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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A UNE METHODE-'POUR CONTROLER DES REACTIONS -DANS DES MELANGES.GAZEUX'CHAUDS.
La présente invention se rapporte à des perfectionnements rela- tifs à une méthode de contrôle de réactions dans des mélanges gazeux chauds et a notamment pour objet de procurer une méthode par laquelle des réactions, ayant lieu dans des mélanges gazeux chauds, peuvent être contrôlées de maniè- re à stabiliser un produit de la réaction ou certains produits de la réac- tion, existant dans ledit mélange gazeux chaud.
Un exemple de mélange de réaction gazeux chaud, à contrôler par la méthode selon la présente invention., est le mélange de gaz produits par l'oxydation partielle, la pyrolyse- ou le cracking d'hydrocarbures saturés tels que l'éthane et le méthane, pour l'obtention d'hydrocarbures non satu- rés tels que l'éthylène et l'acétylène.
La présente invention a également trait à l'oxydation partielle et/ou la pyrolyse ou le cracking de substances organiques et a comme autre objet de procurer un procédé perfectionné pour la transformation de substan- ces organiques, telle, par exemple, que la production de l'acétylène, de 1'é thylène et d'autres hydrocarbures non saturés à partir d'hydrocarbures satu- rés gazeux ou liquides, tels que le méthane et l'éthaneo
Il est connu qu'en soumettant de l'éthane et du méthane à des températures élevées, telles que 1300 C à 1500 C, un cracking partiel a lieu, avec production de carbone, d'acétylène et/ou d'autres hydrocarbures.
Toute- fois., l'acétylène est lui-même instable à ces températures élevées et de l'acétylène produit à haute température est rapidement transformée par exem- ple en noir de fumée ("carbon black") à moins que la température du mélange gazeux contenant l'acétylène ne soit rapidement réduite.
Ce problème a été reconnu par le passé et des procédés de pro- duction de l'acétylène à partir d'hydrocarbures saturés ont exigé ce qu'on appelle "le choc froid", c'est-à-dire la réduction brusque de la températu- re des gaz chauds. Diverses méthodes ont été adoptées pour assurer le choc
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froid, parmi lesquelles on peut mentionner le passage des gaz sous un liqui- de refroidissant ou l'introduction de pulvérins de refroidissement dans le courant des gaz chauds.
La présente invention présente une méthode de contrôle de réac- tions dans des mélanges gazeux chauds qui comprend l'introduction d'un cou- rant de gaz chauds dans une turbine et le contrôle des réactions ayant lieu dans la phase gazeuse par réduction de la température et/ou de la pression desdits gaz chauds dans ladite turbine à une valeur ou à des valeurs telles qu'elles stabilisent la réaction à un stade prédéterminé. De préférence, le contrôle des réactions est effectué en contrôlant la détente adiabatique des gaz à l'intérieur de la turbine, par exemple, en retirant du travail u- tile par suite de la dilatation des gaz à l'intérieur de la turbine.
Une caractéristique de l'invention consiste dans le fait que le contrôle des réactions est effectué en refroidissant les parties de la turbine en contact avec le courant des gaz chauds en un endroit déterminé, ou en des endroits déterminés, de la turbine.
Cela mène au second objet de l'invention, à savoir le procédé de transformation de substances organiques par oxydation partielle, pyroly- se ou cracking, en produits de décomposition intéressants.
Les procédés connus de production d'acétylène à partir des hy- drocarbures tels que le méthane,l'éthane et l'éthylène sont basés sur la déshydrogénation des hydrocarbures par : (1) les procédés à l'arc électrique, (2) les procédés du cracking, et (3) les procédés à combustion partielle.
Dans les trois procédés, le problème fondamental est le chauf- fage de l'hydrocarbure à une température suffisamment élevée (le méthane, par exemple), demande 1500 G, l'éthane, 1300 G), associé au fait que le temps pendant lequel cette haute température doit être maintenue doit être aussi court que possible, pour éviter la décomposition ou une autre réac- tion de l'acétylène ainsi produit donnant du noir de fumée et de l'hydro- gène ou d'autres produits intermédiaires. La pression partielle de l'acéty- lène devrait aussi être maintenue à des valeurs aussi basses que possible par rapport à la pression initiale, tandis que le gaz, après sa formation, devrait être refroidi aussi vite que possible.
