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La présente invention se rapporte à un procédé de traitement thermique d'hydrocarbures 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 effec- tuant la pyrolyse d'hydrocarbures plus saturés dans des gaz chauds issus d'une flamme résultant de la combustion, dans de l'oxygène ou autre comburant, d'un combustible gazeux ou liquide, ces gaz chauds étant de préférence dépourvus d' oxygène libre.
Les fours utilisés à cet effet comprennent essentiellement: - une chambre de combustion, dans laquelle le combustible et l'oxygène, amenés séparément, sont mélangés au point de décharge hors d'un brûleur, avec formation d'une flamme.
- une chambre de pyrolyse, communiquant directement avec cette chambre de combus- tion, l'hydrocarbure à pyrolyser étant injecté, à l'intersection des deux cham- bres, dans les gaz chauds sortant de la chambre de combustion.
- un dispositif de trempe pour refroidir brusquement les gaz de pyrolyse.
Le principe de cette technique consiste donc à porter très rapide- ment l'hydrocarbure à pyrolyser à une température élevée, dans un milieu prati- quement dépourvu d'oxygène libre. Il s'agit, par conséquent, d'obtenir une con- centration thermique élevée dans la chambre de combustion dans des conditions aussi adiabatiques que possible et. de former des gaz chauds à température maximum et pratiquement exempts d'oxygène libre dans lesquels on injecte l'hydrocarbure à pyrolyser.
Dans son brevet n 568.010 déposé le 23 mai 1958, la Demanderesse décrit un procédé et un dispositif permettant de concentrer l'énergie des flammes de combustion dans une chambre à régime pratiquement adiabatique et de faible volume. A cet effet, on introduit séparément l'oxygène et le combustible, à des vitesses élevées et avec des quantités de mouvement pratiquement égales, dans des directions opposées fprmant un angle d'environ 90 , à travers des orifices de faible diamètre, répartis sur des cercles concentriques, à chaque orifice d'amenée d'oxygène correspondant, dans le même plan, un orifice d'amenée de gaz combustible. On réalise ainsi une série de brûleurs élémentaires où, pour chacun d'eux, le mélange s'effectue de façon efficace.
Les flammes très courtes de ces brûleurs se rassemblent en une couronne de flammes pratiquement continue, très courte et à direction de propagation parallèle à l'axe de la chambre de combus-, tion.
En concentrant ainsi l'énergie produite par ces flammes dans une chambre à régime pratiquement adiabatique et de faible volume, on réduit les déperditions calorifiques, mais la paroi interne de cette chambre est soumise à un rayonnement intense. On la protège par un écran de vapeur d'eau, agissant comme écran de rayonnement entre la paroi et les flammes.
D'après la présente invention, on forme deux enveloppes de vapeur, disposées symétriquement de part et d'autre de la couronne de flammes, ces deux enveloppes ayant des directions opposées et se rencontrant de façon à entourer complètement cette couronne de flammes. A cet effet, on injecte de la vapeur d'eau par deux fentes concentriques, entre lesquelles sont répartis concentriquement les orifices d'introduction du combustible et du comburant, les directions d'in- jection étant opposées et formant un angle supérieur à 50 et ne dépassant pas 120 et compris de préférence entre 70 et 1000.
Cette disposition présente de nombreux avantages, au point de vue du rendement et de l'économie du procédé de pyrolyse.
En effet, les enveloppes de vapeur agissent comme écran de rayonnement particulièrement efficace qui permet ainsi de limiter les pertes thermiques. De
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plus, elles entourent complètement la couronne de flamme et délimitent une zone de combustion de faible volume, pratiquement minimum, de sorte que l'énergie de . combustion est intensément concentrée.
D'autre part, après la première phase de combustion, à très grande vitesse, entre le combustible et l'oxygène à l'état pratiquement pur, il se produit un mélange rapide et intime de la vapeur d'eau avec les gaz de combustion à haute température, ce qui permet l'achèvement de la combustion avec disparition pratiquement totale de l'oxygène libre, grâce aux équilibres réactionnels entraînés par la présence de la vapeur d'eauo Par consé- quent, il se forme, en un temps très court, un mélange homogène vapeur d'eau- gaz de combustion ne contenant pratiquement pas d'oxygène libre et pratiquement exempt de gaz combustible non brûlé, pour autant que le combustible et le combu- rant soient utilisés en quantités stoechiométriques.
