Four pour la préparation d'hydrocarbures non saturés
La présente invention a pour objet un four pour la préparation d'hydrocarbures non saturés, tels que l'acétylène, par combustion partielle d'hydrocarbures gazeux plus saturés.
On sait que l'on peut réaliser cette combustion partielle, à l'aide d'oxygène de préférence, avec formation d'une flamme, ce procédé consistant à mélanger intimement l'hydrocarbure gazeux ou vaporisé et l'oxygène, puis à les introduire par l'intermédiaire d'un distributeur, dans une chambre de réaction, où s'effectuent la combustion partielle et la pyrolyse, et à stabiliser ensuite les produitsl de réaction par refroidissement brusque.
Pour éviter une dépense excessive en oxygène, il est avantageux d'effectuer un préchauffage aussi poussé que possible du comburant et du combustible.
De plus, comme cette réaction, notamment dans le cas de préparation d'hydrocarbures non saturés, nécessite des temps très courts, il importe d'avoir un mélange aussi parfait que possible et distribué de façon homogène à l'entrée de la chambre de combustion. De cette façon, l'état réactionnel est identique pour chaque tranche transversale de cette chambre et il est possible de régler de façon précise la durée de réaction par un refroidissement brusque, stabilisant rapidement et efficacement les produits gazeux de combustion.
Dans les dispositifs utilisés jusqu'à présent, les réactifs sont en général préchauffés séparément, puis mélangés dans une chambre d'expansion de volume relativement grand pour assurer un mélange suffisamment intime, ce qui limite la température de préchauffage, si l'on veut éviter une pré-ignition du mélange ou un retour de flamme avant introduction dans la chambre de réaction.
Une autre technique consiste à effectuer le mélange des réactifs à froid et à le préchauffer dans un appareil à serpentin tubulaire où le mélange circule à des vitesses linéaires élevées, pratiquement soniques, et en tout cas supérieures à celle de la propagation de la flamme dans ce mélange considéré à sa température maximum de préchauffage. I1 en résulte non seulement des dépenses énergétiques élevées pour assurer l'écoulement des réatifs à ces vitesses, mais de plus, par suite de l'expansion à grande vitesse du mélange gazeux entrant dans la zone de combustion, il est malaisé de déterminer, de façon suffisamment précise, la longueur de la zone de réaction et l'endroit où doit s'effectuer le refroidissement brusque des produits de combustion.
Par suite de la très haute turbulence, le temps de réaction reste de toute manière mal déterminé, au détriment des teneurs et des rendements souhaités.
On a cherché à remédier à ces différents inconvénients et à permettre, grâce à un four comportant des dispositifs particuliers de mise en contact et de mélange des réactifs, un préchauffage poussé et une interpénétration complète et rapide de ces réactifs, ainsi qu'une distribution parfaitement homogène dans la chambre de combustion.
A cet effet le four, objet de l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend deux chambres d'alimentation superposées l'une à l'autre, susceptibles de recevoir séparément les réactifs gazeux préchauffés, consistant en gaz combustible et gaz comburant, une chambre de combustion, des tubes de mélange de faible section reliant la chambre d'alimentation inférieure à la chambre de combustion et des tubes éjecteurs reliant la chambre d'alimentation supérieure à ces tubes de mélange.
La position et les dimensions de la sortie de chacun des tubes éjecteurs, par rapport à l'entrée de chacun des tubes de mélange correspondant est généralement fonction des proportions dans lesquelles les réactifs gazeux doivent être mélangés dans ces tubes de mélange.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de fours selon l'invention. Dans ce dessin:
La fig. 1 est une coupe transversale d'un four de pyrolyse, du type circulaire, et
les fig. 2 et 3 représentent des formes particulières de réalisation.
Suivant la fig. 1, un four pour la combustion partielle d'hydrocarbures comprend une chambre de combustion 9, des tubes de mélange 6 et des chambres d'alimentation 1 et 3, prévues pour recevoir séparément les réactifs qui doivent être mélangés.
