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L'invention est relative à la combustion par- tielle d'un hydrocarbure gazeux pour produire de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène.
Des mélanges de gaz comprenant essentiellement de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène sont importants commercialement comme source d'hydrogène pourdes réac- tions d'hydrogénation et comme source de gaz d'alimenta- tion pour la synthèse des hydrocarbures, de composés organiques oxygénés ou d'ammoniaque. Un intérêt très grand s'attache actuellement à la production d'oxyde de carbone et d'hydrogène par la combustion partielle d'hy- drocarbure avec un gaz riche en oxygène.
La production de l'oxyde de carbone et d'hydro- gène par la combustion partielle d'hydrocarbure avec un gaz riche en oxygène libre est généralement conduite à une température de l'ordre de 2000 à 3000 F, de préféren- ce de 2200 à 200 F, et de préférence dans une zone de réaction resserrée, non enveloppée. La réaction peut être exécutée à la pression atmosphérique ou à une pression élevée jusqu'à 500 livres'par 'pouce carré ou supérieure.
On préfère souvent une pression de l'ordre de 100 à 300 livres par pouce carré. De l'oxygène sensiblement pur et , de l'air enrichi en oxygène contenant plus de 40 pourcent d'oxygène en-volume sontà préférer. La réaction est exo- thermique, il est fourni assez d'oxygène à la zone de réaction pour que la température de réaction s'entretienne d'elle-même. Pour obtenir des rendements maximum d'oxyde de carbone et d'hydrogène, il est désirable de conduire la réaction dans un vase de réaction bien isolé et de pré- chauffer les corps entrant en réaction. L'hydrocarbure est chauffé de préférence à une température supérieur
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environ 600 F et peut être chauffé à une température de 1200 F ou au delà.
De préférence, le gaz contenant de l'oxygène est chauffé à une température supérieure à envi- ron 400 F. En pratique, la quantité d'oxygène nécessaire dépasse la quantité théoriquement nécessaire pour transfor- mer'tout le carbone de la charge en oxyde de carbone, mais est sensiblement moindre que la quantité théoriquement né- cessaire pour transformer tout le carbone de la charge en anhydride carbonique,. Généralement, de 5 à 40 pourcent d'oxygène en plus de la valeur théorique est nécessaire pour transformer tout le carbone de la charge en oxyde de carbone. Le gaz produit comprend essentiellement de l'oxy- de de carbone et de l'hydrogène. Le contenu en hydrocar bure est moindre que 5 mols.pourcent et généralement moin- dre que 0,5 mol,pourcent.
Le gaz convient comme source d'hydrogène pour l'hydrogénation ou la synthèse de l'ammo- niac, par exemple, ou comme source de gaz d'alimentation pour la synthèse d'hydrocarbures ou d'alcools.
La combustion partielle d'un combustible hydro- carbure avec de l'air enrichi en oxygène ou avec de l'oxy- gène relativement pur pour produire de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène pose des problèmes particuliers qui ne se présentent pas habituellement dans la technique des brûleurs. En premier lieu, il est essentiel d'obtenir un mélange très rapide et complet des corps réagissants. En second lieu, le brûleur doit être construit en sorte que la réaction entre l'hydrocarbure et l'oxygène ait lieu en- tièrement à l'extérieur du brûleur lui-même et dans une zone de réaction convenable.
La réaction pose également des problèmes de pro- tection du brûleur à l'égard de la surchauffe et de l'oxy- dation directe. En raison de la réactivité de l'oxygène avec les métaux dont un brûleur convenable peut être fa-
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briqué, il est très important d'empêcher les éléments du brûleur d'atteindre une température à laquelle se produit une rapide oxydation du métal. Les éléments du brûleur sont sujets à échauffèrent à partir de la zone de réaction, bien que la réaction ait lieu au delà du point de délivran- ce ou de décharge du brûleur. En plus il y a tendance que des courants tourbillonnaires forment des concentra- tions localisées de mélange très combustible au point de jonction des orifices de l'hydrocarbure et de l'oxygène dans le brûleur.
Des mélanges par courants tourbillonnais res des deux gaz brûlent sur la surface de métal exposée du brûleur. Les surfaces du brûleur où se forment ces mé- langes de combustion jouent souvent le rôle d'entrete- neurs de flamme ; combustion le long de la surface causq souvent de la surchauffe et une destruction de l'élément de brûleur par enlèvement de métal brûlé par l'oxygène.