Tous ces procédés souffrent du désavantage que la consomma- tion de puissance et/ou d'énergie est extrêmement élevée. Le procédé à l'arc, par exemple, demande en moyenne environ 4 1/2 kilowatt-heures par livre anglaise d'acétylène produit, consommation du même ordre de grandeur que celle qui est nécessaire à la production de l'acétylène à partir de carbure.
Les procédés du cracking demandent une énergie calorifique considérable qui est généralement obtenue par la combustion des sous-pro- duits gazeux, tandis que les hautes températures nécessitées par la produc- tion de l'acétylène posent des problèmes ardus en ce qui concerne les ré- fractaires, particulièrement lorsqu'on fait usage de méthane.
Le troisième procédé, par combustion partielle, exige l'em- ploi d'oxygène afin d'obtenir la température de flamme élevée nécessaire et demande un contrôle très précis. Cinq tonnes d'oxygène, approximativement, sont nécessaires d'habitude dans ce procédé pour la production d'une tonne d'acétylène, ce qui, évidemment, augmente considérablement le prix de l'opé- ration. Les sous-produits gazeux du procédé de combustion se composent tou- tefois en grande partie d'oxydd de carbone et d'hydrogène qui peuvent être produits dans des proportions telles, qu'elles permettent leur emploi pour la fabrication d'alcool méthylique.
De ce fait, la présente invention concerne également un procé- dé d'oxydation partielle et/ou de pyrolyse ou de cracking de substances or-
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ganiques, qui comprend 1'apport continu d'une substance organique sous for- me gazeuse ou finement divisée,avec de 1'oxygène moléculaire (qui peut ê tre de lair ou de 1'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène) dans la cham- bre de combustion d'un système à turbine à gaz à combustion interne, l'allu- mage dudit mélange dans ladite chambre de combustion afin d'obtenir la tem- pérature nécessaire pour effectuer la transformation voulue de ladite sub- stance organique et le passage du mélange ayant subi une combustion, ayant subi une combustion partielle, ou en combustion,
dans la turbine où ledit mélange est refroidi à une température suffisante pour empêcher ou minimiser des transformations subséquentes ou indésirables des produits, les débits et/ou les pressions du courant gazeux dans la chambre de combustion et dans les conduites menant à la turbine et le rapport du débit de substance orga- nique introduite au débit d'oxygène moléculaire introduit étant contrôlés de manière à produire les conditions de température et de pression nécessai- res à la transformation voulue de la substance organique et les débits du courant gazeux, les températures et/ou les pressions dans les étages de la turbine étant contrôlés de manière à produire le degré de refroidissement voulu du mélange de réaction des gaz chauds.
Un gaz inerte peut être intro- duit, si on le désire, dans le système en tout point désiré; une autre carac- téristique de l'invention consiste dans le fait que le contrôle de la réac- tion est effectué par l'introduction d'un gaz inerte, en tant que diluant, dans le courant gazeux en un point ou en des points déterminés de la turbi- ne.
Par exemple, l'azote ou l'acide carbonique peuvent être introduits dans le courant gazeux ; l'introduction d'un gaz inerte peut avoir la fonction double, d'une part, de réduire la température par échange de chaleur, par exemple entre le courant gazeux chaud et le gaz inerte, et, d'autre part, de réduire la pression partielle des gaz en réaction dans le mélange gazeux chaud; le gaz inerte peut être mélangé à l'apport d5oxygène ou de substances organiques avant le mélange et la combustion, ou il peut être introduit dans le système en tout point pendant ou après la combustion.
On comprendra que les conditions de température et de pression pour la transformation de la substance organique sont de préférence maintenues à leurs valeurs contrôlées pendant le temps optimum pour obtenir les rendements maxima,.
Un des avantages du procédé selon la présente invention est que la turbine peut fournir du travail utile, tandis que, dans les procédés anté- rieurs, l'énergie disponible dans les gaz de réaction chauds était en général dissipée en pure perte.
Il est entendu que dans le fonctionnement des turbines à gaz , à combustion interne, les conditions de température régnant dans la chambre de combustion sont susceptibles de contrôle de diverses manières, grâce à quoi la température des gaz en oombustion peut être étroitement contrôlée.
