à sac.
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En faisant usage de l'installation décrite ci-dessus, on peut faire varier dans une certaine i.iesure les caraété- ristiques du noir de carbone préparé par le procédé de l'in- vention a) en faisant varier les proportions relatives d'air et de gaz dans le mélange soufflé, b) en faisant varier les proportions relatives du gaz de fabrication et des gaz soufflés, o) en faisant varier dans une certaine mesùre la température et le gradient de température dans la chambre, d) en faisant varier la durée de contact des particules de noir de carbone avec les gaz à la haute tempéra tare de réaction, e) en faisant varier l'importance de la charge traitée dans un four dé dimensions données, ou f) en intro- duisant un supplément d'air, d'oxygène, de vapeur ou autre agent oxydant.
On décrira ci-après en détail l'invention dans son ap- plication avec une flamme soufflée oxydante, suivant laquelle la proportion d'air dans les gaz soufflés doit être supérieu- re à celle qui est nécessaire à la combustion complète, généralement d'au moins 10% environ et de préférence de 25% en excès par rapport à la proportion nécessaire à la oom- bustion complète. Toutefois, la proportion d'air doit être beaucoup plus faible que celle qui est nécessaire à la combustion de la"totalité des gaz d'hydrocarbures, c'est-à-di- re de ceux qui sont contenus dans les gaz soufflés + l'hy- drooarbure injecté dans la flamme soufflée; Le mélange combus- tible soufflé peut être formé d'avance ou s'effectuer dans la tuyère du brûleur.
On peut obtenir la flamme soufflée active extrêmement turbulente qui convient le mieux au procédé de l'invention en brûlant le mélange de gaz soufflés dans des conditions de très grande vitesse d'une flamme soufflée, c'est-à-dire à une vitesse de sortie de la tuyère supérieure à environ 10,5 m par seconde et de préférence comprise entre 24 et 25,5 m/sec. Une vitesse de sortie de la tuyère comprise entre
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environ 16,5 et 41 m/sec, soit supérieure à la vitesse normale de fonctionnement d'un brûleur à injection, a donné des résultats particulièrement satisfaisants. Cette vitesse de sortie de la tuyère peut varier dans une certaine mesure avec la section de la tuyère, Mais elle doit être suffisante pour forcer une flamme soufflée extrêmement turbulente.
De préférenoe, la température de la flamme soufflée su point d'introduction du gaz de fabrication ne doit pas dépasser environ 1425 C, bien qu'elle puisse être supérieure et atteindre par exemple environ 1595 C. La température au point d'introduction du gaz de fabrication n'est pas nécessairement la température maximum atteinte au cours de l'opération, car la combustion continue au-delà de ce point, suivant les conditions particulières dans lesquelles on opère. Dans les installations de dimensions industrielles, la zone de température maximum se trouve généralement un peu plus loin en aval.
Il n'est pas possible à l'heure actuelle d'indiquer avec certitude la nature et la composition précises de la flamme soufflée dans la zone d'introduction du gaz de fabri- cation, ou l'effet spécial produit par ces conditions sur la nature du noir de carbone produit. On peut dire cependant avec certitude que, dans la zone d'introduction du gaz de fabrication, la flamme est extrêmement turbulente et à l'état ionisé. Il est probable que les gaz de la flamme contiennent dans cette zone des quantités considérables d'hydrocarbures partiellement oxydés, tels que des aldéhydes et composés analogues.
En raison de la haute température et de l'état instable des gaz de la flamme, il est extrômement difficile, sinon impossible, d'effectuer une analyse précise, mais on a constaté une odeur nette analogue à colle des aldéhydes.
Le fait que la combustion du gaz combustible continue dans la zone d'introduction du gaz de fabrication est mis en évidence par l'observation selon laquelle on a constaté que même si on
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n'introduit pas de gaz de fabrication, la température maximum des gaz dans la chambre est atteinte en un point situé en aval dans cette chambre, Les dispositifs qui permettent d'arriver aux résultats qu'on désire sont décrits ci-après et il n'est pas indispensable de connaître la théorie avec précision pour arriver à ces résultats.
Pour faire fonctionner l'installation, on injecte, ainsi qu'il a déjà été dit, la flamme soufflée dans une chambre de forme allongée, ne contenant pas d'obstacle et de préféren- ce calorifugée pour éviter des pertes ,de chaleur corisidéra- bles par rayonnement. On proportionne la charge 'introduite dans la chambre par rapport à sa section transversale de façon à établir une forte turbulence dans toute sa longueur' On injecte, le gaz de fabrication séparément dans la flamme soufflée dans une zone où la combustion a progressé de façon à former une flamme active, mais avant que la combustion soit complète, ainsi que l'indique la nouvelle élévation de tem- pérature.
Le gaz de fabrication peut être introduit sous forme d'un ou plusieurs jets à grande vitesse. Il doit être intro- duit de façon à ne pas venir rencontrer les parois qui limitent! la chambre avant de s'être mélangé notablement avec les gaz de la fleure, sinon le 'carbone se déposerait rapidement 'au point d'impact, en diminuant le rendement le plus avantageux en noir de carbone possédant les caractéristiques désirées,
On introduit-de'préférence le gaz de fabrication par des tuyaux réfractaires conducteurs de la chaleur, traversant les parois chauffées de la chambre,
de façon à le préchauffer dans une certaine mesure avant qu'il 'vienne en - contact avec le gaz soufflé et à une vitesse suffisante pour aspirer le"gaz de la flamme et de façon à projeter le jet de gaz de fabrication et les gaz aspirés de la flamme dans la flamme soufflée et à les empêcher ainsi de venir en contact aveo les parois qui limitent la chambre de réaction.
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Le gaz de fabrication doit se mélanger rapidement et uniformément avec les gaz de la flamme. Ce résultat est obtenu de préférence en injectant les gaz de fabrication dans le courant de gaz de la flamme suivant un angle assez grand par rapport à la direction du courant de gaz de la flamme, par exemple de 30 environ au moins, On a obtenu de bons résultats en injectant les gaz de fabrication sensiblement à angle droit dans le courant des gaz de la flamme, mais il n'est pas indis- pensable de le faire pour obtenir de bons résultats avec le procédé de l'invention, pourvu que le mélange avec les gaz de la' flamme s'effeoe rapidement et uniformément.
Avant d'injecter le gaz de fabrication dans la flamme soufflée, il peut être avantageux de le préchauffer à une température à laquelle il subit un commencement de cracking, mais non à une température voisine de celle à laquelle des dépôts de coke ou de carbone se forment.
