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La présente invention a pour objet un four permettant d'effectuer la réaction de combustion partielle d'hydrocarbures en vue notamment de la production d'hydrocarbures non saturés, dont en parti- culier l'acétylène.
On sait que l'on peut réaliser cette combustion partielle, à l'aide d'oxygène de préférence, avec formation d'une flamme, ce procédé consistant à mélanger intimement l'hydrocarbure gazeux ou vaporisé et l'oxygène, puis à les introduire par l'intermédiaire d'un distributeur, dans une chambre de réaction, où s'effectuent la combus- tion partielle et la pyrolyse, et à stabiliser ensuite les produits de réaction par refroidissement brusque.
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Pour éviter une dépense excessive en oxygène, il est avan- tageux d'effectuer un préchauffage aussi poussé que possible du com- burant et du combustible. De plus, comme cette réaction, notamment dans le cas de préparation d'hydrocarbures non saturés, nécessite des temps très courts, il importe d'avoir un mélange aussi parfait que possible et distribué de façon homogène à l'entrée de la chambre de combustion. De cette façon, l'état réactionnel est identique pour chaque tranche transversale de cette chambre et il est possible de régler de façon précise la durée de réaction par un refroidissement brusque, stabilisant rapidement et efficacement les produits gazeux de combustion.
Dans les dispositifs utilisés jusqu'à présent, les réactifs sont en général préchauffés séparément, puis mélangés dans une chambre d'expansion de volume relativement grand pour assurer un mélange suffisamment intime, ce qui limite la température de préchauf- fage, si l'on veut éviter une pré-ignition du mélange ou un retour de flamme avant introduction dans la chambre de réaction.
Une autre technique consiste à effectuer le mélange des réactifs à froid et à le préchauffer dans un appareil à serpentin tubulaire où le mélange circule à des vitesses linéaires élevées, pratiquement soniques, et en tous cas supérieures à celle de la propa- gation de la flamme dans ce mélange considéré à sa température maximum de préchauffage. Il en résulte non seulement des dépenses énergétiques élevées pour assurer l'écoulement des réactifs à ces vitesses, mais de plus, par suite de l'expansion à grande vitesse du mélange gazeux entrant dans la zone de combustion, il est malaisé de déterminer, de façon suffisamment précise, la longueur de la zone de réaction et l'endroit où doit s'effectuer le refroidissement brusque des produits de combustion.
Par suite de la très haute turbulence,le temps de réac- tion reste de toute manière mal déterminé, au détriment des teneurs et des rendements souhaités.
L'objet de la présente invention est de remédier à ces différents inconvénients et de permettre, grâce à un four comportant des dispositifs particuliers de mise en contact et de mélange des réactifs, un préchauffage poussé et une interpénétration complète et
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rapide de ces réactifs, ainsi qu'une distribution parfaitement homo- gène dans la chambre de combustion.
Ces dispositifs particuliers consistent essentiellement à remplacer le mélangeur central, généralement utilisé jusqu'à présent, par un ensemble de mélangeurs de faible section. A cet effet, le four comprend plusieurs tubes de mélange, de faible section trans- versale, reliant une chambre d'alimentation d'un ou plusieurs des réactifs gazeux à la chambre de combustion de ce four, et plusieurs tubes éjecteurs pour l'introduction de l'autre ou des autres réactifs à l'entrée d'alimentation de ces tubes de mélange, de façon à faire passer les gaz d'une autre chambre d'alimentation dans ces tubes de mélange.
La position et les dimensions de la sortie de chacun des tubes éjecteurs, par rapport à l'entrée de chacun des tubes de mélange correspondante est fonction des proportions dans lesquelles les réac- tifs gazeux doivent être mélangés dans ces tubes de mélange.
La nature de la présente invention apparaîtra plus claire- ment par la description de fours de pyrolyse tels que représentés aux schémas en annexe où la figure I est une coupe transversale d'un four vertical du type circulaire, et les figures II et III représen- tent des formes particulières de réalisation.
