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La présente invention concerne un appareil du gener d'un four de récupération pour l'application de processus de traitement de composes gazeux par des réactionsendothermiques et plus particulièrement à un appareil de combustion'pour un tel appareil.
Des fours de récupération sont souvent conçus pour donner lieu des réactions dans lesquelles des gaz sont chauf- fés à des températures élevées afin de produire les produits finis convenables puis sont refroidis pour enrayer la réaction
Lorsque de telles réactions sont endothermiques, on doit fournir de l'énergie sous Ci(-, chaleur pour entretenir la réaction. Ceci peut être obtenu de façon convenable pour
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combustion exothermique (le combustible avec c c' l'air normal ou enrichi ou de 1-loxy,,è,Lle dans l'a;)pareil servant pour la ré- action.
De façon . éviter une dilution indésirable des produits de réaction par les ga de combustion de la réaction é.' chauf- fe:nent exot7nerLiiouc, les stades de réaction exothermique et endothermique sont realises p'parement et alternativement dans le même appareil.
Du fait de la rapidité avec laquelle se produisent les réactions chimiques à température élevée, il est ouelcruefois
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nécessaire d'imposer une autre restriction à l'a.??areil, à savoir que les gaz entrant en réaction soient r2idczent portés aux températures de réaction, puis rapidement refroidis pour éviter une dégradation du produit fini désiré par sa propre réactivité à la température élevée à laquelle il est formé.
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A titre d'Gx8!1ple, la production d'acétylène par puy- rolyse d'hydro-carbones, tels oue du.:n=thGne, peut être réalisé dans un type de four de régénération dans lequel les gaz de réaction sont chauffés è. des tenpératures de l'ordre de 1.LOC C.
A ces. hautes teffipér8.vres" l'actylène for2ri,--' est instable, à :coins d'être rapidement refroidi il se décoposer8" ce qui provoque une perte de rendement importante. Il est par conséauent néces- saire, pour avoir des rendements de production {levés, de conce- voir l'appareil de réaction de telle façon que les gaz de réac- tion' restent un temps minimum à ces températures élevées et, en même temps, il est nécessaire de conserver un taux élevé cchaleur
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absorbée pendent l'autre péri ode d-1c,ch3uffe-rient exothermique.
Les deux buts à a-bteindre, - ?' savoir la faible durée de réaction H chaud et le taux élevé d'absorption de chaleur sont en opposition directe du fait que le premier nécessite un faible volume c.' ap:;>areil alors oue le deuxième en exige un grande en particulier dans la zone de combustion.
Il est bien connu que des réactions de ce genre peu- vent être maintenues en faisant casser des gaz de réaction à
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travers une masse réfractaire qui a été chauffée à une tempéra- ture supérieure à celle exigée pour la réaction'., La chaleur de réaction endothermique est fournie au flux de gaz de réac- tion, aussi bien que la chaleur nécessaire pour porter ceux-ci à la température de réaction, par enlèvement de chaleur à.
la masse réfractaire échauffée, ce qui se traduitepar une diminu- tion de température de cette masse réfractaire, Il est égale- ment bien connu que la chaleur enlevée à une telle liasse réfrac-- taire peut lui être restituée par des moyens tels que la com bustion de combustible, ce qui se traduit par-une augmentation de la température de la masse. Pour éviter un mélange des gaz de la réaction endothermique et des'gaz provenant de la phase.de combustion, l'appareil est mis en fonctionnement alternativement en premier lieu pour la partie combustion du cycle, puis pour la partie réaction du cycle.
Le refroidissement brusque des produits gazeux de réaction peuvent également être réalisés de façon convenable en leur faisant céder rapidement leurs calories à une seconde masse réfractaire maintenue à une température inférieure à celle.des produits de la réaction endothermique. La seconde masse peut être alternativement refroidie à l'air avant l'entrée des produits gazeux de réaction à refroidir. Il est évident que l'air utilisé pour refroidir la seconde masse, est préchauffé et peut par conséquent être avantageusement utilisé dans la. partie combustion du cycle afin d'augmenter le rendement thermique global.
La combinaison de ces stades et de ces impératifs s'est traduite par la réalisation d'un four dit à récupération, composé de deux masses réfractaires avec un dispositif d'introduction du combustible pour assurer la combustion entre.ces deux masses Le four de ré- cupération fonctionne suivant 'un cycle à deux temps alternatif et périodique qui peut être désigné d'une manière appropriée comme un "cycle chauffage et réaction" défini comme suit :
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1er temps : Préchauffage de l'air en le faisant tra- verser une première masse de réfractaire, injection du com- bustible dans cet air préchauffé et échauffement d'une seconde masse de réfractaires par les produits de la combustion.
2ème temps : Réalisation.d'une réaction endothermique et refroidissement brusque des produits de cette réaction dans laquelle de la chaleur est fournie aux gaz devant réagir, en les faisant traverser la seconde masse réfractaire chaude dans le sens inverse des produits de combustion du 1er temps du cycle, puis en les faisant traverser la première masse réfrac- taire dans le 'sens inverse de l'air qui l'a traversée pendant le premier temps du cycle, on opère ainsi le refroidissement. des gaz de réaction en faisant passer les calories de ces gaz à la première masse réfractaire.
Grâce à un dispositif de contrôle convenable, un équi- libre exact peut être maintenu, pendant le cycle à deux temps ci-dessus, entre la chaleur enlevée aux masses réfractaires pendant la réaction endothermique et la chaleur restituée à ces masses par la réaction de combustion. Cependant on peut maintenir dans le four de récupération des conditions de température plus uniformes en utilisant un cycle à 4 temps dans lequel les tendances aux variations de température de la.masse sont éliminées par auto- compensation due à la symétrie totale d'un cycle à 4 temps alter- natif et périodique, Le cycle à 4 temps peut être également désigné par "chauffage et réaction" et, pour une double masse de réfrac- taires avec un dispositif d'introduction du combustible pour la combustion entre les dites masses, comprend :
1er temps : Chauffage de la lère masse dans un sens,
2ème temps: Fabrication d'un produit de réaction dans la première masse, dans le sens opposé.,
3ème temps: Chauffage de la 2 masse dans un sens,
4ème temps Fabrication d'un produit de réaction dans la seconde masse, dans le sens opposé.
