"Procédé de production de cas bromhydrique par
réaction à la flamme" <EMI ID=1.1>
que par réaction à la flambe d'hydrogène et de brome.
L'instabilité de la flamme rend difficile le contrôle de la production de gaz bromhydrique par réaction à la flamme d'hydrogène et de brome. Le problème posé par l'instabilité de la flamme est particulièrement important dans les installa-
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té (rapport molaire environ égal à 1) de l'hydrogène et du brome pour réduire la quantité de corps réactionnels n'ayant pas réagi et présents dans le gaz bromhydrique produit. Lorsqu'on utilise plus de 45 moles pour cent de brome, les flammes produites se présentent sous la forme de cônes. Leur allumage est difficile, elles vacillent fortement et elles se soulèvent aisément du brûleur, ce dernier défaut étant généralement indésirable avec les brûleurs de l'art antérieur. De telles flammes forment généralement des cônes allongés dont la partie centrale ou les bords présentent fréquemment des trous par lesquels les corps réactionnels s'échappent sans brûler.
Le problème de stabilité décrit ci-dessus lors de
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le chlore pour produire du gaz chlorhydrique. En effet, la réaction à la flamme entre le chlore et l'hydrogène est généralement stable, même lors de la mise en oeuvre de brûleurs tubulaires simples ec coaxiaux. De tels brûleurs ne conviennent pas pour faire réagir de l'hydrogène et du brome. Même lorsque les conditions peuvent être réglées pour obtenir une flamme relativement stable, il est apparu que la durée de vie des brûleurs est très courte.
Le procédé selon l'invention permet d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur. Il consiste à établir
un courant hélicoïdal de brome dans une enceinte cylindrique, à injecter l'hydrogène radialement vers l'extérieur dans le courant hélicoïdal de brome, et à alimenter en continu, avec le courant hélicoïdal de brome et d'hydrogène, une.flamme maintenue à proximité de la sortie de l'enceinte. L'hydrogène est avantageusement introduit dans le brome, à l'intérieur de l'enceinte cylindrique, en aval du point de formation du courant hélicoïdal de brome.
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courant hélicoïdal d'au moins un des corps réactionnels,
ainsi que la formation d'un mélange combustible intime du brome et de l'hydrogène. Une propriété importante de cet écoulement hélicoïdal du mélange des corps réactionnels est que, à sa sortie par l'extrémité de décharge du brûleur, les forces centrifuges dues au mouvement tourbillonnaire provoquent un déplacement du brome lourd vers l'extérieur, ce qui entraîne la production d'une flamme hémisphérique souhaitée, même dans le cas où le rapport molaire du brome et de l'hydrogène est
à peu près égal à 1. Il en résulte une réaction rapide et complète dans une flamme stable, pour une grande plage de débits d'injection s'étendant jusqu'à 10:1 ou plus. Une caractéristique du brûleur mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention et dans lequel un courant hélicoïdal est formé, est qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un embout
de grande longueur pour préchauffer les corps réactïonnels ,
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afin d'empêche-. tout retour de la flamme dans ce dernier.
L'écoulement global en hélice et en spirale d'un premier corps réactionnel, associé à l'injection radiale vers l'extérieur de l'autre corps réactionnel dans le premier,
à l'intérieur du brûleur, élimine ou réduit sensiblement tout écoulement axial des deux corps réactionnels après leur sortie du brûleur. Par conséquent, la formation de longues flammes coniques dans lesquelles le gaz s'écoule à grande vitesse est évitée, et la flamme obtenue, de forme"hémisphérique" ou "en champignon" dans laquelle les gaz sont bien répartis et s'écoulent à faible vitesse, présente une excellente stabilité pour une grande plage de débits des corps réactionnels. Il est souhaitable que les courants hélicoïdaux, radiaux et en spirale mentionnés ci-dessus soient forts pour produire un mélange convenable et pour former, en particulier, une composante importante de courant en spirale dans la masse des corps réactionnels à leur sortie par l'extrémité de dé- charge ou orifice du brûleur.