Suivant la figure I, un four pour la combustion partielle d'hydrocarbures comprend une chambre de combustion 9, des tubes de mélange 6 et des chambres d'alimentation 1 et 3, prévues pour recevoir séparément les réactifs qui doivent être mélangés. Plusieurs tubes éjecteurs 2 raccordent la chambre d'alimentation 1 aux entrées 5 des tubes de mélange et se prolongent à travers la chambre d'alimentation 3. Les tubes éjecteurs 2 sont fixés à une plaque circulaire 14, sépa- rant les chambres 1 et 3, et pourvue d'ouvertures 15, constituant les entrées des tubes 2. Les tubes de mélange 6 sont maintenus entre une plaque perforée 16, constituant le fond de la chambre d'alimentation 3 et une plaque perforée 7, formant le sommet de la chambre de réaction 9.
La paroi 8 de la chambre de réaction entoure le faisceau des tubes de mélange 6, de façon à former une enveloppe pour le système de cir- culation d'eau autour de ces tubes. Elle se prolonge dans la chambre d'alimentation 3, où elle soutient une grille 4 autour des tubes
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éjecteurs 2. Les chambres d'alimentation 1 et 3 sont munies de con- duites d'amenée 17 et 18, la conduite 18 communiquant avec le compar- timent supérieur des deux compartiments formés, dans la chambre 3, par la grille 4. La tuyère de sortie 19 de chaque tube éjecteur 2 a, extérieurement, la forme d'un cône tronqué et elle se prolonge, en partie, dans l'entrée d'alimentation correspondante 5 d'un tube de mélange 6.
Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la manière suivante: un des réactifs, le comburant ou le combustible, préalablement pré- chauffé, amené par la conduite 17 dans la chambre d'alimentation 1, passe, par les tubes 2, dans les entrées d'alimentation 5. L'autre réac- tif est amené par la conduite 18, dans la partie supérieure de la chambre d'alimentation 3, et il est réparti, de manière homogène, dans la partie inférieure de cette chambre d'alimentation, au moyen de la grille 4. Le courant de gaz allant des tuyères 19 dans les entrées d'alimentation 5, entraîne les gaz de la chambre d'alimentation 3 dans les tubes de mélange, de façon à former un mélange réactionnel intime.
Le mélange réactionnel homogène est alors amené dans la cham- bre de combustion 9, où se produit la combustion partielle du combus- tible hydrocarboné.
Suivant la figure II, le four comprend une troisième chambre d'alimentation 10 séparée de la chambre 1 par une plaque perforée 20 ainsi qu'un ou plusieurs tubes éjecteurs 11 se prolongeant,à travers la chambre d'alimentation, jusqu'à l'entrée 15 d'un des tubes éjec- teurs 2. En employant le four de la figure II, le comburant peut être amené en quantité supplémentaire dans la chambre d'alimentation 10 et dans un des tubes 2, par ces tubes éjecteurs 11. Cette amenée supplé- mentaire à travers le tube 11 a pour effet d'enrichir localement le mélange réactionnel en comburant, de façon à créer localement des points chauds augmentant la stabilité moyenne de la zone de réaction.
Suivant un autre mode de réalisation, on peut utiliser le tube 11 pour ajouter un ou plusieurs hydrocarbures ou comburants au mélange réac- tionnel, en vue d'obtenir une réaction mixte de combustion partielle et de pyrolyse.
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Suivant la figure III, la plaque 20 est perforée pour former les entrées 21 et 22 d'un tube éjecteur 12 et d'un tube d'alimenta- tion 13, respectivement. Le tube éjecteur 12 est fixé à la plaque 20 et se prolonge à travers les chambres d'alimentation 1 et 3 ainsi qu'à travers la plaque 14, jusqu'à l'entrée 5 d'un tube de mélange 6.
Le tube d'alimentation 13 est maintenu entre les plaques perforées 7 et 20 et il se prolonge à travers les plaques 14 et 16 ainsi que les chambres 1 et 3.
Suivant les conditions réactionnelles désirées, le tube éjecteur 12 et le tube d'alimentation 13 permettent de fournir, à la chambre de réaction, d'autres quantités de gaz comburant, de gaz secondaire ou d'hydrocarbure.
C'est ainsi que les tubes éjecteurs 12 et 13 assurent res- pectivement l'arrivée dans cette chambre de réaction 9 du gaz prove- nant de la chambre 10, soit directement,, par la tuyère 13, soit après mélange avec seulement le gaz de la chambre 3, par le tube 12.