Dans ce mélange la température est élevée et uniforme, ce qui répond au mieux aux conditions ésirées pour la pyrolyse.
On a déjà proposé l'introduction d'un gaz secondaire, en particulier de la vapeur d'eau, dans les gaz de combustion, avant injection de l'hydrocarbure à pyrolyser, ces gaz de combustion contenant de l'hydrogène et ne contenant pas de 1'oxygénée Cette arrivée de gaz secondaire a pour but de recombiner en grande partie l'oxygène et les radicaux oxygénés formés par dissociationldes constituants du gaz de combustion, lors du craquage ultérieur (ionisation) dans la chambre de combustiono
Mais, avec le procédé de la présente invention, la zone de combustion, délimitée par les enveloppes de vapeur d'eau, est de volume tellement faible que seule la phase initiale de combustion peut s'y produire avantmélange avec la vapeur d'eau.
Or, au cours de cette phase initiale, très rapide surtout au départ de combustible et d'oxygène à degré de pureté élevé, la température obtenue ne peut entraîner qu'une production insignifiante de radicaux libres. Après cette phase initiale, les constituants en réaction se mélangent immédiatement et de façon homogène avec la vapeur d'eau et cette présence de vapeur d'eau au cours de la phase finale de combustion conduit à un achèvement de la réaction jusqu'à départ de pratiquement tout l'oxygène libre.
Dans le cas de combustion au départ des quantités stoeohiométriquement nécessaires de combustible et d'oxygène, il ne reste pratiquement pas d'oxygène libre dans les gaz de combustion, ni de combusti- ble non brûlé, ce qui facilite les opérations ultérieures de séparation et de concentration des hydrocarbures non saturés formés à la pyrolyse et réduit à un minimum l'oxydation de l'hydrocarbure à pyrolyser.
Il a été observé, d'autre part, que l'introduction de vapeur d'eau en mélange avec le gaz combustible et/ou l'oxygène ne présentait pas les mêmes avan- tages que 1'injection séparée de vapeur d'eau en forme de couronne entourant la couronne de flammes.,
Pour que la réaction de combustion s'effectue dans une zone de très faible volume, c'est-à-dire avec une très grande vitesse, il est nécessaire en effet que, tout au moins la première phase de la combustion soit effectuée au dé- part de constituants pratiquement purs. La dilution des réctifs par de la vapeur d'eau réduit la vitesse de réaction, ce qui conduit à une augmentation du volume de la zone de combustion et, par conséquent à une concentration thermique moins intense.
La nature et les avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement par la description d'un four de pyrolyse d'hydrocarbures, tel que représenté schématiquement, et à titre d'exemple, par la figure I.
La figure I est une coupe d'un four circulaire pour la production d'hydrocarbures non saturés par injection de l'hydrocarbure à pyrolyser dans des gaz chaudso
Ce four comprend, dans ses parties essentielles, le distributeur 1,
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la chambre de combustion 2 et la chambre de pyrolyse 30 Il est complété par les conduites 4, 5 et 6 d'amenée du gaz combustible, de l'oxygène et de l'hydrocarbu- re à pyrolyser respectivement, et par le dispositif de refroidissement brusque des gaz de pyrolyse, constitué d'une couronne de pulvérisateurs 7 d'injection d'eau froide
Le distributeur 1 possède, côté chambre de combustion, une échancrure annulaire 8, de forme trapézoïdale, dont l'axe correspond à l'axe longitudinal du four de pyrolyse.
Aux parois latérales inclinées de oeute échancure 8, abou- tissent les couronnes concentriques 9 et 10, (dont les axes sont perpendiculaires à ces parois), reliées respectivement aux conduites 4 et 5 d'amenée de gaz com- bustible et d'oxygèneo Les parois latérales de l'échanoure annulaire sont inclinées symétriquement d'un angle de 45 par rapport à l'axe longitudinal et sont percées d'un nombre égal de trous répartis symétriquement et faisant communiquer les couronnes 9 et 10 avec la chambre de combustion 2.
Le diamètre de ces trous est tel que s 1 ) la vitesse de sortie de chacun des deux fluides soit élevée, de l'ordre de
100 à 200 m./sec.