Il doit être encore entendu qu'une construction appropriée des étages de la turbine à gaz permet de contrôler aisément la température des gaz s'écoulant dans la turbine, de manière que dans le processus selon la présente invention, il soit facile de produire les hautes températures né- cessaires pour l'oxydation partielle, la pyrolyse ou le cracking des substan- ces organiques contenues dans la chambre de combustion de la turbine et de produire la chute rapide nécessaire de la température des gaz en réaction dans les divers étages de la turbine, de manière à amener la température des gaz en réaction en dessous de la température à laquelle ont lieu des trans- formations subséquentes ou indésirables des produits de réaction.
La con- struction et le fonctionnement de la turbine à gaz peuvent, par conséquent, être agencés de manière que les gaz sortant du dernier étage de la turbine soient soumis à des conditions de température (et, si on le désire, de pres- sion) qui rendent la composition du mélange sensiblement stable, et les gaz sortants peuvent, si on le désire, être refroidis davantage au moyen d'une pulvérisation d'extinction d'eau ou d'un solvant sélectif, par exemple 1'a- cétone, dans le cas de l'acétylène.
Une particularité de l'invention consiste dans le fait que des agents modificateurs (c'est-à-dire des substances qui influencent la vi- tesse et l'étendue et, dans certains cas, la nature des réactions chimiques
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qui ont lieu) sont introduits dans les gaz qui s'écoulent dans le disposi- tif à turbine pour contrôler et/ou modifier les réactions dans le mélange gazeux chaud; ces agents modificateurs peuvent être introduits dans le sys- tème en tout point désiré.
Le dibromure d9éthylène, qui peut arrêter la com- bustion active d'un mélange méthane-air, constitue un exemple d'agent modi- ficateur
Une autre caractéristique de l'invention consiste dans le fait que des quantités supplémentaires de substance organique et/ou d'oxygène moléculaire sont introduites dans le système de la turbine en un point si- tué le long de la direction du courant gazeux en aval du point d'apport i- nitial. En conduisant l'opération de cette manière, le gaz qui s'écoule dans la turbine peut être soudainement enrichi en un point où les conditions de combustion sont stables et où les conditions de température et de pression ont approximativement les valeurs optima pour la production de quantités op- tima des produits de transformation-désirés,,
par exemple de l'acétylène ou d'autres hydrocarbures non saturés.
Une autre caractéristique de 1-'invention consiste dans le fait qu'un instigateur de combustion est introduit dans le système en un point ou en des pointsdéterniés Un instigateur de combustion peut être défini com- me étant une substance qui, soit par elle-même, soit par ses produits de décomposition, facilite l'allumage ou diminue le retard à l'allumage, (rac- courcissant ainsi la longueur de la zone de réaction dans la chambre de com- bustion) ou favorise la combustion des mélanges qui sont normalement trop riches pour brûler d'une manière stable (stabilisant ainsi la combustion, lorsque l'enrichissement a lieu comme il est dit ci-dessus, et reculant les limites des concentrations de mélange qui peuvent entretenir la combustion).
Le nitrate d'éthyle .et le nitrite d'éthyle constituent des exemples d'insti- gateurs de combustion d'usage courant dans les moteurs à allumage par com- pression. Les instigateurs de combustion peuvent être introduits dans le sys- tème en divers points, par exemple, ils peuvent être introduits dans les com- presseurs qui alimentent en oxygène ou en substance organique la chambre de combustion, dans les conduites menant à la chambre de combustion à partir des compresseurs ou dans la chambre de combustion elle-même;
ils peuvent é- galement, ou en alternance, être introduits dans le courant gazeux en tout point entre la chambre de combustion et l'orifice de sortie de la turbine, par exemple, ils peuvent être introduits avec les quantités supplémentaires d'oxygène ou de substance organique susmentionnées ou bien avec l'apport de gaz inerte, c'est-à-dire en utilisant ces apports comme véhicules pour les instigateurs de combustion. Ainsi, on notera que les instigateurs de combustion peuvent être introduits dans le système sous forme concentrée ou sous forme diluée, avec un véhicule liquide ou gazeux.
Suivant une variante, une caractéristique de l'invention est constituée par le fait que la charge initiale de la combustion consiste en un combustible autre que ladite substance organique, et en oxygène molécu- laire, ladite substance organique et, si on le désire, de l'oxygène molé- culaire supplémentaire, étant introduits dans la charge initiale brûlée ou partiellement brûléeo En agissant de cette manière, la combustion qui a lieu dans les premiers étages de la turbine est maintenue par l'emploi d'un combustible "étranger", c'est-à-dire un combustible ne participant pas aux réactions désirées, et la substance organique à transformer est a- lors introduite dans le mélange gazeux chaud qui s'écoule dans la turbine.
