Four pour effectuer la combustion partielle d'hydrocarbures
La présente invention se rapporte à un four pour effectuer la combustion partielle d'hydrocarbures en vue notamment d'obtenir l'acétylène.
Les fours habituellement utilisés à cet effet comprennent, comme parties essentielles, un dispositif d'amenée et de mélange, de l'hydrocarbure et d'un comburant gazeux, une chambre de combustion et un distributeur à canaux de distribution multiples, reliant le dispositif de mélange à la chambre de combustion.
Pendant longtemps, on a utilisé des distributeurs en matière céramique et réfractaire. Cependant, par suite de la chaleur élevée de rayonnement des flammes, de la grande vitesse de passage des gaz dans les canaux et de leur mauvaise tenue mécanique à cause des nombreux canaux qui les traversent, ces distributeurs sont rapidement endommagés et deviennent vite inutilisables.
On a aussi proposé des distributeurs entièrement métalliques ou métalliques seulement du côté de la sortie du mélange gazeux, munis d'un dispositif de réfrigération. Or, dans le cas de la production d'acétylène notamment, on a avantage, afin de réduire la quantité d'hydrocarbures et celle d'oxygène nécessaires à la combustion, à préchauffer le mélange. La circulation d'un fluide réfrigérant autour des canaux du distributeur, conduisant à un refroidissement du mélange gazeux va à l'encontre de cette mesure avantageuse.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et à cet effet a pour objet un four caractérisé en ce que le distributeur comprend un bloc de métal réfractaire sans dispositif de refroidissement, pourvu des canaux de distribution, parallèles à l'axe du four, et, en outre, de canaux parallèles transversaux d'amenée d'oxygène pilote, situés à faible distance de la face dudit bloc, côté chambre de combustion et reliés à celle-ci par des perforations, les canaux longitudinaux étant répartis symétriquement autour de raxe longitudinal du four.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du four objet de la présente invention, ainsi que des variantes de détail.
La fig. 1 est une vue en coupe, suivant la ligne 1-1 de la fig. 3, d'une partie de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe suivant 2-2 de la fig. 3.
La fig. 3 est une vue partielle en section transversale, suivant 3-3 de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue partielle en coupe verticale, similaire à la fig. 2, montrant un détail.
La fig. 5 est une coupe transversale suivant 5-5 de la fig. 4.
La fig. 6 est une vue fragmentaire en élévation indiquée par 6-6 sur la fig. 4, de l'extrémité du bloc du distributeur.
La fig. 7 est une section transversale fragmentaire suivant 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 est une vue fragmentaire en coupe verticale suivant 8-8 de la fig. 9, d'une variante du four des fig. 1 à 7.
La fig. 9 est une section transversale partielle suivant 9-9 de la fig. 8.
La fig. 10 montre, en coupe verticale axiale, un détail de cette variante.
La fig. 1 1 est une coupe transversale de la fig. 10 suivant 11-11.
Le four représenté aux fig. 1 à 7, comprend une chambre de mélange 14, un distributeur 11 et une chambre de combustion 15. La chambre de mélange utilisée est semblable à celle décrite dans le brevet suisse No 361271 de la titulaire. Le distributeur 11 consiste en un bloc cylindrique, sans dispositif de refroidissement, en acier réfractaire ayant cependant une conductibilité thermique aussi élevée que possible. Le distributeur est traversé longitudinalement par les canaux 13, parallèles à l'axe du four et répartis symétriquement autour de cet axe. Chacun de ces canaux a une section transversale pratiquement constante sur toute sa longueur, ces canaux étant utilisés pour le passage du mélange d'hydrocarbure gazeux et d'oxygène depuis la chambre de mélange 14 vers la chambre de combustion 15.
Le bloc distributeur 11 comporte, à sa périphérie et à environ la moitié de sa hauteur, un passage annulaire 17 qui sert de conduite principale pour recevoir l'oxygène pilote et le distribuer par des passages 18 à une série de canaux transversaux 19 ménagés dans le bloc 11 à faible distance de la face du bloc côté chambre de combustion 15. Des perforations 21 font communiquer les canaux 19 avec la chambre 15 et servent à distribuer l'oxygène pilote dans cette chambre de combustion, de façon à maintenir stables les flammes de combustion.