2 ) les quantités de mouvement des deux fluides, sortant par les trous corres- pondants' opposés, soient pratiquement égaleso
Le distributeur 1 est aussi pourvu d'un espace 11, distributeur ceh- tral de vapeur, relié à la conduite 12 d'amenée de vapeur et communiquant avec la chambre de combustion 2 par la fente annulaire 13, inclinée de 35 à 50 par rapport à l'axe longitudinal du fouro A 1'extérieur du distributeur existe une seconde fente annulaire 14, inclinée également de 35 à 50 , et servant à l'in- jection de vapeur sous forme d'enveloppe entourant extérieurement la couronne de flammes.
Ces fentes annulaires étant inclinées d'environ 35 à 50 , les jets de vapeur issus de ces fentes forment deux enveloppes se rencontrant sous un angle d'environ 70 à 100 , le point de rencontre de ces'enveloppes et le point de rencontre des réactifs participant à la combustion se trouvant sur une ligne pratiquement parallèle à l'axe longitudinal du four de pyrolyse. Les largeurs des fentes d'injection de vapeur sont telles que les quantités de mouvement des jets de vapeurs sont pratiquement égales.
Dans la chambre de combustion 2, on introduit respectivement par les conduites 4 et 5 et par les couronnes concentriques 9 et 10, de l'hydrogène ou un gaz riche en hydrogène et de l'oxygène, préchauffés ou nono Ces réactifs gazeux, dont les vitesses de sortie sont élevées et les quantités de mouvement pratique- ment égales, se rencontrant avec des directions opposées, formant un angle d'en- viron 90 , ce qui assure un mélange local, efficace et rapide, avec formation de flammes courtes, de direction générale parallèle à l'axe de la chambre de combustion.
La vapeur d'eau, amenée par la conduite 12, passe dans l'espace creux 11 du distributeur 1, de sorte qu'elle protège ce dernier contre les effets de surchauffe, puis, par la fente annulaire 13, est injectée dans la chambre de combustion 2. De même, de la vapeur d'eau amenée par la conduite 15, est, après passage dans la fente annulaire 14, injectée dans la chambre de combustion 20 Les deux enveloppes de vapeur se rencontrent sous un angle d'environ 70 à 100 et entourent complètement la couronne de flammes, délimitant une zone de combus- tion adaptée pour que, avec le combustible choisi, la première phase de la com- bustion seulement se produise.
Ces enveloppes de vapeur constituent un écran thermique protégeant les parois de la chambre de combustion 2 contre les effets de la chaleur rayonnanteo
A l'issue de la première phase de combustion, les enveloppes de vapeur et les gaz issus des flammes de combustion se réunissent très rapidement et de façon homogène, tant au point de vue thermique que composition.
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Dans la zone de combustion de faible volume, délimitée par les en- veloppes de vapeur, le combustible et l'oxygène réagissent, mais seule la première phase de combustion s'y produit, avec formation d'un minimum de radicaux libres.
Après cette phase initiale, a lieu le mélange des produits de cette combustion avec la vapeur d'eau, puis la phase finale de combustion, c'est-à-dire achèvement de la réaction, au cours de laquelle pratiquement tout l'oxygène libre est con- sommé et le combustible complètement brûlée
A la sortie de la chambre de combustion 2, le mélange de vapeur d' eau d'écran et de gaz de combustion passe dans la chambre de pyrolyse 30 Par la conduite annulaire 6, on injecte l'hydrocarbure à pyrolyser qui, sous l'effet de la température élevée, se décompose en donnant notamment de l'acétylène et de l'éthylène. On refroidit brusquement ces gaz de pyrolyse par injection trans- versale d'eau froide par la couronne de pulvérisateurs 7.
Exemple
Le four, représenté à la figure 1, a été utilisé pour la production simultanée d'acétylène et d'éthylène. Les produbtions ont été respectivement de 1922 kg./jour et 4282 kg./jour.
La chambre de combustion 2 est délimitée par le distributeur 1 en acier réfractaire et par la paroi latérale, en briques réfractaires. La paroi de la chambre de pyrolyse 3 est en acier. Les parois des deux chambres sont re- froidies extérieurement par circulation d'eau froide. La chambre de combustion a un diamètre interne de 140 mmo et une hauteur de 168 mmo Le distributeur 1 comporte une échancrure 8, dont les côtés sont inclinés chacun de 45 et qui comprend 24 trous de 7 mmo de diamètre répartis sur un cercle de 104 mmo de diamètre et 24 autres trous, de 4,5 mma de diamètre, répartis sur un cercle de 66 mmo de diamètre.
