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SOCIETE BELGE DE L'AZOTE ET DES PRODUITS CHIMIQUES DU MARLY
DISTRIBUTEUR DE GAZ POUR FOURS DE COMBUSTION
PARTIELLE D'HYDROCARBURES
La présente invention se rapporte à un distributeur de gaz pour fours utilisés pour la combustion partielle d'hydrocarbures gazeux ou vaporisés en hydrocarbures moins saturés, dont notamment l'acétylène, ou en gaz riche en oxyde de carbone et hydrogène.
Cette combustion est dite partielle du fait qu'une partie seulement de l'hydrocarbure est soumise à une combustion, par de l'oxygène de préférence, et la chaleur ainsi dégagée sert à transformer thermique- ment le reste de l'hydrocarbure mis en oeuvre.
Les fours habituellement utilisés à cet effet comprennent, comme parties essentielles, une chambre de mélange, pour la mise en contact intime de l'hydrocarbure à décomposer et de l'oxygène, et une
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chambre de combustion, ces deux chambres étant reliées par un distri- buteur de gaz, à orifices multiples. Dans les canaux parallèles tra- versant ce distributeur, la vitesse du mélange gazeux réactionnel est supérieure à la vitesse de propagation des flammes individuelles qui prennent naissance en aval de chacun de ces canaux afin d'éviter les retours de flammes. Ces fours sont aussi munis d'un dispositif pour l'introduction de faibles quantités d'oxygène dans la masse réaction- nelle, en vue d'assurer une plus grande stabilité à ces flammes ; oxygène est dénommé ci-après oxygène pilote.
Pendant longtemps, on a utilisé des distributeurs en matière céramique et réfractaire. Cependant, par suite de la chaleur élevée de rayonnement des flammes, de la grande vitesse de passage des réactifs dans les canaux et de leur mauvaise tenue mécanique à cause desnombreux canaux qui les traversent, ces distributeurs sont rapidement endommagés et deviennent vite inutilisables.
On a aussi proposé des distributeurs entièrement métalliques ou métalliques seulement du côté de la sortie du mélange gazeux, munis d'un dispositif de réfrigération. Or, dans le cas de la production d'acétylène notamment, on a avantage, afin de réduire la quantité d'hydrocarbures et celle d'oxygène nécessaires à la combustion, à préchauffer les réactifs, à une température devant cependant rester inférieure à celle d'ignition spontanée du mélange de ces réactifs.
Il en résulte que la circulation d'un fluide réfrigérant autour des canaux du distributeur, conduisant à un refroidissement du mélange gazeux réactionnel, réduit notablement les avantages du préchauffage.
D'après la présente invention, on remédie à ces inconvé- nients en utilisant un distributeur entièrement métallique, comportant un ensemble de caractéristiques telles qu'un dispositif de réfrigéra- tion n'est plus nécessaire.
Les schémas ci-annexés montrent un mode préféré d'exécution de la présente invention, ainsi que certaines modifications qui sont décrites ci-après et ils sont donnés à titre d'illustration, sans aucun caractère limitatif.
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Dans ces schémas: la rigure 1 est une vue en coupe, suivant la ligne 1-1 de la figure 3, montrant un dispositif de mélange et de distribution, avec une partie des conduites d'amenée des réactifs et du four de combus- tion partielle d'hydrocarbures gazeux; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 3; la figure 3 est une vue partielle en section transversale, suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; la figure 4 est une vue partielle en coupe verticale, similaire à la figure 2, montrant une autre particularité de l'invention; la figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la figure 4 ; la figure 6 est une vue fragmentaire en élévation de la face rainurée sur la périphérie du distributeur, indiquée par la ligne 6-6 sur la figure 4 ; la figure 7 est une section transversale fragmentaire suivant la ligne
7-7 de la figure 6;
la figure 8 est une vue fragmentaire en coupe verticale, similaire aux figures 1 et 2, mais montrant une autre forme d'exécution (coupe suivant la ligne 8-8 de la figure 9); la figure 9 est une section transversale partielle suivant la ligne
9-9 de la figure 8 ; la figure 10 montre, en coupe verticale axiale, un détail de l'extré- mite d'un des canaux d'alimentation et de l'emboiture dans le bloc distributeur auquel il s'adapte; la figure 11 est une coupe transversale de la figure 10 suivant la ligne 11-11.
