<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement thermique d'hydrocarbures et à des fours pour l'exécution de ce pro- cédé, en vue notamment de préparer des hydrocarbures non-saturés, dont en particulier l'acétylène et/ou l'éthylène ou autres oléfines.
'' On sait qu'on peut produire ces hydrocarbures non-saturés en portant pendant un temps très court, à des températures élevées, des hydrocarbures plus saturés que ceux à obtenir, à l'état gazeux ou sous forme de liquides finement divisés par pulvérisation.
On sait aussi que, pour porter à la température requise, les hydrocarbures à pyrolyser, on peut les introduire dans les gaz de combustion chauds d'une flamme d'un brûleur, alimenté par un oombus-
<Desc/Clms Page number 2>
tible gazeux ou liquide, et de l'oxygène plus ou moins concentré.
Pour favoriser les opérations de concentration ultérieures de l'acéty- lène et/ou de l'éthylène formes, il convient d'introduire, dans les gaz de pyrolyse, le moins possible de gaz inertes. A cet efiet, on alimente opportunément le brûleur, d'une part en oxygène contenant un minimum d'autres gaz, et notamment d'azote, et, d'autre part, en combustible à pouvoir calorifique élevé, de préférence un gaz riche en hydrogène (par exemple l'hydrogène plus ou moins pur, du gaz de fours à coke, etc....), la vapeur d'eau formée par la combustion de l'hydrogène pouvant être facilement condensée et séparée des gaz de pyrolyse.
Dans la plupart des procédés proposés ou mis en oeuvre jusqu'à présent, on utilise des fours, notamment des fours du type circulaire, dans lesquels le combustible et le comburant, amenés séparément par des conduites concentriques, sont mélangés au point de décharge hors du brûleur, avec formation d'une flamme dans la chambre de combustion. Les hydrocarbures à pyrolyser sont ensuite injectés, transversalement ou tangentiellement, dans les gaz de combustion chauds de cette flamme où, sous l'effet des températures élevées, ils sont décomposés en hydrocarbures non-saturés dans la chambre de pyro- lyse. Ces derniers sont ensuite refroidis brusquement, le plus souvent par injection transversale d'eau.
Cependant, les conditions opératoires de ces procédés ne se sont pas révélées pleinement efficaces, du point de vue thermique notamment.
Dans la chambre de combustion, il s'agit, èn effet, d'obtenir une réaction de combustion s'effectuant dans des conditions aussi adiabatiques que possible, avec un minimum de dépense en oxygène.
Les principes à observer pour atteindre ce résultat sont: - un préchauffage aussi poussé que possible du combustible et du comburant - introduction de ces réactifs, dans la chambre de combustion, dans des conditions de vitesse et de direction telles que le mélange soit pratiquement instantané et homogène, entraînant de ce fait un temps
<Desc/Clms Page number 3>
de réaction aussi court que possible et permettant l'utilisation d'une chambre de volume minimum - la réduction des déperditions de la chaleur de réaction par les parois de la chambre de combustion.
Quand on essaye de réaliser ces différentes conditions, on arrive assez facilement, par des effets de turbulence, à obtenir des vitesses de réaction très grandes conduisant à de très petits volumes de ohambre. Mais par contre, la réalisation de cette chambre de combus- tion, qui doit résister à des températures très élevées, tout en limi- tant au maximum les pertes calorifiques par les parois de ces fours, pose certains problèmes dont la solution est malaisée.
Le rayonnement de la flamme sur les parois et la turbulence à l'intérieur de la chambre de combustion sont tellement élevés que les réfractaires généralement utilisés pour la construction de ces parois se délitent rapidement. D'autre part, des parois métalliques à refroidissement externe par de l'eau sont cause de déperditions calorifiques trop élevées et ne peuvent donc être retenues.
L'objet de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et de permettre l'obtention de conditions pratiquement adiabatiques dans la chambre de combustion.
Le procédé utilisé à cet effet consiste à former une ou plusieurs couronnes de flammes oxhydriques à propagation parallèle à l'axe de la chambre de combustion, cette dernière ayant des parois en matière réfraotaire, protégées intérieurement par un écran de gaz, en particulier un écran de vapeur d'eau à température élevée ou d'autre gaz possédant, comme la vapeur d'eau, un impôrtant pouvoir d'absorption du rayonnement.
A cet effet, on soumet le gaz combustible et l'oxygène à un préchauffage aussi poussé que possible, pour réduire les exigences en oxygène et donner des flammes de température maximum. On introduit chacun des réactifs préchauffés dans la chambre de combustion par une série d'orifices de faible diamètre disposés en couronne de telle manière qu'à chaque orifice d'amenée de gaz combustible oorresponde un orifice d'amenée d'oxygène.
<Desc/Clms Page number 4>
Les directions d'introduction de ces deux fluides sont opposées et forment un angle d'au moins 90 . D'autre part, les dimensions des trous d'injection sont tels que les fluides possèdent des vitesses de sortie élevées et des quantités de mouvement prati- quement égales.