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Le cycle à 4 temps a cependant l'inconvénient par rapport au cycle à deux temps que la température en un point quelconque de la masse s'élève ou s'abaisse en deux étapes.
Par conséquente toutes choses égales par ailleurs, la zone de variation de température dans le cycle à 4 temps sera environ le double de celle ou cycle à deux temps en partant du refroi- dissement pour aller au réchauffement et ensuite au refroidis- sement.
Dans des fours de récupération d'un type ancien, on a observé grâce à des mesures prises que, pendant la réaction endo- thermique, il existe'un gradient de température important dans chaque masse suivant des plans normaux au sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de la masse. De tels gradients sont indésirables à cause de l'effet sensible exercé par la température sur les vitesses de réaction pour des réactions endothermiques à haute température. Par exemple, la vitesse de craking de certaines fonctions de pétrole double pour chaque tranche de 25 F d'augmenta- tion de température. De plus des réactions endothermiques pro duisent généralement plus (l'un. produit à partir d'une matière 'première donnée.
En plus dit produit désiré sont formés des sous- produits plus ou moins indésirables qui sont les résultats d'autres réactions engendrées par la matière première ou les produits inter- médiaires.
On sait que, dans de tels cas, on obtiendra le ren- dement optimum en produit désiré en opérant dans une zone de température très étroite'dans'laquelle les réactions auxiliai- res indésirables sont supprimées au maximum. Cela nécessite alors un appareillage et un processus suivant lesquels la ma- tière devant réagir est;soumise à un gradient de température mini- en un endroit quelconque de l'appareil, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de grosse différence de.température dans un plan quelconque normal à l'écoulement d'une telle matière. On sera sûr ainsi qu'une particule de matière première'devant être modifiée endothermiquement
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sera soumise aux mêmes conditions optina de réaction que toute autre particule.
L'invention a pour objet un processus et un appareil dans lesquels un gradiant de température longitudinal uniforme s'étalant des températures d'entrée .aux températures de réaction, est constamment maintenu sur toute la longueur de chaque masse de récupération et dans lesquels un gradient de température minintua existe à travers chaque nasse en un plan quelconque normal au sens d'écoulement des gaz à travers les masses. Si un gradient de température élevé existe à travers la masse nor- malement au sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de celle-ci, comme dans les procédés du type ancien, l'échauffement et le . degré de réaction sont inégaux et thermiquement inefficaces, ce qui se traduit par des rendements faibles en produits et par des réactions auxiliaires indésirables.
L'invention a pour objet un appareil pour réaliser la transformation thermique de gaz réactifs comprenant une paire de masses de récupération non disposées en ligne droite avec, dans chacun, des canaux de passage pour les gaz; c es masses comportant une zone de combustion comme, placée près d'une extrémité de cha- cune des masses et communiquant avec les dits canaux de passage de gaz, et comportant également un dispositif par lequel un gaz réactif ou un gaz de combustion peut être amené à des espaces ouverts en communication avec les canaux de passage de l'une ou l'autre des masses à l'extrémité opposée de la dite zone de com bustion ;
appareil caractérisé par des dispositifs qui, pendant une phase de chauffage, projettent du combustible dans la dite zone de combustion à contre courant par rapport aux gaz portant de l'une des masses, avec un régime de répartition latérale choisi de manière à diminuer pendant le chauffage les différences de température dans tout plan intérieur à l'outra masse et normal au sens d'écoulement du gaz à travers elle, ce qui augmente le rendement du four sans compromettre la réaction.
Elle s'étend également à un procédé à cycle pour la
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transformation thermique de gaz réactifs, dans un appareil confonde' à 1'un des paragraphes précédents, procédé caractérisé parce qu'on refroidit une masse et chauffe l'autre par écoulement de gaz de combustion relativement froids dans les canaux de gaz de l'une des masses vers l'extrémité communiquant avec la zone de combus- tion;
après quoi on refrodit la dite masse et on chauffe les gaz, on injecte du combustible dans la zone de combustion vers les canaux de passage de gaz de la dite masse dans un sens essentiel- lement opposé à celui de l'écoulement des gaz de combustion sor- tant des dits canaux, de manière à réaliser le mélange intime du combustible avec les gaz de combustion préchauffés où brûle le mélange dans cette zone de combustion et l'on fait passer les produits chauds de combustion dans les canaux de passage de l'autre masse afin d'échauffer la dite masse; le combustible étant injecté avec un régime de distribution latérale choisi pour réduire les variations de température dans tout plan inté- rieur à la masse chauffée et perpendiculaire au sens d'écoule- ment des gaz à travers elle.
Le procédé de réaction endothermique par récupération suivant l'invention est souple, économique et d'une grande effi- cacité. L'appareil du type décrit plus haut pour entretenir les différentes réactions endothermiques, où de la chaleur est alternativement enlevée et redonnée par les masses du four à des vitesses élevées et dans des conditions uniformes.
Le procédé et l'appareil de l'invention assurent égale- ment une amélioration de la production endothermique d'une phase vapeur de produits de modification différents, à partir de ma- tières comprenant: la production de gaz de chauffage à partir d'hydrocarbones,. comme des gaz naturels, des hydrocarbones,de poids moléculaire peu élevé à partir d'hydrocarbones lourds, des 'produits de deshydrogénation à partir de composés déshydro- géna.bles come l'acétylène, l'éthylène et autres oléfines à par- tir d'hydrocarbones plus saturés; des hydrocarbones aromatiques comme du benzène à partir d'autres hydrocarbones;
des produits
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d'isomérisation partir d'hydrocabones du cyanure d'hydrogène à partir d'hydrocarbones et d'ammoniac des produits de déshydrata- tion à partir d'alcools, de l'hydrogène à partir d'hydrocarbones et du noir de fumée à partir d'hydrocarbones.