Le distributeur 1 comporte aussi deux fentes annulaires 13 et 14, l'une d'un diamètre de 52 mmo (mesuré au plan inférieur du distributeur) et d'une largeur de 5,5 mmo,inclinée de 37 vers la paroi latérale du four, 1' autre d'un diamètre de 116 mmo et d'une largeur de 3 mmo, inclinée de 37 et dirigée vers-1 axe du four.
Du gaz de fours à coke, dont la composition moyenne était :
EMI4.1
Hydrogène 0000000000000000 5998 % en volume Méthane 00000000000.000000 26,8 Hydrocarbures en . 0 2 ...... 2,1 Anhydride carbonique ..... 1,9 Oxyde de carbone ......... 5,8 Oxygène .................. 0,2
EMI4.2
Azote ooooooooooooooooooo 3,4 a été amené, avec un débit de 260 Nm3/heure, par la conduite 4 et la couronne 9, peut être introduit dans la chambre de combustion 2.
De l'oxygène, à 93,5 % de pureté, a été introduit dans la chambre de combustion 2, avec un débit de 250 Nm3/heure, par la conduite 5 et la couronne 10.
A leur entrée dans la chambre de combustion, ces réactifs gazeux s'interpénétraient sous un angle de 90 et s'enflammaient très rapidement en donnant une couronne de flammes, à direction de propagation parallèle à l'axe de la chambre de combustion 2. On a enveloppé complètement cette couronne de flammes par un écran de vapeur d'eau, formé par injection de vapeur d'eau à 600 C, par, les fentes 13 et 14, avec un débit total de 500 kg./heure et sous une pression utile de 2 kg./ cm2 (avant le préchauffeur, non indiqué sur la figure). Les débits et vitesses, de vapeur à chacune des fentes étaient pratiquement égaux et les deux enveloppes de vapeur se rencontraient sous un angle de 74 , à la verticale du point de rencontre des réactifs de la combustion.
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Dans le mélange de gaz de combustion et de vapeur d'eau d'écran, on a injecté 524 kgo/heure d'un naphta dont la température à l'entrée du four de pyrolyse était de 580 C. Les caractéristiques de ce naphta étaient g
EMI5.1
Point goutte ..... 000000000000000 41 Oo Point sec 00000000000000.00000000 130 Co
Hydrocarbures aromatiques ....... 10 % en poids
Hydrocarbures naphténiques ......
10,5% en poids
L'angle sous lequel se rencontrent les deux enveloppes de vapeur varie de préférence entre 70 et 100 o Le choix de la valeur de l'angle, ainsi d'ailleurs que de la distance entre les fentes d'injection de ces deux enveloppes de vapeur, est fonction principalement de la nature du combustible employé pour produire les gaz chauds de combustiono Pour chaque type de combustible, la zone de combustion délimitée par les deux enveloppes de vapeur doit être de volume tel que la pre- mière phase de la combustion puisse s'effectuer normalement et que la température atteinte soit du même ordre de grandeur que celle obtenue après mélange à la vapeur d'écran et achèvement complet de la combustiono
Dans la figure 2, les courbes I,
II et III représentent la variation de température T en fonction de l'évolution de la combustion ou, ce qui est pratiquement équivalent, en fonction de la longueur L de la chambre de combustiono D'après le procédé de la présente invention (courbe I), la température monte rapidement au cours de la phase primaire de combustion (partie OA), puis, après mélange avec la vapeur des deux enveloppes, la température reste pratiquement constante, l'effet de refroidissement par la vapeur d'eau (courbe Il) étant compensé par l'exothermicité de la réaction d'achèvement de la combustion.
Une chambre de combustion d'une longueur de 168 mmo (dans les conditions données 'dans 1 exemple) suffit pour obtenir un mélange des gaz de combustion et de la vapeur d'eau qui est homogène, tant du point de vue thermique que compositiono Avec un procédé où, toutes autres conditions restant égales, la vapeur d'eau est introduite après combustion complète, la température.'s'élève fortement au cours de cette combustion (courbe II, partie OB), puis diminue par suite de l'introduction de vapeur d'eau plus froideo Il est nécessaire dans ce cas, d' avoir une!chambre de combustion plus longue (au moins 300 mm. pour que le mélan- ge des gaz de combustion et de la vapeur d'eau soit homogène.