De préférence, le premier gaz réactionnel est le brome et le second l'hydrogène. Le second gaz est avantageusement introduit dans le premier en aval du dispositif produisant le courant hélicoïdal dudit premier gaz. Ce dispositif se présente avantageusement sous la forme d'un élément hélicoïdal fixé à l'intérieur de l'enceinte cylindrique. Une forme avantageuse de cet élément fait suivre au corps réactionnel un circuit fermé à la moitié extérieure du rayon interne de l'enceinte cylindrique, de manière que ce corps réactionnel ne puisse s'écouler dans une direction plus ou moins droite suivant l'axe longitudinal de l'enceinte. Le se-
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premier, il ne peut s'écouler en ligne droite suivant l'axe longitudinal de l'enceinte après avoir été amené en contact avec ledit premier gaz réactionnel. Le bord extérieur de l'élément hélicoïdal est de préférence en contact avec l'enceinte cylindrique ou fixé à cette dernière. Il est avantageux que la chute de pression se produisant dans le brûleur pour les deux corps réactionnels soit au moins égale à la pression ambiante ou statique du milieu danslequel le brûleur est placé, de manière à établir et maintenir les courants hélicoïdaux, radiaux et en spirale forts et souhaités des gaz réactionnels.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels :
la figure 1 est une élévation d'un brûleur de réaction à la flamme mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe axiale du. brûleur selon l'invention, suivant la ligne 2-2 delà figure 1 ; la figure 3 est une.vue en bout du brûleur de la figure.1 par l'extrémité d'arrivée des corps réactionnels ; la figure 4 est une vue en bout du brûleur de la figure 1 par <1> ' extrémité de décharge ;
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partiel, du tube d'arrivée des corps réactionnels au brûleur selon l'invention ;
les.figures 6 et 7 sont des coupes transversales
<EMI ID=10.1> la figure 8 est une élévation de l'élément hélicoïdal du brûleur selon l'invention ; et la figure 9 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, du brûleur de la figure 1, placé dans une enceinte destinée à maintenir la pureté du produit.
Les figures 1 et 2 représentent le brûleur 10 de réaction à la flamme selon l'invention, qui comprend une enceinte cylindrique constituée par un tube 11 et un raccord 12
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d'assemblage et de vérification.
Le raccord 12 est soudé à un adaptateur 13 qui est taraudé de manière à recevoir l'extrémité d'un tube 14 d'alimentation. Le tube 11 et le raccord 12 ont avantageusement
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d'alimentation ont un diamètre nominal de 2,5 cm. Un second tube 15 d'alimentation pénètre au centre du brûleur 10. L'espace annulaire délimité initialement entre les tubes 14 et
15 aboutit ou s' ouvre dans un espace annulaire délimité
entre le raccord 12 et le tube 11. Le tube 15 d'alimentation pénètre dans un tronçon du tube 11 et aboutit à proximité de l'orifice ou extrémité 16 de décharge de ce dernier. La partie du tube 15, voisine de cette extrémité 16, présente plusieurs fentes 17 coupées dans sa paroi.
Un élément hélicoïdal 18, disposé dans l'enceinte cylindrique, est avantageusement emmanché à force sur le tube
15 et dans le tube 11, et placé dans une position intermédiaire à l'intérieur du tube 11, à proximité des fentes 17. Cet élément hélicoïdal délimite un passage en hélice dans l'in-
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sage aboutit à l'extrémité 16 de décharge. L'un des corps réactionnels est introduit dans ce passage annulaire de l'élément hélicoïdal 18, de manière qu'il forme un courant héli-
<EMI ID=14.1> <EMI ID=15.1> réactionnel. Les fentes 17 permettent donc l'injection ou la décharge radiale de l'un des corps dans le cou- <EMI ID=16.1> Les corps réactionnels mélangés continuent -de s'écouler dans le tube 11 en suivant une hélice et, sous la for centrifuge qui résulte de cette forme d'écoulement, ils sont
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lice et de spirale à leur sortie par l'extrémité 16 de décha:
ge du tube 11, de manière à produire une flamme plus ou moins hémisphérique ou en forme de champignon. Cette flamme est
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de débits d'écoulement des corps réactionnels.
En raison de sa densité, le brome gazeux constitue le premier corps réactionnel introduit dans l'espace annulaire formé entre les tubes 14 et 15 et l'élément hélicoïdal 18 lui fait suivre un trajet en hélice dans le tube 11. L'hydrogène constitue avantageusement le second corps réactionnel
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tube 11, dans le courant hélicoïdal formé par ce premier gaz. L'hydrogène est injecté de préférence dans le brome en aval de l'élément hélicoïdal, comme représenté sur les figures.
