BE575189A - - Google Patents

Description

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 lrocede d'utilisation des ondes de   àétona-   tion pour la pulverisation, qu'elle déclare avoir fait l'objet d'une   demande   de brevet déposée aux   Etats-Unis   d'Amerique le 31janvier 1958 au   nom   
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 de Nl1î.R.I;.Poor.f1an, û.r.¯¯a:rley et li.i3"..Jd.rbent dont elle est; l'ayant droit. 

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  " Procédé d'utilisation des ondes de détonation pour la pulvérisation."   CONTENTION   INTERNATIONALE : Demande de brevet déposée aux E- tats-Unis d'Amérique le 31 Janvier 1958 N  712.401 aux noms . de Richard Marion POORMAN George Pattison   HAWLEY'et   Herbert Briggs SARGENT 
La présente invention concerne un procédé pour effectuer des réactions chimiques, par exemple des réactions: d'oxydation, de réduction et de carburation, consistant à exposer le produit à faire réagir à une atmosphère à haute température et sous pression élevée créée par des détona- tions et dont la composition est modifiée suivant les exi-   genoes.   



   On entend par "détonation" une combustion très rapide ou autre réaction exothermique, dans lesquelles le front de flamme se déplace dans le milieu non brûlé à des vitesses supérieures à celle du son dans le milieu non brû- lé, et elle est donc caractérisée par des vitesses super- soniques. Des vitesses caractéristiques calculées du son sous la pression normale sont de 330,1 m/sec. à 18 C dans un mélange de 50% d'oxygène et de 50   %   d'acétylène, de 

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 421,8 m/sec. dans le même mélange à 200 C, et de   542,0   m/sec à 18 C dans un mélange de 9,5% d'acétylène etde 90,5   %   d'air.

   La vitesse de propagation de la flamme est beaucoup plus grande dans le cas d'une détonation que dans celui      d'une déflagration, qui est une combustion ou autre réaction exothermique dans laquelle la   vitesse.de   propagation de   l   flamme ne dépasse pas la vitesse du son dans le milieu non brûlé. D'après l'ouvrage de Wilhelm Jost, intitulé "Explo- sion and Combustion Processes in Gases" (Mc   Graw-Hill   Book Co, Inc, New York 1946), aux pages 160 à 210, qui sont consacrées aux détonations dans les gaz, la vitesse du front de flamme dans les détonations de gaz étudiées jus- qu'ici est comprise entre 1 et 4   Km/sec,   comparativement à   15,2 m/sec   pour une déflagration typique. 



   Une fois qu'une onde de détonation s'est établie dans.un milieu gazeux, sa vitesse de déplacement est cons- tante. Cependant, sauf dans le cas spécial où le début est dû à une source d'ondes de choc, l'onde de détonation ne s'établit pas immédiatement, mais seulement une fois que la flamme s'est déplacée d'une certaine distance sous for- me de déflagration. On dénommera région de prédétonation celle au travers de laquelle la flamme se déplace avant de passer à l'état de détonation. 



   On a proposé autrefois des appareils pour utiliser les ondes de détonation et les phénomènes associés, dans le but de conummiquer de l'énergie à des poudres se trouvant dans un milieu fluide détonant, pour propulser les poudres à température élevée et à grande vitesse contre la surface d'un corps à enduire.

   On dénomme un tel appareil un "canon à détonation" et il comprend un corps cylindrique ouvert à une des extrémités, un dispositif pour introduire dans ce corps cylindrique une masse détonante d'un fluide détonant, un dispositif pour introduire un produit en poudre dans la masse de fluide détonant se trouvant dans ce corps cylin- 

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   drique,   un dispositif   perme%tant   de régler l'alimentation en combustible et en oxydant fluide du fluide détonant, et une zone de mélange et d'allumage à la partie arrière du corps cylindrique, comprenant un dispositif d'allumage per-- mettant d'allumer le fluide   détonant.se   trouvant dans le   corps'cylindrique.   Le produit en poudre est entraîné dans le corps cylindrique par le courant de combustible gazeux,

   par le courant oxydant ou par un courant séparé qui intro- duit le produit pulvérisé dans le courant de mélange fluide détonant, qui l'entraîne dans le corps cylindrique du canon à détonation. 