Par rapport au procédé de la présente invention, celui consistant à effectuer l'introduction de vapeur d'eau après combustion complète conduit à des pertes thermiques importan- tes, du fait a) de la température élevée atteinte dans la chambre de combustion (OB plus grand que 0A). b) du plus grand volume de la chambre de combustion, ce qui signifie plus grande surface d'échange par les paroiso
De plus, du fait de la température élevée, il se produit une forma- tion importante de radicaux libres au cours de la combustiono La courbe III représente l'évolution de la température dans la chambre de combustion dans le cas d'utilisation de gaz combustible et de comburant mélangés tous deux à de la vapeur d'eau. La combustion se fait au départ de réactifs non purs et, par con- séquent, elle est plus lente,
ce'qui nécessite une chambre de combustion assez longue, d'où pertes thermiques importanteso
Des essais comparatifs ont été effectués, d'une part, avec un écran de vapeur d'eau sous forme de deux enveloppes faisant un angle de 74 et entou- rant la couronne de: flammes, et, d'autre part, avec un écran de vapeur d'eau le long des parois latérales de la chambre de combustiono Les autres conditions restant égales (nature et débits des réactifs;, rapport éthylène/acétylène dans le gaz de pyrolyse), ces essais ont montré que, avec l'écran de vapeur suivant la présente invention :
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a) la longueur de chambre de combustion a pu être considérablement réduite (de
300 à 168 mmo) avec, pour conséquence, une diminution de plus de 50 % des per- tes thermiqueso b) le taux d'oxydation de l'hydrocarbure à pyrolyser (oxydation par l'oxygène et les radicaux libres restant dans les gaz de combustion) est réduit de 9 % à
4,5 %.
Le procédé de la présente invention est également applicable dans le cas où l'on forme plusieurs couronnes de flammes, chacune de celles-ci étant alors entourée de deux enveloppes de vapeur d'eau. Une telle disposition convient pour de grandes productions d'hydrocarbures non saturés.
B E S U M E.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to a process for the thermal treatment of hydrocarbons with a view in particular to preparing unsaturated hydrocarbons, including in particular acetylene and / or ethylene or other olefins.
It is known that these unsaturated hydrocarbons can be produced by carrying out the pyrolysis of more saturated hydrocarbons in hot gases resulting from a flame resulting from the combustion, in oxygen or other oxidizer, of a gaseous fuel. or liquid, these hot gases preferably being devoid of free oxygen.
The furnaces used for this purpose essentially comprise: - a combustion chamber, in which the fuel and oxygen, supplied separately, are mixed at the point of discharge outside a burner, with formation of a flame.
a pyrolysis chamber, communicating directly with this combustion chamber, the hydrocarbon to be pyrolyzed being injected, at the intersection of the two chambers, into the hot gases leaving the combustion chamber.
- a quenching device for suddenly cooling the pyrolysis gases.
The principle of this technique therefore consists in bringing the hydrocarbon to be pyrolyzed very rapidly to a high temperature, in a medium which is practically devoid of free oxygen. It is therefore a question of obtaining a high thermal concentration in the combustion chamber under conditions as adiabatic as possible and. to form hot gases at maximum temperature and practically free of free oxygen into which the hydrocarbon to be pyrolyzed is injected.
In its patent No. 568,010 filed on May 23, 1958, the Applicant describes a method and a device making it possible to concentrate the energy of the combustion flames in a chamber with practically adiabatic speed and of low volume. To this end, the oxygen and the fuel are introduced separately, at high speeds and with practically equal amounts of movement, in opposite directions at an angle of about 90, through orifices of small diameter, distributed over concentric circles, with each corresponding oxygen supply orifice, in the same plane, a fuel gas supply orifice. A series of elementary burners is thus produced in which, for each of them, the mixing is carried out efficiently.
The very short flames of these burners gather in a practically continuous flame crown, very short and with a direction of propagation parallel to the axis of the combustion chamber.
By thus concentrating the energy produced by these flames in a chamber with a practically adiabatic regime and of small volume, the heat losses are reduced, but the internal wall of this chamber is subjected to intense radiation. It is protected by a water vapor screen, acting as a radiation screen between the wall and the flames.