Ce préohauffage peut s'effectuer par la chaleur absorbée dans les tuyaux réfraotaires conducteurs de la chaleur par lesquels le gaz de fabrication arrive dans la chambre du four, Par exemple, les tuyaux d'arrivée du gaz de fabrication peuvent être en une matière réfractaire telle que 'le carbure de silicium' et disposés de façon à traverser les parois du four par des orifices ménageant un intervalle suffisant pour permettre de régler la position de l'extrémité de sortie des tuyaux par rapport à la paroi intérieure de la chambre de réaction.
On peut ainsi faire affleurer l'extrémité de sortie du ou des tuyaux d'arrivée du gaz de fabrication avec la surface intérieure de la paroi de la chambre ou les prolonger au-delà de la paroi dans la flamme soufflée pour réaliser un préchauf- fage supplémentaire ou une pyrolyse partielle du gaz de fabrication.
Le mélange gazeux passe dans la chambre de réaction sans obstacle et est maintenu en mouvement à grande vitesse et à l'état de forte turbulence, à une température assez élevée
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pour @@@@@oser le gaz de fabrication pendant un temps suffi- sant pour provoquer la formation de particules de carbone en suspension dans le mélange gazeux. Les produits de la réao- tion sont maintenus à haute température pendant -un temps suffisant pour provoquer le cracking à peu près complet de l'hydrocarbure qu'ils contiennent, puis on les refroidit et on en sépare le carbone. Les conditions de fonctionnement, telles que la température et la durée de la réaction, dépen- dent l'une de l'autre dans une mesure considérable.
On peut aussi faire varier dans une certaine mesure les autres conditions entre les limites indiquées plus loin en détail,
L'invention est décrite en. détail ci-après avec le dessin ci-joint à l'appui qui représente une installation d'un type convenant particulièrement à l'application du procédé de l'invention et sur lequel ;
la fig. 1 est une coupe longitudinale de l'Installa - tion, - la fig. 2 est une coupe transversale suivant le. ligne 2-2 de la fig. 1, la fige 3 est une coupe transversale 'à plus grande échelle du bloo du brûleur, et la fig. 4 est une coupe de l'ensemble d'un brûleur d'un autre type. -
L'installation comporte une cornue.ou ohambre de réaction 1, cylindrique 'et de forme allongée, garnie d'@n revêtement en briques réfractaires 2. Le revêtement en briques réfractaires est entouré par deux couches extérieures respectives 3 et 4 en une matière calorifuge, entourées toutes deux par une enveloppe cylindrique 5 en tôle d'aoier.
L'extrémité antérieure de la cornue cylindrique comporte un bloo de brûleurs 6 en une matière céramique résistant à la chaleur et percé de plusieurs orifices évasés 7 de soufflage, représentés en détail sur la fige 3. Les dimensions du bloo du brûleur sont choisies de façon à lui permettre de coulisser
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dans l'extrémité antérieure de la chambre cylindrique 1, dans laquelle il est fixé d'une manière appropriée.
On fait passer un mélange combustible de gaz com- bustible et d'air sous pression par une conduite 8 dans une chambre 9, d'Où il est insufflé dans la ohambre 1 à travers la tête de brûleur 10 et par les orifioes de soufflage 7 du bloo du brûleur 6.
La tête 10 du brûleur se compose de plusieurs tubes 11 supportés par des plaques 12 et 13 qu'ils traversent, de sorte que les extrémités du tube 11 les plus voisines du bloc du brûleur pénètrent légèrement dans les orifices de soufflage 7. La plaque 12 est fixée d'une manière appropriée sur la paroi de l'extrémité de la chambre 1.
La plaque
13 est fixée sur l'enveloppe de la chambre 9 de plus grand diamètre de façon à former un joint hermétique,
Pour faire fonctionner l'installation, on refoule un mélange combustible d'air et de gaz sous forte pression dans la conduite 8 et dans.la chambre 9 et on le fait sor- tir par les orifices de soufflage 7 dans la chambre 1 dans laquelle les gaz soufflés s'allument et brûlent en formant une flamme soufflée à l'état de très forte turbulence qui pénètre sous forme de flamme active dans la chambre 1 jus- qu'en un point,situé au-delà des tubes d'introduction 14a .du gaz de fabrication.
Les tubes 14a et 14b d'introduction du gaz de fabrication communiquent à leurs extrémités extérieures avec des distributeurs appropriés tels que des tuyaux annulaires 15a et 15b et traversent les parois,2, 3 et 4 pour aboutir dans la chambre 1. Ainsi qu'il a déjà été dit, l'extrémité Intérieure des tubes d'introduction du gaz de fabrication peuvent affleurer la paroi intérieure de la chambre ou se ,prolonger sur une distance plus ou moins grande dans la flamme soufflée. De préférence, on dispose les tubes d'introduction du gaz de fabrication de façon à pouvoir ré-
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gler la position de leurs extrémités intérieures par rapport à la paroi intérieure et la chambre 1.
De préférence, les tubes d'introduction du gaz de fabrication font un angle assez grand avec l'axe longitudinal de la chambre 1. Ces tubes sont représentés sur la figure dans une position perpen- diculaire à la direction du courant de gaz chaud passant dans le four, mais on peut faire varier sensiblement la valeur de cet angle.
L'installation représentée comporte deux séries de six. tubes d'introduction du gaz de fabrication, représentées chacune en détail sur la fig. 2. Toutefois, suivant les dimensions et la capacité de l'installation, on peut y monter un nombre plus grand ou plus petit de tubes d'introduction du gaz de fabrication. De même, les tubes d'introduction du gaz de fabrication de l'installation représentée sont disposés de façon à faire correspondre à chacun d'eux un tube diamétralement opposé. On a constaté que par cette disposition on réalise un mélange plus rapide et plus intime du gaz de fabrication avec la flamme soufflée et que le courant de gaz de fabrication risque moins de venir rencontrer les parois de la chambre avant d'être suffisamment dilué pour empêcher des dépôts de carbone de se former sur la paroi.