Grâce à cette disposition des orifices d'amenée des gaz réaotionnels, on réalise une série de brûleurs élémentaires où, pour chacun d'eux, le mélange s'effectue de façon efficace et homogène, très près, mais en dehors, du distributeur des gaz. Les flammes élémentaires très courtes de ces brûleurs se rassemblent en une , couronne de flammes pratiquement continue, très courte, et à direc- tion de propagation parallèle à l'axe de la chambre de combustion, sans contact direct avec la paroi interne de cette chambre.
En concentrant ainsi l'énergie produite par ces flammes dans une chambre à régime pratiquement adiabatique et de volume minimum, on réduit les déperditions calorifiques, mais la paroi laté- rale interne de cette chambre est soumise à un rayonnement intense.
Pour éviter une dégradation rapide des matériaux utilisés pour la construction de cette paroi, on protège cette dernière par une courons ne de vapeur d'eau, agissant comme écran de rayonnement et la paroi interne se trouve ainsi dans de bonnes conditions de résistance thermique.
Pour réaliser les conditions les meilleures visant la pleine efficacité de cet écran, on injecte la vapeur d'eau, sous forme de nappe continue, homogène et pleine, le long des parois de la chambre de combustion, et à température aussi élevée que possible.
En plus de son rôle d'écran thermique, la vapeur d'eau présente d'autres avantages, au point de vue du rendement et de l'éco- nomie du procédé de pyrolyse. C'est ainsi qu'elle transforme une par- tie du monoxyde de oarbone deo gaz de combustion en anhydride carboni- que, plus facilement séparable des produits de pyrolyse, et qu'elle permet, sans modifier le nombre de calories disponibles, de refroidir les gaz de combustion, dont la température pourrait étre trop élevée pour la réaction envisagée, comme c'est le cas par exemple lors de la production d'éthylène ou autres oléfines.
<Desc/Clms Page number 5>
La nature et les avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement par la description de fours de pyrolyse
EMI5.1
dll,.ydrocarbures tels que représentes schémikiquement, et à titre d'exemple, par les figures I à IV.
La figure I est une coupe d'un four circulaire pour la production d'hydrocarbures non saturés par injection de l'hydro- oarbure à pyrolyser dans les gaz chauds d'une couronne de flammes.
La figure II représente, à plus grande échelle, une partie du four de la figure I.
La figure III est la représentation schématique d'un distri- buteur utilisé dans un four de grande capacité.
La figure IV est une coupe d'un autre type de four, de grande capacité.
Le four circulaire de la figure 1 comprend, dans ses parties essentiellesle distributeur 1, la chambre de combustion 2 et la chambre de pyrolyse 3, toutes deux à paroi réfractaire 4. Il est' complété par les conduites 5 et 6 d'amenée séparées du gaz combustible et de l'oxygène par les couronnes concentriques 7 et 8 traversant le distributeur 1, pour l'introduction de ces réactifs gazeux dans la chambre de combustion 2, par la canalisation 9 d'amenée de l'hydrocar- bure à pyrolyser et par le dispositif 10 de refroidissement brusque des gaz de pyrolyse.
Le distributeur 1 possèdecôté chambre-de combustion, une échanorure annulaire 11 dont l'axe correspond à l'axe longitudinal du four de pyrolyse et à laquelle aboutissent les couronnes concentri- ques 7 et 8. Les côtés de l'échancrure 11, inclinés' de façon à former un angle d'au plus 90 , sont percés de trous 12 et 12' faisant commu- niquer ces couronnes 7 et 8 avec la chambre de combustion 2.
La figure II représente, à plus grande échelle;, une partie de cette échancrure annulaire 11.
Le diamètre de ces trous 12 et 12' doit être tel que: 1 ) la vitesse de sortie de chacun des deux fluides soit élevée, de l'ordre de 100 à 200 mo/seco 2 ) les quantités de mouvement des deux fluides, sortant par les trous correspondants opposés, soient pratiquement identiques.
<Desc/Clms Page number 6>
Un système de refroidissement par circulation d'eau froide entre respectivement les conduites 13 et 14, avec passage dans les canaux annulaires 15 et 16, et les conduites 17 et 18, protège le distributeur 1 contre les effets du rayonnement intense des f1 omes formées dans la ohambre de combustion.
Un collecteur annulaire de vapeur 19, adjacent au distri- buteur 1, comportant une fente étroite 20, sert à la distribution, à l'aide du guide annulaire 21, de vapeur d'eau. surchauffée le long de la paroi latérale en réfractaire 2 de la chambre de combustion, en vue de la protection thermique de cette paroi.
La canalisation 9 d'amenée de l'hydrocarbure à pyrolyser comporte des orifices 22 pour l'injection de cet hydrocarbure dans la chambre de pyrolyse.