Un autre problème particulier à cette réaction est la tendance de formation de carbone libre soit sur le brûleur soit dans l'espace de réaction, du fait principa- lement d'un mélange non convenable des gaz. La formation de carbone à la surface du brûleur conduit souvent à la destruction du brûleur, parce qu'elle gêne le mélange des gaz et cause des concentrations localisées d'oxygène qui surchauffent ,le's éléments des brûleurs ou les parties ré- fractaires associées.
Avec des brûleurs ordinaires, on a trouvé qu'il est nécessaire d'utiliser une quantité d'oxygène excédant la quantité théorique pour empêcher la formation de carbo- ne. Ceci aggrave le problème de protéger le brûleur de la surchauffe et de l'oxydation et provoque souvent des températures de réaction indésirablement élevées. De la vapeur est utilisée parfois, pour contrôler la température de la réaction et la maintenir à un niveau raisonnable.
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Le problème est encore rendu plus difficile par le fait que dans la combustion partielle de gaz d'hydrocarbures il est désirable d'amener les gaz réagissants au brûleur dans un état fortement préchauffé pour réduire les besoins en oxygène et donner un rendement maximum du produit gazeux désiré.
Dans la fabrication d'oxyde de carbone et d'hy- drogène à partir de gaz naturel et d'oxygène relativement pur pour la synthèse des hydrocarbures en quantités com- merciales, on a trouvé que les brûleurs usuels ne sont pas' satisfaisants pour une ou plusieurs des raisons données plus haut. Les brûleurs sont généralement caractérisés par la déchéance des éléments de brûleur, en particulier 'par enlèvement de métal par combustion aux pointes des brûleurs même si ces éléments sont refroidis à l'eau.
La présente invention a pour objet de procurer un brûleur du type annulaire dans lequel des courants sé- parés des gaz entrant en réaction sont introduits dans le générateur .de gaz par des parties concentriques, ce brû- leur ayant une construction perfectionnée grgce à laquelle) les difficultés décrites plus haut avec les brûleurs plus anciens sont rendues sensiblement très petites ou évitées.
Suivant l'invention, on procure un brûleur pour la combustion partielle d'un hydrocarbure gazeux avec un gaz contenant de l'oxygène, qui comprend un corps d'un bloc pourvu d'un conduit central pour le passage d'un cou- rant de l'un des gaz, ledit conduit étant de diamètre sen- siblement uniforme dans la majeure partie de sa longueur et ayant une partie évasée vers l'extérieur à son point de délivrance, et se terminant en un orifice de décharge cir- alaire, et un second conduit sensiblement concentrique et disposé autour dudit conduit central avec un espace pour le passage de l'autre courant de gaz, la sortie de ce
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conduit concentrique se terminant en un orifice de déchar- ge circulaire en alignement avec et écarté du premier ori- fice de décharge,
le second orifice de décharge étant de diamètre légèrement plus grand que le premier orifice de décharge, ledit conduit concentrique convergeant vers ledit conduit central en sorte que tous deux se rencon- trent suivant un bord tranchant, de sorte que les gaz provenant de chacun desdits conduits sont mélangés l'un avec l'autre et délivrés par le second orifice de décharge sans formation de tourbillons dans ou près desdits orifi- ces de décharge.
L'invention sera décrite maintenant en se repor- tant aux dessins annexés.) dans leqquels : - Figure 1 est une coupe transversale longitudi- nale dans un appareil de réaction convenable, illustrant le brûleur de l'inventionl, en position de fonctionnement; - Figure 2 esr une coupe transversale longitudi- nale dans le corps d'un brûleur, montrant des détails de sa construction ; - Figure 3 est une vue en coupe du'brûleur, fai- te suivant le plan 3-3 de la figure 2.
En se reportant à la figure 1, l'appareil'de réaction comprend une enceinte à l'épreuve de la pression 1 avec un revêtement réfractaire 2. A une extrémité de l'enceinte, et le long de son axe, il y a un orifice d'entrée dans lequel est introduit un brûleur 4. Un orifi ce de sortie 5 pour les produits de réaction est prévu à l'extrémité opposée de l'enceinte. La tuyauterie associée au brûleur s'étend à travers une fermeture amovible 6 qui permet l'accès au brûleur.
En se reportant aux figures 2 et 3, le brûleur 4 est de forme sensiblement cylindrique. Les gaz sont fournis au brûleur par les tuyaux concentriques 7 et 8.