Afin de contribuer à la réduction de la tempérture des gaz en réaction, dans le but d'empêcher des transformations subséquentes ou indé- sirables, une autre caractéristique de l'invention est constituée par le fait qu'un liquide refroidissant est introduit dans les gaz qui s'écoulent dans un étage quelconque de la turbine ; lefluide refroidissant peut être un liquide volatil ou tout autre fluide refroidissant. L'emploi du li- quide volatil est avantageux du fait que le liquide volatil absorbera des quantités considérables de chaleur, par suite de l'absorption de la chaleur latente d'évaporation.. Un gaz inerte peut aussi, ou en alternance, être in- troduit dans le courant gazeux qui s'écoule dans la turbine, de préférence,
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après que la combustion ait eu lieu.
Le gaz inerte peut être utilisé pour remplir l'une des fonctions ou les deux fonctions de fluide refroidissant ou d'agent de dilution dans le but de réduire les pressions partielles des gaz en réaction.
Une autre caractéristique de l'invention consiste dans l'emploi dun processus de combustion, basé sur le principe de la flamme de diffusion, dans lequel un courant d'hydrccarbure et un courant d'oxygène moléculaire, avec ou sans agent de dilution, s'écoulent parallèlement 1-'un à l'autre et dans le même sens, à des vitesses sensiblement égales, les corps en réaction venant en contact uniquement à la surface de séparation ("interface") entre les deux courants gazeux, où la combustion se produit, et celle-ci est en- tretenue uniquement par la diffusion moléculaire, créant de cette manière u- ne zone étroite de chaleur intense, chaleur dont une partie est transférée, principalement par conduction et par convection,
à 1'hydrocarboure amenant celui-ci à la température nécessaire à la déshydrogénation. La combustion peut être arrêtée à tout étage subséquent désiré à l'aide d'une trappe à flam- me en métal poreux ou en céramique poreuse, dont les surfaces internes sont revêtues, si c'est nécessaire, dune substance extinctrice, telle le chloru- re de potassium. Il est entendu que les caractéristiques susmentionnées de l'invention, ayant trait à l'emploi d'agents modificateurs, d'instigateurs de combustion et à l'introduction de quantités supplémentaires de substan- ces organiques et d'oxygène moléculaire peuvent aussi être appliquées à ce processus de combustion particulier.
Il faut noter que, du fait de la construction de la turbine, le refroidissement du courant gazeux qui s'écoule dans la turbine a lieu grâce à la dilatation contrôlée, sensiblement adiabatique, des gaz, mais qu'il peut être avantageux de contribuer à cet effet de refroidissement par 1'ap- plication du refroidissement aux surfaces internes du dispositif à turbine.
Un tel refroidissement peut être effectué par la circulation d'un fluide de refroidissement dans des chemises ou des passages creux situés à l'intérieur des pièces constituant la turbine, mais une méthode avantageuse de refroidis- sement des éléments de la turbine est celle du "refroidissement par transsu- dation." effectué de la manière indiquée dans le brevet britannique antérieur n 619 634 0' est donc une caractéristique importante de 1'invention que le refroidissement de la turbine est effectué, au moins en partie, par le "re- froidissement par transsudation", c'est-à-dire par l'introduction à l'inté- rieur des éléments de la turbine d'un fluide de refroidissement,
les éléments de la turbine étant faits d'une matière poreuse ou à l'aide d'une matière po- reuse à travers laquelle passe le fluide de refroidissement dans la direction vers le courant gazeux qui s'écoule sur les éléments de la turbine ; onnote-- ra qu'en réalisant le "refroidissement par transsudation" de la turbine, on fait passer un fluide à travers des éléments poreux de la bague à aubes et/ ou de la bague de tuyère et que ce fluide, qui peut être un gaz ou un liqui- de,, remplit la double fonction de refroidir les éléments de la turbine, tout en formant une couche protectrice de gaz sur les surfaces des éléments de la turbine, rendant ainsi minime le dépôt de particules solides, par exemple de carbone, sur les éléments de la turbine.