Dans la chambre de combustion 2, on introduit respectivement par les trous 12 et 12' l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène et l'oxygène, préchauffés, amenés par les conduites 5 et 6 et les deux couronnes concentriques 7 et 8. Ces réactifs gazeux, dont les vitesses de sortie sont élevées et les quantités de mouvement sont pratiquement égales, se rencontrent avec des directions opposées, formant un angle d'au moins 90 ., ce qui assure un mélange efficace et homogène, avec formation d'une couronne de flammes courtes, de direction générale parallèle à l'axe de la chambre de combustion, et permettant ainsi de donner un volume minimum à cette chambre.
On concentre ainsi l'énergie produite par ces flammes et réduit les déperditions calorifiques, mais il est alors nécessaire de protéger thermiquement la paroi 4 de la chambre de combustion 2 par un écran de vapeur d'eau, que l'on injecte en forme de couronne par la fente 20 et le guide 21.
A la sortie de la chambre de combustion, la vapeur dteau surchauffée (vapeur d'eau formée par les flammes + vapeur d'eau de l'écran protecteur) passe dans la chambre de pyrolyse. Elle s'y mélange à l'hydrocarbure, injecté pur les orifices 22, transversale- ment à la direction d'écoulement de cette vupour.
Sous l'effet de la température élevée, l'hydrocarbure est pyrolyse en acétylène et/ou éthylène ou autres oléfines. On refroidit
<Desc/Clms Page number 7>
brusquement ces gaz de pyrolyse par injection transversale d'eau froi- de par le dispositif pulvérisateur 10.
Ce type de four convient particulièrement pour des capacités moyennes de production de gaz de pyrolyse.
Pour des capacités plus importantes avec une chambre de combustion de volume minimum, le principe des couronnes de flammes et d'écran protecteur de vapeur d'eau est également applicable.
Suivant une forme particulièrement avantageuse de l'inven- tion, le brûleur comporte plusieurs conduites d'amenée d'oxygène et d'hydrogène de telle sorte qu'il se forme plusieurs couronnes concen- triques de flammes dans la chambre de combustion. A titre d'exemple la figura III représente le brûleur d'un four auquel on a appliqué ce principe.
@ Les références ont la même signification que pour le four de la figure 1. Le gaz combustible et l'oxygène, amenés par les conduites 7 et 8, débouchent dans les trois échancrures annulaires 11 par une série de trous 12 et 12' opposés et forment, à la sortie du distributeur 1 dans la chambre de combustion 2, trois couronnes de flammes.
La paroi 4 de la chambre de combustion est protégée du rayonnement des flammes par un écran de vapeur d'eau, provenant du collecteur 19, injectée par passage dans la fente 20 et guidée par la couronne 210
Diaprés une variante;, on peut en plus envoyer de la vapeur d'eau dans la chambre de combustion, par une série d'orifices répartis entre les échanorures annulaires 11, de façon à former deux couronnes supplémentaires de vapeur dteau entre les trois couronnes de flammes.
Il en résulte une plus grande homogénéité des conditions thermiques et de l'état réactionnel dans chaque tranche transversale de la chambre de combustion occupée par les gaz de combustion.
Une autre forme de mise en oeuvre de la présente invention, particulièrement avantageuse pour la réalisation d'unités industrielles de grande capacité, consiste à utiliser un four annulaire tel que représenté schématiquement, à titre d'exemple, par la figure IV.
La ohambre de combustion 2 est annulaire et comprise entre la paroi latérale 4 et le noyau annulaire 23, à paroi 24 en matière
<Desc/Clms Page number 8>
réfractaire, céramique ou métallique, refroidi par une circulation d'eau froide dans l'enveloppe 25.
Le gaz combustible et l'oxygène, amenés respectivemen par les conduites 7 et 8, se mélangent intimement dans l'échancrure annulaire 11, à la sortie du distributeur 1, et forment une couronne de flammes oxhydriques dans la chambre de combustion annulaire 2.
Les parois 4 et 24 de cette chambre de combustion sont protégées du rayonnement de la couronne de flammes par un. écran de vapeur d'eau, provenant des collecteurs 19 et 26, injectée par les fentes 17 et 27 et guidée par les tôles annulaires 18 et 28.
Dans la vapeur d'eau surchauffée, quittant la chambre.de combustion 2, on injecte l'hydrocarbure à pyrolyser par une série d'orifices 22 et 22', répartis sur deux couronnes concentriques annulaires, situées respectivement à la périphérie de la chambre de combustion 2 et du noyau central 23, l'hydrocarbure étant amené en deux courants séparés par les conduites 9 et 9'. En dirigeant ainsi perpendiculairement à la direction d'écoulement de la vapeur d'eau surchauffée et les uns contre les autres, des jets de l'hydrocarbure à pyrolyser, on réalise un mélange parfait des gaz réagissants.
On refroidit brusquement les gaz de pyrolyse par injection transversale d'eau par les pulvérisateurs 10 et 10'.