Ainsi qu'il a déjà été dit, l'installation repré- sentée comporte deux séries du tube dtintroduction du gaz de fabrication 14a et 14b, dont l'une est située un peu plus loin en aval que l'autre, de façon à permettre de régler la position du point d'introduction du gaz de fabri- . cation par rapport à la fiacre soufflée. On peut disposer dans l' installation des séries supplémentaires de tubes d'introduction du gaz de fabrication, de façon à en faciliter encore le réglage. En général, on n'utilise qu'une seule série à la fois et le choix de la série utilisée dépend généra- lement .le la longueur de. la flamme soufflée dans les condi- tions spéciales dans lesquelles on opère.
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Le mélange ainsi obtenu des gaz de la flamme soufflée, du gaz de fabrication et de ses produits de décomposition continue à circuler dans la chambre 1 et en sort pour arri- ver dans une chambre cylindrique 16 dont la section transversale est un peu plus grande que celle de la chambre
1, ainsi qu'on peut le voir, Les parois 17 de la chambre 16 sont de préférence en briques réfractaires ou matériau analogue résistant aux hautes températures et ne sont de préférence pas calorifugées, sinon légèrement, de façon à permettre à une assez forte quantité de chaleur de se transmettre dans l'atmosphère et à provoquer ainsi un refroidissement progressif des produits de décomposition qui y passent.
Si on le désire, la chambre 16 peut être entourée d'une chemine d'eau ou d'air pour réaliser un refroidissement artioifiel. Mais.' si la chambre 16 est -assez longue, on obtient naturellement un refroidissement approprié Le mélange de gaz et de particules de carbone en suspension sortant de la chambre 16 peut arriver dans un élément de refroidissement ordinaire par arrosage, avec de 1 t'eau et dans un dispositif dans lequel on le recueille.
Lorsqu'il s'agit d'une opération industrielle dans laquelle plusieurs chambres de réaction fonctionnent, on a constaté qu'il est avantageux de disposer une chambre de mélange rectangulaire de grandes dimensions dans laquelle se déchargent plusieurs cornues, au lieu d'une chambre séparée telle que la chambre 16 pour chacune des cornues.
La chambre 16 a principalement pour but de maintenir le mélange de la réaction à une température élevée pendant une durée suffisante pour que la réaction soit complète et que le produit qu'on désire obtenir se forme. Mais, au cours de cette opération du traitement, il n'est pas nécessaire de maintenir la même température que dans la
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.....r: e de 1 réaction et il paraît avantageux de faire di-lirier la température relativement lenteuentt De plus, il est possible, au cours de cette opération, de faire diminuer la turbulence.
@@ On le désire, la section de la chambre 16 peut être la môme que celle de la chambre 1 et on peut obtenir le f@cteur tei..ps qu'on désire en augmentant la longueur de la chambre. Toutefois, pour réaliser une économie de cons- truction, on donne généralement à cette chambre une section plus grande, comme l'indique le dessin, au lieu d'en aug- menter la longueur.
De plus, il n'est pas indispensable que les chambres 1 et 16 soient cylindriques. Elles peuvent être rectangu- laires par exemple.
Il doit exister entre la section transversale et la longueur de la chambre 1 et sa capacité de fonctionnement,
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c'est-à-dire le volume du i,.-.6lange gaz-eux qui y passe, une relation de nature à y maintenir une grande vitesse et une forte turbulence pendant une durée suffisante pour provoquer la fomation des pellicules de carbone dans des conditions de très forte turbulence. Si la chambre est cylindrique, ainsi qu'il est représenté, on constate
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G'dl1':i.';.::I...ent que son diamètre ne doit pas dépasser environ 60 cal. Si le diamètre de le. chambre cylindrique est plus ,¯;Land, l'injection du gaz de fabrication et son mé1EU':.:;e avec la fiante soufflée e-uLvent donner lieu à des difficultés.
De z..:.e, si la ch..bre de réaction est rec- ;.t!'üß7.'8, il convient qu'une au DO ins de a'?3 dimensions transversales ne soit pas sr;sible!Y'0nt sulér.:.L.:E à 60 es environ Lorsque la sc.l.:ion ¯.::f]G7e:r3ale ,:;'9 la chambre Ie réaction el-1-t 'elati7.er.e.1t faible, qui, peut se coréen ter d'un seul jet soufflé au lieu du bloc de brûleur ire jets multiple;; tel. qu'il e-t ::t'0.1.::c-Ss-:nt:S. TJute±==1;,, les irsta7¯'a-
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tions de plus grande dimension, dont le diamètre de la section est d'environ 25 om ou davantage, doivent comporter plusieurs ajutages pour faire arriver un volume suffisant de la flamme soufflée à la vitesse et la turbulence qu'on désire et réaliser une extension uniforme de la flamme dans la section transversale de la chambre.
Le diamètre de la section réduite de la ou des tuyères de soufflage ne doit pas dépasser environ 5 à 6,3 cm.
D'une manière générale, les diamètres supérieurs à 6,3 cm ne donnent pas de bons résultats, Les blocs de brûleur , construits de façon à faire naître une zone de courants troublés à la périphérie de la sortie de chaque tuyère paraissent oontribuer à maintenir allumés les gaz soufflés à la sortie de la tuyère, à permettre au jet de prendre sa vitesse maximum et contribuer à maintenir un taux de combustion maximum et une extension uniforme de la flamme dans la section transversale du four. Une portion assez grande d'une surface relativement plane de la face du bloo du brûleur parait contribuer à établir et à maintenir cette, zone de courants troublés.
La section totale des orifices du brûleur doit être choisie de façon à communiquer au mélange combustible qui y passe une, vitesse appropriée pour former une flamme soufflée extrêmement turbulente et d'une vitesse suffisante pour l'empêcher de revenir en arrière dans la conduite d'alimentation, lorsqu'on utilise un mélange préalable d'air et de gaz. On a obtenu des résultats de fonctionnement,- satisfaisants, ainsi qu'il a déjà été dit, avec une vitesse à la sortie des tuyères du gaz soufflé comprise entre environ 10,5 et 41 m/sec, basée sur des volumes mesurés à 16 0 et sous une pression absolue de 760 mm Hg.
On a obtenu des résultats particulièrament satisfaisants avec une vitesse dans la tuyère d'environ 26 m/seo,
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Au lieu de faire arriver un mélange préalable d'air et de gaz dans l'installation, on peut les faire arriver sépa- rément, par exemple comme l'indique la fig. 4, qui représente un ensemble formé par un bloc de brûleur 6, tel que celui dé la fig. 3 et par une tête de brûleur 10 dans laquelle on fait arriver par la conduite 8 de l'air non mélangé avec le gaz combustible. Dans ce dispositif, le gaz combustible est projeté dans les courants d'air passant par des tubes 11 par des ajutages à gaz 18 dans lesquels le gaz combustible arrive sous pression au moyen d'un distributeur approprié 19.