Cette méthode du "refroidissement par transsudation!! présente de très grands avantages déjà mentionnés dans le brevet britannique antérieur n 6190634 susdit, et ces avantages peuvent être résumés en faisant remarquer que le Itrefroidissement par transsudation" des surfaces intérieures de la turbine permet de conserver la robustesse mécanique des éléments, réduit les dépôts superficiels de matières, particulièrement de carbone libre, sur les éléments de la turbine et assure, en outre, Inexistence d'une couche gazeu- se ou de vapeur sur les surfaces des éléments de la turbine, empêche la dif- fusion des molécules du courant gazeux chaud vers les surfaces métalliques de la turbine et peut, dans certaines circonstances,
empêcher ainsi les ré- actions de surface indésirables de se produire ou peut rendre minimes de telles réactions de surface.
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Le fluide utilisé pour le "refroidissement par transsudation', peut, évidemment, être constitué par les quantités supplémentaires de la substance organique à transformer dont il a été dit plus haut, qu'on les introduit dans la turbine à un étage subséquent.
Dans certaines circonstances, il peut être désirable d'effec- tuer les réactions dans la turbine à des pressions relativement basses, et dans ce cas, il peut être désirable de brancher une pompe d'extraction à l'orifice de sortie du dernier étage de la turbine, de manière à réaliser une diminution générale de la pression dans tous les étages de la turbine.
La commande de la pompe d'extraction peut être accouplée à la turbine, fai- sant ainsi usage de l'énergie produite dans la turbine par la combustion de la substance organique.
Une méthode, constituant une variante, pour réaliser les basses pressions serait de prévoir des conduites d'un dessin spécial, mettant en communication la chambre de combustion et l'entrée de la turbine, de maniè- re à produire les conditions d'écoulement supersonique dans les conduites.
L'écoulement supersonique implique une chute considérable de la pression ga- zeuse entre le côté amont des conduites, dans lesquelles les vitesses super- sonique de l'écoulement sont atteintes, et la section où s'établit l'écoule- ment supersonique. Le problème de dessiner les conduites de manière à réali- ser l'écoulement supersonique a été le sujet d'études considérables et le dessin de tels conduites est le sujet de contributions à cette technique par
R. Harrap (Proceedings of the 7th International Congress of Applied Mecha- nics, London, Septembre 1948), par G.J. Kestin et A.K. Oppenheim (Proceedings of the Institute of Mechanical Engineering 1948) et par J. H. Keenan et E.D.
Neumann (Journal of Applied Mechanisme June 1946) auxquelles on peut se réfé- rer pour faciliter le dessin de telles conduites.
On notera que les variations dans les proportions de substance organique et d'oxygène moléculaire, introduits dans la chambre de combustion du dispositif à turbine, et les variations de toutes quantités supplémentai- res introduites dans les divers étages de la turbine, peuvent être utilisées pour effectuer un contrôle très poussé des réactions d'oxydation partielle, de pyrolyse et de cracking ayant lieu dans le courant gazeux qui s'écoule dans la turbine.
REVENDICATIONS.
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IMPROVEMENTS RELATING TO A METHOD - TO CONTROL REACTIONS - IN HOT GAS MIXTURES.
The present invention relates to improvements relating to a method of controlling reactions in hot gas mixtures and in particular to provide a method by which reactions, taking place in hot gas mixtures, can be controlled in a controlled manner. - re to stabilize a reaction product or certain reaction products existing in said hot gas mixture.
An example of a hot gaseous reaction mixture, to be controlled by the method according to the present invention., Is the mixture of gases produced by the partial oxidation, pyrolysis or cracking of saturated hydrocarbons such as ethane and methane. , for obtaining unsaturated hydrocarbons such as ethylene and acetylene.
The present invention also relates to the partial oxidation and / or pyrolysis or cracking of organic substances and it is another object to provide an improved process for the transformation of organic substances, such as, for example, the production of organic substances. acetylene, ethylene and other unsaturated hydrocarbons from gaseous or liquid saturated hydrocarbons, such as methane and ethane
It is known that by subjecting ethane and methane to high temperatures, such as 1300 C to 1500 C, partial cracking takes place, with production of carbon, acetylene and / or other hydrocarbons.
However, acetylene is itself unstable at these high temperatures and acetylene produced at high temperature is rapidly transformed, for example, to carbon black at less than the temperature of the mixture. gas containing acetylene is rapidly reduced.
This problem has been recognized in the past and processes for the production of acetylene from saturated hydrocarbons have required what is called "cold shock", that is, the abrupt reduction of the temperature. temperature of hot gases. Various methods have been adopted to ensure the shock
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cold, among which may be mentioned the passage of gases under a cooling liquid or the introduction of cooling sprays into the stream of hot gases.