Le four de l'invention est utilisable pour produire un produit gazeux de sortie contenant une proportion substantielle d'acétylène et/ou d'éthylène, à partir d'un produit gazeux d'en- trée se composant de, ou contenant une part importante d'un hy- drocarbone de base convenable.
La température dans le four en un plan quelconque normal au sens d'écoulement des gaz à l'intérieur des masses est essen- tiellement uniforme sur toute la longueur du four.
L'invention s'étend également aux caractéristiques ré- sultant de la description ci-après et des dessins annelés ainsi qu'à leurs combinaisons possibles.
La description se rapporte à des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples et représentés aux des- sins joints dans lesquels: -La figure 1 représente une coupe horizontale d'une réalisation de l'appareil de l'invention.
-La figure 2 représente une vue en élévation de côté du four de la figure 1 en coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
Le four 10 tel qu'il est représenté sur le croquis se compose d'une virole cylindrioue 11, de préférence en acier et comporte un revêtement calorifuge 12.
Deux masses de récupération 13 et 14 sont placées à l'intérieur du calorifuge. Ces masses sont disposées l'une à côtéde l'autre et sont séparées par une paroi calorifuge 15.
Ces masses peuvent être disposées d'une autre manière, par exemple perpendiculaires entre elles à leur extrémité de combustion.
Les masses 13 et 14 sont reliées entre elles à l'une de leurs extrémités, par une chambre ou. un espace de combustion 16.
Chacune des masses est composée d'élémonts réfractaires conve-
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nables ayant la propriété de permettre l'écoulement de gaz à travers eux et étant capables de conserver et de redonner les quantités de chaleur intervenant dans le procédé et amenées dans le four.. Les fig: 1 et 2 illustrent l'utilisation de carreaux de céramique 17 et 18 de profil régulier, comme produits réfrac- taires pour les masses de récupération 13 et 14, qui comme cela est représenté, comportent des cheminées 19 et 20 pour le passage des gaz au travers de l'appareil.
Des chambres de ventilations 21 et 22 et des tuyaute- ries de liai'son 23 et 24 sont prévues pour l'introduction et l'évacuation de gaz dans et à partir des extrémités des masses de récupération opposées à l'espace de combustion. La chambre 16 comporte des dispositifs d'injection de combustible 25 et 26 qui peuvent comprendre des canalisations 27 et 28, respectivement, pour du combustible gazeux ou liquide.
Les canalisations projettent à travers la paroi terminale 29 et le revêtement réfractaire terminal 30 et avec dispositif d'injection 27, les flammes à travers des orifices de la couche réfractaire 31 vers l'extrémité 32 de la masse de récupération 13 et, avec le dispositif d'injection 27, projettent les flammes à travers la couche réfractaire 31 vers l'extrémité 33 de la masse de récupération 14. Les cheminées 12 de la.masse 13 sont reliées, par la chambre 34 et par les conduits de la chicane 35 à la chambre 16 tandis que les cheminées de la masse 14 sont reliées par la chambre 36 et les conduits de la chicane 37 à la chambre 16.
Pour permettre la réalisation d'un procédé de trans- formation endothermique dans lequel les produits de réaction doivent être chauffés, doivent réagir et être trempés, le fonctionnement du four est à marche cyclique et se compose d'un stade de réaction endothermique, et d'un-stade d'échauffement dans un sens, suivi par un stade de réaction endothermique et d'un stade d'échauffement dans le sens inverse pour un cycle à 4 temps, la durée de ces différents stades pouvant varier suivant les besoins.
En supposant intialement que la masse 13 doit être échauffée et la masse 14
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refroidie, nous allons donner dans la suite une description du cycle complet : a) un gaz devant intervenir en réaction est introduit par l'extrémité avant 38 de la -lasse 13 et s'écoule au travers, il se produit une pyrolyse et le gaz. de réaction est évacué à partir de l'extrémité arrière 32 de la masse en question et passe à travers la chicane 35, la chambre 16 et la chicane 37 vers l'ex traité 33 de la masse 14, où, pendant son'écoulement vers l'extré mité 39 de cette :
sasse, il est refroidi en dessous d'une température à laquelle il ne se.produit pas d'autre réaction. b) De l'air est ensuite introduit par l'extrénité avant 38 de la masse 13 et est préchauffé en prélevant de la cha leur à la dite masse avant qu'il n'atteigne l'espace de coubuc tion 16.
Du gaz comhustible est introduit dans la zone de com bustion par des injecteurs 27 et des gaz chauds passent par la chicane 37 et échauffent la i.iasse réfractaire 14 en la traver- sant, puis sont évacués par l'extrémité 39 de la dite masse.
c) Le précédent stade'de pyrolyse a) est répétée avec cette- fois un écoulement des gaz dans des sens opposés, c'est-à-dire que le gaz devant réagir est introduit par l'extrémité 39 de la masse 14 et que le gaz de réaction refroidi est évacué par l'extrémité 38 de la .Glas se 13. d) L'étape précédente de combustion est rejetée, avec écoulement d'air et de gaz combustibles dans le sens opposé, c' est-à-dire que l'air est introduit par l'extrémité.39 de la masse 14 et que les produits refroidis de combustion sont évacués par l'extrémité 38 de la nasse 13.
Lorsque le four de l'invention est conduit efficacement en concordance avec le cycle coératoire de récupération mis en con- cordance plus haut, il est évident que, avant toute réaction à température élevée dans la ..lasse réfracaire 13 ou 14, une telle masse doit être rapidement chauffée à des températures élevées.
Pour réaliser réchauffement rapide nécessaire à (les températures
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élevées,on fournit des gaz de combustion chauds aux masses de récupération 13 ou 14. Pendant la combustion du combustible de chauffage et l'échauffement d'une masse de récupération, il est important qu'il n'y ait pas de carbone qui soit déposé sur les cheminées ou les canalisations 19 et 20, ce qui se traduirait par l'obturation des conduits et par une diminution du débit passant au travers. Il est par conséquent important pour cette raison, et pour l'économie et le rendement dans l'utilisation du combustible, que la combustion du combustible de chauffage soit aussi complète que possible.