Plusieurs tubes éjecteurs 2 raccordent la chambre d'alimentation 1 aux entrées 5 des tubes de mélange et se prolongent à travers la chambre d'alimentation 3. Les tubes éjecteurs 2 sont fixés à une plaque circulaire 14, séparant les chambres 1 et 3, et pourvue d'ouvertures 15, constituant les entrées des tubes 2.
Les tubes de mélange 6 sont maintenus entre une plaque perforée 16, constituant le fond de la chambre d'alimentation 3, et une plaque perforée 7, formant le sommet de la chambre de réaction 9. La paroi 8 de la chambre de réaction entoure le faisceau des tubes de mélange 6, de façon à former une enveloppe pour le système de circulation d'eau autour de ces tubes. Elle se prolonge dans la chambre d'alimentation 3, où elle contient une grille 4 autour des tubes éjecteurs 2. Les chambres d'alimentation 1 et 3 sont munies de conduites d'amenée 17 et 18, la conduite 18 communiquant avec le compartiment supérieur des deux compartiments formés, dans la chambre 3, par la grille 4. La tuyère de sortie 19 de chaque tube éjecteur 2 a, extérieurement, la forme d'un cône tronqué et elle se prolonge, en partie, dans l'entrée d'alimentation correspondante 5 d'un tube de mélange 6.
Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la manière suivante: un des réactifs, le gaz comburant ou le gaz combustible, préalablement préchauffé, amené par la conduite 17 dans la chambre d'alimentation 1, passe, par les tubes 2, dans les entrées d'alimentation 5. L'autre réactif est amené par la conduite 18, dans la partie supérieure de la chambre d'alimentation 3, et il est réparti, de manière homogène, dans la partie inférieure de cette chambre d'alimentation, au moyen de la grille 4. Le courant de gaz allant des tuyères 19 dans les entrées d'alimentation 5, entraîne les gaz de la chambre d'alimentation 3 dans les tubes de mélange, de façon à former un mélange réactionnel intime. Le mélange réactionnel homogène est alors amené dans la chambre de combustion 9, où se produit la combustion partielle du combustible hydrocarboné.
Suivant la fig. 2, le four comprend une troisième chambre d'alimentation 10 séparée de la chambre 1 par une plaque perforée 20 ainsi qu'un ou plusieurs tubes éjecteurs 1 1 se prolongeant, à travers la chambre d'alimentation, jusqu'à l'entrée 15 d'un des tubes éjecteurs 2. En employant le four de la fig. 2, le gaz comburant peut être amené en quantité supplémentaire dans la chambre d'alimentation 10 et dans un des tubes 2, par ces tubes éjecteurs 11. Cette amenée supplémentaire à travers le tube 11 a pour effet d'enrichir localement le mélange réactionnel en gaz comburant, de façon à créer localement des points chauds augmentant la stabilité moyenne de la zone de réaction.
Suivant un autre mode de réalisation, on peut utiliser le tube 1 1 pour ajourer un ou plusieurs hydrocarbures ou gaz comburants au mélange réactionnel, en vue d'obtenir une réaction mixte de combustion partielle et de pyrolyse.
Suivant la fig. 3, la plaque 20 est perforée pour former les entrées 21 et 22 d'un tube éjecteur 12 et d'un tube d'alimentation 13, respectivement. Le tube éjecteur 12 est fixé à la plaque 20 et se prolonge à travers les chambres d'alimentation 1 et 3 ainsi qu'à travers la plaque 14, jusqu'à l'entrée 5 d'un tube de mélange 6. Le tube d'alimentation 13 est maintenu entre les plaques perforées 7 et 20 et il se prolonge à travers les plaques 14 et 16 ainsi que les chambres 1 et 3.
Suivant les conditions réactionnelles désirées, le tube éjecteur 12 et le tube d'alimentation 13 permettent de fournir, à la chambre de réaction, d'autres quantités de gaz comburant, de gaz secondaire ou d'hydrocarbure.
C'est ainsi que les tubes éjecteurs 12 et 13 assurent respectivement l'arrivée dans cette chambre de réaction 9 du gaz provenant de la chambre 10, soit directement, par la tuyère 13, soit après mélange avec seulement le gaz de la chambre 3, par le tube 12.
