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Appareil à combustion et à réchauffage de gaz, applicable en particulier à la fabrication de l'hydrogène et de l'azote.
Dans la fabrication dé l'hydrogène et de l'azote, au moyen des gaz réducteurs et d'un oxyde métallique, l'o- xyde de fer, par exemple, on est amené à faire réagir à la température d'environ 700 c des gaz réducteurs chauds, sur l'oxyde du métal afin de transformer cet oxyde ou minerai en métal réduit.
Sur le métal réduit ainsi obtenu, on fait réagir en- suite soit de la vapeur d'eau,, si on veut obtenir de l'hy- drogène, soit de l'air ou des gaz contenant de l'azote et de l'oxygène, si on veut obtenir de l'azote.
L'opération de beaucoup la plus longue, la plus labo- rieuse, est la réduction de l'oxyde métallique.
Il est donc nécessaire de chauffer les appareils et de porter les gaz, notamment les gaz réducteurs, préa- lablement à leur entrée dans l'appareil réacteur, à la température de réaction, et, ceci, par alternances suc- cessives et fréquentes, les réactions de réduction et
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d'oxydation se succédant rapidement souvent plusieurs fois par heure.
Le dispositif suivant l'invention permet de réaliser ces opérations successives et répétées dans des condi- tions rationnelles et économiques.
On a représenté au dessin annexé, et à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
L'appareil réchauffeur se compose d'une ou plusieurs chambres en matériaux réfractaires 1 entourés ou non d'une enveloppe en tôle et remplies d'éléments ré- fractaires 2 empilés à la façon habituelle en usage dans les récupérateurs de chaleur, ces éléments réfractaires pouvant d'ailleurs être, groupés ou assemblés d'une façon quelconque.
Ces chambres ainsi garnies sont munies intérieure- ment, à leur partie supérieure, de brûleurs 3, qui sont alimentés.par les gaz à brûler en vue du chauffage. Ces derniers sont, de préférence, prélevés sur les gaz ré- ducteurs en excédent qui ont déjà réagi dans un ou plu- sieurs appareils réacteurs voisins, et qui sortent plus ou moins chauds de ces appareils après avoir effectué ou non un échange calorifique avec les gaz froids entrants.
Il va de soi que, pour chacun des brûleurs 3 indiqués, sont prévus des entrées d'air réglables, cet air étant préalablement réchauffé ounon, et que les entrées de gaz aux dits brûleurs' sont également réglables.
A une certaine distance au-dessous de l'extrémité supérieure de l'empilage, le réchauffeur comporte un car- neau latéral 4 qui est commandé par une vanne 4a et commu- nique avec l'appareil réacteur 8. Au-dessous de l'empilage, débouche un carneau analogue 5 qui communique également avec le réacteur 8 par un conduit vertical 5a, lequel peut être obturé par une vanne 5b A sa partie supérieure, le conduit 5a, commandé par une vanne ou registre 10, communi-
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que avec un carneau conduisant les gaz à la partie inférieure de l'appareil dans laquelle se trouve placé, de préférence, le surchauffeur éventuel 9 de la vapeur ou de l'air desti- nés à produire dans le réacteur voisin, par décomposition sur le fer réduit de l'hydrogène ou de l'azote.
A la partie inférieure de l'appareil, débouche également le carneau 6 pourvu d'une vanne 6a, par lequel arrivent les gaz à réchauffer.
Le fonctionnement.est le suivant: Dans la fabrica- tion de l'hydrogène ou de, l'azote, le fonctionnement des réchauffeurs comprend, en régime dans ses grandes lignes, et pour chaque cycle complet de cette fabrication, (cycles qui se renouvellent périodiquement parfois plusieurs fois par heure), les trois phases suivantes :
1 Le réchauffage complémentaire de l'appareil à empilages réfractaires;
2 Le réchauffage des gaz réducteurs pendant leur passage vers l'appareil réacteur adjacent;
3 La production d'hydrogène, ou de l'azote, par l'ac- tion de la vapeur d'eau, ou de l'air, sur le fer précé- demment réduit de son oxyde.