Le nouveau dispositif d'injection de combustible de l'invention fournit un mélange parfait et intime du combustible et des gaz nécessaires pour entretenir la combustion, ce qui permet d'avoir une combustion complète de l'ensemble dans un espace de combustion minimum avec pour résultat que la masse de récupéra- tion à réchauffer est rapidement amenée en un état qui correspond à une source de chaleur à haute température dans laquelle il existe une température à peu près uniforme à travers la masse et'normale- ment au sens de traversée de celle-ci par les gaz. Les températures à peu près uniformes en des points quelconques d'une telle section transversale de la masse, entraînent un rendement accru en produits de réaction désirés par' rapport aux appareillages du type ancien qui donnaient des points chauds dans la masse.
Comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, deux groupes d'injecteurs 27 et 28 passent à travers l'enveloppe terminale 29 du four 10 et le revêtement réfractaire 30. Le combusti- ble est fourni aux injecteurs par la conduite d'alimentation 40, les collecteurs 41 ou 42 et les canalisations 43, ou 44 suivant le sens d'écoulement donné par les soupapes 45 et 46 Le combustible sort de chacun des injecteurs 27 ou 28 par les ouvertures 47 ou 48 respective'[lent, passe dans le revêtement réfractaire 31 et à travers la chambre de combustion 16 puis est de préférence orienté par les orifices 49 ou 50 dans les chicanes de mélange 35 ou 36, respective-
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ment..
Chacun des injecteurs peut fonctionner à une vitesse vosine de celle du son de sorte que le combustible restera. dans un courant à vitesse élevée au moins juscu'à ce qu'il soit à proximité des orifices 49 ou 50 dans la chicane 35 ou 36. alternativement les orifices 47 et 48 dans le revêtement réfractaire 31 peu- vent constituer le dispositif d'injection avec les injecteurs 27 et 28 déplacés en un point assez proche de l'enveloppe terminale 29 du four 10.
L'air pour la combustion passe à travers chacune des masses 13 ou 14.et est préchauffé lorsqu'il aborde la cham bre 34 ou 36; il entre habituellement dans ces chambres à une vitesse bien moins grande que celle du combustible sortant des orifices 47 et 48.
Lorsque le conbustible, réparti suivant plusieurs cou- rants aborde 1'une ou l'autre des chambres 34 ou 36, il pénètre dans l'écoulement d'air venant de ces chambres et se mélange in- timement avec les courants d'air préchauffé. Le mélange d'air préchauffé et de combustible brûle et la combustion continue lorsque le mélange traverse la chambre 16. Les composants de la réaction avec combustion et/ou les produits, sont en outre mélangés lorsqu' ils passent à travers les chicanes 35 ou 37 avant d'entrer dans les masses de récupération 13 ou 14, respectivement, pour y être réchauffés. En outre le mélange des composants de la réaction de combustion peut être obtenu en disposant une chicane intermédiaire de mélange 51.
Pour l'allumage un brûleur pilote 52 peut être disposé dans la chambre 16.
Plus préeisément, dans l'opération ou la. masse 14 doit être échauffée, le combustible est éjecté des injecteurs 27 vers la chambre 34 et est mélangé avec de l'air préchauffé venant de la .lasse 13. Le mélange air-combustible est brûlé et il en résulte des gaz de combustion chauds qui s'écoulent vers la chicane de mélau ge 37. Les gaz de combustion mélangés traversant la chicane 37 sont distribués uniformément dans les cheminées 20 de la masse 14 en
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redonnant leur chaleur à la élite masse pendent qu'ils s'écoulent dedans en direction de la chambre 22'.
Les gaz de combustion relati- vement froids sont évacués de la chambre 22 vers l'orifice de sortie 24
Faisant suite à l'échauff,ement de la niasse 14, les gaz d'alimentation à transformer passent à travers cettomasse allant de l'extrémité 39 à la chambre 36.
Les gaz quittant la masse 14 traversent les chicanes 37 et 35 et sont ensuite rapidement refroidis en dessous de la température de réaction par contact avec la masse relativement froide 13, de laquelle ils sortent par l'ex- trémité 38 Le. cycle périodique comprenant l'échauffement, le cracking et le refroidissement est rejeté alternativement de la masse 13 à la masse 14
Lorsqu'une réaction de transformation endothermique basée sur un cycle opérationnel à deux temps doit être réalisée dans l'appareil de l'invention, il n'est nécessaire d'avoir qu'un seul poste d'injecteurs de combustible, dépendant du sens unique d'écoulement choisi pour la inatière première devant entrer en réaction, l'écoulement des gaz dans le stade d'échauffement se faisant dans le sens inverse.
Lorsque le réchauffement se produit par écoulement des gaz de combustion chauds à travers la masse 13, seuls les injecteurs 28 sont nécessaires tandis que lorsque le réchauffement se produit par écoulement des gaz chauds à travers la masse 14 seuls les injecteurs 27 sont utilisés.
comme résultat du mélange intime d'air et de combustible dans la zone de combustion, on peut obtenir des vitesses maxima de libération de chaleur dans un minimum d'espace et, comme résultat du mélange et de la répartition uniforme des gaz de combustion dans la mase a échauffer, l'appareil assure une répartition de cha- leur extrêmenant uniforme 3 travers la surface de la masse à échauf- fer et dans tous les autres plans parallèles de cette nasse, ce qui se traduit par une transformation optimum et uniforme des gaz
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devant réagir, avec un rendement maxi muncn roduits finis ' désiras.
En considérant l'échauffement Ces masser réfractaires du type décrit, il a été constate que, pour un échauffement à température élevée, au voisinage de 1000 C Et plus, il se produit à travers la surface de la masse un gradient de tem pérature qui n'est que de + 25 c ou moins et qu'une telle dif-. férence minima de température n'avait pas encore pu être obte- nue jusqu'à maintenant avec les dispositifs de combustion con- nus dans des fours de récupération à température élevée.
L'exemple suivant illustre les avantages de fonc- tionnement du système de combustion en liaison avec un four de ré- cupération fonctionnant expérimentalement. Les données des tableaux ci-dessus ont été obtenues à partir d'un four à pyrolyse qui a essentiellement la même conception que le four représenté sur les figures 1 et 2.