Ce point d'injection permet avantageusement de réduire la stratification ou "formation de couches" des gaz réactionnelsdans le tube 11. En variante, une partie ou la totalité de l'hydrogène peut être introduite dans le courant de brome avant l'élément hélicoïdal.
Bien qu'il soit avantageux de disposer un élément en hélice dans l'enceinte cylindrique formée par le tube 11, en contact avec la paroi de ce dernier et celle du tube 15, pour provoquer l'écoulement en hélice du premier gaz réactionnel, d'autres formes de réalisation équivalentes sont pos sibles. Par exemple., il est possible de mettre en oeuvre un élément 18 en hélice dont le diamètre extérieur est plus peti que le diamètre intérieur du tube 11, et il n'entre donc pas
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remplacé par un tube d'alimentation de l'un des corps réac-
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<EMI ID=22.1> tion crée un tourbillon ou un écoulement hélicoïdal de l'un des gaz réactionnels dans l'enceinte cylindrique. En variante, le tube 15 peut aboutir à l'extrémité amont 19 de l'élément
18 en hélice, et la partie intérieure 19a ou manchon de cet élément 18 peut servir à faire passer le corps réactionnel de l'intérieur du tube 15 dans un prolongement aval de l'hélice
18 par les fentes radiales de décharge. Il est donc évident
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manière à faciliter la fabrication, ltassemblage,l'utilisation, le contrôle et l'entretien du brûleur. Les dimensions de ce dernier, bien qu'elles soient importantes, ne sont pas particulièrement critiques. Par exemple, le diamètre nominal de l'enceinte, mentionné précédemment comme étant égal à 5 cm, peut être augmenté ou diminué, de même que les autres dimensions qui sont modifiées en proportion. Par conséquent, le tube
11 peut avoir comme dimension de base plusieurs dimensions nominales de tubes, à savoir 2,5 cm, 3,8 cm, 6,3 cm, 7,5 cm,
10 cm, 15 cm, etc., ou bien d'autres dimensions variant généralement entre 12,5 mm et 30 cm environ, en ce qui concerne le diamètre interne du tube 11. Ces dimensions sont généralement choisies pour obtenir des vitesses de combustion plus ou moins grandes, de manière que de simples essais de routine effectués avec chaque dimension de tube permettent de déduire la plage optimale de débits d'écoulement.
La figure 3 est une vue en bout de l'extrémité d'alimentation du brûleur 10 de réaction à la flamme. Cette figure montre une disposition avantageuse des tubes 14 et 15, ainsi que l'espace annulaire formé entre eux et la face inférieure d'un obturateur 20 soudé, vissé ou autrement fixé sur l'extrémité du tube 15. La figure 4 est une vue en bout de l'extrémité de décharge du brûleur 10, montrant le tube 11, le raccord 12, l'élément 18 en hélice et l'obturateur 20 du tube 15 d'alimen- <EMI ID=24.1> nal du tube 15 et espacés le long de ;:; ce dernier. Les figures
montrent que les fentes forment deux rangées. Dans ce cas,
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sion à peu près uniforme du second corps réactionnel dans le premier corps s'écoulant en hélice. Il est possible d'utiliser différents nombres de fentes et différents nombres de rangées et l'angle formé par les fentes à la circonférence du tube 15 peut varier en fonction des critères de fabrication ou pour réaliser une distribution et une entrée en contact optimales des corps réactionnels. En général, l'angle de l'hélice suivi par l'un des gaz réactionnels n'est pas critique. Ce courant en hélice peut tourner dans le sens des aiguilles d'une montr comme représenté, ou dans le sens inverse.
Les figures 6 et 7 sont des coupes montrant une disposition et un angle avantageux des fentes 17 du tube 15 représenté sur la figure 5.
La figure 8 est une élévation de l'élément 18 en hélice. L'un des gaz réactionnels suit le trajet hélicoïdal délimité entre l'élément 18 et le tube extérieur 11, comme représenté sur la figure 2, le manière qu'il forme un courant <EMI ID=26.1>
par le tut.-; 11.