On peut faire varier les dimensions les plus avan- tageuses de la cornue suivant la capacité de l'installation et, pour une installation donnée, les conditions de fonc- tionnement peuvent varier entre d'étroites limites.
Il est indispensable de maintenir une flamme soufflée extrêmement turbulente et d'injecter le gaz de fabrication dans la flamme active. Il est également indispensable que la vitesse du mélange de gaz dans la chambre de la cornue soit suffisante pour y établir un état de forte turbulence.
On a obtenu une turbulence satisfaisante dans des installations de dimensions industrielles avec une vitesse d'environ 10,5-à 30 m/sec, mesurée dans-les conditions de marche, c'est-à-dire à une température moyenne de 1515 C, ou avec une vitesse d'environ 120 à 330 m/sec, calculée dans les conditions normales de 16 C et de 760 mm Hg.
On a obtenu des résultats particulièrement avantageux avec une vitesse de 18 à 27 m/sec environ, basée sur une température moyenne de 1315 C, ou d'environ les à 300 m/sec. dans les conditions normales. Une vitesse moindre ne donne satisàction que dans des chambres de section transversale relativement faible, par exemple ne dépassant pas 35 cm de diamètre,
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On p@ut aussi faire varier la durée pendant laquelle. la. turbulence est maintenue.
Dans les conditions de Marche habituelles, la portion à grande vitesse de la chambre doit avoir une longueur d'au moins 1,5 m à lasuite du point d'introduction du gaz de fabrication, et de préfé- rence pas inférieure à environ 2,1 m. Des portions à grand vitesse d'une longueur atteignant 4,5 à 6 m ont donné de bons résultats. La longueur de la portion à grande vitesse du four dépend dans une large mesure de la vitesse des gaz dans le four, de façon à obtenir le facteur temps nécessaire à haute température.
La caractéristique du produit est influencée par la durée de contact avec les gaz à haute température dans les chambres 1 et 16. On termine de préférence cette période par un brusque refroidissement du mélange, par exemple par arrosage avec de -l'eau, à une température d'environ 580 0. Buis on peut abaisser la température à 260 0 environ et recueillir le noir de carbone par un moyen quelconque
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ondina ira.
La 'durée de contact la plus avantageuse varie dans une large mesure en fonction de la richesse du gaz combus- tible et du gaz de fabrication et des .proportions entre l'air et le gaz'total. Toutes choses égales d'ailleurs, il est généralement avantageux de diminuer la durée de contact lorsque le gaz d'hydrocarbure est plus riche. La durée de contact précitée désigne le temps qui s'écoule entre l'injection du gaz de fabrication dans la flamme soufflée et le refroidissement des gaz résultants et du carbone en suspension à une température d'environ 1095 0, par rayonne- mont ou par arrosage.
On a obtenu des résultats satisfaisants avec une durée de contact comprise entre environ 0,25 et 2,6 secondes, en réglant convenablement les conditions de
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fonctionnaient. Toutefois, la durée de contact peut être maintenue avantageusement les opérations industrielles entre les limites de 0,5 et 1,5 seconde. La durée de contact d'environ 1,1 seconde est qui convient le mieux à 1. production d'un noir de carbone de module élevé, de forte résistance à la traction et de faible résistivité électrique, En général, si la durée de contact est trop longue, on constate un abaissement des propriétés de renforcement du noir de carbone obtenu.
Si cette durée est trop courte, le rendaient est moindre, le module du produit tend à être faible et sa teneur en éléments pouvant être extraits est plus forte, Avec une durée de contact trop courte, il est nécessaire d'opérer à une température très élevée pour obtenir un noir de carbone de propriétés comparables.
La température de la flamme soufflée au point d'introduction du gaz de fabrication doit être suffisamment élevée pour provoquer une décomposition rapide du gaz de fabrication et la quantité de chaleur contenue dans les gaz soufflés doit être telle qu'une fois le gaz de fabrication mélangé . avec eux, la température du Mélange ainsi obtenu soit assez élevée pour mettre en train et achever à peu près complètement la décomposition du gaz de fabrication., En général, la tempérsture de la flamme soufflée au point d'introduction du gaz de fabrication doit être comprise entre environ 1150 et 1480 C.
On a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants dans des opérations dans lesquelles la température de la flamme soufflée était com- prise entre 13450 et 1480 C, mesurée par un pyromètre optique focalisé sur un tube-cible en "Carbofrax" disposé juste en amont de la zone d'introduction du gaz de fabrication. Dans des installations industrielles normales on a obtenu de bons résultats avec une température de la flamme soufflée comprise entre 1350 et 1425 0, et en particulier entre 1380 et 1400 C.
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Si la température est supérieure ou inférieure aux limites indiquées ci-dessus, on constate que le rendement diminue. Si la température est plus élevée, on a tendance 'à obtenir un noir de carbone de faible module.
La température de la flamme soufflée dépend principalement des proportions relatives de gaz combusti-' ble et d'air, du taux de combustion et du pouvoir calorifi- que du gaz combustible.
En employant un gaz naturel d'un pouvoir calorifique de 9040 cal/m on a obtenu les meilleurs résultats avec'un rapport entre l'air soufflé et le gaz combustible compris entre environ 12,5 1 et 15 : 1. Lorsque ce rapport diminue, on constate que le module du noir de carbone pro- duit diminue et en outre que ses caractéristiques de oonduo- tivité électriques sont fâcheusement influencées. Dans les petites installations, on a constaté qu'il est possible d'opérer aveo un excès d'air faible, sinon nul. Toutefois, dans les installations de dimensions industrielles, il est indispensable que la teneur en oxygène des gaz soufflés soit sensiblement en excès par rapport à celle qui est néces- saire à la combustion complète du gaz combustible.
L'excès d'oxygène parait exercer une action d'activation sur le carbone et en outre réagir plus ou moins avec l'hydro- gène ou le gaz de fabrication pour dégager de la chaleur et empêoher ainsi une baisse de température excessive en aval sous l'effet de réactions endothermiques de oraoking.
