Procédé de transformation d'hydrocarbures pratiquement
saturés en hydrocarbures non saturés, et appareil
pour sa mise en oeuvre
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la transformation d'hydrocarbures sensiblement saturés en hydrocarbures non saturés par pyrolyse, ce terme, tel qu'il est utilisé ici, englobant le phénomène dit de cracking .
Dans les procédés de production d'hydrocarbures non saturés par combustion partielle et refroidissement tels qu'ils sont couramment appliqués, l'hydrocarbure et l'oxydant sont réchauffés au préalable, mélangés à l'avance et envoyés dans une chambre de combustion à travers une grille formée d'un grand nombre d'orifices dont chacun a un petit diamètre.
Les flammes stabilisées sur les pourtours de sortie de ces orifices ont nécessairement une faible longueur de sorte qu'il est nécessaire en principe de prévoir une chambre de combustion dont le diamètre soit nettement plus grand que sa longueur. Si l'on essaie d'envoyer les produits de la combustion dans une turbine à gaz, la grande surface de la grille nécessiterait la présence d'un collecteur des produits de combustion capable de rassembler ces derniers, et ce collecteur donnerait lieu au point de vue de la construction à des difficultés et tendrait en outre à prolonger le temps pendant lequel les produits de la combustion se trouvent à une température élevée.
La présente invention vise à éviter ces inconvénients de ces procédés connus.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on fait arriver à grand débit, dans une chambre de combustion allongée, un mélange formé au préalable, d'hydrocarbure saturé et d'oxygène moléculaire en proportion sensiblement différente de la proportion stoechiométrique, en ce que l'on fait en outre entrer dans ladite chambre un courant de gaz combustible et un courant de gaz comburant de manière à former une flamme auxiliaire stabilisatrice discoïde transversale au trajet d'écoulement dudit mélange, en ce que l'on enflamme ledit mélange afin de pyrolyser l'hydrocarbure saturé, la combustion étant stabilisée par ladite flamme auxiliaire, en ce que l'on évacue les produits de combustion chauds de la chambre de combustion,
et en ce que l'on refroidit les produits de combustion.
On entend par proportion stoechiométrique la proportion calculée, nécessaire à la combustion de l'hydrocarbure saturé en anhydride carbonique et eau.
L'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion allongée comportant une entrée pour ledit mélange à une extrémité, une sortie pour les produits de combustion à l'autre extrémité, ladite chambre contenant un dispositif de stabilisation de la flamme principale présentant une tuyère d'axe parallèle à l'axe longitudinal de la chambre, un obstacle et un distributeur, ladite tuyère étant agencée de manière à permettre l'éjection de l'un desdits gaz, ledit obstacle étant placé sur le trajet du gaz éjecté et ledit distributeur étant agencé de manière à fournir l'autre gaz à proximité dudit obstacle.
Avec un tel appareil, et bien que le rapport du combustible et du comburant soit sensiblement diffèrent de la proportion stoechiométrique, une combustion cyclique s'amorce et se maintient aisément.
L'organe distributeur est de préférence constitué par un tube disposé coaxialement à la tuyère de jaillissement du combustible afin de ménager un orifice annulaire de passage de l'air ou de l'oxygène. Mais on peut utiliser aussi un appareil dans lequel l'obstacle est poreux et dans lequel les gaz oxydants le traversent et produisent un effet de refroidissement par diffusion. Un tel effet peut être obtenu aussi en constituant le support de l'obstacle en un matériau poreux et en y faisant passer le combustible ou l'oxydant (comburant). Si la vitesse d'écoulement du gaz à travers la chambre de combustion risque d'être très élevée, il est commode de prévoir une stabilisation de la flamme pour la soustraire à la déformation en disposant le distributeur de façon à faire arriver l'air ou l'oxygène des deux côtés de la mince nappe de combustible.
Un effet analogue peut être obtenu dans le cas où la tuyère et le distributeur sont dirigés vers l'amont moyennant un réglage précis de la vitesse d'écoulement de l'air ou de l'oxygène. A titre de variante, l'obstacle peut avoir des dimensions suffisamment grandes pour supporter la totalité de la mince nappe de combustible sur sa surface, afin de réaliser un support mécanique de la flamme résultante et de la soustraire à la déformation. Dans ce dernier cas, l'obstacle se comporte à la manière d'une chicane fortement et suffisamment chauffée que heurte le mélange combustible.
Le combustible introduit par la tuyère d'injection du dispositif de stabilisation peut, bien que ceci ne soit pas nécessaire, être identique au combustible qui arrive par l'orifice d'admission du mélange de la chambre. Ainsi, par exemple, il est avantageux d'employer de l'hydrogène comme combustible d'alimentation du dispositif de stabilisation à cause de la température très élevée qu'il produit en brûlant dans l'oxygène et en raison du fait que la vapeur engendrée est un diluant inerte qui peut être aisément condensée dans les produits de combustion.