   Dans un canon à   détonation   proposé plus   recensent,   on utilise un tube d'injection de poudre disposé axialement dans le corps cylindrique du canon, pour introduire la pou- dre dans le corps cylindrique en aval de la zone dans la- quelle la détonation prend naissance. On obtient ainsi de meilleurs résultats de fonctionnement, car la poudre est répartie symétriquement dans la section transversale du corps cylindrique et ne constitue pas de dépôts en une zone de la paroi, comme lorsqu'on l'introduit par le côté du corps cylindrique, et en même temps on évite d'encrasser la zone de mélange et d'allumage par des particules, comme lorsqu'on l'introduit par cette zone. 



   Les appareils décrits ci-dessus, ainsi que les pro- cédés associés, ont été utilisés pour former des enduits, pour faire des particules sphéroïdales, pour nettoyer ou pour rendre rugueuses des surfaces et pour pulvériser des produits cassants. 



   On a maintenant constaté que les conditions peu communes de pression et de température qui règnent dans une explosion rendent idéal ce phénomène pour favoriser des procédés chimiques ainsi que des traitements par enduction. 



   La présente invention se rapporte à un procédé pour effectuer des réactions chimiques, caractérisé par le fait 

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 que le produit qui doit réagir est exposé à une atmosphère à température élevée et sous haute pression que l'on crée en faisant détoner un mélange de combustible et d'oxydant fluides, en proportions relatives sensiblement optima, et dont on modifie la composition de manière à constituer une atmosphère de réaction convenant le mieux pour obtenir le produit de réaction désiré. 



   La température, la vitesse des gaz, les caractéris- tiques d'allumage et la composition des produits d'une onde de détonation sont principalement déterminées par la compo-   sition du.   produit détonant. Quand on utilise un mélange acétylène-oxygène, on atteint la plus grande vitesse de flamme et la température la plus élevée quand le rapport atomique oxygène/carbone est égal à 1. Ce mélange est riche en carbone ou pauvre en oxygène par rapport aux quantités stoéchiométriques correspondant à une combustion complète en anhydride carbonique et en eau. Par conséquent, en fai- sant   détoner   ce mélange considéré de carburant et d'oxydant, on obtient une atmosphère légèrement carburante ou légère- ment réductrice envers de nombreuses substances.

   De même, il n'y a pas de carbone libre en quantité appréciable dans les produits de la combustion, ce qui permet aux parois de la chambre d'allumage et du corps cylindrique de rester propres et libres de dépôts de carbone. En outre, la flamme passe rapidement et sur une courte distance de la   déflagra-   tion primitive à la détonation recherchée, et la région de prédétonation est de ce fait relativement courte. 



   Si la détonation doit être par exemple la source première d'une réaction de carburation ou de réduction, il faut abaisser au-dessous de 1,0 le rapport atomique   oxygè-     ne/carbone   d'un mélange d'acétylène et d'oxygène. Dans ces conditions, le passage de la flamme de la forme de déflagra tion à la forme de détonation peut être retardé tellement que l'on n'atteint pas, dans la zone de réaction, les condi- 

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 tions de réaction désirées. Du   carhone   et des produits gom- meux provenant de la combustion incomplète tendent égale- ment à se déposer sur les parois de la chambre de détona- tion, dans la région de prédétonation du corps cylindrique. 



  En aval de la région de prédétonation il ne se produit que peu ou pas de dépôts parce que tout produit se trouvant dans cette région aval est poussé en avant par les forces de l'onde de détonation. La présence de dépôts de produits charbonneux dans la région de prédétonation du corps cylin- drique gêne le fonctionnement.et oblige à nettoyer fréquem- ment. En outre, si le produit de la réaction est un produit d'enduction, les dépôts se détachent des parois et se dépo- sent sur l'enduit lui-même, ce qui diminue sérieusement la qualité de l'enduit. 



   Si l'on désire utiliser une réaction de détonation pour une oxydation, il faut élever au-des sus de 1,0 environ le rapport atomique   oxygène/carbone,   pour un mélange   d'oxy-   gène et d'acétylène. Ici encore les caractéristiques d'allu- mage peuvent ne pas être comme on les désire; c'est-à-dire que la région de prédétonation peut être trop étendue pour permettre d'obtenir des conditions de réaction convenables et il peut en résulter la formation de dépôts gommeux. 



   Quand on utilise comme source d'ondes de détonation pour une réaction chimique un mélange d'acétylène et   d toxy-   gène, ou un autre mélange détonant, par exemple un mélange d'hydrogène et d'oxygène ou de propane et d'oxygène, on se trouve en présence de problèmes similaires. En général, le meilleur rapport atomique oxygène/carbone pour obtenir les conditions de réaction désirées (température et   composi-   tion du produit, par exemple)n'est pas le même que le meil- leur rapport oxygène/carbone pour un établissement rapide d'une détonation. 