Ce distributeur est stable mécaniquement et thermiquement et la température de sa face côté chambre de combustion est inférieure à celle qui pourrait provoquer une surchauffe et une dégradation ou déformation.
Cette stabilité thermique du distributeur est obtenue du fait que les calories transmises par rayonnement direct des flammes à la face côté chambre de combustion, sont évacuées par le mélange gazeux préchauffé traversant le distributeur et se retrouvent dans le mélange gazeux réparti dans la chambre de combustion.
Comme les canaux 13 sont distribués régulièrement dans le bloc du distributeur, il n'existe en aucun point du front du distributeur un gradient excessif de température qui conduirait à une déformation ou mme à une fusion de rextrémité du distributeur.
Le canal principal 17 et les canaux 19 de distribution de l'oxygène pilote ont une section transversale telle que oxygène froid circule dans ces conduites à une vitesse assurant un coefficient de transmission thermique suffisamment important. I1 en résulte que cet oxygène reçoit une partie de la chaleur rayonnante des flammes à travers l'extrémité du bloc du distributeur. Cette chaleur est très efficace pour augmenter l'action stabilisatrice de cet oxygène et pour contrôler la surchauffe du front du bloc du distributeur par le rayonnement des flammes.
Dans le cas d'un mélange de méthane et d'oxygène préchauffé à 6000C, le diamètre des canaux 13 doit tre de préférence de l'ordre de 12 à 13 mm, avec un écartement de 24 mm entre les axes de ces canaux.
Dans le cas d'un préchauffage supérieur à 6000C, on utilisera des canaux de plus grand diamètre afin de réduire la vitesse de sortie du mélange.
C'est ainsi que pour une température d'environ 7000C on utilisera des canaux d'environ 14 mm de diamètre. A des températures de préchauffage encore plus élevées, on doit alors tenir compte de la réactivité du mélange gazeux qui est suffisamment accrue, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de réduire la vitesse de sortie de ce mélange et des diamètres de 12 à 13 mm conviennent de nouveau.
Dans d'autres cas le diamètre des canaux 13 pourrait tre de 10 à 11 mm suivant la température de préchauffage.
D'autre part, l'espacement entre les axes des canaux 13 doit tre compris entre 1,8 et 2,2 fois le diamètre de ces canaux, de préférence environ 2 fois le diamètre, pour maintenir la stabilité thermique désirée du distributeur.
De plus, le mélange gazeux doit tre aussi distribué de façon homogène dans la chambre de combustion, avec écoulement stable à la sortie des canaux 13, en dépit de la turbulence des réactifs à l'entrée de ces canaux. A cet effet, les canaux 13 doivent avoir une longueur suffisante, d'environ 15 à 20 fois le diamètre de ces canaux et l'extrémité de sortie de ces canaux doit tre judicieusement profilée, le plus opportunément en quart-rond.
Les canaux 13 sont disposés de telle sorte que les intersections, avec un plan transversal, des axes de ces canaux se trouvent aux sommets de carrés, c'est-àdire que les axes soient équidistants et se trouvent répartis sur plusieurs plans parallèles, la distance entre deux plans étant égale à la distance entre deux axes voisins sur un mme plan. Un orifice 21 d'introduction d'oxygène pilote dans la chambre de combustion est situé au centre de chacun de ces carrés. Cette répartition des différents canaux conduit à une distribution particulièrement homogène des gaz dans la chambre de combustion.
Le bloc distributeur 11 comprend un corps, dans lequel les passages 17 et 18 ainsi que les canaux 13, 19 et 21 peuvent tre obtenus par usinage ou directement par moulage. Le bloc 1 1 représenté comprend un corps usiné sur lequel sont fixées des brides 25 et 27 fermant les passages 17 et 18. Une bride externe 29, fixée à la bride 27, laisse un passage 28 pour l'eau, qui passe à travers les rainures 30 pour former un rideau continu d'eau le long de la surface interne de la paroi de la chambre de combustion 15. Une partie de conduite 31 est soudée sur une cavité radiale 32 pratiquée dans la bride 29 de façon à former, avec l'ouverture 33, une conduite d'amenée alimentant le passage 28 pour l'eau d'écran. Le fond de ce passage 28 est fermé par la bride de support 34 à l'extérieur de la chambre 15.