EXEMPLE
Dimensions du four (chaque nasse) :
Longueur 275 cm
Largeur 45,5cm
Hauteur 25,4 em
Conduits de fumée du four Nombre 384 par masse
Diamètre- 9,9 mm
Injecteurs
Nombre 32 par masse Après qu'un four du type décrit plus haut ait fonctionné sui- . vant un cycle continu d'échauffement et de cracking à des tempéra- tures moyennes de 800 c une éprouvette à température fut placée dans le trou 53 de la masse 13, ce trou étant ;situé verticalement et a.u centre de la. masse, à 85 mm vers le bas à partir de la face 32 de la masse, et en communication avec les cheminées 19.
Las températures des gaz s'écoulent par les cheminées 19 furent conti- nuellement mesurées et enregistrées pour liensemble du cycle de
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ònctioiuio ien.t, 1' ;ipi=ouvet.te étant cliane de place a travers la. niasse après chaque nouveau cycle. La durée de chaque cycle coi;iplet était approxDAativement de 4 minutes. Le point de départ des mesures de températures était situe à 50 nui de la paroi 54. ce la :te.s se 13, les i-iesures ultérieures ,)rises- aux points situes à 102 flh,1, 156 ùha, 229 ;ir:1, 305 iwx, 357 ±,1',1, et 410 due cette paroi.
Pendant la phase cracking de ce c.,-cle les tE::ú1p(.ratu:ees furent enregistrées corane cela est indiqu. dans le tableau suivant TABLEAU i
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Millimètres à. température Ii11i1.1ètrCS Ieiàp4ratv-res
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<tb> partir <SEP> de <SEP> la <SEP> en <SEP> c <SEP> partir <SEP> de <SEP> la <SEP> en <SEP> C
<tb> paroi <SEP> 56 <SEP> paroi <SEP> 56
<tb>
<tb>
<tb> 151 <SEP> mm <SEP> 780 <SEP> 305 <SEP> mm <SEP> 790
<tb>
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10'fla 1,
un 790 357 nnn 790
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<tb> 153 <SEP> mm <SEP> 790
<tb>
<tb> 229 <SEP> mm <SEP> 785 <SEP> 410 <SEP> mm <SEP> 810
<tb>
Le tableau ci-dessus montre que en un point quelconque de la mas- se 13-la température moyenne de caracking en un tel point ne varie à partir de la température de 795 C que de + 15 c et que la tempé rature moyenne en tous les points est de 791 C.
Pendant une opération cyclique similaire, les tempéra- tures moyennes de masse furent mesurées et enregistrées à des distances différentes sur l'ensemble de la longueur de la masse 13 à partir delà face 32. Ces températures mesurées,sont indi- quées dans le tableau suivant:
TABLEAU ii
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<tb>
<tb>
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riai le long de la masse 15 a Température moyenne de partir de la face 32 [(lasse, en C. ------------------------¯¯¯¯¯¯l¯¯¯¯¯¯-------------------------
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<tb> 172 <SEP> mm <SEP> 910
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 514 <SEP> mm <SEP> 750
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1028 <SEP> mm <SEP> 640
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1800 <SEP> mm <SEP> 450
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 265 c <SEP> mm <SEP> 350
<tb>
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----------------p-------------------------------------------------
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Bien, que l'invention présente ait été expliquée en relation avec une réalisation choisie, des modifications peuvent y être appor- tées et rentrent dans le domaine de l'invention.
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The present invention relates to an apparatus of the generator of a recovery furnace for the application of processes of treatment of gaseous compounds by endothermic reactions and more particularly to a combustion apparatus for such an apparatus.
Recovery furnaces are often designed for reactions in which gases are heated to high temperatures to produce the suitable end products and then are cooled to stop the reaction.
When such reactions are endothermic, energy must be supplied under Ci (-, heat to sustain the reaction. This can be conveniently obtained for
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exothermic combustion (the fuel with c c 'normal or enriched air or 1-loxy ,, è, Lle in a;) similar serving for the reaction.
In a way . avoid undesirable dilution of the reaction products by the combustion gases of the reaction. heating: nent exot7nerLiiouc, the exothermic and endothermic reaction stages are carried out separately and alternately in the same apparatus.
Due to the rapidity with which chemical reactions occur at elevated temperature, it is often
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necessary to impose another restriction on the air, namely that the gases entering the reaction are brought to reaction temperatures, then rapidly cooled to avoid degradation of the desired end product by its own reactivity at temperature high at which it is trained.
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As Gx8! 1ple, the production of acetylene by the polyhydro-carbons, such as du.:n=thGne, can be carried out in a type of regeneration furnace in which the reaction gases are heated. è. temperatures of the order of 1.LOC C.
To these. high teffipér8.vres "the actylene for2ri, - 'is unstable, at: corners of being rapidly cooled it decoposer8" which causes a significant loss of yield. It is therefore necessary, in order to have high production yields, to design the reaction apparatus in such a way that the reaction gases remain a minimum time at these high temperatures and at the same time. , it is necessary to maintain a high heat rate
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absorbed during the other period d-1c, exothermic heating.
The two goals to be achieved, -? ' namely the low reaction time H hot and the high rate of heat absorption are in direct opposition to the fact that the former requires a low volume c. ap:;> areil then the second one requires a large one especially in the combustion zone.
It is well known that reactions of this kind can be maintained by breaking down reaction gases at
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through a refractory mass which has been heated to a temperature higher than that required for the reaction. The heat of endothermic reaction is supplied to the flow of reaction gases, as well as the heat necessary to raise them. at the reaction temperature by removing heat from.
the heated refractory mass, which results in a decrease in temperature of this refractory mass, It is also well known that the heat removed from such a refractory bundle can be restored to it by means such as the com fuel bustion, which results in an increase in the temperature of the mass. To avoid mixing of the endothermic reaction gases and gases from the combustion phase, the apparatus is operated alternately first for the combustion part of the cycle and then for the reaction part of the cycle.