   Conformément à la présente invention, on peut obte- nir ces deux rapports de composition désirés, -en ayant dans 

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 la. zone d'allumage une composition de gaz convenant le mieux pour un établissement rapide d'une détonation et en introduisant d'autres composants dans le gaz, en aval de la zone d'allumage pour créer les conditions de réaction désirées dans une zone de réaction. Il y a lieu de remarquer que le produit que l'on traite dans la zone de réaction n'est pas par lui-même capable d'entretenir une détonation. 



  L'onde de détonation doit être propagée par les gaz entou- rant le produit réactif que l'on traite dans la zone de réaction. Le produit que l'on traite doit être de préférence un solide ou un liquide, de manière à obtenir une quantité maxima de produit dans la zone de réaction en un temps don- né. On peut toutefois traiter aussi des réactifs gazeux. 



   On comprendra mieux cette invention en se reportant ait dessin  ¯annexée   sur lequel : 
La Fig. 1 est une vue schématique d'un canon   à   détonation permettant de mettre en pratique le procédé objet de l'invention. 



     La.   Fig. 2 est une vue schématique du dispositif de la Fig. 1, et   La.   Fig. 3 est une vue schématique d'un autre dispo-   sitif   dans lequel on peut mettre l'invention en pratique. 



   Sur la. Fig. 1, le canon à détonation D conprend un corps cylindrique allongé 10 ayant une extrémité ouverte 12   d'où   sortent les produits de la détonation et les poudres pour aller sur l'objet à enduire, ou d'où l'on recueille les produits de la réaction. Pour éviter les surchauffes, on a prévu autour du corps cylindrique 10 une enveloppe   14   dans laquelle circule de l'eau de refroidissement. L'eau. de refroidissement entre par l'entrée 18 dans l'espace annu- laire compris entre l'enveloppe 14 et le corps cylindrique 10 et elle sort de l'espace annulaire 16 par la sortie 20. 



   L'oxydant et le combustible sont respectivement amenés aux orifices 22 et   24   du bloc de mélange 26, qui est- 

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 muni de soupapes 28 pour régler le débit de ces fluides à intervalles voulus. Le mélange du combustible et de l'oxy- dant se fait dans la zone ou chambre de mélange et d'allu- mage 30 du bloc de mélange 26, et le mélange détonant passe dans le corps cylindrique 10 du canon à détonation D. Le bloc de mélange 26 comporte également un orifice 36   d'en-   trée de gaz de purge et une soupape 38 pour purger la cham- bre de mélange 30 et le corps cylindrique 10 des gaz dans les intervalles de temps sépa rant chaque détonation succes- sive et l'introduction de la charge détonante suivante dans le corps cylindrique allongé du canon à détonation. 



   On a prévu l'insertion, dans les parois de la chambre de mélange 30, d'un dispositif d'allumage 42, par exemple d'une bougie d'allumage pénétrant dans cette cham- bre, et également des conducteurs 44 d'alimentation en énergie. 



   Le montage de tube d'entrée de réactif 46 traverse l'extrémité   arrière'ou   culasse 48 de l'enveloppe d'eau de refroidissement 14 et le corps cylindrique allongé 10 et pénètre suivant l'axe du corps cylindrique jusqu'en un point situé en aval de la zone (dans la région du disposi- tif d'allumage 42)   où   se fait l'allumage et en aval du point où s'établit le phénomène de détonation. 



   Quand au moins un des produits à traiter dans l'appareil à détonation est une poudre, cn utilise un dis- tributeur de poudre approprié pour mettre le produit en suspension dans un courant de gaz dans lequel il est trans - porté dans le corps cylindrique 10 du canon à détonation. 



   Sur toutes les figures, les mêmes éléments d'appa- reils sont désignés par les mêmes chiffres de référence. 



     'La   Fig. 2 représente deux zones de concentration de gaz A et B que l'on peut alimenter   conformément   à la présente invention.   La.   zone A représente la partie du corps cylindrique dans laquelle se fait la réaction, et où. l'on 

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 injecte le produit à traiter. Dans cette partie, .on main- tient le rapport oxygène/gaz   combustible   à une valeur telle qu'il donne l'action chimique désirée. La zone B est la zone'de mélange, d'allumage et de prédétonation, dans la quel le le rapport oxygène/gaz combustible est maintenu à une valeur telle qu'il favorise l'allumage et la détonation désirés. 