D'après les figures 1 à 3, le distributeur 11 consiste en un bloc cylindrique, de préférence en acier réfractaire ayant cepen- dant une conductibilité thermique aussi élevée que possible. Le distri- buteur est traversé longitudinalement par les canaux 13, chacun de ces canaux ayant une section transversale pratiquement constante sur toute sa longueur, ces nanaux étant utilisés pour le passage du mélange réac- tionnel gazeux préchauffé, depuis la chambre de mélange 14 vers la chambre de combustion 15.
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Le bloc distributeur 11 comporte, à sa périphérie et à environ la moitié de sa hauteur, une cavité annulaire 17 qui sert de conduite principale pour recevoir l'oxygène pilote et le distribuer à une série de canaux transversaux 18,19 qui traversent le bloc 11 et qui sont perforés (perforations 21) le long de la face du distri- buteur côté chambre de combustion 15. Ces perforations 21 servent à distribuer l'oxygène pilote dans la chambre de combustion, de façon à maintenir stables les flammes de combustion.
Un tel distributeur est stable mécaniquement et thermique- ment car, d'une part, il est pratiquement d'une seule pièce, au lieu d'être composé de plusieurs éléments soudés, et, d'autre part, la température de sa face côté chambre de combustion est inférieure à celle qui pourrait provoquer une surchauffe et une dégradation ou déformation.
Cette stabilité thermique du distributeur est obtenue du fait que les calories transmises par rayonnement direct des flammes à la face côté chambre de combustion, sont évacuées par le mélange gazeux préchauffé traversant le distributeur et se retrouvent sous forme de complément de préchauffage de ce mélange gazeux réparti dans la chambre de combustion. Ce résultat est obtenu grâce à : 1) la répartition des canaux de passage du mélange gazeux dans le bloc métallique distributeur 11.
2) le rapport de perforation (c'est-à-dire le rapport de la surface totale des sections de ses canaux à la surface totale du distri- buteur, suivant un même plan transversal).
3) le diamètre de ces canaux.
Ces facteurs sont choisis en fonction de la température des réactifs gazeux et de la température dans la chambre de combustion, afin que la chaleur transmise à la face chaude du distributeur par rayonnement direct des flammes soit évacuée par les gaz traversant le distributeur. Comme le mélange gazeux est déjà préchauffé et subit ainsi un complément de préchauffage par passage à travers le distri- buteur et comme, de plus, les canaux 13 sont distribués sur toute la surface transversale du distributeur, il n'existe en aucun point du front du distributeur un gradient excessif de température qui condui-
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rait à une déformation ou même à une fusion de l'extrémité du distri- buteur.
De plus, la chaleur de rayonnement est renvoyée dans la zone de réaction sous forme de précnauffage complémentaire des réactifs, de sorte qu'on réduit la consommation d'hydrocarbure et d'oxygène pour la réaction de combustion (réaction exothermique) dont la chaleur dégagée sert à effectuer la réaction de pyrolyse (endothermique) d'une autre partie de l'hydrocarbure.
En préchauffant ainsi les réactifs gazeux à une température supérieure à celle de combustion spontanée du mélange de ces réactifs, on augmente l'efficacité du procédé, c'est-à-dire que moins d'hydro- carbure est consommé par la combustion ce qui, par conséquent, laisse une plus grande quantité d'hydrocarbure pour la réaction de pyrolyse.
Cette réduction de la quantité d'hydrocarbure consommée pour la combus- tion permet d'utiliser une quantité moindre d'oxygène dans le mélange réactionnel, d'où augmentation de la température de combustion spon- tanée (en supposant que les gaz soient mélangés de façon homogène), ce qui permet de préchauffer encore plus fortement les réactifs, d'où amélioration de l'efficacité du procédé.
De façon à réduire encore le taux de combustion nécessaire et afin d'augmenter encore l'efficacité, on mélange l'nydrocarbure avec une quantité d'oxygène inférieure à celle nécessaire pour main- tenir une flamme stable, mais suffisante pour assurer le chauffage de toutes les parties de l'hydrocarbure à la température de pyrolyse dans la chambre de réaction, puis on introduit de l'oxygène pilote sous forme de petits jets distribués de façon homogène, qui stabilisent les flammes dans la chambre de combustion.