According to the present invention, two envelopes of vapor are formed, arranged symmetrically on either side of the crown of flames, these two envelopes having opposite directions and meeting so as to completely surround this crown of flames. To this end, water vapor is injected through two concentric slots, between which the fuel and oxidant introduction orifices are concentrically distributed, the directions of injection being opposite and forming an angle greater than 50 and not exceeding 120 and preferably between 70 and 1000.
This arrangement has many advantages from the point of view of yield and economy of the pyrolysis process.
In fact, the vapor envelopes act as a particularly effective radiation shield which thus makes it possible to limit heat losses. Of
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more, they completely surround the crown of flame and delimit a combustion zone of low volume, practically minimum, so that the energy of. combustion is intensely concentrated.
On the other hand, after the first phase of combustion, at very high speed, between the fuel and the oxygen in a practically pure state, there is a rapid and intimate mixing of the water vapor with the combustion gases. at high temperature, which allows the completion of combustion with practically total disappearance of free oxygen, thanks to the reaction equilibria brought about by the presence of water vapor. Consequently, it forms, in a very short time Short, a homogeneous water vapor-combustion gas mixture containing substantially no free oxygen and substantially free of unburned fuel gas, provided fuel and oxidant are used in stoichiometric amounts.
In this mixture, the temperature is high and uniform, which best meets the conditions desired for pyrolysis.
It has already been proposed to introduce a secondary gas, in particular water vapor, into the combustion gases, before injection of the hydrocarbon to be pyrolyzed, these combustion gases containing hydrogen and not containing of the oxygenated This arrival of secondary gas aims to largely recombine the oxygen and the oxygenated radicals formed by dissociation from the constituents of the combustion gas, during the subsequent cracking (ionization) in the combustion chamber.
However, with the process of the present invention, the combustion zone, delimited by the water vapor envelopes, is of such small volume that only the initial combustion phase can occur there before mixing with the water vapor.
However, during this initial phase, which is very rapid especially when starting from fuel and oxygen with a high degree of purity, the temperature obtained can only lead to insignificant production of free radicals. After this initial phase, the constituents in reaction mix immediately and homogeneously with the water vapor and this presence of water vapor during the final combustion phase leads to the completion of the reaction until the start of virtually all free oxygen.
In the case of combustion starting from the stohiometrically necessary quantities of fuel and oxygen, practically no free oxygen remains in the combustion gases, nor unburned fuel, which facilitates the subsequent separation operations and concentration of the unsaturated hydrocarbons formed on pyrolysis and minimizes the oxidation of the hydrocarbon to be pyrolyzed.
It has been observed, on the other hand, that the introduction of water vapor mixed with the fuel gas and / or oxygen does not have the same advantages as the separate injection of water vapor into it. crown shape surrounding the crown of flames.,
In order for the combustion reaction to take place in a zone of very low volume, that is to say with a very high speed, it is in fact necessary that at least the first phase of the combustion be carried out by dice - proportion of practically pure constituents. Dilution of the reagents with water vapor reduces the reaction rate, which leads to an increase in the volume of the combustion zone and, consequently, to a less intense thermal concentration.
The nature and the advantages of the present invention will emerge more clearly from the description of a furnace for pyrolysis of hydrocarbons, as shown schematically, and by way of example, by FIG. I.
Figure I is a section through a circular furnace for the production of unsaturated hydrocarbons by injection of the hydrocarbon to be pyrolyzed into hot gases.
This oven comprises, in its essential parts, the distributor 1,
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the combustion chamber 2 and the pyrolysis chamber 30 It is completed by the pipes 4, 5 and 6 for supplying the fuel gas, the oxygen and the hydrocarbon to be pyrolyzed respectively, and by the cooling device sudden pyrolysis gas, consisting of a crown of sprayers 7 injecting cold water
The distributor 1 has, on the combustion chamber side, an annular notch 8, of trapezoidal shape, the axis of which corresponds to the longitudinal axis of the pyrolysis furnace.
Concentric rings 9 and 10 (the axes of which are perpendicular to these walls), respectively connected to pipes 4 and 5 for supplying fuel gas and oxygen, end at the inclined side walls of the notch 8, side walls of the annular notch are inclined symmetrically at an angle of 45 with respect to the longitudinal axis and are pierced with an equal number of holes distributed symmetrically and communicating the rings 9 and 10 with the combustion chamber 2.