   On peut, dans la zone A, maintenir le rapport atomique oxygène/carbone à une valeur différente de celle de la zone B, en introduisant dans la zone A un oxydant ou un hydrocarbure. Il est commode d'introduire ce gaz réactif par le tube 50. Quand on doit traiter une poudre dans le canon à détonation,le gaz réactif peut jouer le rôle de gaz servant de véhicule, ou bien il peut remplacer partiel- lement le gaz servant de véhicule pour la poudre. On peut toutefois obtenir ce résultat autrement, par exemple avec une troisième entrée de gaz auxiliaire, soit parallèle, soit perpendiculaire à l'axe du corps cylindrique du canon. 



   Sur la'Fig. 3 est représenté un tel dispositif d'admission de gaz auxiliaire. Le tube d'admission de gaz 70 est concentrique au tube démission de réactif 50, et l'on introduit ainsi dans la zone A du corps cylindrique du canon la quantité désirée d'oxydant ou d'hydrocarbure. 



  Le tube 71, représenté en pointillés, montre une autre va- riante d'admissio.n du gaz auxiliaire dans la zone A. 



   On peut utiliser la présente invention,de diverses façons : la première est un procédé grâce auquel les réac- tions chimiques sont facilitées par les détonations, et dans lequel on peut obtenir les conditions oxydantes ou réductrices désirées en faisant varier le mélange détonant dans la zone de -réaction; et le second est un procédé per- mettant de faire varier avantageusement la composition du mélange de gaz détonant sur toute la longueur du corps cylindrique du canon. On peut mettre en oeuvre ce dernier 

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 procédé en introduisant des gaz réactifs par le tube d'ad-   mission de réactif ; onréalise ainsi dans le corps cylin-   drique du canon deux zones de gaz de compositions différen- tes.

   Si il y avait plus d'un tube auxiliaire d'admission. de gaz, on pourrait faire varier la composition du combusti- ble sur toute la longueur du corps cylindrique. 



   La réaction des particules solides et liquides avec les produits de la détonation du gaz dans lequel ils sont en suspension est étonnamment rapide, peut être en raison de la très grande vitesse relative entre les particules et le gaz, qui conduit à de très grandes vitesses de trans- port de chaleur et de produit. On a calculé que la vitesse des produits de la détonation d'un mélange de quantités équimoléculaires d'acétylène et d'oxygène,'par rapport aux particules initialement au repos dans le mélange gazeux n'ayant pas réagi, est au début de 1.200 m/sec. Cette vitesse relative diminue naturellement au fur et à mesure que la vitesse des particules s'accélère. 



   Les exemples ci-après servent à illustrer différents genres de réactions que l'on peut faciliter par un procédé de détonation dans lequel les conditions régnant dans la zone de réaction diffèrent de celles de la zone d'allumage. 



  Il est évident que l'on peut effectuer d'autres réactions de nature analogue. On a utilisé dans tous ces exemples un canon à détonation du type représenté sur la Fig. 1. 



    Exemple 1 -   Carburation du tungstène. 



   On introduit dans le canon à détonation de l'acéty- lène à raison de 85,0 1/min, et de l'oxygène à raison de 83,2 1/min. (rapport   0/0   =   0,97).   On fait arriver de la poudre de tungstène (grosseur moyenne 4,5 microns) à rai- son de 2,72   Kg/heure   environ, entraînée dans un courant   d'éthylène   gazeux de 11,3   1/min,   par le tube d'alimentation axial. Dans la zone de réaction, le rapport atomique oxy- gène/carbone = 0,86. Le canon fonctionne à raison de 4 déto- 

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 nations environ par seconde, avec purge d'azote les accom- pagnant. On recueille le produit sous forme d'enduit, et son analyse montre qu'il s'agit de carbure de tungstène 
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 (Tu2C). 



   On pense que le procédé exact de transfert du carbone du gaz au métal est semblable au mécanisme de la carburation de l'acier. On pense que le gaz porteur de car- bone se décompose à la surface des particules chaudes et qu'alors le carbone diffuse dans les particules et réagit avec elles . Comme la plupart des métaux, y compris letungs- tène (point de fusion = 3.370 C) fondent quand ils sont exposés à une détonation d'oxygène et de combustible dans le canon à détonation, et comme le carbone diffuse très rapidement dans le métal fondu, on peut se rendre compte combien les quantités de carbone que l'on peut facilement ajouter aux poudres de métaux au cours de la détonation sont appréciables. 