En supposant que l'appareil réchauffeur soit en régi- me, les trois phases principales précitées seront réalisées comme suit
1 Réchauffage complémentaire de l'appareil ( fig. 1)
La circulation des gaz dans un des éléments de l'ins- tallation, a lieu suivant les flèches indiquées à la figure 1. Les gaz à brûler en vue du réchauffage (de pré- férence les gaz réducteurs en excès provenant de la phase de réduction d'un autre groupe d'appareils voisin du premier), arrivent aux brûleurs 3 aini que l'air néces- saire à la combustion, les débits de ces deux fluides étant .réglables à volonté.
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Le mélange combustible arrivant dans la chambre de combustion déjà très chaude, brûle d'une façon parfaite.
Les gaz brûlés, appelés par le tirage général ou poussés par des ventilateurs, descendent selon les flèches à travers les empilages réfractaires 2 qu'ils quittent en sortant par la base, pour se rendre, par la vanne 5b, dans l'appareil réacteur 8 adjacent (non représenté entiè- rement) où ils passent sur de loxyde de fer.
2 Réchauffage des gaz réducteurs allant vers l'ap- pareil réacteur 8.- (fig.2)
La circulation des gaz se fait suivant les flèches indiquées à la figure 2: les gaz réducteurs après avoir s'il est nécessaire, subi, partiellement ou non, un chauffa- ge préalable par échange) thermique avec les gaz réducteurs chauds sortant d'un groupe d'appareils voisins, entrent dans l'appareil réchauffeur, par la vanne 6a et remontent dans les empilages ou éléments réfractaires qui ont été précé- demment chauffés, comme il a été expliqué ci-dessus en 1 ces gaz atteignent rapidement la zone à haute température et pénètrent directement, par la vanne 4a, dans l'appareil réacteur 8 et ce, sans passer par la partie tout à fait su- périeure de l'empilage, qui constitue.. avec la voûte, la chambre de combustion.proprement dite.
'Cette chambre de combustion reste ainsi toujours chaude au maximum, de ma- nière à assurer ultérieurment l'allumage et la bonne con bustion du gaz qui sera utilisé pour le chauffage.
3 Production d'hydrogène par la vapeur d'eau (fig. 3)
La circulation des fluides a lieu suivant les flèches indiquées à la figure 3 Les gaz brûlés produits par la combustion des gaz de chauffage aux brûleurs 3, sont appelés par le tirage et descendant selon'les flèches à travers les empilages ; passent ensuite, par la vanne ou registre 10, dans la chambre du surchauffeur ,éventuel¯de vapeur 9 , pour se rendre au carneau qui les
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conduit au lieu de récupération des excédents de chaleur sensible, (chaudière à vapeur ou autres dispositifs ou installation appropriées, simples ou mixtes).
Pendant cette période, la vapeur d'eau passe dans le surchauffeur éventuel 9, et se rend dans l'appareil réacteur
8, ou. se produit l'hydrogène. A défaut de surchauffeur spé- cial 9, la vapeur ou l'air peuvent être surchauffés en pas- sant sur les empilages ou briquetages 2
Les principaux avantages de ce dispositif, en parti- culier dans son application à la fabrication de l'hydrogène et de l'azote résident en ce que
1 La combustion totale des gaz, et, par suite, le rendement calorifique maximum qui en résulte, sont assurés du fait que les gaz combustibles et l'air arri vent au point de température maximum du système dans une chambre de combustion surchauffée, dans laquelle se pro- duit un double rayonnement calorifique:
celui de la voûte supérieure, qui rayonne de haut en bas, et celui de l'empi- lage ou briquetage qui rayonne de bas en haut.
De ce fait, l'allumage des gaz est assuré, et toute possibilité d'extinction intempestive en cours de marche est éliminée.