Le point d'introduction le plus avantageux du gaz de fabrication varie en fonction de la nature de l'ins- tallation et du volume et de là vitesse dans la tuyère du courant de gaz soufflés. On constate généralement que les propriétés de la flamme soufflée, qui conviennent le mieux à l'introduction du gaz de fabrication sont obtenues à une distance en aval de la zone d'allumage initial égale une ou deux fois environ le diamètre ou la dimension transver-
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sale minimum de la chambre de réaction,, Le point d'intro- duction du gaz de fabrication doit se trouver normalement en aval de la zone du taux de combustion maximum de la flamme soufflée, mais en amont du point où.
la combustion est complète, Le point exact où. ces conditions les plus avan- tageuses sont obtenues varie dans une certaine mesure aveo la nature de l'installation, mais dans les conditions normales de fonctionnement, sa distance ne doit pas être supérieure à environ trois diamètres de la chambre de réaction à partir du point d'allumage initial. Lorsque le gaz de fabrication est injecté dans la flamme soufflée en un point en amont de la zone précitée, le rendement a ten- dance à diminuer assez rapidement. Par ailleurs, l'injec-- tion du gaz de fabrication dans la flamme soufflée en un point au-delà de cette zone a tendance à faire diminuer sensiblement le module et la conductivité électrique du produit.
Une grande vitesse dans la tuyère du mélange de gaz combustible est avantageuse pour former la flamme soufflée extrêmement turbulente nécessaire, obtenir un taux de oombustion élevé et un rapide dégagement de chaleur. Ainsi . qu'il a déjà été dit, on n'obtient généralement pas de résultats satisfaisants avec des tuyères d'un diamètre supérieur à environ 6,3 cm. Cependant, il est nécessaire d'injecter un volume suffisant du mélange soufflé dans la chambre de réaction pour obtenir la température et la turbulence nécessaires.
Les chambres de réaction de faible seotion transversale peuvent ne comporter qu'une seule tuyère. Riais dans les installations de dimensions indus- trielles, on doit obtenir le volume plus grand de gaz souf- flés au moyen de plusieurs tuyères plutôt qu'avec une seule tuyère de plus grand diamètre. Les tuyères de faible diamè- tre ont l'avantage d'augmenter la surface de contact des gaz soufflés avec le tube réfractaire chaud et de réaliser
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un meilleur mélange des gaz soufflés avec les produis chauds de la combustion'par aspiration.
De plus., les tuyères de faible diamètre ont pour effet de faire acquérir à la flamme une composition et une température plus uniformes dans toute l'étendue de la section transversale de la chambre de réaction*
La vitesse à laquelle le gaz de fabrication est injecté dans la flamme soufflée dépend dans une large mesure de la section transversale de la chambre de réaction. Lorsque la chambre est cylindrique, la vitesse la plus avantageuse du gaz de fabrication parait augmenter d'une manière générale en fonction du carré du diamètre de la chambre.
En marche normale, la vitesse du gaz de fabri-' cation peut être comprise de préférence entre environ 12 et environ 60 m/sec. On a obtenu des résultats particulière- ment satisfaisants avec une vitesse comprise entre environ 30 et 45 m/sec: dans des chambres d'environ 60 om de diamètre,
On a obtenu des résultats satisfaisants avec des' tubes d'entrée du gaz de fabrication d'un diamètre d'environ 1,58 mm à 10 cm. Les plus avantageux ont géné- ralement un diamètre d'environ 25 mm. Ainsi qu'il a déjà, été dit, ces tubes peuvent se terminer en affleurant la paroi intérieure de la chambre de réaction ou se prolonger dans le courant de gaz soufflés de façon à préchauffer le gaz de fabrication avant qu'il' se mélange avec la flamme soufflée..
La vitesse à laquelle le gaz de fabrication est injecté dans la chambre de réaction est importante, car elle exerce une grande influence sur la vitesse à laquelle le gaz de fabrication se mélange avec la flamme soufflée pas as- piration et par turbulence. Les vitesses comprises entre 'les limites indiquées ont aussi pour effet d'éloigner le courant de gaz de fabrication de la paroi de la chambre de
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réaction et d'éviter ainsi la fondation de dépôts de coke.
En général, lorsque la dimension transversale de la chambre de réaction augmente, la vitesse doit être plus grande pour réaliser un mélange uniforme du gaz de fabrication avec la flamme On obtient un mélange uniforme plus facilement en donnant un diamètre plus petit aux tubes d'introduction du gaz de fabrication.. L'augmentation de la section du tube d'introduction du gaz de fabrication a tendance à augmenter la grosseur moyenne des particules de carbone dans une certaine mesure.
On a aussi constaté que la nature du produit varie dans une certaine mesure avec les proportions relatives de l'air soufflé et du gaz d'hydrocarbure total, c'est-à-dire du gaz combustible + le gaz de fabrication. On a obtenu de bons résultats en maintenant ce rapport entre les limites d'environ 4 à 5,7. En général, on a obtenu les meilleurs résultats dans la production d'un noir de car- bone de renforcement total et de module total au moyen du gaz naturel avec-une arrivée d'air comprise entre 44 et 58% de la quantité nécessaire à la combustion complète du gaz combustible et du gaz de fabrication.
En général, toutes choses égales d'ailleurs, une augmentation du volume de gaz de fabrication a tendance à augmenter le rendement, la grosseur des particules et la teneur en éléments pouvan t être extraits du noir de carbone et à diminuer les propriétés de résistance à la traction et de conductivité électrique du produit. Lorsque le rapport entre l'air et le gaz total est supérieur ou inférieur aux limites les plus avantageuses, on observe
EMI22.1
un1- ±1;.inntion des C:"lr2 ctaris tiqua s du module du produit.
Le 1..:oc%<ié perfectionne de l'invention "t 1T.:vanta de ; ¯ .. e d'utiliser un gaz d'hydrocarbure rela tivc..<en t p.u cj;*:=uc, *1 que le gaz naturel, consistant principa-
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lèvent en méthane, comme principale source de chaleur, et de faire varier la composition du gaz de fabrication indé- pendamment de celle du gaz combustible. En raison du fac- teur économique, le gaz naturel consistant principalement en méthane sert de préférence de gaz de fabrication. Ce- pendant, il est parfois avantageux d'enrichir le gaz de fabrication avec un hydrocarbure à teneur en carbone plus forte, tel que le propane, ou l'essence naturelle, l'acé- tylène, le pétrole ou les huiles de créosote pour augmen- ter le rendement.
Cet enrichissement est particulièrement avantageux lorsqu'on désire obtenir des noirs de carbone de fort module.