L'appareil du type susindiqué peut être aisément établi sous une forme se prêtant à la production d'acétylène ou d'autres hydrocarbures non saturés (parmi lesquels on peut mentionner l'éthylène) en partant d'un combustible hydrocarburé et en utilisant la chaleur de combustion du combustible dans l'air et (ou) dans l'oxygène pour favoriser la pyrolyse d'un excès du combustible et en soumettant le produit gazeux résultant à un refroidissement suffisamment rapide jusqu'à une température à laquelle les hydrocarbures non saturés sont stables (le plus souvent inférieure à 2000 C) de façon à produire un mélange refroidi contenant une proportion notable de ces composés.
L'orifice de sortie des produits de combustion peut communiquer avec un dispositif de refroidissement capable de soumettre ces produits au refroidissement rapide qui est nécessaire. De préférence, le dispositif de refroidissement est constitué par une turbine à gaz dans laquelle les produits de combustion peuvent se détendre par voie adiabatique en produisant un travail utile. L'utilisation d'une turbine à gaz pour assurer le refroidissement rapide de ces gaz chauds est d'ailleurs décrite dans le brevet français No 1028848 déposé le 3 octobre 1950.
Un retour de flamme dans la tubulure d'admission à partir de la chambre de combustion peut être empêché non seulement en s'assurant que la vitesse d'écoulement du mélange de gaz dans la tubulure d'admission est supérieure à la vitesse de la propagation de la flamme dans le mélange mais également en plaçant un intercepteur de flamme convenable dans l'embouchure de l'orifice d'admission pour empêcher le passage de la flamme vers l'amont, auquel cas la vitesse d'écoulement dans la tubulure d'admission n'a pas besoin d'être supérieure à la vitesse de la propagation de la flamme.
Le procédé peut être amorcé par n'importe quel moyen connu, notamment par un allumage provoqué par une étincelle ou bien par une bougie à incandescence ou par le retour délibéré d'une flamme initialement stabilisée à un orifice de sortie de l'appareil cet orifice de sortie pouvant être le conduit d'échappement normal ou bien un autre orifice supplémentaire ne servant que pour l'inflammation et agencé de manière à pouvoir être ensuite obturé.
Le rendement en acétylène obtenu par la réaction de pyrolyse est fonction du temps de séjour du mélange de réaction dans la chambre de combustion à la haute température en question. Le temps de séjour correspondant à différentes expériences peut être exprimé sur une base relative comme étant le temps que met le mélange pour traverser la chambre de combustion quand il se trouve à la pression et à la température atmosphérique. Au cours d'une expérience utilisant une chambre de combustion cylindrique dont le rapport du diamètre à la longueur est de 2 : 9, on a constaté qu'un temps de séjour égal à 30 millisecondes environ assurait un rendement optimum à partir d'un mélange de 1 : 6 partie en volume de méthane pour une partie en volume d'oxygène.
Une réduction considérable du rendement est obtenue avec ce même type de combustion si le temps de séjour est inférieur à 15 millisecondes ou supérieur à 40 millisecondes. Ce tube de combustion donne des résultats du même ordre sous une pression supérieure de 0,7 kg, par centimètre carré à la pression atmosphérique et un fonctionnement stable avec un processus de combustion cyclique entretenu et un rendement appréciable en acétylène (5 o/o ou davantage) peuvent être obtenus sous des pressions plus élevées (s'élevant jusqu'à 5 atmosphères au moins) mais avec un temps de séjour réduit. Un réchauffage préalable du mélange qui pénètre dans l'appareil se traduit également par une influence nettement favorable sur le rendement surtout lorsque le fonctionnement se déroule sous pression.
L'invention est décrite ci-après en se référant au dessin annexé dans lequel:
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un appareil conçu en vue de fonctionner avec un écoulement de gaz à grande vitesse.
La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un appareil destiné à fonctionner avec un écoulement de gaz un peu moins rapide que dans le cas de l'appareil de la fig. 1.
Dans l'appareil que montre la fig. 1, une chambre de combustion constituée par un conduit cylindrique 1 à paroi en produit céramique capable d'assurer l'écoulement d'un mélange combustible à grande vitesse passant depuis l'embouchure A, où le conduit a un diamètre réduit pour former un orifice d'admission, jusqu'à l'embouchure de sortie B est munie d'une traverse en matériau réfractaire 2 pourvue, selon l'axe longitudinal du conduit, d'une saillie cylindrique 3 faisant office d'obstacle contre lequel peut être projeté un jet de combustible hydrocarburé jaillissant d'une tuyère axiale 4 alimentée de l'extérieur du conduit par un conduit 5.