Ce type de four annulaire, à une ou plusieurs couronnes de flammes, est particulièrement intéressant, car il permet de traiter des grandes quantités d'hydrocarbures à pyrolyser dans des conditions opératoires, tant dans la chambre de combustion que dans la chambre de pyrolyse, restant homogènes, même. pour de grandes dimensions du four. Il suffit, en effet, d'utiliser des noyaux centraux dont le diamètre augmente en fonction de l'augmentation du diamètre du four, pour maintenir identiques les conditions de pénétration et de diffusion des hydrocarbures gazeux dans les gaz de combustion.
Il est entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ai-dessus et qu'elle comprend également les modifications et variantes que l'homme de métier Bourrait y apporter. C'est ainsi que l'on peut injecter de l'eau le long des parois des chambres de combustion, cette eau se vaporisant
<Desc/Clms Page number 9>
sous 1?effet des températures élevées de ces chambres, et formant écran thermique. Ce mode opératoire est particulièrement intéressant quand on désire refroidir du gaz de combustion en vue de la pyrolyse d'hydrocarbures en oléfines.
Les exemples suivants illustrent, sans la limiter, la présente invention appliquée à la pyrolyse de propane en acétylène et éthylène Exemple
Le four, représenté à la figure I, est utilisé pour la production simultanée de 2 tonnes/jour d'acétylène et 2,5 tonnes/jour d'éthylène. La chambre de combustion 2, délimitée par le distribu- teur 1 et la paroi 4, tous deux en réfractaire, a un diamètre interne de 140 mm. et une hauteur de 160 mm. Le distributeur 1 comporte une échancrure annulaire 11, dont les côtés sont inclinés chacun à 45 et qui comprend 24 trous 12' de 7 mm. de diamètre répartis sur un cercle de 104 mm. de diamètre, ainsi que 24 trous 12 de 4,5 mm. répartis sur un cercle de 66 mmo de diamètre.
Du gaz de fours à coke, dont la composition moyenne est la suivante:
EMI9.1
<tb> Hydrogène................. <SEP> 58,9 <SEP> % <SEP> en <SEP> volume
<tb>
<tb> Méthane................... <SEP> tiI <SEP> 25,4
<tb>
<tb> Hydrocarbures <SEP> en <SEP> 02'...... <SEP> 3,0
<tb>
<tb> Anhydride <SEP> carbonique....... <SEP> 2,0
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> carbone.......... <SEP> 6,4
<tb>
<tb> Azote..................... <SEP> 4,3
<tb>
préchauffé à 450 0. est amené, avec un débit de 5.200 Nm3/jour, par la conduite 6 et la couronne 8 et introduit dans la chambre de combus-; tion par les trous 12' . L'oxygène, à 96 % de pureté, également préchauf fé à 450 C., entre dans la chambre de combustion par passage dans la conduite 5, la couronne 7 et les trous 12;
son débit est de 4800 Nm3/J
A leur entrée dans la chambre de combustion, ces réactifs gazeux s'interpénètrent sous un angle de 90 et s'enflamment en donnant une couronne de flammes. Cette dernière, à direction de propagation parallèle à l'axe de la chambre de combustion, est @ entourée, le long de la paroi de cette chambre, d'un écran de vapeur
<Desc/Clms Page number 10>
d'eau à 700 0., provenant du collecteur 19 et injectée avec un débit de 8 tonnes/jour et sous une pression utile de 2 kg./cm2, par la fente 20 de 1 mm. de largeur.
Dans la vapeur d'eau surchauffée (vapeur provenant de la combustion du gaz de fours à ooke + vapeur de l'écran), à une tempéra- ture supérieure à 1400 C., on injecte pat les orifices 22, à une - distance de 160 mm. du distributeur 1, 4070 Nm3/jour d'un mélange propane-butane, préchauffé à 350 Ce et ayant la composition suivante :
EMI10.1
<tb> Propane.................... <SEP> 82,3 <SEP> % <SEP> en <SEP> volume
<tb>
<tb> Butane..................... <SEP> 15,3
<tb>
<tb> Butène..................... <SEP> 2,4
<tb>
Les gaz de pyrolyse, après refroidissement brusque pàr injection transversale d'eau par le pulvérisateur central 10, contiennent 9,8 % en volume d'acétylène et 11,2 % Méthylène (calculés sur gaz sec).
Exemple 2
Pour le-traitement de plus grandes quantités de gaz, on a avantage à utiliser le four annulaire représenté à la figure IV.
La chambre annulaire 2, entourant un noyau central 23 d'un diamètre de 200 mm., est limitée par la paroi réfractaire 4 distante de 70 mm. de la paroi réfractaire 24. Sa fauteur est de 160 mm. entre le distributeur 1 et les dispositifs 22 et 22' d'injeotion des hydro- carbures à pyrolyser.
Le gaz de fours à coke, amené par la conduite 8, est introduit dans la chambre de combustion par 100 trous 12' de 7 mm. de diamètre répartis sur un cercle de 294 mm. de diamètre. L'oxygène est, de son côté, amené par la conduite 7 et introduit par 100 trous.
