CH339196A - Procédé de pyrolyse d'un hydrocarbure saturé, et appareil pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Description

  
 



  Procédé de pyrolyse d'un hydrocarbure saturé,
 et appareil pour sa mise en oeuvre
 La présente invention se rapporte à un procédé de pyrolyse d'un hydrocarbure saturé en un hydrocarbure non saturé, en vue, notamment, de la production d'acétylène, et à un appareil pour la mise en oeuvre dudit procédé.



     I1    a été indiqué dans le brevet français   NO    1028848, déposé le 3 octobre 1950, que le procédé de production de l'acétylène ou d'autres hydrocarbures non saturés parmi lesquels on peut mentionner l'éthylène, par combustion partielle d'un combustible hydrocarburé en présence d'air ou d'oxygène dans des conditions propres à produire la pyrolyse et (ou) le cracking de l'hydrocarbure en excès et refroidissement des produits de réaction gazeux résultants, est considérablement amélioré si le refroidissement en question est exécuté en détendant les produits de réaction gazeux par voie adiabatique dans une turbine à gaz dans laquelle ces produits effectuent un travail mécanique.



   Selon le procédé du brevet mentionné, le combustible hydrocarburé et l'oxydant sont préchauffés séparément, puis mis en réaction l'une sur l'autre dans une chambre de combustion en prévoyant un excès considérable de l'hydrocarbure par rapport à la quantité qui est nécessaire pour assurer une combustion complète dans l'air ou l'oxygène. La chaleur de la combustion cause alors une pyrolyse du combustible hydrocarburé en excès. Les gaz doivent avoir la possibilité de séjourner à cette température élevée pendant un laps de temps court mais défini avec précision et qu'on peut appeler le   temps de séjour  avant d'être refroidis aussi rapidement que cela est praticable jusqu'à une température ne dépassant pas 2000 C. La totalité ou une partie de ce refroidissement peut être effectuée dans une turbine à gaz.



     I1    s'ensuit que les exigences imposées par la chambre de combustion employée pour effectuer la combustion sont les suivantes:
 10 Cette chambre doit être capable d'assurer une combustion stable des mélanges très riches dont on a besoin.



   20 La combustion doit se dérouler dans un laps de temps très court.



   30 Le brûleur doit fonctionner de façon stable avec l'oxygène et le combustible hydrocarburé arrivant à l'état préchauffé.
   o    La perte de chaleur pendant le temps de séjour du gaz doit être faible.



     5o    Le débit de traversée du gaz   -doit    être suffisamment élevé pour répondre aux exigences de la turbine.



   60 La combustion doit être stable quand la chambre de combustion fonctionne sous pression et compte tenu des fluctuations de pression.



   Pour remplir la condition 2), indiquée ci-avant, on a tenté d'employer un brûleur dans lequel les produits mis en réaction sont mélangés avant de pénétrer dans la chambre de combustion. Mais cet artifice impose une limitation du degré de préchauffage réalisable et diminue par conséquent la stabili  té, surtout quand il se produit des fluctuations de pression.



   Le procédé selon l'invention, pour la pyrolyse d'un hydrocarbure pratiquement saturé afin de le transformer en hydrocarbure non saturé, par combustion partielle d'un gaz consistant au moins en partie en l'hydrocarbure saturé en présence d'un gaz consistant au moins en partie en oxygène, est caractérisé en ce que   l'on    introduit   l'un    desdits gaz sous la forme d'un jet dans une chambre de combustion fermée pour qu'il heurte un élément d'obstruction de petite surface par rapport à la section transversale de la chambre de combustion, afin de former une mince nappe de gaz se déplaçant radialement, en ce que   l'on    introduit séparément l'autre gaz dans cette chambre de combustion, on assure une combustion partielle de l'hydrocarbure, on évacue les produits de combustion chauds hors de cette chambre de combustion,

   et on les refroidit.



   L'expression de   pyrolyse    télle    qu'elle est utilisée dans le présent exposé, comprend le phénomène de craquage.



   Pour la production d'acétylène, un refroidissement quasi instantané des produits de la combustion est nécessaire. Pour y parvenir, il est préférable de relier à la chambre de combustion une turbine à gaz dans laquelle les produits de la combustion puissent être soumis à une détente adiabatique, afin d'en assurer le refroidissement rapide qui est nécessaire.