La figure 9 représente en coupe partielle le brû-
- leur 10 de réaction à la flamme, monté dans un? enceinte 21 dans laquelle le produit est récupéré, à l'exclusion, sous contrôle, d'oxygène, de vapeur d'eau et d'autres substances contaminantes. En général, dans le cas d'un brûleur 10 de <EMI ID=27.1>
et ses extrémités sont fermées par des couvercles 22 et 23. Le produit de réaction sort généralement par un orifice 24 du couvercle 23. L'enceinte 21 est de préférence isolée ou en-
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les figures pour plus de clarté et qui est destinée à réalise le réglage souhaité de température et de pression à l'intérieur de l'enceinte. En général, il est avantageux d'utiliser un brûleur 10 par enceinte 21. Cependant, pour accroître la capacité de production, plusieurs brûleurs peuvent être placé côte à côte dans une même enceinte 21, tous ces brûleurs étar montés sur le couvercle 22. Dans ce cas, les brûleurs sont espacés suffisamment les uns des autres pour que leur\. flammes n'interfèrent pas excessivement les unes avec les autres.
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facilité par la présence d'un serpentin 25 de refroidissement dans lequel circule un fluide d'échange de chaleur, par exemple de la vapeur d'eau ou un liquide chaud constitué de diphényle et de son oxyde et connu sous le nom de "Dowtherm" passant dans des conduits 26 et 27 et destiné à réaliser l'échauffement initial ou à ramener la température du brûleur
10 à la valeur de fonctionnement. Lorsque le brûleur 10 fonctionne, le serpentin de refroidissement est alimenté en fluide d'échange de chaleur tel que de l'eau ou du "Dowtherm" froid de manière que la chaleur en excès de ce brûleur 10 soit éliminée, que la durée de vie de ce dernier soit prolongeet que son fonctionnement soit stable.
La figure 9 représente les tubes 14 et 15, et ui <EMI ID=30.1>
compris entre ces tubes 14 et 15 du brome gazeux arrivant à l'extrémité 29 de ce tube 28. De l'hydrogène arrive à l'extra
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mination avec la vapeur d'eau, le chalumeau utilisé pour la mise à feu des corps réactionnels émis par le brûleur 10 brûle avantageusement l'hydrogène avec du chlore ou du brome, de préférence avec du chlore. Après mise à feu, cet orifice est fermé.
Une des caractéristiques principales du réacteur à flamme selon l'invention est qu'il fonctionne convenablement pendant une durée relativement longue sans nécessiter l'utilisation de matières particulièrement coûteuses ou très difficiles à usiner.
L'un des avantages importants du réacteur selon l'invention est qu'il est réalisé dans des matières aisément disponibles dans une variété de dimensions et de formes, et pouvant être usinées sans difficulté excessive. Il est généralement avantageux d'utiliser le nickel, le "Monel" ou l'aci inoxydable pour la construction du brûleur 10 représenté sur la figure 1, d'utiliser de l'acier inoxydable, par exemple du type "316" pour le tube constituant le serpentin 25 qui entoure le brûleur, et d'utiliser de l'acier ordinaire doux ou au carbone pour l'enceinte 21. Les conduits d'alimentati en brome qui ne sont pas exposés à une chaleur excessive soavantageusement réalisés en verre, en matière plastique, ou en tube de métal revêtu de matière plastique.
A cet effet, le "Kynar", qui est un fluorure de polyvinylidène bien conn' se présentant sous la forme de tube ou d'un revêtement appl <EMI ID=33.1>
dant, il est possible de provoquer des variations importantes par l'intermédiaire du refroidissement produit par le serpentin 25, par l'intermédiaire d'une circulation de gaz, etc.
Pour maintenir l'alimentation en brome gazeux, la température de ce gaz doit être comprise entre environ 3
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ralement souhaitable afin d'éviter que les températures voisines des fentes 17 soient suffisamment basses pour pro-
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Les pressions régnant dans l'enceint.: 21 ne sont pas critiques et peuvent varier entre environ 0,1 et
25 bars. La pression est comprise de préférence entre 0,5 et 1 bar, de manière à réduire les coûts de fabrication ainsi que les effets des fuites dans l'enceinte 21, vers l'extérieur ou l'intérieur de cette dernière. Les pressions de l'hydrogène et du brome du circuit d'alimentation ne sont pas critiques pourvu que ces corps réactionnels restent à l'état gazeux. Il est normalement avantageux que la pressior des gaz réactionnels arrivant à proximité du raccord 12 soit au moins égale au double de la pression statique régnant dar l'enceinte 21. Une telle différence de pression, qui est gér <EMI ID=37.1>
ment en hélice et dans les fentes 17, et surtout pour provoquer un mouvement puissant en spirale du courant des gaz réactionnels mélangés sortant par l'extrémité 17 de décharge du brûleur. Par ailleurs, les pressions et les profils les
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vitesse excessive risquant d'entraîner une projection de flammes.