En général, l'augmentation du pouvoir calorifique du gaz de fabrication par l'addition de ces autres hydrocar- bures a pour effet d'augmenter,le module, la grosseur des particules et le rendement en noir de carbone'. On a cons- taté que pour préparer des noirs de carbone de fort module, un pouvoir calorifique d'au moins 10 200 oal/m3 et de pré- férence compris entre 13 350 et 14 140 cal/m3 est avanta- geux pour obtenir les meilleures propriétés de renforcement et le meilleur rendement. On a constaté qu'un enrichissement dépassant cette limite a tendance à diminuer la résistance à la traction et à abaisser les propr@étés de renforcement du noir de carbone.
Les hydrocarbures qui se décomposent sans " absorption de chaleur, en particulier les aromatiques et les oléfines, sont particulièrement intéressants en addition avec le gaz de fabrication du procédé de l'invention, car ils font acquérir au produit des caractéristiques de fort module et augmentent le rendement.
De même, il est parfois avantageux d'ajouter au gaz naturel qui sert de gaz de .fabrication dans le procédé de l'invention un hydrocarbure qui se décompose avec dégagement de chaleur en proportion
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ch@@@@e de façon à compenser au moins en partie la baisse de température provoquée normalement par les réactions endothermiques de cracking pendant le passage du courant de gaz dans la chambre de réaction par le cracking exother- mique de ces hydrocarbures ajoutés.
Les exemples suivants indiquent de quelle manière l'invention peut s'appliquer dans la pratique dans des installations de diverses dimensions et proportions. Dans chaque cas, le noir de carbone obtenu a été mélangé avec du caoutchouc naturel, conformément à la composition normalisée suivante pour bandes de roulement de pneumatiques*
EMI24.1
<tb> Parties
<tb>
<tb> Feuille <SEP> fumée <SEP> de <SEP> caoutchouc <SEP> 100
<tb> Noir <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 52
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> zinc <SEP> 3
<tb> Acide <SEP> stéarique <SEP> 4
<tb> Goudron <SEP> de <SEP> pin <SEP> 2
<tb> Soufre <SEP> 2,7
<tb> Produit <SEP> de <SEP> la <SEP> réaction <SEP> de <SEP> cétone-amine <SEP> 1,5
<tb> Mercaptobenzothiazol <SEP> 0,9
<tb>
puis on a vulcanisé la composition de caoutchouc ainsi obtenue et on l'a essayée par le procédé ordinaire.
Les conditions des opérations et les caractéristiques des noirs de carbone respectifs-produits sont données dans le tableau ci-dessous.
<Desc/Clms Page number 25>
EMI25.1
<tb>
Nos <SEP> des <SEP> exemples <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb>
EMI25.2
Diamètre de la ch@ûbre de réaction ,0m 60 35 35 60 60 -
EMI25.3
<tb> Distance <SEP> du <SEP> point <SEP> d'introduction <SEP> du
<tb>
<tb> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> am <SEP> 63 <SEP> 68 <SEP> 60 <SEP> 87 <SEP> 87 <SEP> 83
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> du <SEP> tube <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrica-
<tb>
EMI25.4
tion, on 3,5 2,5 2,5 2,5 25 25
EMI25.5
<tb> pouvoir <SEP> calorifioue <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabri-
<tb>
<tb>
<tb> cation,
<SEP> cal/m3 <SEP> 9040 <SEP> 9040 <SEP> 8840 <SEP> 9700 <SEP> 9700 <SEP> 10680
<tb>
<tb>
<tb> Conditions <SEP> des <SEP> opérations
<tb>
<tb>
<tb> Débit <SEP> d'air <SEP> m3/h <SEP> 2830 <SEP> 1047 <SEP> 934 <SEP> 3400 <SEP> 3115 <SEP> 4800
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/ <SEP> gaz <SEP> combustible <SEP> 15 <SEP> 14,5 <SEP> 12 <SEP> 15 <SEP> 16, <SEP> 5 <SEP> 14,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> total <SEP> 5,20 <SEP> 5,4 <SEP> 4,82 <SEP> 5,4 <SEP> 5,5 <SEP> 4,9
<tb>
<tb>
<tb> Durée <SEP> de <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec. <SEP> 1,1 <SEP> 1 <SEP> (0,3- <SEP> 1,1 <SEP> 1,1 <SEP> 0,9
<tb>
<tb>
<tb> (0,5
<tb>
EMI25.6
Température de soufflage approx. 00 1425 1380 1595 1570 1330 1425 ï?=n,%emen t, v ixs du gaz total 50 27 38 55 46 91 B-'<-cuit e::t-'-,(Jt.ï:
0,18 0,02 0,25 0,10 0,05 0,14 ri'f-iet.,3 du caoutchouc naturel Durée ,';:. vlc4 xis. tion, min. -, 17,5 15 15 15 15 15 Module à 3CO" d'allonge kgf cm2 93,55 87,15 95 55 81,55 84,3586,1C Résistance à la traction kg/Cm2 287 254 30l 294 284 287 ,.1. er:en b 5; 615 630 627 650 640 655 Dureté Shore 64 63 65 64 62 63 Log R, résistivité électrique 2,1 23 3,1 3,1 25 z6 la chambre de réaction de l'installation de l'exemple 6 était rectangulaire, de dimensions 43 x 95 cm.
Les exemples supplémentaires 7 et 8 font apparaître l'effet produit par l'enrichissaient du gaz de fabrication, par exemple par du butane, les conditions des opérations et les caractéristiques des produits étant indiquées sur le tableau ci-dessous. Dans l'exemple 7, le gaz de fabrication consiste en du gaz naturel non enrichi. Dans l'exemple 8, on a utilisé comme Gaz de fabrication le même gaz naturel enrichi de butane.
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<tb>
Nos <SEP> des <SEP> exemples <SEP> 7 <SEP> 8
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> do <SEP> la <SEP> chambre <SEP> de <SEP> réaction, <SEP> cm <SEP> 23 <SEP> . <SEP> 23
<tb> Distance <SEP> du <SEP> point <SEP> d'introd. <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> cm <SEP> 30 <SEP> ' <SEP> ' <SEP> 30
<tb>
EMI25.8
.s.rta.te du tube de Gaz de fabrication, cm 0.95 2,5
EMI25.9
<tb> pouvoir <SEP> calorifique <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> calm3 <SEP> 8840 <SEP> 10325
<tb>
<tb>
<tb> Conditions <SEP> des <SEP> opérations
<tb>
<tb>
<tb> Débit <SEP> d'air <SEP> m3/h <SEP> 227 <SEP> 226
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> combustible <SEP> 12,4 <SEP> 14,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> total <SEP> 4,59 <SEP> 4,7
<tb>
<tb>
<tb> Durée <SEP> de, <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec.