   L'appareil pour la mise en   oeuvre    du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion, une tuyère projetant un jet de   l'un    desdits gaz dans cette chambre de combustion, un élément d'obstruction disposé de manière à intercepter ce jet et à l'étaler sous la forme d'une mince nappe, l'autre desdits gaz étant amené séparément et directement dans le voisinage de la mince nappe par l'intermédiaire d'un distributeur, et des moyens d'évacuation des produits de la combustion hors de la chambre de combustion.

   Le distributeur est avantageusement disposé circulairement autour de la tuyère, et peut être constitué par plusieurs orifices d'admission pratiqués dans la paroi de la chambre de combustion en des endroits répartis autour de la tuyère, ces orifices étant en communication avec un conduit formant collecteur monté à l'extérieur de la chambre. Les axes des orifices peuvent être parallèles à celui de la tuyère ou bien légèrement inclinés vers l'intérieur par rapport à lui. Un seul orifice d'admission de forme annulaire peut être prévu le cas échéant.



   Le distributeur peut, si désiré, être agencé de manière à faire arriver la totalité ou une partie de   l'un    des gaz, par exemple l'air ou l'oxygène, à travers ou autour de l'élément d'obstruction. C'est ainsi que ce distributeur peut comprendre, par exemple, plusieurs orifices pratiqués dans l'élément d'obstruction ou bien un orifice annulaire entourant cet élément. De plus, l'élément d'obstruction ou une partie de celui-ci peut être constitué par une matière poreuse et peut être disposé de façon que le gaz arrive au moins en partie à travers cette matière poreuse. L'élément d'obstruction lui-même fait alors partie du distributeur.



   La chambre de combustion est, de préférence, cylindrique et de faible longueur dans le sens axial, la tuyère et l'élément d'obstruction étant montés coaxialement à elle.



   Le dispositif d'évacuation des produits de la combustion est constitué, de préférence, par un orifice de sortie continu ou discontinu entourant l'élément d'obstruction et communiquant depuis l'intérieur de la chambre de combustion avec un collecteur des produits de la combustion. Cet orifice de sortie peut être constitué par exemple par plusieurs trous ou par un seul trou de forme annulaire pratiqués dans la paroi de la chambre.



   Si l'on emploie comme dispositif de refroidissement des produits de la combustion une turbine à gaz avec écoulement axial, le collecteur des produits de la combustion a rationnellement une section transversale annulaire, dont les dimensions diamétrales se réduisent entre l'orifice d'entrée et la tuyère de sortie de manière à ménager aux produits de combustion un trajet convergent. Suivant une disposition préférée, ce collecteur affecte la forme d'un espace délimité entre une pièce conique et un prolongement également conique de la chambre de combustion même. Dans ce cas, I'élément d'obstruction peut luimême affecter la forme d'une saillie cylindrique située sensiblement au centre de la base de cette pièce conique.



   Le mélange rapide et efficace de l'hydrocarbure et du gaz comburant réalisé dans la chambre de combustion supprime complètement la nécessité de les mélanger préalablement. Aussi l'appareil peut-il être pourvu d'un réchauffeur pour l'une ou pour les deux matières en question, ce qui augmente d'autant l'efficacité de la réaction tout en évitant le risque que les matières s'enflamment avant d'atteindre la chambre de combustion ou bien que la combustion soit instable même dans des conditions où la vitesse de la propagation de la flamme est inférieure à la vitesse des différents gaz. Les seules limites de la température de réchauffage préalable sont imposées par des considérations d'économie et par le risque de craquage du combustible hydrocarburé dans le réchauffeur.



   La chambre de combustion et l'élément d'obstruction peuvent être constitués en un matériau réfractaire convenable, un métal à garnissage réfractaire ou bien un métal convenablement refroidi. Un mode de refroidissement utilisable à cet effet est celui qui fait intervenir un échange thermique avec l'une ou avec les deux matières soumises à la réaction, de façon à conserver la chaleur.



   Une particularité de la chambre de combustion est qu'elle assure une très grande stabilité sur une vaste gamme de rapports et de pressions du mé  lange. Ainsi, par exemple, du propane et de l'air peuvent brûler dans un rapport de 1 : 120 en volume du côté de la limite inférieure et de   1:1,45    du côté de la limite supérieure. Si le fonctionnement s'effectue avec du méthane et de l'oxygène, il se déroule de façon entièrement stable sur une gamme de proportions entre le méthane et l'oxygène allant de   2,61:1    à   1,3 :1    en volume. Cette gamme de proportions est celle qu'on a toutes chances de trouver dans la pratique pour le processus du cracking des hydrocarbures dans la turbine à gaz.