Compte tenu de la nature de l'hydrocarbure traité et du degré de préchauffage des réactifs gazeux, on maintient le diamètre des canaux de distribution 13 entre des limites telles que la vitesse linéaire de passage à travers ces canaux soit supérieure à la vitesse de propagation de la flamme, pour éviter les retours de flammes, mais inférieure à celle qui -produirait un soufflage des flammes.
La conduite principale 17 et les conduites 19 de distribu- tion de l'oxygène pilote ont une section transversale telle que l'oxy- gène froid circule dans ces conduites à une vitesse assurant un
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coefficient de transmission thermique suffisamment important. Il en résulte que cet oxygène reçoit une partie de la chaleur rayonnante des flammes à travers l'extrémité du distributeur métallique. Cette chaleur est très efficace pour augmenter l'action stabilisatrice de cet oxygène et pour contrôler la surchauffe du front de distributeur par le rayonnement des flammes.
Deux facteurs importants interviennent lors de la construc- tion de ces blocs distributeurs entièrement métalliques: 1 ) ils doivent être thermiquement stables, sans surchauffe excessive de la face côté chambre de combustion. Ce résultat est obtenu grâce à la transmission de chaleur entre le distributeur et les gaz qui le traversent.
2 ) la vitesse linéaire et le nombre de Reynolds du mélange gazeux, à la sortie de chaque canal 13 du distributeur doivent être réglés, de façon à obtenir et maintenir un front de flammes stable, parfai- tement défini.
Des essais systématiques avec un mélange de méthane et d'oxy- gène ont montré que, lors du préchauffage de ces réactifs à 600 C., le diamètre des canaux 13 du distributeur doit être de préférence de l'ordre de 12 à 13 mm., avec un écartement de 24 mm. entre les exes de ces canaux. Avec un tel diamètre, on obtient un front de flammes parfaitement défini, tandis qu'avec cet écartement, on assure la sta- bilité thermique du distributeur.
Quand la température de préchauffage des réactifs gazeux est supérieure à 600 C., on réduit la vitesse de sortie du mélange hors des canaux 13 du distributeur, par exemple par augmentation du diamè- tre de chaque canal. C'est ainsi qu'à une température d'environ 700 C., le diamètre des canaux est d'environ 14 mm. A des températures de préchauffage encore plus élevées, on doit alors tenir compte de la réactivité du mélanga gazeux qui est suffisamment accrue,de sorte qu'il n'est plus nécessaire de réduire la vitesse de sortie de ce mélange et des diamètres de 12 à 13 mm. conviennent de nouveau.
D'autres essais avec des mélanges gazeux d'oxygène et de gaz riche en méthane et contenant de l'hydrogène (par conséquent, des
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gaz plus reactifs que le méthane) ont montré que le diamètre des passages 13 pouvait être inférieur à 12-13 mm. et être de 10 à 11 mm., suivant la température de préchauffage.
En général, le diamètre des canaux 13 doit être compris entre 10 et 14 mm., afin de maintenir un front de flammes stables et parfai- tement défini dans la chambre de combustion, et il est fonction de la nature et de la conductibilité thermique du gaz combustible, de la température et du débit du mélange de-ce gaz combustible et de l'oxygène.
D'autre part, l'espacement entre les axes des canaux 13 doit être compris entre 1,8 et 2,2 fois le diamètre de ces canaux, de pré- férence environ 2 fois le diamètre, pour maintenir la stabilité ther- mique désirée du distributeur.
De plus, le mélange gazeux doit être aussi distribué de façon homogène dans la chambre de combustion, avec écoulement stable à la sortie des canaux 13, en dépit de la turbulence des réactifs à l'entrée de ces canaux. A cet effet, les canaux 13 doivent avoir une longueur suffisante, d'environ 15 à 20 fois le diamètre de ces canaux et l'extrémité de sortie de ces canaux doit être judicieusement pro- filée, le plus opportunément en quart-rond.
Un mode préféré d'exécution consiste à répartir les canaux 13 de telle sorte que les intersections, avec un plan transversal, des axes de ces canaux se trouvent aux sommets de carrés, c'est-à-dire que les axes soient équidistants et se trouvent répartis sur plusieurs plans parallèles, la distance entre deux plans étant égale à la dis- tance entre deux axes voisins sur un même plan. Un orifice d'introduc- tion d'oxygène pilote dans la chambre de combustion est situé au centre de chacun de ces carrés. Cette répartition des différents canaux conduit à une distribution particulièrement homogène des réac- tifs gazeux dans la chambre de combustion.