12 de 4,5 mm. de diamètre répartis sur un cercle de 246 mm. de diamètre. les parois réfractaires 4 et 24 de la chambre de combustion sont protégées thermiquement par.de la vapeur d'eau sous 2 kg./om2 injectée par les fentes 20 et 27 de 1 mm. de diamètre.
En utilisant 16.800 Nm3/jour de gaz de fours à coke, à 450 C., (de composition identique à celle donnée à l'exemple prédéoent) 22.800 Nm3/jour d'oxygène à 700 C. (calculé en oxygène 100 %) et 3,2
<Desc/Clms Page number 11>
tomes/joui, de vapeur à 700 C., on obtient:, par injection de 19. 000 Nm3/jour d'un mélange, préchauffé à 350 C. de 82,3 % en volume de propane et'15,3 % de butane (le reste étant du butène) un gaz de pyrolyse contenant 8 tonnes/jour d'acétylène et 9,2 tommes jour d'éthylène (calculé sur le gaz sec).
R E V E N D I C A T 1 0 N S 1) Procédé de traitement thermique d'hydrocarbures par injection dans des gaz chauds, issus de la combustion avec flamme, par de l'oxy- gène, de gaz riches en hydrogène, caractérisé en ce que, pour réaliser une chambre de combustion de volume minimum, on introduit séparément, dans des directions opposées, formant un angle d'au moins 90 , et à des vitesses élevées de 100 à 200 m./seo., avec des quantités de mouvement pratiquement égales, les gaz combusti- ble et- comburant préchauffés, à travers des orifices de faible diamètre, répartis sur des cercles concentriques, où, à chaque orifice d'amenée de gaz combustible correspond un orifice d'amenée 'et de gaz comburant/en ce que dans les gaz de combustion chauds,
issus de la couronne de flammes courtes, ainsi formées, à direc- tion de propagation parallèle à l'axe de la chambre de combustion, on injecte l'hydrocarbure à pyrolyser et qu'ensuite on refroidit brusquement les gaz de pyrolyse.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to a process for the thermal treatment of hydrocarbons and to furnaces for carrying out this process, in particular with a view to preparing unsaturated hydrocarbons, in particular acetylene and / or. ethylene or other olefins.
We know that we can produce these unsaturated hydrocarbons by carrying for a very short time, at high temperatures, hydrocarbons more saturated than those to be obtained, in the gaseous state or in the form of finely divided liquids by spraying .
It is also known that, in order to bring the hydrocarbons to be pyrolyzed to the required temperature, they can be introduced into the hot combustion gases of a flame of a burner, supplied by an oombus-
<Desc / Clms Page number 2>
gas or liquid tible, and more or less concentrated oxygen.
In order to promote the subsequent concentration operations of the acetylene and / or ethylene formed, it is advisable to introduce, in the pyrolysis gases, as little inert gas as possible. To this end, the burner is suitably supplied, on the one hand with oxygen containing a minimum of other gases, and in particular nitrogen, and, on the other hand, with fuel with high calorific value, preferably a gas rich in hydrogen (for example more or less pure hydrogen, coke oven gas, etc.), the water vapor formed by the combustion of hydrogen being able to be easily condensed and separated from the pyrolysis gases.
In most of the processes proposed or implemented hitherto, furnaces are used, in particular furnaces of the circular type, in which the fuel and the oxidizer, supplied separately by concentric pipes, are mixed at the point of discharge outside the chamber. burner, with formation of a flame in the combustion chamber. The hydrocarbons to be pyrolyzed are then injected, transversely or tangentially, into the hot combustion gases of this flame where, under the effect of high temperatures, they are decomposed into unsaturated hydrocarbons in the pyrolysis chamber. The latter are then suddenly cooled, most often by transverse injection of water.
However, the operating conditions of these processes have not proved to be fully effective, particularly from a thermal point of view.
In the combustion chamber, it is, in effect, to obtain a combustion reaction taking place under conditions as adiabatic as possible, with a minimum expenditure of oxygen.
The principles to be observed to achieve this result are: - preheating as far as possible of the fuel and oxidizer - introduction of these reagents, into the combustion chamber, under conditions of speed and direction such that the mixing is practically instantaneous and homogeneous, thereby resulting in a
<Desc / Clms Page number 3>
reaction time as short as possible and allowing the use of a chamber of minimum volume - reducing the losses of the heat of reaction through the walls of the combustion chamber.
When we try to achieve these different conditions, we quite easily arrive, by the effects of turbulence, in obtaining very high reaction rates leading to very small chamber volumes. But on the other hand, the realization of this combustion chamber, which must withstand very high temperatures, while limiting as much as possible the heat losses through the walls of these furnaces, poses certain problems, the solution of which is difficult.