<SEP> 0,69 <SEP> 0,70
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> de <SEP> soufflage <SEP> pprox. <SEP> C. <SEP> 1325 <SEP> 1250
<tb>
<tb> Produit
<tb>
EMI25.10
i*:or.etr.ct, ;t 0,23 0,09 P:roprié.tJ3 au c8c u b choue JI,diU:Ci!1Durée de vc a i. -in , 1.-:11'1. , 15 15 Nodule a. 1S"4'.o i1' llc;j,'(I'\\..'rJt, kg/ca2 84,35 115 résistaksec . 1 t..'H:Jo.iG.\, kgjcm2 . 308 .80 Allo1gemel! t ;b ô15 595 Du.t'f:té So-.'e 65 66 Log 1, .('é$1$Uvit' çi?cfM# 2,o 2,8
<Desc/Clms Page number 26>
L proportion d'air dans le mélange de gaz soufflé est un peu plus forte dans l'exemple 8, mais les autres conditions, quoique non identiques, sont très analogues.. Le rendement de l'essai de l'exemple 8 est de 62 g par m3 de gaz total.
Celui de l'exemple 7 est un peu moindre; mais on remarquera que la caractéristique du module du produit de l'exemple 8 est sensiblement plus élevée que celle du pro-
EMI26.1
duit de l'exeIilple 7 t-
Au cours des essais des exemples 2 et 3, les tubes d'introduction du gaz de fabrication pénètrent dans la cham- bre de réaction sur des longueurs respectives de 5 et 2,5 cm.
Au cours de tous les autres essais, l'extrémité intérieure des tubes du gaz de fabrication affleure les parois de la chambre de réaction. De même, dans chaque cas les tubes du gaz de fabrication sont sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal de la chambre de réaction.
Le module, la résistance à la traction, l'allongement et la dureté Shore des tableaux qui précèdent ont été déterminés par les procédés ordinaires. Les valeurs de log R -de la résistivité électrique,qui est le logarithme de la résistivité en ohms-centimètre, sont obtenues par l'équation
EMI26.2
log R = log ### dans laquelle r = la résistivité mesurée en ohms, w = la largeur de la plaque dressai en centimètres, 5 = l'épaisseur moyenne de la plaque en centimètres et 1 = la distance en centimètres entre les points de contact électrique aveo la plaque d'essai.
Les durées de conta, et des exemples 1, 2.. 4, 5, 7 et 8 des tableaux qui précèdent représentent le temps approximatif en secondes qui s'écoule entre l'injection du gaz de fabri- cation dans la flamme soufflée et le refroidissement du mé- lange chauffé par arrosage avec de l'eau à une température inférieure à la température active de la réaction ou par
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abaissement de la température à 1095 C environ par refroi- dissement par rayonnement. L'installation de l'essai 3 comporte une chemise d'eau de refroidissement du mélange chauffé sortant de la chambre de réaction.
La durée de contact calculée dans la chambre de réaction est de 0,33 seconde et le temps calculé jusqu'à un point situé à peu près à mi-distanoe dans l'élément de refroidissement, où. la tem- pérature est supposée égale à environ 1095 C, est d'environ 0,5 seconde.
La section totale des orifices du brûleur de l'ins- tallation du type représenté doit être choisie de façon à faire arriver un volume convenable du mélange combustible dans la chambre de réaction à la vitesse qui est nécessaire pour former une flamme soufflée extrêmement turbulente,, Cette vitesse doit être choisie de façon à empêcher la flamme de revenir en arrière dans les conduites d'alimentation, en particulier lorsqu'on fait arriver de l'air et du gaz mélan"' gés au préalable. On a obtenu de bons résultats avec des têtes de brûleur faisant arriver le mélange combustible dans la chambre de réaction à une vitesse dans la tuyère à' gaz comprise entre 10,5 et 41 m par seconde, basée sur le volume mesuré à 16 C et sous une, press ion absolue de 760 mm Hg.
Les brûleurs débitant à une vitesse dans la tuyère d 1 environ 26 m/seo sont particulièrement efficaces.
On a obtenu des résultats satisfaisants dans des installations dont la' section réduite totale des orifices du brûleur est comprise entre 3% et 28% de la section libre , de la chambre de réaction. Dans les grandes installations.
, cette section est généralement comprise entre 7 et 25 %. Une section d'environ 12,5 % est particulièrement avantageuse dans les brûleurs à tuyères de mélange et d'environ 7% à 10% dans les brûleurs à mélange préalable.
Lorsqu'on fait arriver du gaz de fabrication exothermique dans les installations du type décrit ci-dossus,
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l@ @ @leur dégegée par l@s gaz de la flamme soufflée est absorbée par la réaction 'dedécomposition du gaz de fabri- cation et il en résulte souvent une baisse de température nuisible du mélange gazeux pendant son passage dans la chambre de réaction. On peut réduire au minimum ce gradient nuisible de température dans la chambre de réaction au moyen d'un gaz soufflé oxydant, ainsi qu'il a été décrit.
Un autre moyen d'éviter des gradients de température nuisibles dans la chambre de réaction dans les opérations du type décrit consiste, suivant l'invention, à mélanger un hydrocarbure endothermique ou un mélange d'hydrocarbures en do thermiques avec un gaz de fabrication exothermique, L'expression "hydrocarbure endothermiqu" désigne évidemment un hydrocarbure qui se décompose avec dégagement de chaleur, par opposition avec les hydrocarbures exothermiques qui absorbent de la chaleur par leur réaction de décomposition.
Suivant cette caractéristique de l'invention, on restitue une partie de la chaleur absorbée par la décom- position endothermique du gaz naturel, par exemple, au mé- lange gazeux par la décomposition exothermique de l'hydro- carbure d'addition.
Les hydrocarbures endothermiques qui conviennent à cet effet sont -les hydrocarbures non saturés, de préférence les aromatiques,tels que par exemple le benzène: le toluène, le xylène, etc, D'autres hydrocarbures endother. miques qui. peuvent être choisis avantageusment sont les résidus lourds aromatiques de pétrole, ainsi que les hydro- carbures oléfiniques à bas points d'ébullition, par exemple l'éthylène et le propylène. On peut aussi ohoisir avantageu- semant des hydrocarbures fortement insaturés, tels que l'a- cétylène.