The sudden cooling of the gaseous reaction products can also be conveniently achieved by causing them to rapidly transfer their heat to a second refractory mass maintained at a temperature below that of the endothermic reaction products. The second mass can be alternately cooled in air before the entry of the gaseous reaction products to be cooled. It is obvious that the air used to cool the second mass is preheated and can therefore be advantageously used in the. combustion part of the cycle in order to increase the overall thermal efficiency.
The combination of these stages and these requirements has resulted in the production of a so-called recovery furnace, composed of two refractory masses with a fuel introduction device to ensure combustion between these two masses. - cuperation operates according to an alternating and periodic two-stroke cycle which can be appropriately referred to as a "heating and reaction cycle" defined as follows:
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1st step: Preheating of the air by making it pass through a first mass of refractory, injection of the fuel into this preheated air and heating of a second mass of refractories by the products of combustion.
2nd stage: Realization of an endothermic reaction and sudden cooling of the products of this reaction in which heat is supplied to the gases to react, by making them pass through the second hot refractory mass in the opposite direction of the combustion products of the 1st stage of the cycle, then by causing them to pass through the first refractory mass in the opposite direction to the air which has passed through it during the first stage of the cycle, cooling is thus carried out. reaction gases by passing the calories of these gases to the first refractory mass.
By means of a suitable control device, an exact equilibrium can be maintained, during the above two-stroke cycle, between the heat removed from the refractory masses during the endothermic reaction and the heat given back to these masses by the combustion reaction. . However, more uniform temperature conditions can be maintained in the recovery furnace by using a 4-stroke cycle in which the tendencies to mass temperature variations are eliminated by self-compensation due to full cycle symmetry. 4-stroke alternating and periodic, The 4-stroke cycle can also be referred to as "heating and reaction" and, for a double mass of refractories with a device for introducing the fuel for combustion between said masses, comprises :
1st step: Heating of the 1st mass in one direction,
2nd step: Manufacture of a reaction product in the first mass, in the opposite direction.,
3rd step: Heating of the 2nd mass in one direction,
4th step Manufacture of a reaction product in the second mass, in the opposite direction.
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The 4-stroke cycle however has the disadvantage compared to the two-stroke cycle that the temperature at any point in the mass rises or falls in two stages.
Consequently, all other things being equal, the temperature variation zone in the 4-stroke cycle will be about twice that or two-stroke cycle starting from cooling to heating and then to cooling.
In recovery furnaces of an old type, it has been observed by measurements taken that, during the endothermic reaction, there is a large temperature gradient in each mass following planes normal to the direction of gas flow. inside the mass. Such gradients are undesirable because of the substantial effect of temperature on reaction rates for high temperature endothermic reactions. For example, the cracking rate of some petroleum functions doubles for every 25 F of temperature increase. In addition, endothermic reactions generally produce more (the one produced from a given raw material.
In addition to said desired product, more or less undesirable by-products are formed which are the results of other reactions generated by the raw material or the intermediate products.
It is known that in such cases the optimum yield of the desired product will be obtained by operating within a very narrow temperature range in which unwanted side reactions are minimized. This then requires an apparatus and a process whereby the material to be reacted is subjected to a minimum temperature gradient anywhere in the apparatus, i.e. there is no large difference in temperature in any plane normal to the flow of such material. This will ensure that a particle of raw material to be endothermically modified
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will be subjected to the same optina reaction conditions as any other particle.
A process and apparatus in which a uniform longitudinal temperature gradient ranging from inlet temperatures to reaction temperatures is constantly maintained throughout the length of each recovery mass and in which a gradient is provided. minintua temperature exists through each trap in any plane normal to the direction of flow of gases through the masses. If a high temperature gradient exists across the mass normally in the direction of gas flow therein, as in older type processes, heating and. degree of reaction are uneven and thermally inefficient, resulting in low product yields and unwanted side reactions.
The object of the invention is an apparatus for carrying out the thermal transformation of reactive gases comprising a pair of recovery masses not arranged in a straight line, with, in each, passage channels for the gases; these masses comprising a combustion zone as, placed near one end of each of the masses and communicating with said gas passage channels, and also comprising a device by which a reactive gas or a combustion gas can be brought to open spaces in communication with the passage channels of one or the other of the masses at the opposite end of said combustion zone;
apparatus characterized by devices which, during a heating phase, project fuel into said combustion zone against the current with respect to the gases carrying one of the masses, with a lateral distribution regime chosen so as to decrease during the heating the temperature differences in any plane interior to the extra mass and normal to the direction of gas flow through it, which increases the efficiency of the furnace without compromising the reaction.
It also extends to a cycle process for
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thermal transformation of reactive gases, in an apparatus similar to one of the preceding paragraphs, a process characterized by cooling one mass and heating the other by flowing relatively cold combustion gases through the gas channels of one masses towards the end communicating with the combustion zone;
after which the said mass is cooled and the gases are heated, fuel is injected into the combustion zone towards the gas passage channels of the said mass in a direction essentially opposite to that of the flow of the combustion gases leaving said channels, so as to achieve the intimate mixture of the fuel with the preheated combustion gases where the mixture burns in this combustion zone and the hot combustion products are passed through the passage channels of the another mass in order to heat said mass; the fuel being injected with a lateral distribution regime chosen to reduce temperature variations in any plane inside the heated mass and perpendicular to the direction of gas flow through it.
The endothermic recovery reaction process according to the invention is flexible, economical and highly efficient. The apparatus of the type described above for maintaining the various endothermic reactions, where heat is alternately removed and given back by the masses of the furnace at high speeds and under uniform conditions.
The method and apparatus of the invention also provides for an improvement in the endothermic production of a vapor phase of various modification products from materials including: the production of heating gas from hydrocarbons ,. such as natural gases, low molecular weight hydrocarbons from heavy hydrocarbons, dehydrogenation products from dehydrogenatable compounds such as acetylene, ethylene and other olefins from heavy hydrocarbons. more saturated hydrocarbons; aromatic hydrocarbons such as benzene from other hydrocarbons;
some products
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isomerization from hydrocabones of hydrogen cyanide from hydrocarbons and ammonia dehydration products from alcohols, hydrogen from hydrocarbons and carbon black from 'hydrocarbons.