L'exemple suivant se rapporte à une forme avantageuse de réalisation selon l'invention.
EXEMPLE
Un brûleur pour réaction à la flamme, réalisé selon l'invention, comprend un raccord 12 constitué d'un tube de 5 cm de diamètre, et un tube 11 en "Monel" d'environ 52 mm
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La longueur sur laquelle le tube 11 fait saillie du raccord
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à 13,8 mm. Le diamètre extérieur de cette partie centrale de l'élément 18 est de 27 mm. Le diamètre extérieur de l'élément
18 est d'environ 52,5 mm. La partie en hélice de cet élément
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Par conséquent, les spires sont espacées les unes des autres de 19 mm et la section droite de l'intervalle entre ces spires est d'environ 12,5 x 19 mm. L'élément en hélice est emmanché dans l'extrémité de décharge du tube 11 pour prendre une position dans laquelle l'extrémité 19 de cet élément 18 est éloignée de 5 cm de l'extrémité 16 de décharge du tube 11.
Le tube 15, d'une longueur de 61 cm, est réalisé à
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circonférentielles 17 sont coupées à environ 12,5 mm en amont de l'obturateur extrême 20. La largeur de ces fentes est de 2,4 mm, et l'espacement des rangées formées par lesdites fentes est également de 2,4 mm. Chaque fente s'étend sur un angle d'environ 90 à 92[deg.]. L'obturateur extrême 20 est situé à environ 19 mm de l'extrémité de l'élément 18 en hélice.
Le brûleur est allumé selon le mode suivant, qui est avantageux pour réduire les risques d'explosion et d'introduction de substances contaminantes.
Le dispositif de la figure 9 est rincé à l'azote pendant quelques minutes par l'un des tubes 14 et 15, ou les deux. Un chalumeau à hydrogène et chlore est ensuite allumé
et introduit par l'orifice 31. La pression manométrique du brome gazeux arrivant à l'orifice 29 est ensuite portée à environ 0,85 bar, et le débit de brome dans le brûleur 10 commence à une valeur égale à environ 15 pour cent de la valeur nominale. (Le brûleur de 5 cm de diamètre, décrit en détail dans ce mémoire, est conçu pour un débit nominal de brome de 90 kg/heure.) Le débit d'hydrogène commence à 15 pour cent de sa valeur nominale. La mise à feu du brûleur est en général immédiate.
Il est avantageux de permettre au brûleur de fonctionner pendant plusieurs minutes à 15 pour cent de son débit nominal, de manière à permettre l'échauffement du dispositif. Les débits de brome et d'hydrogène sont ensuite élevés lentement et simultanément, de manière à maintenir une flamme jaune clair. (Une flamme orangé foncé indique un excès de brcme, alors qu'une flamme lavande indique un excès d'hydrogène.) Le brûleur fonctionne de manière stable pour tous
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du débit nominal.
Lorsque les débits nominaux sont atteints, la vitesse d'écoulement de la composante axiale du brome gazeux dans le tube 11 est de 4,2 mètres/seconde et la vitesse de la composante tangentielle est de 14 mètres/seconde environ. La vitesse de l'écoulement u'hydrogène dans les fentes 17 est de
60 mètres/seconde au débit nominal.
Les conditions suivantes apparaissent pour les débits d'écoulement nominaux. Le débit d'hydrogène est de
14,5 mètres cubes par heure, alors que celui du brome est de
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du produit à l'orifice 24 de-305'0. La pression manométrique régnant dans l'enceinte 21 est de 0,32 bar. La pression mano-métrique d'alimentation du brome gazeux est de 0,84 bar. Un distributeur de commande est monté entre la source de brome et le conduit 28. L'hydrogène provient de bouteilles sous une pression manométrique d'environ 120 bars, ramenée à environ 7 bars. L'hydrogène passe dans un orifice de calibrage et dans un distributeur de commande avant d'arriver au tube 15.
Le taux moyen de transformation du brome en gaz bromhydrique est d'environ 99,97 moles pour cent. Dans la plupart des cas, ce taux de transformation est compris entre
99,96 et 99,99 pour cent, ce qui constitue un rendement pra-
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nues avec seulement un faible excès d'hydrogène, généralement de 2,6 moles pour cent.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention.