Four pour la préparation d'hydrocarbures non saturés
La présente invention a pour objet un four pour la préparation d'hydrocarbures non saturés, tels que l'acétylène, par combustion partielle d'hydrocarbures gazeux plus saturés.
On sait que l'on peut réaliser cette combustion partielle, à l'aide d'oxygène de préférence, avec formation d'une flamme, ce procédé consistant à mélanger intimement l'hydrocarbure gazeux ou vaporisé et l'oxygène, puis à les introduire par l'intermédiaire d'un distributeur, dans une chambre de réaction, où s'effectuent la combustion partielle et la pyrolyse, et à stabiliser ensuite les produitsl de réaction par refroidissement brusque.
Pour éviter une dépense excessive en oxygène, il est avantageux d'effectuer un préchauffage aussi poussé que possible du comburant et du combustible.
De plus, comme cette réaction, notamment dans le cas de préparation d'hydrocarbures non saturés, nécessite des temps très courts, il importe d'avoir un mélange aussi parfait que possible et distribué de façon homogène à l'entrée de la chambre de combustion. De cette façon, l'état réactionnel est identique pour chaque tranche transversale de cette chambre et il est possible de régler de façon précise la durée de réaction par un refroidissement brusque, stabilisant rapidement et efficacement les produits gazeux de combustion.
Dans les dispositifs utilisés jusqu'à présent, les réactifs sont en général préchauffés séparément, puis mélangés dans une chambre d'expansion de volume relativement grand pour assurer un mélange suffisamment intime, ce qui limite la température de préchauffage, si l'on veut éviter une pré-ignition du mélange ou un retour de flamme avant introduction dans la chambre de réaction.
Une autre technique consiste à effectuer le mélange des réactifs à froid et à le préchauffer dans un appareil à serpentin tubulaire où le mélange circule à des vitesses linéaires élevées, pratiquement soniques, et en tout cas supérieures à celle de la propagation de la flamme dans ce mélange considéré à sa température maximum de préchauffage. I1 en résulte non seulement des dépenses énergétiques élevées pour assurer l'écoulement des réatifs à ces vitesses, mais de plus, par suite de l'expansion à grande vitesse du mélange gazeux entrant dans la zone de combustion, il est malaisé de déterminer, de façon suffisamment précise, la longueur de la zone de réaction et l'endroit où doit s'effectuer le refroidissement brusque des produits de combustion.
Par suite de la très haute turbulence, le temps de réaction reste de toute manière mal déterminé, au détriment des teneurs et des rendements souhaités.
On a cherché à remédier à ces différents inconvénients et à permettre, grâce à un four comportant des dispositifs particuliers de mise en contact et de mélange des réactifs, un préchauffage poussé et une interpénétration complète et rapide de ces réactifs, ainsi qu'une distribution parfaitement homogène dans la chambre de combustion.
A cet effet le four, objet de l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend deux chambres d'alimentation superposées l'une à l'autre, susceptibles de recevoir séparément les réactifs gazeux préchauffés, consistant en gaz combustible et gaz comburant, une chambre de combustion, des tubes de mélange de faible section reliant la chambre d'alimentation inférieure à la chambre de combustion et des tubes éjecteurs reliant la chambre d'alimentation supérieure à ces tubes de mélange.
La position et les dimensions de la sortie de chacun des tubes éjecteurs, par rapport à l'entrée de chacun des tubes de mélange correspondant est généralement fonction des proportions dans lesquelles les réactifs gazeux doivent être mélangés dans ces tubes de mélange.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de fours selon l'invention. Dans ce dessin:
La fig. 1 est une coupe transversale d'un four de pyrolyse, du type circulaire, et
les fig. 2 et 3 représentent des formes particulières de réalisation.
Suivant la fig. 1, un four pour la combustion partielle d'hydrocarbures comprend une chambre de combustion 9, des tubes de mélange 6 et des chambres d'alimentation 1 et 3, prévues pour recevoir séparément les réactifs qui doivent être mélangés.
Plusieurs tubes éjecteurs 2 raccordent la chambre d'alimentation 1 aux entrées 5 des tubes de mélange et se prolongent à travers la chambre d'alimentation 3. Les tubes éjecteurs 2 sont fixés à une plaque circulaire 14, séparant les chambres 1 et 3, et pourvue d'ouvertures 15, constituant les entrées des tubes 2.