The furnace of the invention can be used to produce a gaseous output product containing a substantial proportion of acetylene and / or ethylene, from a gaseous input product consisting of, or containing a significant proportion. of a suitable base hydrocarbon.
The temperature in the furnace in any plane normal to the direction of gas flow within the masses is essentially uniform throughout the length of the furnace.
The invention also extends to the features resulting from the following description and the ringed drawings as well as to their possible combinations.
The description relates to embodiments of the invention given by way of example and shown in the accompanying drawings in which: FIG. 1 represents a horizontal section of an embodiment of the apparatus of the invention.
FIG. 2 represents a side elevational view of the oven of FIG. 1 in section taken along line 2-2 of FIG. 1.
The oven 10 as shown in the sketch consists of a cylindrical shell 11, preferably of steel and has a heat-insulating coating 12.
Two recovery masses 13 and 14 are placed inside the insulation. These masses are arranged one beside the other and are separated by a heat-insulating wall 15.
These masses can be arranged in another way, for example perpendicular to each other at their combustion end.
The masses 13 and 14 are interconnected at one of their ends, by a chamber or. a combustion space 16.
Each of the masses is made up of suitable refractory elements.
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nables having the property of allowing the flow of gas through them and being able to conserve and restore the quantities of heat intervening in the process and brought into the furnace. Figs: 1 and 2 illustrate the use of tiles. ceramics 17 and 18 of regular profile, as refractory products for the recovery masses 13 and 14, which, as shown, include chimneys 19 and 20 for the passage of gases through the apparatus.
Ventilation chambers 21 and 22 and connecting pipes 23 and 24 are provided for the introduction and discharge of gas into and from the ends of the recovery masses opposite to the combustion space. The chamber 16 has fuel injection devices 25 and 26 which may include lines 27 and 28, respectively, for gaseous or liquid fuel.
The pipes project through the end wall 29 and the end refractory lining 30 and with the injection device 27, the flames through the orifices of the refractory layer 31 towards the end 32 of the recovery mass 13 and, with the device injection 27, project the flames through the refractory layer 31 towards the end 33 of the recovery mass 14. The chimneys 12 of the mass 13 are connected, by the chamber 34 and by the ducts of the baffle 35 to chamber 16 while the chimneys of mass 14 are connected by chamber 36 and the ducts from baffle 37 to chamber 16.
To enable an endothermic transformation process to be carried out in which the reaction products must be heated, must react and be quenched, the operation of the furnace is cyclic and consists of an endothermic reaction stage, and d 'a stage of heating in one direction, followed by an endothermic reaction stage and a stage of heating in the reverse direction for a 4-stroke cycle, the duration of these different stages being able to vary according to the needs.
Assuming initially that mass 13 is to be heated and mass 14
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cooled, we will give in the following a description of the complete cycle: a) a gas having to intervene in reaction is introduced by the front end 38 of the -lasse 13 and flows through, there occurs a pyrolysis and the gas . reaction is discharged from the rear end 32 of the mass in question and passes through the baffle 35, the chamber 16 and the baffle 37 to the former 33 of the mass 14, where, during its flow to end 39 of this:
seated, it is cooled below a temperature at which no further reaction occurs. b) Air is then introduced through the front end 38 of the mass 13 and is preheated by taking heat from said mass before it reaches the coupling space 16.
Combustible gas is introduced into the combustion zone by injectors 27 and hot gases pass through the baffle 37 and heat the refractory earth 14 while passing through it, then are evacuated through the end 39 of said mass. .
c) The previous stage of pyrolysis a) is repeated this time with a flow of the gases in opposite directions, that is to say that the gas to be reacted is introduced through the end 39 of the mass 14 and that the cooled reaction gas is discharged through the end 38 of the .Glas se 13. d) The previous combustion stage is rejected, with flow of air and combustible gases in the opposite direction, that is to say say that the air is introduced through the end. 39 of the mass 14 and that the cooled combustion products are discharged through the end 38 of the trap 13.
When the furnace of the invention is operated efficiently in accordance with the coeratory recovery cycle set out above, it is evident that, before any reaction at high temperature in the refractory class 13 or 14, such a mass must be quickly heated to high temperatures.
To achieve rapid heating required at (temperatures
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At high levels, hot combustion gases are supplied to the recovery masses 13 or 14. During the combustion of the heating fuel and the heating of a recovery mass, it is important that there is no carbon left. deposited on the chimneys or pipes 19 and 20, which would result in the plugging of the conduits and a reduction in the flow passing through. It is therefore important for this reason, and for economy and efficiency in fuel use, that the combustion of the heating fuel be as complete as possible.
The new fuel injection device of the invention provides a perfect and intimate mixture of the fuel and the gases necessary to maintain combustion, which makes it possible to have complete combustion of the assembly in a minimum combustion space with for As a result, the recovery mass to be reheated is rapidly brought into a state which corresponds to a high temperature heat source in which there is an approximately uniform temperature across the mass and normally in the direction of travel. this one by gas. Roughly uniform temperatures at any point in such a cross section of the mass, results in an increased yield of desired reaction products over apparatus of the older type which gave hot spots in the mass.
As shown in Figures 1 and 2, two groups of injectors 27 and 28 pass through the end casing 29 of the furnace 10 and the refractory lining 30. The fuel is supplied to the injectors through the supply line. 40, the collectors 41 or 42 and the pipes 43, or 44 depending on the direction of flow given by the valves 45 and 46 The fuel leaves each of the injectors 27 or 28 through the openings 47 or 48 respectively '[slow, passes through the refractory lining 31 and through the combustion chamber 16 then is preferably oriented through the orifices 49 or 50 in the mixing baffles 35 or 36, respectively.
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is lying..
Each of the injectors can operate at a speed above that of sound so that the fuel will remain. in a high speed current at least until it is close to the orifices 49 or 50 in the baffle 35 or 36. alternatively the orifices 47 and 48 in the refractory lining 31 may constitute the injection device with the injectors 27 and 28 moved to a point quite close to the terminal casing 29 of the furnace 10.