The radiation of the flame on the walls and the turbulence inside the combustion chamber are so high that the refractories generally used for the construction of these walls disintegrate quickly. On the other hand, metal walls externally cooled by water cause excessively high heat losses and therefore cannot be retained.
The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to make it possible to obtain practically adiabatic conditions in the combustion chamber.
The method used for this purpose consists in forming one or more rings of oxyhydrogen flames with propagation parallel to the axis of the combustion chamber, the latter having walls made of refraotary material, internally protected by a gas shield, in particular a shield. water vapor at high temperature or other gas having, like water vapor, an important capacity of absorption of radiation.
For this purpose, the fuel gas and oxygen are subjected to as much preheating as possible, to reduce the oxygen requirements and give flames of maximum temperature. Each of the preheated reactants is introduced into the combustion chamber through a series of orifices of small diameter arranged in a ring such that each orifice for supplying fuel gas oorresponde an orifice for supplying oxygen.
<Desc / Clms Page number 4>
The directions of introduction of these two fluids are opposite and form an angle of at least 90. On the other hand, the dimensions of the injection holes are such that the fluids have high outlet velocities and substantially equal amounts of motion.
Thanks to this arrangement of the orifices for supplying reaction gases, a series of elementary burners is produced where, for each of them, the mixing takes place in an efficient and homogeneous manner, very close to, but outside, the gas distributor. . The very short elementary flames of these burners come together in a practically continuous, very short crown of flames, with a direction of propagation parallel to the axis of the combustion chamber, without direct contact with the internal wall of this chamber. .
By thus concentrating the energy produced by these flames in a chamber with a practically adiabatic regime and of minimum volume, the heat losses are reduced, but the internal side wall of this chamber is subjected to intense radiation.
To prevent rapid degradation of the materials used for the construction of this wall, the latter is protected by a stream of water vapor, acting as a radiation screen and the internal wall is thus in good conditions of thermal resistance.
To achieve the best conditions aimed at the full efficiency of this screen, the water vapor is injected in the form of a continuous, homogeneous and solid sheet along the walls of the combustion chamber, and at a temperature as high as possible.
In addition to its role as a heat shield, water vapor has other advantages, from the point of view of the efficiency and the economy of the pyrolysis process. It is thus that it transforms part of the carbon monoxide of the combustion gas into carbon dioxide, more easily separable from the pyrolysis products, and that it allows, without modifying the number of calories available, to cool. combustion gases, the temperature of which could be too high for the reaction envisaged, as is the case, for example, during the production of ethylene or other olefins.
<Desc / Clms Page number 5>
The nature and the advantages of the present invention will emerge more clearly from the description of pyrolysis furnaces.
EMI5.1
dll, .hydrocarbons as shown schematically, and by way of example, by Figures I to IV.
FIG. I is a section through a circular furnace for the production of unsaturated hydrocarbons by injecting the hydrocarbon to be pyrolyzed into the hot gases of a ring of flames.
Figure II shows, on a larger scale, part of the furnace of Figure I.
FIG. III is the schematic representation of a distributor used in a large capacity oven.
Figure IV is a sectional view of another type of large capacity oven.
The circular furnace of FIG. 1 comprises, in its essential parts, the distributor 1, the combustion chamber 2 and the pyrolysis chamber 3, both with a refractory wall 4. It is completed by the pipes 5 and 6 of separate supply of the fuel gas and oxygen through the concentric rings 7 and 8 passing through the distributor 1, for the introduction of these gaseous reactants into the combustion chamber 2, through the pipe 9 for supplying the hydrocarbon to be pyrolyzed and by the device 10 for sudden cooling of the pyrolysis gases.
The distributor 1 has the combustion chamber side, an annular notch 11 whose axis corresponds to the longitudinal axis of the pyrolysis furnace and to which the concentric rings 7 and 8 end. The sides of the notch 11, inclined ' so as to form an angle of at most 90, are pierced with holes 12 and 12 'making these rings 7 and 8 communicate with the combustion chamber 2.
Figure II shows, on a larger scale ;, a part of this annular notch 11.
The diameter of these holes 12 and 12 'must be such that: 1) the outlet speed of each of the two fluids is high, of the order of 100 to 200 mo / seco 2) the quantities of movement of the two fluids, exiting through the corresponding opposite holes, are practically identical.
<Desc / Clms Page number 6>
A cooling system by circulating cold water between the conduits 13 and 14 respectively, with passage through the annular channels 15 and 16, and the conduits 17 and 18, protects the distributor 1 against the effects of the intense radiation of the atoms formed in the combustion chamber.
An annular vapor collector 19, adjacent to the distributor 1, comprising a narrow slot 20, serves for the distribution, by means of the annular guide 21, of water vapor. overheated along the refractory side wall 2 of the combustion chamber, for the thermal protection of this wall.
The pipe 9 for supplying the hydrocarbon to be pyrolyzed comprises orifices 22 for injecting this hydrocarbon into the pyrolysis chamber.