Les tubes de mélange 6 sont maintenus entre une plaque perforée 16, constituant le fond de la chambre d'alimentation 3, et une plaque perforée 7, formant le sommet de la chambre de réaction 9. La paroi 8 de la chambre de réaction entoure le faisceau des tubes de mélange 6, de façon à former une enveloppe pour le système de circulation d'eau autour de ces tubes. Elle se prolonge dans la chambre d'alimentation 3, où elle contient une grille 4 autour des tubes éjecteurs 2. Les chambres d'alimentation 1 et 3 sont munies de conduites d'amenée 17 et 18, la conduite 18 communiquant avec le compartiment supérieur des deux compartiments formés, dans la chambre 3, par la grille 4. La tuyère de sortie 19 de chaque tube éjecteur 2 a, extérieurement, la forme d'un cône tronqué et elle se prolonge, en partie, dans l'entrée d'alimentation correspondante 5 d'un tube de mélange 6.
Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la manière suivante: un des réactifs, le gaz comburant ou le gaz combustible, préalablement préchauffé, amené par la conduite 17 dans la chambre d'alimentation 1, passe, par les tubes 2, dans les entrées d'alimentation 5. L'autre réactif est amené par la conduite 18, dans la partie supérieure de la chambre d'alimentation 3, et il est réparti, de manière homogène, dans la partie inférieure de cette chambre d'alimentation, au moyen de la grille 4. Le courant de gaz allant des tuyères 19 dans les entrées d'alimentation 5, entraîne les gaz de la chambre d'alimentation 3 dans les tubes de mélange, de façon à former un mélange réactionnel intime. Le mélange réactionnel homogène est alors amené dans la chambre de combustion 9, où se produit la combustion partielle du combustible hydrocarboné.
Suivant la fig. 2, le four comprend une troisième chambre d'alimentation 10 séparée de la chambre 1 par une plaque perforée 20 ainsi qu'un ou plusieurs tubes éjecteurs 1 1 se prolongeant, à travers la chambre d'alimentation, jusqu'à l'entrée 15 d'un des tubes éjecteurs 2. En employant le four de la fig. 2, le gaz comburant peut être amené en quantité supplémentaire dans la chambre d'alimentation 10 et dans un des tubes 2, par ces tubes éjecteurs 11. Cette amenée supplémentaire à travers le tube 11 a pour effet d'enrichir localement le mélange réactionnel en gaz comburant, de façon à créer localement des points chauds augmentant la stabilité moyenne de la zone de réaction.
Suivant un autre mode de réalisation, on peut utiliser le tube 1 1 pour ajourer un ou plusieurs hydrocarbures ou gaz comburants au mélange réactionnel, en vue d'obtenir une réaction mixte de combustion partielle et de pyrolyse.
Suivant la fig. 3, la plaque 20 est perforée pour former les entrées 21 et 22 d'un tube éjecteur 12 et d'un tube d'alimentation 13, respectivement. Le tube éjecteur 12 est fixé à la plaque 20 et se prolonge à travers les chambres d'alimentation 1 et 3 ainsi qu'à travers la plaque 14, jusqu'à l'entrée 5 d'un tube de mélange 6. Le tube d'alimentation 13 est maintenu entre les plaques perforées 7 et 20 et il se prolonge à travers les plaques 14 et 16 ainsi que les chambres 1 et 3.
Suivant les conditions réactionnelles désirées, le tube éjecteur 12 et le tube d'alimentation 13 permettent de fournir, à la chambre de réaction, d'autres quantités de gaz comburant, de gaz secondaire ou d'hydrocarbure.
C'est ainsi que les tubes éjecteurs 12 et 13 assurent respectivement l'arrivée dans cette chambre de réaction 9 du gaz provenant de la chambre 10, soit directement, par la tuyère 13, soit après mélange avec seulement le gaz de la chambre 3, par le tube 12.
Les plaques 7, 14 et 16, les différents tubes éjecteurs ainsi que les tubes de mélange 6 peuvent être tous de construction métallique, les parties adjacentes de la chambre de réaction étant protégées par une enveloppe à circulation d'eau froide. La chambre de réaction 9 peut également être protégée par un écran d'eau, pour empêcher le dépôt de carbone sur la paroi 8.
Grâce à ces dispositifs, on facilite, en la multipliant, la fonction mélange qui s'effectue de manière simple, avec le maximum d'efficacité et le minimum de temps, dans un ensemble de tubes individuels de petite section.