Les plaques 7, 14 et 16, les différents tubes éjecteurs ainsi que les tubes de mélange 6 peuvent être tous de construction métallique, les parties adjacentes de la chambre de réaction étant protégées par une enveloppe à circulation d'eau froide. La chambre de réaction 9 peut également être protégée par un écran d'eau, pour empêcher le dépôt de carbone sur la paroi 8.
Grâce à ces dispositifs, on facilite, en la multipliant, la fonction mélange qui s'effectue de manière simple, avec le maximum d'efficacité et le minimum de temps, dans un ensemble de tubes individuels de petite section.
En plus de ces avantages, au point de vue facilité et rapidité du mélange, autorisant de la sorte un préchauffage poussé des réactifs, les dispositifs décrits permettent, en outre, une distribution homogène du mélange préchauffé dans la chambre de combustion. I1 en résulte un maximum de stabilité de la réaction et une homogénéité complète de l'état réactionnel dans toute tranche transversale de cette cham bre de réaction, facteurs conduisant à un fonctionnement à efficience maximum du four de combustion pyrolytique et permettant de déterminer de façon précise la zone la plus efficace où l'on doit effectuer le refroidissement brusque des produits gazeux de réaction.
De plus, I'emploi de tubes de mélange à section transversale réduite conduit à une faible turbulence, même à des vitesses d'alimentation élevées, réduisant ainsi les retours de flammes éventuels dans le dispositif d'alimentation.
Exemple I
Un four, tel que représenté à la fig. 1, compte 36 tubes de mélange 6 en acier réfractaire, répartis en plusieurs cercles concentriques, chacun de ces tubes ayant un diamètre intérieur de 1 1 mm et une longueur de 200 mm. Par la conduite 18, on introduit 220 m3 par heure (mesurés aux conditions normales, à 00 C et 760 mm Hg) de méthane à 98 % de pureté, préchauffé à 7500 C, qui se répartit dans la chambre 3 et est distribué de façon homogène, par la grille 4, au sommet des tubes 6. On introduit d'autre part, par la conduite 17, 130 m3 N/H d'oxygène à 98 % de pureté, préchauffé également à 750O C, qui, de la chambre 1, passe dans les tubes éjecteurs 2, puis dans les tubes de mélange 6. A la sortie de ces tubes 6, le mélange homogène de méthane et d'oxygène s'enflamme dans la chambre 9.
Les gaz de pyrolyse sont brusquement refroidis. On obtient 440 ms N/heure de gaz de pyrolyse, compté sec, contenant 9 % en volume d'acétylène.
Le four décrit permet d'ailleurs de traiter des gaz fortement préchauffés, sans crainte d'ignition spontanée, la seule limite en cette voie étant la capacité des préchauffeurs industriellement utilisés.
Les autres types de fours, comportant une chambre de mélange classique, ont leur possibilité de préchauffage limitée aux environs de 5000 C pour éviter, avec des mélanges homogène des réactifs, le phénomène de pré-ignition dans la chambre de mélange. Dans ces conditions, les consommations spécifiques, par tonne d'acétylène, sont supérieures de 10% en méthane et de 16% en oxygène, par rapport à l'exemple ci-dessus, où les réactifs sont préchauffés à 750" C.
Exemple 2
Pour augmenter la stabilité de la flamme, on enrichit localement en oxygène, le mélange réactionnel soumis à la pyrolyse, en utilisant le four de la fig. 2.
Ce four comprend 36 tubes de mélange 6 dans lesquels on introduit respectivement 220 m0 N/H de méthane à 98 % de pureté, par la chambre 3 et la grille 4, et 115 mo N/H d'oxygène à 98% de pureté, par la chambre 1 et les 36 tubes 2. Par 4 tubes 11, on introduit 15 m3 N/H d'oxygène. Les réactifs sont préchauffés à 7500 C. Le gaz de pyrolyse contient 9 % en volume d'acétylène (calculé sur le gaz sec).
Une variante consiste à introduire les 15 m0 N/H d'oxygène, non plus par les 4 tubes 11, mais par 4 tubes 12 ou 4 tubes 13, comme représenté à la fig. 3, les autres 115 m3 N/H d'oxygène étant amenés par 32 tubes 2 dans les tubes 6.