Les plaques 7, 14 et 16, les différents tubes éjecteurs ainsi que les tubes de mélange 6 peuvent être tous de construction. métallique, les parties adjacentes de la chambre de réaction étant protégées par une enveloppe à circulation d'eau froide. La chambre de réaction 9 peut également être protégée par un écran d'eau, pour empêcher le dépôt de carbone sur la paroi 8.
Grâce à ces dispositifs, on facilite, en la multpliant, la fonction mélange qui s'effectue de manière simple, avec le maximum d'efficacité et le minimum de temps, dans un ensemble de tubes indi- viduels de petite section.
En plus de ces avantages, au point de vue facilité et rapi- dité du mélange, autorisant de la sorte un préchauffage poussé des réactifs, les dispositifs suivant l'invention permettent, en outre, une distribution homogène du mélange préchauffé dans la chambre de combustion. Il en résulte un maximum de stabilité de la réaction et une homogénéité complète de l'état réactionnel dans toute tranche transversale de cette chambre de réaction, facteurs conduisant à un fonctionnement à efficience maximum du four de combustion pyrolytique et permettant de déterminer de façon précise la zone la plus efficace
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où l'on doit effectuer le refroidissement brusque des produits gazeux de réaction.
De plus, l'emploi de tubes de mélange à section transver- sale réduite conduit à une faible turbulence, même à des vitesses d'alimentation élevées, réduisant ainsi les retours de flammes éven- tuels dans le dispositif d'alimentation.
Exempte¯1
Un four, tel que représenté à la figure I, compte 36 tubes de mélange 6 en acier réfractaire, répartis en plusieurs cercles concentriques, chacun de ces tubes ayant un diamètre intérieur de
11 mm. et une longueur de 200 mm. Par la conduite 18, on introduit .
220 m3 par heure (mesurés aux conditions normales, à 0 C. et 760 mm.Hg) de méthane à 98 % de pureté, préchauffé à 750 C., qui se répartit dans la chambre 3 et est distribué de façon homogène, par la grille 4, au sommet des tubes 6. On introduit d'autre part, par la conduite 17,
130 m3N/H. d'oxygène à 98 % de pureté, préchauffé également à 750 C., qui, de la chambre 1, passe dans les tubes éjecteurs 2, puis-dans les tubes de mélange 6. A la sortie de ces tubes 6, le mélange homogène de méthane et d'oxygène s'enflamme dans la chambre . Les gaz de pyrolyse sont brusquement refroidis. On obtient 440 m3N/heure de gaz de pyro- lyse, compté sec, contenant 9 % en volume d'acétylène.
Le dispositif suivant la présente invention permet d'ail- leurs de traiter des gaz fortement préchauffés, sans crainte d'igni- tion spontanée, la seule limite en cette voie étant la capacité des préchauffeurs industriellement utilisés.
Les autres types de fours, comportant une chambre de mélange classique, ont leur possibilité de préchauffage limitée aux environs de 500 C. pour éviter, avec des mélanges homogènes des réactifs, le phénomène de pré-ignition dans la chambre de mélange. Dans ces con- ditions, les consommations spécifiques, par tonne d'acétylène, sont supérieures de 10 % en méthane et de 16 % en oxygène, par rapport à l'exemple ci-dessus, où les réactifs sont préchauffés à 750 C.
Exemple 2
Pour augmenter la stabilité de la flamme, on enrichit localement en oxygène, le mélange réactionnel soumis à la pyrolyse, , en utilisant le four de la figure II.
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Ce four comprend 36 tubes de mélange 6- dais lesquels on in troduit respectivement 220 m3N/H. de méthane à 98% de puretés par la chambre 3 et la grille 4, et 115 m3N/H d'oxygéne à 98 % de puretée, par la chambre 1 et les 36 tubes 2. Par 4 tubes 11,on introduit 15 m3N/H. d'oxygène. Les réactifs sont préchauffés à ?50 Ce Le gaz de pyrolyse contient 9 % en volume d'acétylène (calculé sur le gaz sec).
Une variante consiste à introduire les 15 m3N/H. d'oxygène, non plus par les 4 tubes 11, mais par 4 tubes 12 ou 4 tubes 13, comme représenté à la figure III, les autres 115 m3N/H. d'oxygène étant amenés par 32 tubes 2 dans les tubes 6.