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REVENDICATIONS
1. Combustible industriel, caractérisé en ce qu'il comprend un gaz combustible industriel et de 0,1% en volume à une quantité correspondant à la saturation par la vapeur (cette valeur étant incluse) d'un additif normalement liquide dans les conditions ambiantes de température et de pression, et étant choisi parmi les hydrocarbures, les alcools, les esters et un de leurs mélanges.
2. Combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz combustible est le gaz naturel, le propane, le butane ou l'acétylène.
3. Combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est choisi parmes alcanes à chaîne droite ou ramifiée et les cycloalcanes en Ci à C20, les alcènes à chaîne droite ou ramifiée et les cycloalcènes en Ci à C20, les alcines à chaîne droite ou ramifiée et les cycloalcines en Ci à C20 ou les composés aromatiques monocyclique et polycycliques comportant moins de 20 atomes de carbone, et les arènes en C7 à C20.
4. Combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est un alcool choisi parmi les mono- et les polyalcools en Ci à C20.
5. Combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est un ester en Ci à C20.
6. Combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'additif est un alcane en Ci à Ci, un cycloalcane en Ci à
C8, un alcène en Ci à Ci, ou un cycloalcène en Ci à C8.
7. Combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alcool est en Ci à Ci.
8. Combustible selon la revendication 5, caractérisé en ce que les esters sont des esters en Ci à Ci d'alcool et d'acide carboxylique aliphatique en Ci à C4.
9. Combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est présent à raison de 53 à 160 g/m3 de gaz combustible.
10. Combustible industriel selon la revendication 1, utilisable dans les procédés pour travailler les métaux, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement du propane et une vapeur d'un hydrocarbure liquide sous conditions ambiantes, cette vapeur étant présente dans les combustibles en une quantité entre 0,1% par volume du combustible jusqu'à saturation de ladite vapeur dans le propane sous conditions ambiantes, l'hydrocarbure étant un cycloalcane contenant 5 à 20 atomes de carbone par molécule et ne fournissant que du carbone et de l'hydrogène.
11. Combustible industriel selon la revendication 1, utilisable dans les procédés pour travailler les métaux, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement du gaz naturel et une vapeur d'un hydrocarbure liquide sous conditions ambiantes, cette vapeur étant présente dans le combustible en une quantité entre 0,1% par volume du combustible jusqu'à saturation de ladite vapeur dans le gaz naturel sous conditions ambiantes, l'hydrocarbure étant un cycloalcane contenant 5 à 20 atomes de carbone par molécule et ne fournissant du carbone et de l'hydrogène.
12. Combustible industriel selon la revendication 1, utilisable dans les procédés pour travailler les métaux, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement du butane et une vapeur d'un hydrocarbure liquide sous conditions ambiantes, cette vapeur étant présente dans le combustible en une quantité entre 0,1% par volume du combustible jusqu'à saturation de ladite vapeur dans le butane sous conditions ambiantes, l'hydrocarbure étant un cycloalcane contenant 5 à 20 atomes de carbone par molécule et ne fournissant que du carbone et de l'hydrogène.
13. Combustible industriel selon la revendication 1, utilisable dans les procédés pour travailler les métaux, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement de l'acétylène et une vapeur d'un hydrocarbure liquide sous conditions ambiantes, cette vapeur étant présente dans le combustible en une quantité entre 0,1% par volume du combustible jusqu'à saturation de ladite vapeur dans l'acétylène sous conditions ambiantes, l'hydrocarbure étant un cycloalcane contenant 5 à 20 atomes de carbone par molécule et ne fournissant que du carbone et de l'hydrogène.
14. Utilisation d'un combustible selon la revendication 1 pour le traitement par coupage ou brasage de métaux, d'alliages ou de matières céramiques.
L'invention concerne un combustible industriel qui s'applique aux techniques de coupage, de soudage, de brasage, de durcissement à la flamme, de chauffage, de fusion et de rainurage de métaux, d'alliages et de matières analogues. L'application au coupage des métaux par exemple comprend l'utilisation d'un chalumeau de découpe relié à une source de gaz combustible et à une source d'oxygène. Le mélange d'oxygène et de gaz combustible est brûlé lorsqu'il est en contact avec la pièce de métal, d'alliage ou de matière analogue à traiter. Habituellement, le traitement comprend un temps de préchauffage pendant lequel la quantité d'oxygène dans le mélange gazeux est légèrement réduite.