La bride 25 comporte une ouverture 36 faisant communiquer le passage 17 avec la conduite 35 d'amenée d'oxygène pilote.
Les passages 19 sont formés en usinant les rainures 19a (fig. 4 et 5) dans lesquelles sont soudées des tiges 40 dans lesquelles sont forées les perforations 21.
Dans la variante des fig. 8 à 11, l'hydrocarbure est amené par la conduite 37 à la chambre annulaire 42, et il passe ensuite dans la chambre 44 où il est distribué de façon homogène par des ouvertures 45 de la paroi supérieure de cette chambre, chacune de ces ouvertures correspondant à un canal 13b'. L'hydrocarbure, en entrant dans la chambre 44, se divise lui-mme en courants paral lèles, (par les ouvertures 45), chacun de ces courants passant ensuite dans le tube 13b'. Ces tubes 13b' s'emboîtent dans les extrémités élargies des canaux 13b dans le bloc 11 du distributeur. Les calibres sont les mmes, de façon à obtenir un passage continu et régulier des gaz à travers les canaux 13b' et 13b.
Le comburant (oxygène) est amené par la conduite 37b dans la chambre annulaire 46 qui renferme la chambre 47 pourvue à son sommet d'une paroi munie d'ouvertures 48 pour le passage des tubes 13b' et d'ouvertures intermédiaires 49 qui, comme les ouvertures 45, servent à assurer une distribution uniforme du gaz venant de la conduite 37b. Le gaz passe de la chambre 47 dans les tubes 13b par quatre ouvertures 50 que présentent chacun des tubes 13b.
Le bloc 11 du distributeur de cette variante est le mme que celui représenté à la fig. 1. Ce dispositif de mélange est particulièrement indiqué dans le cas de préchauffage élevé, par exemple à une température de 800 à 8500C, sans danger de combustion prématurée dans les canaux 13a.
Le distributeur 11 des exemples décrits est un bloc cylindrique en acier réfractaire, à 18O/o de nickel, 8 o/o de chrome et stabilisé au titane. Ce bloc a 200 mm de diamètre et 230 mm de hauteur.
Le nombre des canaux 13 est de 32. Ces canaux ont un diamètre de 14 mm et sont disposés de sorte que les axes se trouvent aux sommets de carrés ayant 26 mm de côté. Les perforations 21 ont un diamètre de 5 mm. D'autres perforations 21 se trouvent à la périphérie du distributeur de sorte qu'on a 45 perforations 21 au total.
Les canaux 19, au nombre de neuf, ont 10 mm de diamètre, et il y a neuf canaux 18, dont les axes sont inclinés d'environ 150 par rapport à l'axe du four.
Voici un exemple d'utilisation des fours décrits.
On introduit 160 Nm3/H (mesurés à 00 C et 760 mm
Hg) oxygène à 97,5 % de pureté et 325 Nm3/H de méthane, ces gaz étant préchauffés à 6850C. Le mélange se répartit dans les 32 canaux 13 et est uniformément distribué dans la chambre de combustion 15. Par les 45 perforations 21, on introduit 20 Nm3/H d'oxygène pilote dans la chambre 15.
Dans cette chambre, se produit la réaction de combustion partielle avec formation d'acétylène, qu'on stabilise par refroidissement brusque, par injection d'eau froide transversalement au courant gazeux.
Le taux de transformation du méthane en acetylène est de 29 O/o.
Pour 1 tonne d'acétylène, on consomme 6050Nm3 de méthane et 4800 kg d'oxygène (calculés en méthane et oxygène purs).
Des essais comparatifs ont montré qu'avec un distributeur à dispositif de refroidissement, les consommations sont plus élevées et, pour 1 tonne d'acétylène, il faut 6700 Nm3 de méthane et 5600 kg d'oxygène, le taux de transformation du méthane en acétylène étant de 26 o/o seulement.
Du méthane et de l'oxygène préchauffés à 7500C ont été traités dans la variante des fig. 8 à 11. On a obtenu un gaz de pyrolyse qui, calculé sec, contenait 9 O/o d'acétylène.