Lors de la construction de ce distributeur 11, on part d'un bloc solide dans lequel les canaux 17 et 18 sont percés à la machine et on perfore ce bloc pour former les canaux 13, 19 et 21, ou les passages 13, 17, 18 et 19 peuvent être obtenus directement dans le cas de moulage du bloc 11. Les brides 25 et 27 sont ensuite fixées par
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soudure de façon à fermer les conduites 17 et 18. On peut ensuite fixer, par soudure, la bride externe 29, en laissant un passage 28 pour l'eau, qui passe à travers les rainures 30 pour former un rideau continu d'eau le long de la surface interne de la paroi de la chambre de combustion 15. On soude une partie de conduite 31 sur une cavité radiale 32 pratiquée dans la bride 29 de façon à former, avec l'ouver- ture 33, une conduite d'amenée alimentant le passage 28 pour l'eau d'écran.
Le fond de ce passage 28 est fermé quand la bride 29 est fixée à la bride de support 34 à l'extérieur de la chambre 15.
La bride 25 comporte une ouverture 36 faisant communiquer la conduite 17 avec la conduite 35 d'amenée d'oxygène pilote.
Du fait de la construction en un seul bloc, on peut rappro- cher fortement les canaux 13, plus fortement que dans le cas d'une construction de distributeur soudé, et ce rapprochement des canaux 13 n'est pas fortement limité par la nécessité de prévoir les passages 19 transversaux entre ces/canux. 13.
Pour la distribution de l'oxygène pilote, on peut forer les passages 19a (figures 4 et 5) dans lesquels sont soudés les tubes 40 dans lesquels on fore ensuite les ouvertures 21a.
Les figures 8 à 11 montrent une autre forme d'exécution de la présente invention. Dans ce cas, un des réactifs gazeux, de préfé- rence l'hydrocarbure, est amené par la conduite 41 à la chambre annu- laire 42, et il passe ensuite dans la chambre 44 où il est distribué de façon homogène. La paroi latérale de la chambre est imperméable aux gaz, mais la paroi supérieure est munie de plusieurs ouvertures 45, chacune de ces ouvertures correspondant à un canal 13b'. L'hydrocar- bure, en entrant daus la chambre 44, se divise lui-même en courants parallèles, (par les ouvertures 45), chacun de ces courants passant ensuite dans le tube 13b'. Ces tubes 13b' s'emboitent dans les extré- mités élargies des canaux 13b dans le distributeur llb.
De préférence, les calibres sont les mêmes, de façon à obtenir un passage continu et régulier des gaz à travers les canaux 13b' et 13b.
L'autre réactif est amené par la conduite 37b dans la chambre annulaire 46 qui renferme la chambre 47 pourvue à son sommet d'une paroi munie d'ouvertures 48 pour le passage des tubes 13b' et
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d'ouvertures intermédiaires 49 qui, comme les ouvertures 45, servent à assurer une distribution uniforme du gaz venant de la conduite 37b.
Dans ce cas, cependant, le courant gazeux passant par chaque ouverture 49 se divise près du fond de la chambre 46, pour alimenter les 4 ouver- tures 50 dans les tubes 13b, comme indiqué à la figure 11.
Le distributeur 11 de la figure 8 est le même que celui re- présenté à la figure 1. Ce dispositif de mélange des réactifs gazeux est particulièrement indiqué dans le cas de préchauffage élevé de ces réactifs gazeux, par exemple à une température de 800 à 850 C., sans danger de combustion prématurée dans les canaux 13.
Exemple:
Le distributeur métallique 11 est en un bloc cylindrique en acier réfractaire, à 18 % de nickel, 8 % de chrome et stabilisé au titane. Ce bloc a 200 mm. de diamètre et 230 mm. de hauteur. On a foré 32 canaux 13 dans ce bloc, pour le passage du mélange des réactifs gazeux. Ces canaux ont un diamètre de 14 mm. et sont disposés de sorte que les axes se trouvent aux sommets de carrés ayant 26 mm. de côté.
Au centre de ces carrés, on a foré les canaux 21 pour la distribution de l'oxygène pilote, chacun de ces canaux ayant un diamètre de 5 mm.
On a foré aussi d'autres canaux 21 à la périphérie du distributeur de sorte qu'on a 45 canaux 21 autotal.