   L'utilisation d'éthylène comme gaz servant de véhi- cule pour la poudre, de tungstène pulvérisé (grosseur 0 à 10 microns), plus   16 %   de cobalt comme liant (grosseur 0,44 micron), et d'un rapport oxygène/'gaz combustible égal à 1,0 environ dans la zone d'allumage donne un enduit de carbure de tungstène présentant d'utiles propriétés de dureté, de résistance à l'usure et se meulant facilement   Exemple 2 -   Réduction d'oxyde de fer. 



   On introduit dans une chambre de détonation de l'oxygène à raison de   77,8   1/min, et du propane à raison de 28,3 1/min, pour former un mélange détonant dont le rapport atomique oxygène/carbone est égal à 1,8. On intro- duit en aval de la région de prédétonation du Fe2O3 en poudre, à raison de 10 g environ par minute, dans un cou- rant de propane servant de véhicule et dont le débit est de 17,3 1/min. Dans cette section de réactionaval, le rap- 

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 port oxygène/carbone est égal à 1,1. On allume le mélange détonant 4 fois environ par seconde, avec purges d'azote consécutives. On recueille à la sortie de l'appareil la poudre constituant le produit. Cette poudre renferme, en poids, 74,3 % de Fe, 19,1 % de 0 et 1,92 % de C total. 



    Exemple 3 -   Réduction d'cxyde de   f er .   



   On fait arriver dans une chambre de détonation de l'oxygène à raison   de.33,4-   l/min et du propane à raison de 35,4 1/min pour former un mélange détonant dont le rapport atomique oxygène/carbone = 1,8. On introduit en aval de la région de prédétonation de la poudre de Fe3O4 à raison de 10 g environ par minute, dans un courant de   propane   cer- vant de véhicule et dont le débit est de 16,3 1/min. On allume le mélange détonant 4 fois environ par seconde,, en purgeant avec de l'azo.te entre les détonations. On obtient comme produit une poudre à la sortie de la chambre de réac- tion;cette poudre renferme, en poids, 77,6% de Fe, 16,3 % de 0 et   1,96 %   en poids de C total. 



    Exemple 4 -   Carburation du molybdène. 

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Claims (1)

1. On fait arriver dans un canon à détonation de l'oxy- gène à raison de 95,1 1/min et de l'acétylène à raison de 88,9 1/min pour former un mé' age détonant dont le rapport atomique oxygène/carbone est de 1,07. On introduit en aval de la région de prédétonation un mélange en poudre de molyb- dène et de 20% en poids d'acier inoxydable servant de liat, dans un courant d'éthylène gazeux servant de véhicu- le, le débit de ce dernier gaz étant de 17,3 1/min. Dans cette zone de réaction aval, le rapport atomique oxygène/ carbone est égal à 0,95. On allume le mélange détonant 4 fois environ par seconde, en purgeant avec de l'azote entre les détonations.

   La poudre est expulsée du canon à détona- tion et elle vient se heurter sur une plaque de base en acier pour former un enduit au carbure de molybdène renfer- <Desc/Clms Page number 13> mant, en poids, 82,2% de Mo, 4,66% de C total et 0,19% de C libre.

   On peut se servir d'une grande variété de gaz réac- tifs pour modifier la composition du mélange détonant dans la zone de réaction. Outre le propane et l'éthylène dont on a parlé ci-dessus, on peut utiliser de l'acétylène, 'de l'éthane, du méthane, du butane pour augmenter l'effet réduc- teur et carburant. On pourrait aussi ajouter de l'oxygène' pour intensifier l'effet oxydant.

   Outre les produits réactifs solides que l'on traite par détonation comme on l'a exposé ci-dessus, on pourrait utiliser des produits liquides et gazeux. On pourrait par exemple injecter du tétrachlorure de silicium à l'état liquide ou à l'état de vapeurs dans un mélange détonant oxydant et le transformer en silice.

   - RESUME - Procédé pour effectuer des réactions chimiques, caractérisé par les points suivants, pris isolément ou en combinaisons : 1 ) On expose le produit devant réagir à une atmos- phère à température et sous pression élevées, que l'on crée en faisant détoner un mélange d'oxydant et de combustible fluides, en proportions sensiblement optima, et dont on modifie la composition de façon à constituer une atmosphère de réaction la mieux appropriée pour l'obtention du. produit de réaction désiré.

   2 ) On introduit le combustible fluide et un oxy- dant dans la zone d'allumage d'un canon à détonation compor- tant un corps cylindrique allongé, on allume le mélange dans ladite zone et on introduit dans une partie du corps cylindrique en aval de ladite zone d'allumage, à la fois un. produit gazeux propre à modifier l'atmosphère de détona-