Cependant, lorsque le métal à traiter atteint une température prédéterminée, c'est-à-dire à la fin du préchauffage, le pourcentage d'oxygène du mélange gazeux est augmenté, et, en conséquence, la température de la flamme augmente. L'augmentation de la température de la flamme permet l'utilisation de celle-ci comme course convenable de chaleur pour le coupage, le soudage, le rainurage, le durcissement à la flamme, la fusion ou un traitement analogue du métal ou de Alliage à traiter.
Les gaz combustibles habituellement utilisés dans ces applications et pour le chauffauge et les autres transferts de chaleur sont le gaz naturel, le propane, l'acétylène et le butane. Ces gaz, lorsqu'ils brûlent avec de l'oxygène, peuvent donner des flammes très chaudes dont la température est généralement comprise entre 2480 et 3040 C parfois même légèrement plus.
Evidemment, le coût du gaz naturel, du propane, du butane et de l'acétylène est important. En conséquence, le rendement du traitement par quantité de gaz combustible industriel utilisé doit être le plus élevé possible. Ce point est particulièrement important lorsque l'alimentation en gaz naturel, en propane, en butane et en acétylène est limitée. Le rendement d'un gaz combustible industriel et des gaz industriels utilisés pour le chauffage domestique ou d'autres transferts de chaleur est mesuré par la quantité de gaz nécessaire à la réalisation d'un travail donné et la vitesse de réalisation de ce travail. Par exemple, en ce qui concerne les gaz combustibles utilisés pour le travail des métaux, il est nécessaire de mesurer la vitesse de découpe.
Bien entendu, une diminution de la quantité de gaz combustible nécessaire à la réalisation d'une opération donnée, associée à une augmentation de la capacité de coupage, correspond à une augmentation de la vitesse et à une augmentation correspondante de l'économie réalisée par unité de longueur de découpe ou de soudure, de traitement thermique ou de traitement analogue. Ainsi, un gaz combustible idéal permettrait un traitement rapide et une consommation minimale de combustible et d'oxygène.
En outre, la valeur d'un gaz combustible dépend de la longueur de la découpe, de la soudure et analogue, obtenue pour un gaz combustible donné. L'effet du gaz combustible sur le métal ou d'alliage à traiter est également un critère à considérer. Par exemple, le traitement d'acier allié à teneur élevée en carbone à haute température pendant des temps prolongés modifie la structure cristalline de l'alliage. En particulier, le
réseau cristallin d'un alliage qui, à l'origine, a une structure centrée peut avoir, après transformation, une structure à faces centrées. En conséquence, la dureté et la fragilité de l'acier augmentent. L'acier dont la dureté est importante est bien entendu très difficile à usiner. Cependant, si le gaz combustible permet le traitement par une température élevée en un temps très court, ce temps peut ne pas suffire à la transformation de la structure de réseau cristallin de l'alliage et, en conséquence la dureté de l'alliage reste inchangée. Un tel alliage est alors beaucoup plus facile à usiner.
Un autre critère important pour le choix d'un gaz combustible industriel, en particulier utilisé pour le coupage, est l'aspect général de la découpe. Une découpe satisfaisante est généralement apparemment rectiligne, ne présente que peu ou pas de gauchissement, peu ou pas d'oxydation du métal et peu ou pas de laitier le long de la découpe. Inversement, une découpe de mauvaise qualité a une surface irrégulière, une déformation générale visible, un excès de laitier collé le long de la découpe (le laitier est très difficile à éliminer) et une oxydation générale le long de la découpe.
En outre, un gaz combustible de qualité satisfaisante doit subir une combustion totale et ne donner que de l'anhydride carbonique et de l'eau. Ainsi, les gaz dont les qualités sont satisfaisantes comme gaz combustibles industriels mais qui donnent des oxydes de soufre ou d'azote comme sous-produits ne sont pas avantageux car ils sont responsables d'une pollution nuisible.