Des tubes de distributeur 6 et 7 destinés à être alimentés en air ou en oxygène arrivant par des tuyaux 8, 9 et 10 coopèrent respectivement avec la tuyère 4 et avec la saillie cylindrique 3 pour ménager des orifices annulaires 1 1 et 12 qui alimentent en air ou en oxygène les deux côtés du mince disque de combustible formé par la rencontre du jet de combustible avec la saillie 3.
Dans l'appareil que montre la fig. 2, une chambre de combustion affectant la forme d'un tunnel en matériau réfractaire 21 obturé à son embouchure d'entrée A et béant à son embouchure de sortie B est munie d'une traverse 22 dont la paroi comporte une saillie cylindrique 23 dirigée axialement qui fait office d'obstacle épanouissant le combustible qui arrive par un conduit 24 se terminant par une tuyère 25 afin de lui imprimer la forme d'un disque mince. Le conduit 24 est monté axialement dans un large canal 26 étranglé à son extrémité interne pour ménager un orifice annulaire 27 formant distributeur par lequel l'air ou l'oxygène est distribué sur le disque en question.
Plusieurs orifices d'admission -qui aboutissent dans la chambre aux endroits désignés par 28 et qui se trouvent sur un cercle concentrique à la tuyère 25 et à l'orifice 27 permettent au mélange de combustion d'arriver dans la chambre. Si désiré, des mélanges ayant des compositons différentes peuvent arriver en passant à travers différents éléments des divers orifices d'admission et subir un brassage final dans la chambre.
On conçoit que bien que, pour la commodité de l'exposé, la tuyère dirigée vers l'obstacle ait été appelée tuyère à combustible et bien que le distributeur ait été défini comme ayant pour fonction d'amener de l'air ou de l'oxygène à la mince nappe, les rôles de ces deux éléments peuvent être inversés.
C'est ainsi que l'appareil peut fonctionner également de façon satisfaisante si de l'air ou de l'oxygène arrive à la tuyère et est étalé sous la forme d'une mince nappe à laquelle le combustible est amené par le distributeur.
Des expériences effectuées avec l'appareil du type représenté par la fig. 2 ont donné des résultats satisfaisants.
La majeure partie de la chambre de combustion avait une forme circulaire, un diamètre de 62,5 mm et une longueur de 125 mm. Il y avait sept orifices d'admission 28 du mélange de combustible hydrocarburé et d'oxygène. Le combustible hydrocarburé employé était un gaz ayant la composition suivante: 85 O/o de méthane, 7,5 O/o de bioxyde de carbone et 7,5 d'azote.
Avec un écoulement horaire de 91 m3 de combustible hydrocarburé et de 46,5 m3 environ d'oxygène à la pression atmosphérique et à la température atmosphérique ou à peu près dans la chambre de combustion et avec un écoulement horaire de 8,5 m3 environ de combustible hydrocarburé par la tuyère 25 et de 5,5 m3 environ d'oxygène par l'orifice 27, une combustion stable du mélange principal a pu être entretenue avec un rapport (en volume) égal à 1,96 : 1 entre le combustible et l'oxygène.
Un rendement en acétylène excédent 6 o/o en volume des produits de combustion secs a été obtenu.
Cela ne représente pas nécessairement le rapport de mélange optimum qui peut être soumis à la réaction dans des conditions stables ni le rendement optimum en acétylène. Les gaz recueillis contenaient
également de notables quantités d'hydrogène et d'oxyde de carbone dans le rapport de 2 : 1 et sont utilisables comme gaz de synthèse au cours de réactions ultérieures.
REVENDICATIONS:
I. Procédé de transformation d'hydrocarbures pratiquement saturés en hydrocarbures non saturés, caractérisé en ce que l'on fait arriver à grand débit, dans une chambre de combustion allongée, un mélange, formé au préalable, d'hydrocarbure saturé et d'oxygène moléculaire en proportion sensiblement différente de la proportion stoechiométrique, en ce que l'on fait en outre entrer dans ladite chambre un courant de gaz combustible et un courant de gaz comburant de manière à former une flamme auxiliaire stabilisatrice discoïde transversale au trajet d'écoulement dudit mélange, en ce que l'on enflamme ledit mélange afin de pyrolyser l'hydrocarbure saturé, la combustion étant stabilisée par ladite flamme auxiliaire,
en ce que l'on évacue les produits de combustion chauds de la chambre de combustion, et en ce que l'on refroidit les produits de combustion.