En plus de ces avantages, au point de vue facilité et rapidité du mélange, autorisant de la sorte un préchauffage poussé des réactifs, les dispositifs décrits permettent, en outre, une distribution homogène du mélange préchauffé dans la chambre de combustion. I1 en résulte un maximum de stabilité de la réaction et une homogénéité complète de l'état réactionnel dans toute tranche transversale de cette cham bre de réaction, facteurs conduisant à un fonctionnement à efficience maximum du four de combustion pyrolytique et permettant de déterminer de façon précise la zone la plus efficace où l'on doit effectuer le refroidissement brusque des produits gazeux de réaction.
De plus, I'emploi de tubes de mélange à section transversale réduite conduit à une faible turbulence, même à des vitesses d'alimentation élevées, réduisant ainsi les retours de flammes éventuels dans le dispositif d'alimentation.
Exemple I
Un four, tel que représenté à la fig. 1, compte 36 tubes de mélange 6 en acier réfractaire, répartis en plusieurs cercles concentriques, chacun de ces tubes ayant un diamètre intérieur de 1 1 mm et une longueur de 200 mm. Par la conduite 18, on introduit 220 m3 par heure (mesurés aux conditions normales, à 00 C et 760 mm Hg) de méthane à 98 % de pureté, préchauffé à 7500 C, qui se répartit dans la chambre 3 et est distribué de façon homogène, par la grille 4, au sommet des tubes 6. On introduit d'autre part, par la conduite 17, 130 m3 N/H d'oxygène à 98 % de pureté, préchauffé également à 750O C, qui, de la chambre 1, passe dans les tubes éjecteurs 2, puis dans les tubes de mélange 6. A la sortie de ces tubes 6, le mélange homogène de méthane et d'oxygène s'enflamme dans la chambre 9.
Les gaz de pyrolyse sont brusquement refroidis. On obtient 440 ms N/heure de gaz de pyrolyse, compté sec, contenant 9 % en volume d'acétylène.
Le four décrit permet d'ailleurs de traiter des gaz fortement préchauffés, sans crainte d'ignition spontanée, la seule limite en cette voie étant la capacité des préchauffeurs industriellement utilisés.
Les autres types de fours, comportant une chambre de mélange classique, ont leur possibilité de préchauffage limitée aux environs de 5000 C pour éviter, avec des mélanges homogène des réactifs, le phénomène de pré-ignition dans la chambre de mélange. Dans ces conditions, les consommations spécifiques, par tonne d'acétylène, sont supérieures de 10% en méthane et de 16% en oxygène, par rapport à l'exemple ci-dessus, où les réactifs sont préchauffés à 750" C.
Exemple 2
Pour augmenter la stabilité de la flamme, on enrichit localement en oxygène, le mélange réactionnel soumis à la pyrolyse, en utilisant le four de la fig. 2.
Ce four comprend 36 tubes de mélange 6 dans lesquels on introduit respectivement 220 m0 N/H de méthane à 98 % de pureté, par la chambre 3 et la grille 4, et 115 mo N/H d'oxygène à 98% de pureté, par la chambre 1 et les 36 tubes 2. Par 4 tubes 11, on introduit 15 m3 N/H d'oxygène. Les réactifs sont préchauffés à 7500 C. Le gaz de pyrolyse contient 9 % en volume d'acétylène (calculé sur le gaz sec).
Une variante consiste à introduire les 15 m0 N/H d'oxygène, non plus par les 4 tubes 11, mais par 4 tubes 12 ou 4 tubes 13, comme représenté à la fig. 3, les autres 115 m3 N/H d'oxygène étant amenés par 32 tubes 2 dans les tubes 6.
Furnace for the preparation of unsaturated hydrocarbons
The present invention relates to a furnace for the preparation of unsaturated hydrocarbons, such as acetylene, by partial combustion of more saturated gaseous hydrocarbons.
It is known that this partial combustion can be carried out, preferably using oxygen, with formation of a flame, this process consisting in intimately mixing the gaseous or vaporized hydrocarbon and the oxygen, then in introducing them. by means of a distributor, in a reaction chamber, where the partial combustion and pyrolysis take place, and then to stabilize the reaction products by sudden cooling.
To avoid excessive expenditure on oxygen, it is advantageous to preheat the oxidizer and the fuel as far as possible.
In addition, as this reaction, especially in the case of the preparation of unsaturated hydrocarbons, requires very short times, it is important to have a mixture as perfect as possible and distributed homogeneously at the inlet of the combustion chamber. . In this way, the reaction state is identical for each cross section of this chamber and it is possible to precisely regulate the reaction time by sudden cooling, quickly and effectively stabilizing the gaseous products of combustion.