2 Les flammes et les gaz brûlés, pendant la période e de réchauffage, descendent directement à travers l'empila- ge ou briquetage à chauffer condition notoirement favorable
3 Le dispositif permet, d'une façon simple, pendant la période de production d'hydrogène dans l'appareil à réaction 8 immédiatement voisin, de continuer, de façon indépendante le réchauffage de l'appareil à empilages, en attendant, la période suivant de réduction;
de plus, pendant ce réchauffage les gaz brûlés sortant de l'empila- ge passent sur le réchauffeur spécial de vapeur, si on en emploie un, dans lequel circule, précisément pendant cette période et pendant celle-ci seulement, la vapeur
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qui sert à produire l'hydrogène, ce qui évite la destruc- tion rapide du surchauffeur.
4 Dans ce dispositif, les gaz suivent la circulation reconnue la meilleure par les praticiens; ceux qui se refroidissent circulent en descendant et ceux qui s'é- chauffent circulent en montant De plus, le réchauffage des gaz employés, (gaz réducteurs de four à coke, par exemple), est méthodique , ,., les gaz entrant dans l'appa- reil à réaction voisin, précisément au moment où ils vien- nent de passer dans la zone la plus chaude du réchauffeur.
5 Cet appareil perfectionné répond parfaitement aux fortes productions d'hydrogène et d'azote demandées au- jourd'hui à l'industrie, product ions qui sont de l'ordre de 1. 000 mètres cubes @.l'heure par appareil;, et sou- vent bien au de là.
@ Cet appareil peut être généralement, avec avantage, d'un volume aussi grand que l'on désire, ce qui limite au minimum, contrairement à ce qui existe dans les ap- pareils généralement employés jusqu'à ce jour, le nom- bre des vannes devant fonctionner à haute température, , (jusqu'à 850 dans le cas présenta, vannes qui, dans cette application, doivent être complètement étanches afin d' éviter des mélanges de gaz étrangers avec l'hydrogène ou l'azote produits dans l'appareil à réaction immédiate- ment voisin.
6 Ce dispositif permet l'emploi simultané ou alternatif, à volonté, de deux réchauffeurs à empilages tels que précédemment décrits, en conjugaison avec un même appareil réacteur.
On peut rendre les opérations plus souples et plus rapides, et augmenter la production d'un même appareil réacteur, en faisant fonctionner les deux appareils ré- chauffeurs simultanément mais suivant des phases dif-
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férentes, et par alternances répétées pendant la durée d'un même réchauffage. Par exemple, un des deux réchauffeurs peut être dans sa phase de réchauffage proprent dit selon la figure 3, l'oxydation du fer n'ayant toutefois pas lieu à ce moment dans l'appareil réacteur 8, pendant que l'autre réchauffeur est dans la phase de réduction selon la figure 2, et de ce fait, en communication directe avec l'appareil réacteur 8 ; et vice et versa.
On peut ainsi opé- rer facilement un réchauffage à haute température avec un minimum de briquetage et ainsi gagner beaucoup de temps.
On peut naturellement accélérer les alternances ou inversions de phases des réchauffeurs autant qu'on le désire.
On peut ainsi,dans la mesure que l'on désire, opérer en même temps le réchauffage et la réduction.
Ces appareils de réchauffage peuvent naturellement être placés à coté, au-dessus, ou au-dessous de l'appareil à réactions.
Il va de soi que cet appareil permet le réchauffage et l'emploi de gaz réducteurs en vue de l'obtention en général de métaux réduits, et que ces métaux réduits, le fer notamment, permettent non seulement de fabriquer de l'hydrogène et de l'azote, comme on 1'a dit plus haut, mats aussi de priver d'oxygène tout gaz susceptible de pouvoir être utilisé après l'élimination de cet oxygène.
Naturellement, les appareils décrits et représentés à titre d'exemple pourraient subir bien des modifications d'ordre constructif sans sortir du domaine de l'invention.
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