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Le tuyau intérieur 7 délivre un courant de gaz par un con- duit central 9 s'étendant suivant l'axe du brûleur. L'au- tre gaz est introduit par l'espace annulaire entre les tuyaux 7 et 8 dans une manche annulaire.10 entourant le conduit 9. De la manche annulaire 10, le gaz passe par une multiplicité de conduits parallèles 11 dans le corps du brûleur disposé annulairement autour du conduit 9. En- tre les conduits 11 il y a un certain nombre de voiles métalliques ou de ponts 12. Des conduits 11, le ;az est délivré dans une seconde manche annulaire 13 d'où. il est délivré par un orifice 14 placé au delà de l'extrémité de décharge du conduit 9.
La manche 13 converge vers l'ori- fice de décharge dirigeant le courant de gaz fourni au brûleur par le tuyau 8A dans le courant de gaz fourni par le conduit 9 au point de délivrance des gaz du brûleur.
La série de voiles 12 séparés par des trous 11 espacés symétriquement dans le corps du brûleur près des points de décharge des courants de gaz fournit des trajets pour conduire de la chaleur du métal du conduit 9 à une chemise annulaire de refroidissement 16 entourant l'anneau' de conduits 11. Un courant de liquide refroidissant est amené dans la chemise de refroidissement par le tuyàu 17 et déchargé de celle-ci par le tuyau 18. Des déflecteurs, non montrés, peuvent être prévus pour assurer une bonne distribution de l'écoulement du liquide refroidissant dans la chemise de refroidissement. Le liquide refroidissant, avantageusement de l'eau, est de préférence mis en circula. tion dans la chemise de refroidissement 16 à vitesse re- lativement grande, de préférence à au moins 20 pieds par seconde.
Ceci empêche la formation de poches de vapeur qui tendraient à isoler un tronçon de pointe et à permet- tre la surchauffe. Le transfert de chaleur par les voiles
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12 refroidit le métal du conduit inférieur en le protégeant efficacement contre la surchauffe.
Une particularité importante du brûleur suivant l'invention est que l'extrémité de décharge du conduit in- térieur 9 est évaséew vers l'extérieur à partir d'un point éloigné d'au moins'un diamètre de l'extrémité du conduit.
L'aire de section/transversale du courant de gaz s'écou- lant par le condùit 9 est au moins doublée au point de décharge par le tronçon évasé du conduit, comparativement à son aire de section transversale dans la partie cylindri- que du conduit 9. L'angle de la partie évasée du conduit n'est pas supérieur à environ 45 et pas moindre qu'envi- ron 14 , avantageusement il est d'environ 20 à 35 . Ceci maintient le courant intérieur''en. contact d'ensemble avec la paroi de métal jusqu'à la jonction avec le courant ex- térieur qui est en contact d'ensemble avec la paroi exté- rieure; éliminant des points morts du courant de gaz ré- sultant et empêchant la formation de tourbillons.
Le courant annulaire converge dans le courant ,central à un angle compris de l'ordre de 30 à 75 avec l'axe du courant central, de préférence un angle d'environ
45 à 60 .
L'extrémité de décharge du conduit 9 se termine' en un bord tranchant formé par la jonction de l'évasement à l'intérieur du conduit 9 et la manche annulaire conver- gente 13.
L'orifice 14 est placé au delà de l'extrémité du conduit 9 et est légèrement plus grand que le bord du tronçon évasé du conduit 9. L'orifice 14 est concentri- que au conduit 9 et en alignement avec l'extrémité de dé- charge du conduit 9. L'orifice 14 a de préférence un dis- mètre égal au diamètre de base d'un cône dont la base coïncide avec la surface extérieure du brûleur à l'orifice
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14 et dont la surface coïncide avec le tronçon évasé du conduit 9. L'orifice 14'peut être placé comme illustré dans le dessin pour coincider avec un prolongement imagi- naire.du tronçon évasé du conduit 9.
Le courant de gaz venant du conduit 9 est de pré férence déchargé par son extrémité de décharge à des vi- tesses supérieures à environ 100 pieds par seconde. La' vi- tesse du courant gazeux dans la manche 13 au point de jonc tion avec le courant venant du conduit 9 dépasse de préfé- rence 100 pieds par seconde. Il est désirable que les deux vitesses soient sensiblement les mêmes.
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