In the combustion chamber 2, is introduced respectively through the holes 12 and 12 ′ hydrogen or a gas rich in hydrogen and oxygen, preheated, brought by the pipes 5 and 6 and the two concentric rings 7 and 8. These gaseous reactants, the output velocities of which are high and the quantities of motion are practically equal, meet with opposite directions, forming an angle of at least 90., which ensures an efficient and homogeneous mixture, with the formation of a crown of short flames, of general direction parallel to the axis of the combustion chamber, and thus making it possible to give a minimum volume to this chamber.
This concentrates the energy produced by these flames and reduces heat loss, but it is then necessary to thermally protect the wall 4 of the combustion chamber 2 by a water vapor screen, which is injected in the form of a crown through slot 20 and guide 21.
On leaving the combustion chamber, the superheated water vapor (water vapor formed by the flames + water vapor from the protective screen) passes into the pyrolysis chamber. It mixes there with the hydrocarbon, injected pure through the orifices 22, transversely to the direction of flow of this vessel.
Under the effect of the high temperature, the hydrocarbon is pyrolysis into acetylene and / or ethylene or other olefins. We cool down
<Desc / Clms Page number 7>
suddenly these pyrolysis gases by transverse injection of cold water by the spray device 10.
This type of furnace is particularly suitable for medium production capacities of pyrolysis gas.
For larger capacities with a combustion chamber of minimum volume, the principle of crowns of flames and protective water vapor screens is also applicable.
According to a particularly advantageous form of the invention, the burner comprises several conduits for supplying oxygen and hydrogen so that several concentric rings of flame are formed in the combustion chamber. By way of example, figure III represents the burner of an oven to which this principle has been applied.
@ The references have the same meaning as for the furnace in FIG. 1. The fuel gas and oxygen, supplied via the pipes 7 and 8, open into the three annular notches 11 through a series of opposed holes 12 and 12 'and form, at the outlet of the distributor 1 in the combustion chamber 2, three crowns of flames.
The wall 4 of the combustion chamber is protected from the radiation of the flames by a water vapor screen, coming from the manifold 19, injected by passage into the slot 20 and guided by the crown 210
In a variant;, it is also possible to send water vapor into the combustion chamber, through a series of orifices distributed between the annular notches 11, so as to form two additional rings of water vapor between the three rings of flames.
This results in greater homogeneity of the thermal conditions and of the reaction state in each transverse section of the combustion chamber occupied by the combustion gases.
Another form of implementation of the present invention, which is particularly advantageous for the production of large capacity industrial units, consists in using an annular furnace as shown schematically, by way of example, in FIG. IV.
The combustion chamber 2 is annular and included between the side wall 4 and the annular core 23, with wall 24 made of material.
<Desc / Clms Page number 8>
refractory, ceramic or metallic, cooled by circulating cold water in the casing 25.
The fuel gas and the oxygen, supplied respectively by pipes 7 and 8, mix intimately in the annular notch 11, at the outlet of the distributor 1, and form a ring of oxyhydrogen flames in the annular combustion chamber 2.
The walls 4 and 24 of this combustion chamber are protected from the radiation of the crown of flames by a. water vapor screen, coming from the collectors 19 and 26, injected by the slots 17 and 27 and guided by the annular plates 18 and 28.
In the superheated water vapor, leaving the combustion chamber 2, the hydrocarbon to be pyrolyzed is injected through a series of orifices 22 and 22 ', distributed over two annular concentric rings, located respectively at the periphery of the chamber. combustion 2 and the central core 23, the hydrocarbon being supplied in two streams separated by lines 9 and 9 '. By directing jets of the hydrocarbon to be pyrolyzed in this way perpendicular to the direction of flow of the superheated water vapor and against one another, a perfect mixture of the reacting gases is achieved.
The pyrolysis gases are suddenly cooled by transverse injection of water by the sprayers 10 and 10 '.
This type of annular furnace, with one or more crowns of flames, is particularly advantageous because it makes it possible to treat large quantities of hydrocarbons to be pyrolyzed under operating conditions, both in the combustion chamber and in the pyrolysis chamber, remaining homogeneous, even. for large oven dimensions. It suffices, in fact, to use central cores, the diameter of which increases as a function of the increase in the diameter of the furnace, to maintain the same conditions of penetration and diffusion of gaseous hydrocarbons in the combustion gases.
It is understood that the present invention is not limited to the exemplary embodiments described above and that it also includes the modifications and variations which a person skilled in the art would make to it. This is how we can inject water along the walls of the combustion chambers, this water vaporizing
<Desc / Clms Page number 9>
under the effect of the high temperatures of these chambers, and forming a heat shield. This procedure is particularly advantageous when it is desired to cool the combustion gas with a view to the pyrolysis of hydrocarbons to olefins.