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Les proportions les plus avantageuses des hydrocar- bures endothermiques à mélanger avec le gaz de fabrication exothermique sont variables et dépendent des condition, de fonctionnement qu'on désire et de la quantité de chaleur dégagée par la décomposition de l'hydrocarbure endother-mique choisi. Par exemple, lorsque l'hydrocarbure endothermique oonsiste en acétylène, des proportions comprises entre environ 5% et environ 25% en volume, basé sur le volume total du gaz de fabrication, sont particulièrement avantageuses.
S'il s'agit d'un hydrocarbure endothermique normalement li- quide, des proportions comprises entre environ 0,034 et 0,135 litre par m3 de gaz naturel donnent de bons résultats..
Si l'on choisit des produits qu'on trouve facilement dans le commerce,, il y a lieu de tenir compte de la proportion d'hydrocarbure endotheimique qu'ils contiennent pour déter- miner la proportion de ces produits à mélanger avec le gaz de fabrication exothermique. L'addition de ces hydrocarbures endothermiques est particulièrement avantageuse en oombi- naison avec une flamme soufflée oxydante. Mais on peut aussi les ajouter en combinaison avec une flamme réductrice ou sensiblement neutre.
L'efficacité de cette caractéristique de l'invention en ce qui concerne la réduction du gradient de température dans la chambre de réaction ressort d'essais bomparatifs effectués dans une installation de dimensions semi-indus- trielles sensiblement identique à celle qui a été décrite en premier lieu. Cette installation consiste en une chambre de réaction cylindrique, de forme allongée et calorifugée, de 18 cm de diamètre intérieur et de 5,2 m de longueur totale.
Un bloc de brûleur d'environ 30 cm d'épaisseur est disposé à une extrémité de la chambre de réaction, dont l'autre extrémité débouche dans une chambre de refroidissements également de 18 CI;} de diamètre et d'environ 3 m de longueur.
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Cette chambre de refroidissement est entourée par une chemise d'eau absorbant la chaleur de la suspension gazeuse qui y passe et l'extrémité d'aval de la chambre de refroidissement aboutit dans un filtre du type à sac servant à séparer le noir de carbone en suspension des gaz effluents.
La chambre de réaction comporte quatre tubes d'injec- tion du gaz de fabrication, chacun de 6,35 mm de diamètre intérieur, répartis à 90 , à une distance d'environ 38 cm de l'extrémité -du côté du brûleur de la chambre et désignés ensemble par M-1. 'Une seconde série semblable ,de tubes d'injection du gaz de fabrication, désignés ensemble par M-2, est disposée plus loin en aval à une distance de 60 cm.
Pour faire fonctionner l'installation, on insuffle -un mélange combustible d'air et de gaz par l'orifice du brûleur et on le fait brûler dans la chambre, le débit des éléments de gaz naturel des gaz soufflés étant de 22 m3 par heure. Le gaz de fabrication est injecté par l'une ou l'autre des séries de tubes d'injection, ainsi qu'on le verra plus loin, avec un débit d'environ 22 m3 par heure.
Avant de commencer les essais, on chauffe la chambre de réaction à la température de fonctionnement et pendant les essais on relève la température aux points T-1, T-2, T-3, T-4, T-5 et T-6 situés respectivement à des distances de 83, 143, 218, 278, 368 et 458 cm de l'extrémité du côté du brû- leur de la chambre. Le gaz de fabrication de l'essai n 1 consis'te uniquement en gaz naturel, Celui de l'essai n 2 consiste en gaz naturel contenant 8,6 % en volume d'acétylène, Le gaz de fabrication des essais Nos 1 et 2 est injecté par les tubes M-1, et celui des essais Nos 3 et 4 est injecté par les tubes M-2. Le gaz de fabrication de l'essai n 3 consiste uniquement en gaz naturel identique à celui des essais précédents, et celui de l'essai n 4 est identique à celui de l'essai n 2 et contient 8,6% en volume d'acé- tylène.
Au cours de chaque essai, le volume du gaz de
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fabrication est sensiblement identique à celui du gaz combustible, mesuré dans des conditions comparables.
Les autres conditions de fonctionnement,, les gradients de température et les rendements en noir de carbone en kg par heure obtenus au cours de ces essais comparatifs sont indiqués sur le tableau ci-dessous:
Tableau 1
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<tb> Essai <SEP> n <SEP> 1 <SEP> Essai <SEP> n 2 <SEP> Essai <SEP> n 3 <SEP> Essai <SEP> n 4
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> soufflé <SEP> : <SEP> Gaz <SEP> combustible <SEP> 10,0 <SEP> 10,0 <SEP> 10,0 <SEP> 9,9
<tb> Air <SEP> total <SEP> :
<SEP> Gaz <SEP> total <SEP> 5,0 <SEP> 5,0 <SEP> 5,0 <SEP> 4,9
<tb>
<tb> Température <SEP> C
<tb> T-1 <SEP> . <SEP> 1335 <SEP> 1343 <SEP> 1504 <SEP> 1518
<tb> T-2 <SEP> 1318 <SEP> 1343 <SEP> 1238 <SEP> 1290
<tb> T-3 <SEP> 1288 <SEP> 1300 <SEP> 1245 <SEP> 1277
<tb> T-4 <SEP> 1263 <SEP> 1270 <SEP> 1220 <SEP> 1232
<tb> T-5 <SEP> 1229 <SEP> 1229 <SEP> 1152 <SEP> 1204
<tb> T-6 <SEP> 1185 <SEP> 1185 <SEP> 1120 <SEP> 1150
<tb>
<tb> Durée <SEP> de <SEP> contact <SEP> en <SEP> secondes <SEP> 0,30 <SEP> 0,30 <SEP> 0,27 <SEP> 0,27
<tb> Rendement, <SEP> kg/h <SEP> 2,360 <SEP> 3 <SEP> 2,632 <SEP> 4,232
<tb>
Il ressort du tableau ci-dessus qu'on diminue Notablement le gradient de température dans la chambre de réaction en ajoutant au gaz de fabrication une proportion d'acétylène aussi faible que 8,6%.
Ce résultat ressort en particulier de l'essai n 4, et l'amélioration est obtenue même lorsque la proportion d'air dans le mélange de gaz combustible soufflé est légèrement inférieure à celle qui est théoriquement nécessaire à la combustion complète de l'élément de gaz naturel du mélange.