Ces canaux, d'une hauteur de 5 mm., relient la chambre de combustion. 15 à 9 conduites 19, de 10 mm. de diamètre, elles-mêmes reliées à la conduite principale 17 par les 9 conduites 18, dont les axes sont inclinés d'environ 15 par rapport à l'axe du brûleur.
On peut adapter ce distributeur soit au dispositif de mélange représenté aux figures 1 et 2, consistant en une chambre de mélange unique, soit au dispositif multitubulaire représenté à la figure 8.
Dans les deux cas, on a introduit 160 Nm3/H. (mesurés à 0 C. et 760 mm. Hg) d'oxygène à 97,5 % de pureté et 325 Nm3/H. de méthane, ces réactifs étant préchauffés à 685 C. Le mélange des réactifs se répartit dans les 32 canaux 13 et est uniformément distribué dans la chambre de combustion 15. Par les 45 canaux 21, on introduit 20 Nm3/H. d'oxygène pilote dans la chambre 15. Dans cette chambre, se produit la
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réaction de combustion partielle avec formation d'acétylène, qu'on stabilise par refroidissement brusque, notamment par injection d'eau froide transversalement au courant gazeux.
Le taux de transformation du méthane en acétylène est de 29%
Pour 1 tonne d'acétylène, on consomme 6050 Nm3 de méthane et 4800 kg. d'oxygène (calculés en réactifs purs).
Des essais comparatifs ont montré qu'avec un distributeur à dispositif de refroidissement, les consommations sont plus élevées et, pour 1 tonne d'acétylène, il faut 6700 Nm3 de métnane et 5600 kg. d'o- xygène, le taux de transformation du méthane en acétylène étant de 26% seulement.
Du méthane et de l'oxygène préchauffés à 750 C. ont été trai- tés avec le distributeur de l'invention, adapté au mélangeur multitubu- laire de la figure 8. On a obtenu un gaz de pyrolyse qui, calculé sec, contenait 9 % d'acétylène.
Ce distributeur a été utilisé pendant une longue période d'essais ; il s'est montré thermiquement stable et aucun retour de flammes ne s'est produit dans le dispositif de mélange.
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BELGIAN NITROGEN AND CHEMICALS SOCIETY OF MARLY
GAS DISTRIBUTOR FOR COMBUSTION OVENS
PARTIAL HYDROCARBON
The present invention relates to a gas distributor for furnaces used for the partial combustion of gaseous or vaporized hydrocarbons in less saturated hydrocarbons, including in particular acetylene, or in gas rich in carbon monoxide and hydrogen.
This combustion is said to be partial due to the fact that only part of the hydrocarbon is subjected to combustion, preferably by oxygen, and the heat thus released serves to thermally transform the rest of the hydrocarbon used. .
The furnaces usually used for this purpose include, as essential parts, a mixing chamber, for the intimate contact of the hydrocarbon to be decomposed and oxygen, and a
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combustion chamber, these two chambers being connected by a gas distributor, with multiple orifices. In the parallel channels passing through this distributor, the speed of the reaction gas mixture is greater than the speed of propagation of the individual flames which originate downstream of each of these channels in order to avoid backfire. These ovens are also fitted with a device for introducing small quantities of oxygen into the reaction mass, with a view to ensuring greater stability to these flames; oxygen is hereinafter referred to as pilot oxygen.
For a long time, ceramic and refractory material distributors have been used. However, as a result of the high radiant heat of the flames, the high speed of passage of the reagents in the channels and their poor mechanical strength due to the many channels which pass through them, these distributors are quickly damaged and quickly become unusable.
It has also been proposed entirely metal distributors or metal only on the side of the outlet of the gas mixture, provided with a refrigeration device. However, in the case of the production of acetylene in particular, it is advantageous, in order to reduce the quantity of hydrocarbons and that of oxygen necessary for combustion, to preheat the reactants, at a temperature which must however remain lower than that of spontaneous ignition of the mixture of these reagents.
As a result, the circulation of a refrigerant fluid around the channels of the distributor, leading to cooling of the reaction gas mixture, significantly reduces the advantages of preheating.
According to the present invention, these drawbacks are overcome by using an all-metal dispenser, having a set of features such that a refrigeration device is no longer required.