The diameter of these holes is such that s 1) the outlet speed of each of the two fluids is high, of the order of
100 to 200 m./sec.
2) the quantities of motion of the two fluids, exiting through the corresponding holes' opposite, are practically equal
The distributor 1 is also provided with a space 11, central vapor distributor, connected to the steam supply pipe 12 and communicating with the combustion chamber 2 through the annular slot 13, inclined at 35 to 50 relative to the combustion chamber. to the longitudinal axis of the oven. Outside the distributor there is a second annular slit 14, also inclined from 35 to 50, and serving for the injection of vapor in the form of a casing which surrounds the crown of flames on the outside.
These annular slits being inclined from about 35 to 50, the steam jets coming from these slits form two envelopes meeting at an angle of about 70 to 100, the point of meeting of these envelopes and the point of meeting of the reagents. participating in the combustion lying on a line substantially parallel to the longitudinal axis of the pyrolysis furnace. The widths of the vapor injection slits are such that the amounts of motion of the vapor jets are nearly equal.
Into the combustion chamber 2, is introduced respectively through pipes 4 and 5 and through concentric rings 9 and 10, hydrogen or a gas rich in hydrogen and oxygen, preheated or not. These gaseous reactants, whose exit speeds are high and the quantities of movement practically equal, meeting in opposite directions, forming an angle of about 90, which ensures local, efficient and rapid mixing, with formation of short flames, of general direction parallel to the axis of the combustion chamber.
The water vapor, brought through the pipe 12, passes into the hollow space 11 of the distributor 1, so that it protects the latter against the effects of overheating, then, through the annular slot 13, is injected into the chamber. 2. Likewise, water vapor supplied through line 15 is, after passing through annular slot 14, injected into combustion chamber 20. The two vapor envelopes meet at an angle of approximately 70 at 100 and completely surround the crown of flames, delimiting a suitable combustion zone so that, with the chosen fuel, only the first phase of combustion occurs.
These vapor envelopes constitute a thermal screen protecting the walls of the combustion chamber 2 against the effects of radiant heat.
At the end of the first combustion phase, the vapor envelopes and the gases from the combustion flames come together very quickly and homogeneously, both from a thermal point of view and from a composition point of view.
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In the low volume combustion zone, delimited by the vapor envelopes, the fuel and oxygen react, but only the first combustion phase occurs there, with the formation of a minimum of free radicals.
After this initial phase, the products of this combustion are mixed with the water vapor, then the final phase of combustion, that is to say completion of the reaction, during which practically all the free oxygen is consumed and the fuel completely burnt
At the outlet of the combustion chamber 2, the mixture of screen water vapor and combustion gas passes into the pyrolysis chamber 30 Via the annular pipe 6, the hydrocarbon to be pyrolyzed is injected which, under the effect of high temperature, decomposes to give in particular acetylene and ethylene. These pyrolysis gases are suddenly cooled by transverse injection of cold water through the crown of sprayers 7.
Example
The furnace, shown in Figure 1, was used for the simultaneous production of acetylene and ethylene. The produbtions were respectively 1922 kg./day and 4282 kg./day.
The combustion chamber 2 is delimited by the distributor 1 in refractory steel and by the side wall, in refractory bricks. The wall of the pyrolysis chamber 3 is made of steel. The walls of the two chambers are cooled externally by circulating cold water. The combustion chamber has an internal diameter of 140 mmo and a height of 168 mmo The distributor 1 has a notch 8, the sides of which are each inclined 45 and which includes 24 holes of 7 mmo in diameter distributed over a circle of 104 mmo in diameter and 24 other holes, 4.5 mma in diameter, distributed over a circle of 66 mmo in diameter.
The distributor 1 also has two annular slots 13 and 14, one with a diameter of 52 mmo (measured at the lower plane of the distributor) and a width of 5.5 mmo, inclined 37 towards the side wall of the furnace , The other with a diameter of 116 mmo and a width of 3 mmo, inclined 37 and directed towards-1 axis of the furnace.
Coke oven gas, the average composition of which was:
EMI4.1
Hydrogen 0000000000000000 5998% by volume Methane 00000000000.000000 26.8 Hydrocarbons in. 0 2 ...... 2.1 Carbon dioxide ..... 1.9 Carbon monoxide ......... 5.8 Oxygen ............. ..... 0.2
EMI4.2
Nitrogen ooooooooooooooooooo 3.4 has been brought, with a flow rate of 260 Nm3 / hour, through line 4 and crown 9, can be introduced into combustion chamber 2.