The following examples illustrate, without limiting it, the present invention applied to the pyrolysis of propane into acetylene and ethylene Example
The furnace, shown in Figure I, is used for the simultaneous production of 2 tonnes / day of acetylene and 2.5 tonnes / day of ethylene. The combustion chamber 2, delimited by the distributor 1 and the wall 4, both made of refractory, has an internal diameter of 140 mm. and a height of 160 mm. The dispenser 1 comprises an annular notch 11, the sides of which are each inclined at 45 and which comprises 24 holes 12 'of 7 mm. in diameter distributed over a circle of 104 mm. in diameter, as well as 24 holes 12 of 4.5 mm. distributed over a circle of 66 mmo in diameter.
Coke oven gas, the average composition of which is as follows:
EMI9.1
<tb> Hydrogen ................. <SEP> 58.9 <SEP>% <SEP> in <SEP> volume
<tb>
<tb> Methane ................... <SEP> tiI <SEP> 25.4
<tb>
<tb> Hydrocarbons <SEP> in <SEP> 02 '...... <SEP> 3.0
<tb>
<tb> Carbon dioxide <SEP> ....... <SEP> 2,0
<tb>
<tb> Carbon <SEP> <SEP> .......... <SEP> 6.4
<tb>
<tb> Nitrogen ..................... <SEP> 4.3
<tb>
preheated to 450 0. is brought, with a flow rate of 5,200 Nm3 / day, through line 6 and crown 8 and introduced into the combustion chamber; tion through holes 12 '. Oxygen, at 96% purity, also preheated to 450 ° C., enters the combustion chamber by passing through line 5, crown 7 and holes 12;
its flow rate is 4800 Nm3 / J
When they enter the combustion chamber, these gaseous reactants interpenetrate at an angle of 90 and ignite, giving a crown of flames. The latter, with a direction of propagation parallel to the axis of the combustion chamber, is surrounded, along the wall of this chamber, by a vapor screen
<Desc / Clms Page number 10>
of water at 700 0., coming from the collector 19 and injected at a flow rate of 8 tonnes / day and under a working pressure of 2 kg./cm2, through the slot 20 of 1 mm. of width.
In the superheated water vapor (vapor coming from the combustion of the gas in ooke ovens + vapor from the screen), at a temperature above 1400 C., we inject through the orifices 22, at a distance of - 160 mm. of distributor 1, 4070 Nm3 / day of a propane-butane mixture, preheated to 350 Ce and having the following composition:
EMI10.1
<tb> Propane .................... <SEP> 82.3 <SEP>% <SEP> in <SEP> volume
<tb>
<tb> Butane ..................... <SEP> 15.3
<tb>
<tb> Butene ..................... <SEP> 2.4
<tb>
The pyrolysis gases, after sudden cooling by transverse injection of water by the central sprayer 10, contain 9.8% by volume of acetylene and 11.2% methylene (calculated on dry gas).
Example 2
For the treatment of larger quantities of gas, it is advantageous to use the annular furnace shown in Figure IV.
The annular chamber 2, surrounding a central core 23 with a diameter of 200 mm., Is limited by the refractory wall 4 at a distance of 70 mm. of the refractory wall 24. Its base is 160 mm. between the distributor 1 and the devices 22 and 22 'for injecting the hydrocarbons to be pyrolyzed.
The gas from the coke ovens, supplied through line 8, is introduced into the combustion chamber through 100 holes 12 'of 7 mm. in diameter distributed over a circle of 294 mm. of diameter. Oxygen, for its part, is brought through line 7 and introduced through 100 holes.
12 of 4.5 mm. in diameter distributed over a circle of 246 mm. of diameter. the refractory walls 4 and 24 of the combustion chamber are thermally protected par.de water vapor under 2 kg./om2 injected through the slots 20 and 27 of 1 mm. of diameter.
Using 16,800 Nm3 / day of coke oven gas, at 450 C., (identical in composition to that given in the previous example) 22,800 Nm3 / day of oxygen at 700 C. (calculated as 100% oxygen) and 3.2
<Desc / Clms Page number 11>
tomes / day, of steam at 700 C., one obtains :, by injection of 19,000 Nm3 / day of a mixture, preheated to 350 C. of 82.3% by volume of propane and'15.3% of butane (the remainder being butene) a pyrolysis gas containing 8 tons / day of acetylene and 9.2 tons / day of ethylene (calculated on the dry gas).
CLAIM 1 0 NS 1) Process for the thermal treatment of hydrocarbons by injection into hot gases, resulting from combustion with a flame, by oxygen, of gases rich in hydrogen, characterized in that, to produce a chamber combustion of minimum volume, are introduced separately, in opposite directions, forming an angle of at least 90, and at high speeds of 100 to 200 m./seo., with practically equal quantities of movement, the combustible gases - preheated brine and oxidizer, through orifices of small diameter, distributed over concentric circles, where, to each fuel gas inlet there is a feed port 'and oxidizer gas / in that in the gases hot combustion,
from the crown of short flames, thus formed, with a direction of propagation parallel to the axis of the combustion chamber, the hydrocarbon to be pyrolyzed is injected and the pyrolysis gases are then suddenly cooled.