The attached diagrams show a preferred embodiment of the present invention, as well as certain modifications which are described below and they are given by way of illustration, without any limiting nature.
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In these diagrams: rigure 1 is a sectional view, taken on line 1-1 of figure 3, showing a mixing and distribution device, with part of the supply lines for the reagents and the combustion furnace partial of gaseous hydrocarbons; Figure 2 is a section taken on line 2-2 of Figure 3; Figure 3 is a partial cross-sectional view taken on line 3-3 of Figure 1; FIG. 4 is a partial view in vertical section, similar to FIG. 2, showing another feature of the invention; Figure 5 is a cross section taken on line 5-5 of Figure 4; Figure 6 is a fragmentary elevational view of the grooved face on the periphery of the dispenser, indicated by line 6-6 in Figure 4; Figure 7 is a fragmentary cross section taken along the line
7-7 of Figure 6;
Figure 8 is a fragmentary view in vertical section, similar to Figures 1 and 2, but showing another embodiment (section taken along line 8-8 of Figure 9); Figure 9 is a partial cross section taken along the line
9-9 of Figure 8; FIG. 10 shows, in axial vertical section, a detail of the end of one of the supply channels and of the socket in the distributor block to which it fits; Figure 11 is a cross section of Figure 10 taken along line 11-11.
According to Figures 1 to 3, the distributor 11 consists of a cylindrical block, preferably of refractory steel, however having as high a thermal conductivity as possible. The distributor is traversed longitudinally by the channels 13, each of these channels having a practically constant cross section over its entire length, these nanals being used for the passage of the preheated gaseous reaction mixture, from the mixing chamber 14 to the mixing chamber. combustion chamber 15.
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The distributor block 11 comprises, at its periphery and at about half of its height, an annular cavity 17 which serves as a main pipe to receive the pilot oxygen and distribute it to a series of transverse channels 18,19 which pass through the block 11. and which are perforated (perforations 21) along the face of the distributor on the combustion chamber side 15. These perforations 21 serve to distribute the pilot oxygen in the combustion chamber, so as to keep the combustion flames stable.
Such a distributor is mechanically and thermally stable because, on the one hand, it is practically in one piece, instead of being composed of several welded elements, and, on the other hand, the temperature of its side. combustion chamber is smaller than that which could cause overheating and degradation or deformation.
This thermal stability of the distributor is obtained from the fact that the calories transmitted by direct radiation from the flames to the face on the combustion chamber side, are evacuated by the preheated gas mixture passing through the distributor and are found in the form of additional preheating of this distributed gas mixture. in the combustion chamber. This result is obtained thanks to: 1) the distribution of the passage channels of the gas mixture in the metal distributor block 11.
2) the perforation ratio (that is to say the ratio of the total area of the sections of its channels to the total area of the distributor, along the same transverse plane).
3) the diameter of these channels.
These factors are chosen as a function of the temperature of the gaseous reagents and of the temperature in the combustion chamber, so that the heat transmitted to the hot face of the distributor by direct radiation of the flames is evacuated by the gases passing through the distributor. As the gas mixture is already preheated and thus undergoes additional preheating by passing through the distributor and as, moreover, the channels 13 are distributed over the entire transverse surface of the distributor, there is no point on the front. from the distributor an excessive temperature gradient which leads to
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would result in deformation or even melting of the end of the distributor.
In addition, the heat of radiation is returned to the reaction zone in the form of additional precnauffage of the reactants, so that the consumption of hydrocarbon and oxygen for the combustion reaction (exothermic reaction) is reduced. serves to carry out the pyrolysis reaction (endothermic) of another part of the hydrocarbon.
By thus preheating the gaseous reactants to a temperature higher than that of spontaneous combustion of the mixture of these reactants, the efficiency of the process is increased, that is to say that less hydrocarbon is consumed by the combustion, which , therefore, leaves more hydrocarbon for the pyrolysis reaction.
This reduction in the amount of hydrocarbon consumed for combustion allows a lesser amount of oxygen to be used in the reaction mixture, hence increasing the temperature of spontaneous combustion (assuming that the gases are mixed together. homogeneously), which makes it possible to preheat the reagents even more strongly, thereby improving the efficiency of the process.