The air for combustion passes through each of the masses 13 or 14. and is preheated when it reaches the chamber 34 or 36; it usually enters these chambers at a much slower rate than that of the fuel exiting ports 47 and 48.
When the fuel, distributed in several streams, enters either of the chambers 34 or 36, it enters the airflow from these chambers and mixes intensely with the preheated air streams. . The mixture of preheated air and fuel burns and combustion continues as the mixture passes through chamber 16. The combustion reaction components and / or products are further mixed as they pass through baffles 35 or 37. before entering the recovery masses 13 or 14, respectively, to be heated there. In addition, the mixing of the components of the combustion reaction can be obtained by providing an intermediate mixing baffle 51.
For ignition, a pilot burner 52 can be placed in chamber 16.
More precisely, in the operation or the. mass 14 must be heated, the fuel is ejected from the injectors 27 towards the chamber 34 and is mixed with preheated air coming from the .lasse 13. The air-fuel mixture is burned and hot combustion gases result which flow towards the mixing baffle 37. The mixed combustion gases passing through the baffle 37 are distributed uniformly in the chimneys 20 of the mass 14 in
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restoring their heat to the elite mass while they flow in towards the chamber 22 '.
Relatively cold combustion gases are discharged from chamber 22 to outlet 24
Following the heating, ement of the mass 14, the feed gases to be transformed pass through this mass going from the end 39 to the chamber 36.
The gases leaving mass 14 pass through baffles 37 and 35 and are then rapidly cooled below reaction temperature by contact with relatively cool mass 13, from which they exit at end 38 Le. periodic cycle comprising heating, cracking and cooling is rejected alternately from mass 13 to mass 14
When an endothermic transformation reaction based on a two-stroke operational cycle is to be carried out in the apparatus of the invention, it is necessary to have only one station of fuel injectors, depending on the one-way direction. flow chosen for the first material to be reacted, the flow of gases in the heating stage being done in the opposite direction.
When the heating occurs by flowing hot combustion gases through the mass 13, only the injectors 28 are needed while when the heating occurs by the flow of hot gases through the mass 14 only the injectors 27 are used.
as a result of the intimate mixing of air and fuel in the combustion zone, maximum rates of heat release can be obtained in a minimum of space and, as a result of the mixing and uniform distribution of the combustion gases in the combustion zone. medium to be heated, the apparatus ensures an extremely uniform distribution of heat 3 across the surface of the mass to be heated and in all the other parallel planes of this trap, which results in an optimum and uniform transformation of the gases
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to react, with a maximum output muncn finished products' desireas.
Considering the heating of these refractory massagers of the type described, it has been observed that, for heating at high temperature, in the vicinity of 1000 C Et plus, a temperature gradient occurs across the surface of the mass which does not 'is that of + 25 c or less and that such dif-. The minimum temperature difference has not yet been achieved with the known combustion devices in high temperature recovery furnaces.
The following example illustrates the advantages of operating the combustion system in conjunction with an experimentally operating recovery furnace. The data in the tables above was obtained from a pyrolysis furnace which has essentially the same design as the furnace shown in Figures 1 and 2.
EXAMPLE
Oven dimensions (each trap):
Length 275 cm
Width 45.5cm
Height 25.4 em
Furnace flues Number 384 by mass
Diameter- 9.9 mm
Injectors
Number 32 per mass After a furnace of the type described above has operated sui-. Before a continuous cycle of heating and cracking at average temperatures of 800 ° C, a temperature test tube was placed in hole 53 of mass 13, this hole being located vertically and at the center of the. mass, 85 mm down from face 32 of mass, and in communication with chimneys 19.
The temperatures of the gases flowing through the chimneys 19 were continuously measured and recorded for the entire cycle.
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EMI15.1
ònctioiuio ien.t, 1 '; ipi = opening being placed through the. mass after each new cycle. The duration of each complete cycle was approximately 4 minutes. The starting point for the temperature measurements was located 50 nights from the wall 54. ce la: te.s se 13, subsequent i-iesures,) rises- at the points located at 102 flh, 1, 156 uha, 229; ir: 1, 305 iwx, 357 ±, 1 ', 1, and 410 due to this wall.
During the cracking phase of this c., - key the tE :: ú1p (.ratu: ees were recorded coran this is indicated in the following table TABLE i
EMI15.2
Millimeters to. temperature Ii11i1.1ètrCS Ieiàp4ratv-res
EMI15.3
<tb> from <SEP> from <SEP> the <SEP> to <SEP> c <SEP> from <SEP> from <SEP> the <SEP> to <SEP> C
<tb> wall <SEP> 56 <SEP> wall <SEP> 56
<tb>
<tb>
<tb> 151 <SEP> mm <SEP> 780 <SEP> 305 <SEP> mm <SEP> 790
<tb>
EMI15.4
10'fla 1,
a 790 357 nnn 790
EMI15.5
<tb> 153 <SEP> mm <SEP> 790
<tb>
<tb> 229 <SEP> mm <SEP> 785 <SEP> 410 <SEP> mm <SEP> 810
<tb>
The table above shows that at any point of mass 13 - the average caracking temperature at such a point varies from the temperature of 795 C only by + 15 C and that the average temperature in all the points is 791 C.
During a similar cyclic operation, the average mass temperatures were measured and recorded at different distances along the entire length of mass 13 from face 32. These measured temperatures are shown in the following table. :
TABLE ii
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<tb>
<tb>
EMI15.7
riai along the mass 15 a Average temperature from face 32 [(lasse, in C. ------------------------ ¯¯¯ ¯¯¯l¯¯¯¯¯¯ -------------------------
EMI15.8
<tb> 172 <SEP> mm <SEP> 910
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 514 <SEP> mm <SEP> 750
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1028 <SEP> mm <SEP> 640
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1800 <SEP> mm <SEP> 450
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 265 c <SEP> mm <SEP> 350
<tb>
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---------------- p --------------------------------- ----------------
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Although the present invention has been explained in connection with a selected embodiment, modifications may be made thereto and fall within the scope of the invention.