Oxygen, at 93.5% purity, was introduced into the combustion chamber 2, with a flow rate of 250 Nm3 / hour, through line 5 and crown 10.
When they entered the combustion chamber, these gaseous reactants interpenetrated at an angle of 90 and ignited very quickly, giving a ring of flames, with a direction of propagation parallel to the axis of the combustion chamber 2. On completely enveloped this crown of flames by a water vapor screen, formed by injecting water vapor at 600 C, through, slots 13 and 14, with a total flow rate of 500 kg./hour and under pressure useful load of 2 kg./ cm2 (before the preheater, not shown in the figure). The flow rates and velocities of steam at each of the slits were nearly equal and the two steam envelopes met at an angle of 74, vertically above the meeting point of the combustion reactants.
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In the mixture of combustion gas and screen water vapor, 524 kgo / hour of a naphtha, the temperature of which at the inlet of the pyrolysis furnace was 580 C. The characteristics of this naphtha were g
EMI5.1
Drop point ..... 000000000000000 41 Oo Dry point 00000000000000.00000000 130 Co
Aromatic hydrocarbons ....... 10% by weight
Naphthenic hydrocarbons ......
10.5% by weight
The angle at which the two steam envelopes meet preferably varies between 70 and 100 o The choice of the value of the angle, as well as the distance between the injection slots of these two steam envelopes , depends mainly on the nature of the fuel used to produce the hot combustion gases o For each type of fuel, the combustion zone delimited by the two vapor envelopes must be of such volume that the first phase of combustion can s '' carry out normally and that the temperature reached is of the same order of magnitude as that obtained after mixing with screen steam and complete completion of combustion.
In figure 2, the curves I,
II and III represent the temperature variation T as a function of the evolution of combustion or, which is practically equivalent, as a function of the length L of the combustion chamber o According to the process of the present invention (curve I) , the temperature rises rapidly during the primary combustion phase (OA part), then, after mixing with the steam from the two envelopes, the temperature remains practically constant, the cooling effect by the water vapor (curve II) being compensated for by the exothermicity of the combustion completion reaction.
A combustion chamber with a length of 168 mm (under the conditions given in 1 example) is sufficient to obtain a mixture of combustion gases and water vapor which is homogeneous, both thermally and in composition. a process where, all other conditions remaining equal, the water vapor is introduced after complete combustion, the temperature rises sharply during this combustion (curve II, part OB), then decreases following the introduction of colder water vapor o In this case, a longer combustion chamber is necessary (at least 300 mm. so that the mixture of combustion gases and water vapor is homogeneous.
Compared with the process of the present invention, that consisting in carrying out the introduction of water vapor after complete combustion leads to significant thermal losses, owing to a) the high temperature reached in the combustion chamber (OB plus larger than 0A). b) greater volume of the combustion chamber, which means greater surface area for exchange by the walls
In addition, due to the high temperature, a significant formation of free radicals occurs during combustion. Curve III represents the change in temperature in the combustion chamber in the case of the use of combustible gas and oxidizer both mixed with water vapor. Combustion takes place starting from non-pure reactants and, consequently, it is slower,
which requires a fairly long combustion chamber, resulting in significant thermal losses.
Comparative tests were carried out, on the one hand, with a water vapor screen in the form of two envelopes making an angle of 74 and surrounding the crown of: flames, and, on the other hand, with a screen of water vapor along the side walls of the combustion chamber o The other conditions remaining equal (nature and flow rates of the reagents; ethylene / acetylene ratio in the pyrolysis gas), these tests have shown that, with the steam according to the present invention:
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a) the length of the combustion chamber could be reduced considerably (by
300 to 168 mmo) with, as a consequence, a reduction of more than 50% of thermal losses o b) the rate of oxidation of the hydrocarbon to be pyrolyzed (oxidation by oxygen and the free radicals remaining in the gases of combustion) is reduced by 9% at
4.5%.
The method of the present invention is also applicable in the case where several crowns of flames are formed, each of these then being surrounded by two envelopes of water vapor. Such an arrangement is suitable for large productions of unsaturated hydrocarbons.
B E S U M E.
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