In the devices used up to now, the reagents are generally preheated separately, then mixed in an expansion chamber of relatively large volume to ensure a sufficiently intimate mixing, which limits the preheating temperature, if one wishes to avoid a pre-ignition of the mixture or a flashback before introduction into the reaction chamber.
Another technique consists in carrying out the mixture of the reactants cold and in preheating it in a tubular coil apparatus where the mixture circulates at high linear speeds, practically sonic, and in any case greater than that of the propagation of the flame in this mixture considered at its maximum preheating temperature. This not only results in high energy expenditure to ensure the flow of the reagents at these speeds, but also, due to the high speed expansion of the gas mixture entering the combustion zone, it is difficult to determine, sufficiently precise, the length of the reaction zone and the place where the sudden cooling of the combustion products must take place.
As a result of the very high turbulence, the reaction time remains in any case poorly determined, to the detriment of the desired contents and yields.
An attempt has been made to remedy these various drawbacks and to allow, thanks to an oven comprising particular devices for contacting and mixing the reagents, a thorough preheating and a complete and rapid interpenetration of these reagents, as well as a perfect distribution. homogeneous in the combustion chamber.
To this end, the furnace, object of the invention, is characterized in that it comprises two supply chambers superimposed on one another, capable of separately receiving the preheated gaseous reactants, consisting of fuel gas and oxidizing gas. , a combustion chamber, small section mixing tubes connecting the lower feed chamber to the combustion chamber and ejector tubes connecting the upper feed chamber to these mixing tubes.
The position and dimensions of the outlet of each of the ejector tubes, with respect to the inlet of each of the corresponding mixing tubes, generally depends on the proportions in which the gaseous reactants must be mixed in these mixing tubes.
The appended drawing represents, by way of example, several embodiments of ovens according to the invention. In this drawing:
Fig. 1 is a cross section of a pyrolysis furnace, of the circular type, and
figs. 2 and 3 represent particular embodiments.
According to fig. 1, a furnace for the partial combustion of hydrocarbons comprises a combustion chamber 9, mixing tubes 6 and feed chambers 1 and 3, provided to separately receive the reactants which are to be mixed.
Several ejector tubes 2 connect the feed chamber 1 to the inlets 5 of the mixing tubes and extend through the feed chamber 3. The ejector tubes 2 are attached to a circular plate 14, separating the chambers 1 and 3, and provided with openings 15, constituting the inlets of the tubes 2.
The mixing tubes 6 are held between a perforated plate 16, constituting the bottom of the supply chamber 3, and a perforated plate 7, forming the top of the reaction chamber 9. The wall 8 of the reaction chamber surrounds the bundle of mixing tubes 6, so as to form an envelope for the water circulation system around these tubes. It extends into the supply chamber 3, where it contains a grid 4 around the ejector tubes 2. The supply chambers 1 and 3 are provided with supply conduits 17 and 18, the conduit 18 communicating with the upper compartment. of the two compartments formed, in the chamber 3, by the grid 4. The outlet nozzle 19 of each ejector tube 2 has, on the outside, the shape of a truncated cone and it extends, in part, into the inlet of corresponding supply 5 from a mixing tube 6.
The device thus described operates in the following manner: one of the reactants, the oxidizing gas or the fuel gas, preheated beforehand, brought by line 17 into the supply chamber 1, passes, through the tubes 2, into the inlets of supply 5. The other reagent is brought through line 18, in the upper part of the supply chamber 3, and it is distributed, in a homogeneous manner, in the lower part of this supply chamber, by means of the grid 4. The gas stream going from the nozzles 19 into the feed inlets 5, entrains the gases from the feed chamber 3 into the mixing tubes, so as to form an intimate reaction mixture. The homogeneous reaction mixture is then brought into the combustion chamber 9, where partial combustion of the hydrocarbon fuel takes place.
According to fig. 2, the oven comprises a third supply chamber 10 separated from the chamber 1 by a perforated plate 20 and one or more ejector tubes 1 1 extending through the supply chamber to the inlet 15 one of the ejector tubes 2. Using the oven of fig. 2, the oxidizing gas can be supplied in additional quantity into the supply chamber 10 and into one of the tubes 2, by these ejector tubes 11. This additional supply through the tube 11 has the effect of locally enriching the reaction mixture in oxidizing gas, so as to locally create hot spots increasing the average stability of the reaction zone.