In order to further reduce the required combustion rate and in order to further increase the efficiency, the hydrocarbon is mixed with a quantity of oxygen less than that necessary to maintain a stable flame, but sufficient to provide heating. all parts of the hydrocarbon at the pyrolysis temperature in the reaction chamber, then pilot oxygen is introduced in the form of small, homogeneously distributed jets, which stabilize the flames in the combustion chamber.
Taking into account the nature of the treated hydrocarbon and the degree of preheating of the gaseous reactants, the diameter of the distribution channels 13 is kept between limits such that the linear speed of passage through these channels is greater than the speed of propagation of the flame, to avoid flashbacks, but less than that which would produce blowing out flames.
The main line 17 and the lines 19 for distributing the pilot oxygen have a cross section such that the cold oxygen flows through these lines at a speed ensuring a constant flow.
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sufficiently high thermal transmission coefficient. As a result, this oxygen receives part of the radiant heat of the flames through the end of the metal distributor. This heat is very effective in increasing the stabilizing action of this oxygen and in controlling the overheating of the distributor front by the radiation of the flames.
Two important factors are involved in the construction of these all-metal distributor blocks: 1) they must be thermally stable, without excessive overheating of the combustion chamber side face. This result is obtained thanks to the transmission of heat between the distributor and the gases which pass through it.
2) the linear speed and the Reynolds number of the gas mixture, at the outlet of each channel 13 of the distributor, must be adjusted so as to obtain and maintain a stable, perfectly defined flame front.
Systematic tests with a mixture of methane and oxygen have shown that, when preheating these reagents to 600 ° C., the diameter of the channels 13 of the distributor should preferably be of the order of 12 to 13 mm. , with a spacing of 24 mm. between the exes of these channels. With such a diameter, a perfectly defined flame front is obtained, while with this spacing, the thermal stability of the distributor is ensured.
When the preheating temperature of the gaseous reactants is greater than 600 ° C., the speed of exit of the mixture from the channels 13 of the distributor is reduced, for example by increasing the diameter of each channel. So, at a temperature of about 700 C., the diameter of the channels is about 14 mm. At even higher preheating temperatures, account must then be taken of the reactivity of the gas mixture which is sufficiently increased, so that it is no longer necessary to reduce the outlet speed of this mixture and diameters from 12 to 13 mm. agree again.
Further tests with gas mixtures of oxygen and gas rich in methane and containing hydrogen (therefore,
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gases more reactive than methane) have shown that the diameter of the passages 13 could be less than 12-13 mm. and be 10 to 11 mm., depending on the preheating temperature.
In general, the diameter of the channels 13 should be between 10 and 14 mm., In order to maintain a stable and perfectly defined flame front in the combustion chamber, and it depends on the nature and thermal conductivity of the combustion chamber. combustible gas, the temperature and flow rate of the mixture of this combustible gas and oxygen.
On the other hand, the spacing between the axes of the channels 13 should be between 1.8 and 2.2 times the diameter of these channels, preferably about 2 times the diameter, to maintain the desired thermal stability. from the distributor.
In addition, the gas mixture must also be distributed homogeneously in the combustion chamber, with stable flow at the outlet of the channels 13, despite the turbulence of the reactants at the inlet of these channels. For this purpose, the channels 13 must be of sufficient length, about 15 to 20 times the diameter of these channels, and the outlet end of these channels must be judiciously profiled, most conveniently quarter-round.
A preferred embodiment consists in distributing the channels 13 so that the intersections, with a transverse plane, of the axes of these channels are at the vertices of squares, that is to say that the axes are equidistant and are are distributed over several parallel planes, the distance between two planes being equal to the distance between two neighboring axes on the same plane. A pilot oxygen introduction port in the combustion chamber is located in the center of each of these squares. This distribution of the different channels results in a particularly homogeneous distribution of the gaseous reactants in the combustion chamber.
During the construction of this distributor 11, one starts with a solid block in which the channels 17 and 18 are machine-drilled and this block is perforated to form the channels 13, 19 and 21, or the passages 13, 17, 18 and 19 can be obtained directly in the case of molding of the block 11. The flanges 25 and 27 are then fixed by
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welding so as to close the conduits 17 and 18. The outer flange 29 can then be fixed by welding, leaving a passage 28 for water, which passes through the grooves 30 to form a continuous curtain of water. along the internal surface of the wall of the combustion chamber 15. A part of the pipe 31 is welded to a radial cavity 32 made in the flange 29 so as to form, with the opening 33, a supply pipe feeding the passage 28 for the screen water.