   La chambre de combustion fonctionne de façon stable dans cette gamme de proportions jusqu'à des pressions égales à 5 atmosphères.



   On décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, deux formes d'exécution de l'appareil pour la mise en   oeuvre    du procédé selon l'invention.



   La fig. 1 est une coupe longitudinale montrant une chambre de combustion étudiée pour fonctionner avec une turbine à gaz avec écoulement radial.



   La fig. 2 est une coupe longitudinale montrant une   chambre    de combustion étudiée pour fonctionner avec une turbine à gaz avec écoulement axial.



   L'appareil auquel se rapporte la fig. 1 comprend une chambre de combustion délimitée par des parois circulaires 1 et 2 placées dans un tube cylindrique 3. Un conduit d'adduction du combustible désigné par 4 et se terminant par une tuyère 5 traverse axialement la partie centrale de la paroi 1.



  Dans la partie centrale de la paroi 2 est prévu un élément d'obstruction 6 de forme cylindrique. Plusieurs orifices d'admission 7 pratiqués dans la paroi 1 en des endroits entourant le conduit adducteur 4 et orientés dans des directions convergeant vers   l'axe    de la chambre servent à amener un gaz contenant de l'oxygène, provenant d'un conduit 9 et d'un collecteur 8, à la mince nappe de combustible formée par le jet de combustible qui s'échappe de la tuyère 5 et qui vient heurter l'élément d'obstruction 6 formant chicane. Un orifice de sortie discontinu, consistant en plusieurs trous radiaux 10, communique avec un collecteur 11 de rassemblement des produits de la combustion, constitué par le tube 3, par un tube 12 disposé coaxialement à lui et par des plateaux terminaux annulaires 13 et 14.

   Un conduit 15 est disposé pour envoyer les produits de la combustion provenant du collecteur à une turbine à gaz avec écoulement radial représentée schématiquement par T.



   Dans l'appareil auquel se rapporte la fig. 2, la chambre de combustion 20 est pourvue d'une partie cylindrique 21 et d'une partie conique coaxiale 22 dans laquelle se trouve une pièce conique 23 qui coopère de manière à délimiter un orifice de sortie continu 24 et un collecteur convergent 25 qui rassemble les produits de combustion et qui relie cet orifice 24 à une tuyère de sortie 26 communiquant avec une turbine à gaz à écoulement axial représentée schématiquement en 27. Les organes 4, 5, 6, 7, 8 et 9 sont semblables aux organes portant les mêmes numéros de référence et appartenant à l'appareil représenté dans la fig. 1.



   Les produits de combustion qui se forment dans les chambres de combustion représentées aux fig. 1 et 2 contiennent des quantités satisfaisantes d'hydrocarbures non saturés. Ainsi, par exemple, un appareil se présentant sensiblement comme le montre la fig. 1 et fonctionnant au propane et à l'oxygène dans le rapport de   0,9:1    en volume produit, sans préchauffage, au cours d'une opération d'essai, le refroidissement étant assuré par de l'eau, 9    /0    d'acétylène et une quantité semblable d'éthylène. Un appareil tel que le montre la fig. 2, fonctionnant au méthane et à l'oxygène dans le rapport de   1,65:1    en volume produit dans des conditions analogues   3,4 o    d'acétylène.



   Le temps de séjour du mélange de réaction assurant des rendements appréciables en acétylène varie, ainsi qu'on peut le vérifier, de 20 à 50 millisecondes.



  Ce temps de séjour est le temps qu'il faut au mélange pour traverser la chambre de combustion sous la pression et à la température atmosphérique.



   On conçoit que bien que, pour la commodité de l'exposé, la tuyère dont il a été parlé soit dirigée vers l'élément d'obstruction et soit appelée tuyère de projection du combustible et bien qu'en outre le distributeur ait été décrit comme ayant pour rôle d'amener de l'air ou de l'oxygène à la nappe mince, les fonctions de ces deux organes peuvent être inversées. C'est ainsi que l'appareil peut fonctionner de façon satisfaisante avec de l'air ou de l'oxygène arrivant à la tuyère et étalé sous la forme d'une nappe mince à laquelle le combustible sera lui-même amené par le distributeur.