The present invention provides a method of controlling reactions in hot gas mixtures which comprises introducing a stream of hot gases into a turbine and controlling the reactions taking place in the gas phase by reducing the temperature. and / or the pressure of said hot gases in said turbine to a value or to values such as to stabilize the reaction at a predetermined stage. Preferably, reaction control is accomplished by controlling the adiabatic expansion of the gases within the turbine, for example, removing useful work as a result of the expansion of the gases within the turbine.
A characteristic of the invention consists in the fact that the control of the reactions is carried out by cooling the parts of the turbine in contact with the stream of hot gases in a determined location, or in determined locations, of the turbine.
This leads to the second object of the invention, namely the process for converting organic substances by partial oxidation, pyrolysis or cracking, into valuable decomposition products.
The known processes for producing acetylene from hydrocarbons such as methane, ethane and ethylene are based on the dehydrogenation of hydrocarbons by: (1) electric arc processes, (2) cracking processes, and (3) partial combustion processes.
In all three processes, the fundamental problem is heating the hydrocarbon to a sufficiently high temperature (methane, for example), demands 1500 G, ethane, 1300 G), associated with the fact that the time during which this high temperature must be kept as short as possible, to avoid decomposition or other reaction of the acetylene thus produced giving carbon black and hydrogen or other intermediates. The partial pressure of acetylene should also be kept as low as possible from the initial pressure, while the gas, after its formation, should be cooled as quickly as possible.
All of these methods suffer from the disadvantage that the consumption of power and / or energy is extremely high. The arc process, for example, requires on average about 4 1/2 kilowatt-hours per English pound of acetylene produced, consumption of the same order of magnitude as that required to produce acetylene from carbide.
The cracking processes require a considerable heat energy which is generally obtained by the combustion of the gaseous by-products, while the high temperatures required by the production of acetylene pose difficult problems with regard to the reactions. fractional, especially when using methane.
The third process, by partial combustion, requires the use of oxygen in order to obtain the necessary high flame temperature and requires very precise control. Approximately five tons of oxygen are usually required in this process for the production of one ton of acetylene, which, of course, greatly increases the cost of the operation. The gaseous by-products of the combustion process, however, consist largely of oxides of carbon and hydrogen which can be produced in such proportions as to permit their use in the manufacture of methyl alcohol.
Therefore, the present invention also relates to a process for partial oxidation and / or pyrolysis or cracking of gold substances.
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ganic, which involves the continuous supply of an organic substance in gaseous or finely divided form, with molecular oxygen (which may be air or oxygen or oxygen-enriched air) in the combustion chamber of an internal combustion gas turbine system, igniting said mixture in said combustion chamber in order to obtain the temperature necessary to effect the desired transformation of said organic substance and the passage of the mixture having undergone combustion, having undergone partial combustion, or in combustion,
in the turbine where said mixture is cooled to a temperature sufficient to prevent or minimize subsequent or undesirable transformations of the products, the flow rates and / or pressures of the gas stream in the combustion chamber and in the pipes leading to the turbine and the ratio from the flow rate of organic substance introduced to the flow rate of molecular oxygen introduced being controlled so as to produce the temperature and pressure conditions necessary for the desired transformation of the organic substance and the flow rates of the gas stream, the temperatures and / or the pressures in the stages of the turbine being controlled to produce the desired degree of cooling of the hot gas reaction mixture.
An inert gas can be introduced, if desired, into the system at any desired point; another characteristic of the invention consists in the fact that the control of the reaction is effected by the introduction of an inert gas, as a diluent, into the gas stream at a point or at determined points of the turbine.
For example, nitrogen or carbonic acid can be introduced into the gas stream; the introduction of an inert gas can have the double function, on the one hand, of reducing the temperature by heat exchange, for example between the hot gas stream and the inert gas, and, on the other hand, of reducing the partial pressure of the reacting gases in the hot gas mixture; the inert gas can be mixed with the supply of oxygen or organic substances before mixing and combustion, or it can be introduced into the system at any point during or after combustion.
It will be understood that the temperature and pressure conditions for the transformation of the organic substance are preferably maintained at their controlled values for the optimum time to obtain the maximum yields.
One of the advantages of the process according to the present invention is that the turbine can provide useful work, while in prior processes the energy available in the hot reaction gases was generally wasted.
It is understood that in the operation of gas turbines, internal combustion, the temperature conditions prevailing in the combustion chamber can be controlled in various ways, whereby the temperature of the combustion gases can be tightly controlled.
It should be further understood that a suitable construction of the stages of the gas turbine allows the temperature of the gases flowing in the turbine to be easily controlled, so that in the process according to the present invention, it is easy to produce the highs. temperatures required for the partial oxidation, pyrolysis or cracking of organic substances contained in the combustion chamber of the turbine and to produce the necessary rapid drop in the temperature of the reacting gases in the various stages of the turbine , so as to bring the temperature of the reaction gases below the temperature at which subsequent or undesirable transformations of the reaction products take place.
The construction and operation of the gas turbine can, therefore, be arranged so that the gases leaving the last stage of the turbine are subjected to conditions of temperature (and, if desired, pressure). ) which make the composition of the mixture substantially stable, and the outgoing gases can, if desired, be cooled further by means of a water extinguisher spray or a selective solvent, for example acetone , in the case of acetylene.
A peculiarity of the invention is that modifying agents (i.e. substances which influence the rate and extent and, in some cases, the nature of chemical reactions
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which take place) are introduced into the gases which flow in the turbine device to control and / or modify the reactions in the hot gas mixture; these modifying agents can be introduced into the system at any desired point.
An example of a modifying agent is ethylene dibromide, which can stop the active combustion of a methane-air mixture.
Another feature of the invention is that additional amounts of organic substance and / or molecular oxygen are introduced into the turbine system at a point along the direction of the gas stream downstream of the turbine. initial intake point. By conducting the operation in this manner, the gas flowing through the turbine can suddenly be enriched to a point where the combustion conditions are stable and the temperature and pressure conditions are approximately at the optimum values for the production of gas. optimum quantities of the desired transformation products,
for example acetylene or other unsaturated hydrocarbons.
Another feature of the invention is that a combustion initiator is introduced into the system at a point or at specific points. A combustion initiator can be defined as a substance which either by itself , either by its decomposition products, facilitates ignition or decreases ignition delay, (thus shortening the length of the reaction zone in the combustion chamber) or promotes the combustion of mixtures which are normally too rich to burn in a stable manner (thus stabilizing the combustion, when the enrichment takes place as stated above, and extending the limits of the mixture concentrations which can sustain combustion).
Ethyl nitrate and ethyl nitrite are examples of combustion promoters in common use in compression ignition engines. The combustion promoters can be introduced into the system at various points, for example, they can be introduced in the compressors which supply oxygen or organic substance to the combustion chamber, in the pipes leading to the combustion chamber from compressors or in the combustion chamber itself;
they can also, or alternately, be introduced into the gas stream at any point between the combustion chamber and the outlet of the turbine, for example, they can be introduced with the additional quantities of oxygen or organic substance mentioned above or with the supply of inert gas, that is to say by using these inputs as vehicles for the initiators of combustion. Thus, it will be noted that the combustion instigators can be introduced into the system in concentrated form or in diluted form, with a liquid or gaseous vehicle.
According to a variant, a characteristic of the invention is constituted by the fact that the initial charge of the combustion consists of a fuel other than the said organic substance, and of molecular oxygen, the said organic substance and, if desired, of the additional molecular oxygen, being introduced into the initial burnt or partially burnt charge. Acting in this way, the combustion which takes place in the first stages of the turbine is maintained by the use of a "foreign" fuel, that is to say a fuel which does not participate in the desired reactions, and the organic substance to be transformed is then introduced into the hot gas mixture which flows in the turbine.
In order to contribute to the reduction of the temperature of the gases in reaction, with the aim of preventing subsequent or undesirable transformations, another characteristic of the invention is constituted by the fact that a cooling liquid is introduced into the gases. which flow into any stage of the turbine; the cooling fluid can be a volatile liquid or any other cooling fluid. The use of the volatile liquid is advantageous because the volatile liquid will absorb considerable amounts of heat, due to the absorption of the latent heat of evaporation. An inert gas may also, or alternately, be inert. - produced in the gas stream flowing in the turbine, preferably,
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after combustion has taken place.
The inert gas can be used to perform one or both functions of coolant or dilution agent in order to reduce the partial pressures of the reacting gases.