The bottom of this passage 28 is closed when the flange 29 is fixed to the support flange 34 outside the chamber 15.
The flange 25 has an opening 36 communicating the pipe 17 with the pipe 35 for supplying pilot oxygen.
Due to the one-piece construction, the channels 13 can be brought closer together, more strongly than in the case of a welded distributor construction, and this approximation of the channels 13 is not greatly limited by the need to. provide transverse passages 19 between these / channels. 13.
For the distribution of the pilot oxygen, it is possible to drill the passages 19a (FIGS. 4 and 5) in which the tubes 40 are welded into which the openings 21a are then drilled.
Figures 8 to 11 show another embodiment of the present invention. In this case, one of the gaseous reactants, preferably the hydrocarbon, is brought through line 41 to annular chamber 42, and then passes into chamber 44 where it is homogeneously distributed. The side wall of the chamber is impermeable to gases, but the upper wall is provided with several openings 45, each of these openings corresponding to a channel 13b '. The hydrocarbon, entering chamber 44, itself divides into parallel streams (through openings 45), each of these streams then passing through tube 13b '. These tubes 13b 'fit into the widened ends of the channels 13b in the distributor 11b.
Preferably, the gauges are the same, so as to obtain a continuous and regular passage of the gases through the channels 13b 'and 13b.
The other reagent is brought by line 37b into the annular chamber 46 which contains the chamber 47 provided at its top with a wall provided with openings 48 for the passage of the tubes 13b 'and
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intermediate openings 49 which, like the openings 45, serve to ensure a uniform distribution of the gas coming from the pipe 37b.
In this case, however, the gas stream passing through each opening 49 splits near the bottom of chamber 46, to feed the 4 openings 50 in tubes 13b, as shown in Figure 11.
The distributor 11 of FIG. 8 is the same as that shown in FIG. 1. This device for mixing the gaseous reactants is particularly indicated in the case of high preheating of these gaseous reactants, for example at a temperature of 800 to 850. C., without danger of premature combustion in the ducts 13.
Example:
The metal distributor 11 is in a cylindrical block of refractory steel, 18% nickel, 8% chromium and stabilized with titanium. This block has 200 mm. in diameter and 230 mm. height. 32 channels 13 were drilled in this block, for the passage of the mixture of gaseous reactants. These channels have a diameter of 14 mm. and are arranged so that the axes are at the vertices of squares having 26 mm. next to.
In the center of these squares, channels 21 have been drilled for the distribution of pilot oxygen, each of these channels having a diameter of 5 mm.
We have also drilled other channels 21 at the periphery of the distributor so that we have 45 channels 21 autotal.
These channels, with a height of 5 mm., Connect the combustion chamber. 15 to 9 pipes 19, 10 mm. in diameter, themselves connected to the main pipe 17 by the 9 pipes 18, the axes of which are inclined by approximately 15 relative to the axis of the burner.
This dispenser can be adapted either to the mixing device shown in Figures 1 and 2, consisting of a single mixing chamber, or to the multitubular device shown in Figure 8.
In both cases, 160 Nm3 / H was introduced. (measured at 0 C. and 760 mm. Hg) oxygen at 97.5% purity and 325 Nm3 / H. of methane, these reactants being preheated to 685 C. The mixture of reactants is distributed in the 32 channels 13 and is uniformly distributed in the combustion chamber 15. Through the 45 channels 21, 20 Nm3 / H are introduced. pilot oxygen in chamber 15. In this chamber, the
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partial combustion reaction with formation of acetylene, which is stabilized by sudden cooling, in particular by injecting cold water transversely to the gas stream.
The rate of transformation of methane into acetylene is 29%
For 1 ton of acetylene, 6050 Nm3 of methane and 4800 kg are consumed. oxygen (calculated as pure reagents).
Comparative tests have shown that with a distributor with a cooling device, consumption is higher and, for 1 tonne of acetylene, 6700 Nm3 of metnan and 5600 kg are required. oxygen, the rate of conversion of methane into acetylene being only 26%.
Methane and oxygen preheated to 750 ° C. were treated with the distributor of the invention, adapted to the multitubular mixer of FIG. 8. A pyrolysis gas was obtained which, calculated dry, contained 9. % acetylene.
This dispenser has been used for a long period of testing; it was shown to be thermally stable and no backfire occurred in the mixing device.