According to another embodiment, the tube 11 can be used to perforate one or more hydrocarbons or oxidizing gases in the reaction mixture, in order to obtain a mixed reaction of partial combustion and pyrolysis.
According to fig. 3, the plate 20 is perforated to form the inlets 21 and 22 of an ejector tube 12 and a feed tube 13, respectively. The ejector tube 12 is attached to the plate 20 and extends through the feed chambers 1 and 3 as well as through the plate 14, to the inlet 5 of a mixing tube 6. The tube d The feed 13 is held between the perforated plates 7 and 20 and it extends through the plates 14 and 16 as well as the chambers 1 and 3.
Depending on the desired reaction conditions, the ejector tube 12 and the feed tube 13 make it possible to supply, to the reaction chamber, other quantities of oxidizing gas, secondary gas or hydrocarbon.
Thus, the ejector tubes 12 and 13 respectively ensure the arrival in this reaction chamber 9 of the gas coming from the chamber 10, either directly, through the nozzle 13, or after mixing with only the gas from the chamber 3, through tube 12.
The plates 7, 14 and 16, the various ejector tubes as well as the mixing tubes 6 can all be of metal construction, the adjacent parts of the reaction chamber being protected by a casing for circulating cold water. The reaction chamber 9 can also be protected by a water screen, to prevent the deposition of carbon on the wall 8.
Thanks to these devices, the mixing function is facilitated and multiplied, which is carried out in a simple manner, with the maximum efficiency and the minimum time, in a set of individual tubes of small section.
In addition to these advantages, from the point of view of ease and speed of mixing, thus allowing extensive preheating of the reactants, the devices described also allow homogeneous distribution of the preheated mixture in the combustion chamber. This results in maximum reaction stability and complete homogeneity of the reaction state in any transverse section of this reaction chamber, factors leading to maximum efficiency of the pyrolytic combustion furnace and making it possible to determine precisely the most efficient zone where the abrupt cooling of the gaseous reaction products is to be carried out.
In addition, the use of mixing tubes with a reduced cross section results in low turbulence, even at high feed speeds, thus reducing possible flashbacks in the feed device.
Example I
An oven, as shown in FIG. 1, has 36 refractory steel mixing tubes 6, distributed in several concentric circles, each of these tubes having an internal diameter of 11 mm and a length of 200 mm. Through line 18, 220 m3 per hour (measured under normal conditions, at 00 C and 760 mm Hg) of methane at 98% purity, preheated to 7500 C, which is distributed in chamber 3 and is distributed in a homogeneous, through the grid 4, at the top of the tubes 6. On the other hand, through line 17, 130 m3 N / H of oxygen at 98% purity, also preheated to 750O C, is introduced through the chamber 1, passes through the ejector tubes 2, then into the mixing tubes 6. On exiting these tubes 6, the homogeneous mixture of methane and oxygen ignites in the chamber 9.
The pyrolysis gases are suddenly cooled. 440 ms N / hour of pyrolysis gas is obtained, counted dry, containing 9% by volume of acetylene.
The furnace described also makes it possible to treat strongly preheated gases without fear of spontaneous ignition, the only limit in this way being the capacity of the preheaters used industrially.
The other types of ovens, comprising a conventional mixing chamber, have their possibility of preheating limited to around 5000 ° C. to avoid, with homogeneous mixtures of the reagents, the phenomenon of pre-ignition in the mixing chamber. Under these conditions, the specific consumptions, per tonne of acetylene, are 10% higher in methane and 16% in oxygen, compared to the example above, where the reagents are preheated to 750 "C.
Example 2
To increase the stability of the flame, the reaction mixture subjected to pyrolysis is locally enriched with oxygen, using the oven of FIG. 2.
This furnace comprises 36 mixing tubes 6 into which are introduced respectively 220 m0 N / H of methane at 98% purity, through chamber 3 and grid 4, and 115 mo N / H of oxygen at 98% purity, through chamber 1 and 36 tubes 2. Through 4 tubes 11, 15 m 3 N / H of oxygen are introduced. The reagents are preheated to 7500 C. The pyrolysis gas contains 9% by volume of acetylene (calculated on the dry gas).
A variant consists in introducing the 15 m0 N / H of oxygen, no longer through the 4 tubes 11, but through 4 tubes 12 or 4 tubes 13, as shown in FIG. 3, the other 115 m3 N / H of oxygen being brought through 32 tubes 2 into tubes 6.