Another feature of the invention consists in the use of a combustion process, based on the principle of the diffusion flame, in which a stream of hydrocarbon and a stream of molecular oxygen, with or without a diluting agent, s 'flow parallel to each other and in the same direction, at substantially equal speeds, the reactants coming into contact only at the separation surface ("interface") between the two gas streams, where combustion occurs, and this is maintained only by molecular diffusion, creating in this way a narrow zone of intense heat, heat of which part is transferred, mainly by conduction and by convection,
to 1'hydrocarboure bringing it to the temperature necessary for dehydrogenation. Combustion can be stopped at any subsequent stage desired by means of a porous metal or porous ceramic flame trap, the internal surfaces of which are coated, if necessary, with an extinguishing substance, such as chloru. - re of potassium. It is understood that the aforementioned features of the invention, relating to the use of modifiers, combustion promoters and the introduction of additional amounts of organic substances and molecular oxygen can also be applied. to this particular combustion process.
It should be noted that, due to the construction of the turbine, the cooling of the gas stream which flows through the turbine takes place by virtue of the controlled, substantially adiabatic expansion of the gases, but that it may be advantageous to contribute to this cooling effect by applying the cooling to the internal surfaces of the turbine device.
Such cooling can be effected by circulating a cooling fluid in liners or hollow passages located inside the parts constituting the turbine, but an advantageous method of cooling the elements of the turbine is that of " cooling by transpiration. " carried out as set forth in earlier British Patent No. 619,634,0 'is therefore an important feature of the invention that the cooling of the turbine is effected, at least in part, by "sweat cooling", that is, that is to say by introducing a cooling fluid inside the turbine elements,
the elements of the turbine being made of a porous material or using a porous material through which the cooling fluid passes in the direction towards the gas stream which flows over the elements of the turbine; note-- ra that by performing the "cooling by transudation" of the turbine, a fluid is passed through porous elements of the vane ring and / or of the nozzle ring and that this fluid, which may be a gas or liquid, performs the dual function of cooling the turbine elements, while forming a protective layer of gas on the surfaces of the turbine elements, thus minimizing the deposition of solid particles, for example carbon , on the components of the turbine.
This method of "transudation cooling" has very great advantages already mentioned in the aforementioned prior British patent no.6190634, and these advantages can be summed up by noting that the "transudation cooling" of the interior surfaces of the turbine helps to maintain the mechanical robustness of the elements, reduces surface deposits of materials, particularly free carbon, on the turbine elements and also ensures the absence of a gas or vapor layer on the surfaces of the turbine elements, prevents the diffusion of molecules from the hot gas stream to the metal surfaces of the turbine and may, under certain circumstances,
thus prevent unwanted surface reactions from occurring or can minimize such surface reactions.
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The fluid used for the "cooling by transudation" can, of course, be constituted by the additional quantities of the organic substance to be transformed which has been said above, that they are introduced into the turbine at a subsequent stage.
In some circumstances it may be desirable to carry out the reactions in the turbine at relatively low pressures, and in this case it may be desirable to connect an extraction pump to the outlet of the last stage of the pump. the turbine, so as to achieve a general decrease in pressure in all stages of the turbine.
The drive of the extraction pump can be coupled to the turbine, thus making use of the energy produced in the turbine by the combustion of the organic substance.
An alternative method of achieving the low pressures would be to provide specially designed pipes, putting the combustion chamber and the turbine inlet in communication, so as to produce the supersonic flow conditions. in the pipes.
Supersonic flow involves a considerable drop in gas pressure between the upstream side of the pipes, in which the supersonic flow velocities are reached, and the section where the supersonic flow is established. The problem of designing conduits in such a way as to achieve supersonic flow has been the subject of considerable study and the design of such conduits is the subject of contributions to this technique by
R. Harrap (Proceedings of the 7th International Congress of Applied Mechanics, London, September 1948), by G.J. Kestin and A.K. Oppenheim (Proceedings of the Institute of Mechanical Engineering 1948) and by J. H. Keenan and E.D.
Neumann (Journal of Applied Mechanism June 1946) to which one can refer to facilitate the drawing of such conduits.
It should be noted that the variations in the proportions of organic substance and molecular oxygen introduced into the combustion chamber of the turbine device, and the variations of any additional amounts introduced into the various stages of the turbine, can be used to carry out a very thorough control of the reactions of partial oxidation, pyrolysis and cracking taking place in the gas stream which flows in the turbine.
CLAIMS.