   REVENDICATIONS :
 I. Procédé de pyrolyse d'un hydrocarbure pratiquement saturé pour le transformer en hydrocarbure non saturé, par combustion partielle d'un gaz consistant au moins en partie en l'hydrocarbure saturé en présence d'un gaz consistant au moins en partie en oxygène, caractérisé en ce que   l'on    introduit   l'un    desdits gaz sous la forme d'un jet dans une chambre de combustion fermée pour qu'il heurte un élément d'obstruction de petite surface par rapport à la section transversale de la chambre de combustion, afin de former une mince nappe de gaz se déplaçant radialement, en ce que   l'on    introduit séparément l'autre gaz dans cette chambre de combustion, on assure une combustion partielle de l'hydrocarbure, on évacue les produits de combustion chauds hors de cette chambre de combustion,

   et on les refroidit.
  

Claims (1)

1. II. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion, une tuyère pro jetant un jet de l'un desdits gaz dans cette chambre de combustion, un élément d'obstruction disposé de manière à intercepter ce jet et à l'étaler sous la forme d'une mince nappe, l'autre desdits gaz étant amené séparément et directement dans le voisinage de la mince nappe par l'intermédiaire d'un distributeur, et des moyens d'évacuation des produits de la combustion hors de la chambre de combustion.

   SOUS-REVENDICATIONS: 1. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que les produits de la combustion sont refroidis directement par détente adiabatique dans une turbine à gaz.

   2. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que le temps de séjour des matières soumises à la réaction dans la chambre de combustion est compris entre 20 et 50 millisecondes.

   3. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que l'un au moins desdits gaz est réchauffé préalablement à son introduction dans la chambre de combustion.

   4. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que la proportion d'oxygène moléculaire employée est insuffisante pour brûler la totalité de l'hydrocarbure.

   5. Appareil suivant la revendication II, caractérisé par une turbine à gaz pour assurer un refroidissement quasi instantané des produits de combustion chauds évacués hors de la chambre de combustion.

   6. Appareil suivant la revendication II, caractérisé en ce que ledit distributeur est disposé circulairement autour de ladite tuyère.

   7. Appareil suivant la revendication II et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que ledit distributeur comprend plusieurs orifices d'admission pratiqués dans la paroi de la chambre de combustion en des endroits répartis tout autour de la tuyère, ces orifices communiquant avec un collecteur monté à l'extérieur de la chambre.

   8. Appareil suivant la revendication II et la sous-revendication 7, caractérisé en ce que les axes des orifices d'admission sont légèrement inclinés vers l'intérieur dans la direction de l'axe de la tuyère.

   9. Appareil suivant la revendication II, caractérisé en ce que le distributeur est constitué par un seul orifice annulaire entourant la tuyère.

   10. Appareil suivant la revendication II, caractérisé en ce que le distributeur comprend un corps dans lequel est pratiqué au moins un orifice pour amener au moins une partie dudit autre gaz, ledit corps présentant une paroi faisant office d'élément d'obstruction.

   11. Appareil suivant la revendication II, caractérisé en ce que le distributeur comprend au moins un orifice entourant l'élément d'obstruction.

   12. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce que le distributeur comprend une matière poreuse présentant une paroi faisant office d'élément d'obstruction, une partie au moins dudit autre gaz étant amenée à travers ladite matière.

   13. Appareil suivant la revendication II, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation des produits de la combustion comprennent un orifice de sortie qui entoure l'élément d'obstruction et qui fait communiquer la chambre de combustion avec un collecteur des produits de la combustion.

   14. Appareil suivant la sous-revendication 13, caractérisé en ce que l'orifice de sortie est continu.

   15. Appareil suivant la sous-revendication 13, caractérisé en ce que l'orifice de sortie est discontinu.

   16. Appareil suivant la sous-revendication 13, caractérisé en ce que le collecteur des produits de la combustion est de section transversale annulaire dont les dimensions diamétrales se réduisent entre l'orifice de sortie et la tuyère de jaillissement pour ménager un trajet convergent aux produits de la combustion.

   17. Appareil suivant la sous-revendication 14, caractérisé en ce que le collecteur des produits de la combustion affecte la forme d'un espace délimité entre une pièce conique et un prolongement conique de la chambre de combustion elle-même.

   18. Appareil suivant la revendication II, caractérisé par un réchauffeur préalable destiné à chauffer l'hydrocarbone et l'air ou l'oxygène.

   19. Appareil suivant la revendication II, caractérisé par un réchauffeur préalable destiné à chauffer seulement l'air ou l'oxygène.