Le combustible selon l'invention ne comporte pas l'utilisation d'additif nuisible qui donne des sous-produits de combusion qui sont des agents de pollution tels que les oxydes d'azote et le bioxyde de soufre.
La connaissane d'un certain nombre de principes thermodynamiques est essentielle à la compréhension de l'invention. Le présent mémoire donne donc une description très élémentaire de ces principes essentiels.
Lorsqu'on utilise une flamme comme source de chaleur dans le cas d'un combustible industriel destiné au traitement des métaux, par exemple au coupage, ou un transfert de chaleur pour le chauffage domestique qu analogue, le transfert se fait selon deux mécanismes. D'une part, il provient du transfert d'énergie cinétique libérée par la combustion des molécules gazeuses, souvent appelé transfert de chaleur par convention et, d'autre part, il provient du transfert de chaleur par rayonnement de la flamme. La combustion d'un gaz provoque d'abord le déplacement rapide des molécules du gaz, ces molécules entrant ensuite en collision avec la surface de la matière à traiter et, par transfert de leur énergie cinétique, provoquent une vibration intense des molécules de la matière traitée.
Ces molécules à leur tour heurtent les autres molécules du métal et le mouvement est ainsi transmis jusqu'à l'autre face de la matière traitée.
Plus la chaleur de combustion d'un gaz est élevée, plus la température de la flamme et plus l'énergie cinétique des molécules du gaz sont élevées. En conséquence, l'énergie cinétique transmise à une surface métallique traitée donnée par unité de temps est plus importante et suffit à l'obtention de la fusion ou de la vaporisation voulue du métal en un temps relativement court.
En outre, une flamme est également une source de radiations électromagnétiques. La relation entre l'émission des radiations électromagnétiques par un corps solide chauffé et l'absorption des radiations par une autre matière solide est donnée par la loi du rayonnement de Kirchhoff. Cette loi indique simplement que l'aptitude d'une matière donnée à émettre des radiations lorsqu'elle est chauffée est proportionnelle à son aptitude à absorber les radiations. Ainsi, lorsque les radiations sont complètement absorbées par une matière, elles sont transformées en chaleur, la quantité de chaleur étant égale à l'énergie totale des radiations absorbées.
Les radiations thermiques du type de la lumière visible sont des ondes électromagnétiques et ont les propriétés générales connues de la lumière visible. A cet égard, comme dans le cas de la lumière, l'intensité du rayonnement ou de l'absorption dépend non seulement de la température absolue, mais également de la nature des surfaces exposées. Des objets qui sont des bons émetteurs de chaleur sont également des bons absorbeurs du même type de radiations.
Les caractéristiques d'émission et d'absorption de l'énergie du rayonnement varient bien entendu avec les différentes matières. Ainsi, un métal, un alliage, un élément ou une matière analogue a des caractéristiques d'émission et d'absorption du rayonnement différentes de celles d'un autre métal, d'un autre alliage ou d'un autre élément.
Selon l'invention, les radiations qui ont des fréquences égales aux fréquences atomiques naturelles du métal, de l'alliage ou de l'élément à traiter sont absorbées avec une grande efficacité.
Tous les métaux, les éléments ou les alliages ou les autres matières qui doivent être traités ont en général une plage de longueurs d'onde dans laquelle ils peuvent absorber les radiations avec un rendement maximum. Lorsque l'alliage métallique ou la matière analogue est en conséquence soumis aux radiations d'une source qui émet un pourcentage élevé des radiations que la matière à traiter absorbe le plus efficacement, le transfert d'énergie par rayonnement a un rendement maximal. Ainsi, un facteur déterminant de la mise en oeuvre la plus efficace d'un gaz combustible n'est pas la température maximale obtenue pendant la combustion du mélange de gaz combustible et d'oxygène, mais l'émission de rayonnement dont la longueur d'onde est telle qu'il est susceptible d'être absorbé par la matière traitée.
L'énergie potentielle de tous les gaz combustibles dépend de leurs propriétés chimiques qui, elles-mêmes, dépendent de la disposition des atomes et des électrons dans les molécules.
Ainsi, lorsqu'un combustible est brûlé, de la chaleur se dégage.
La quantité de chaleur libérée par unité de masse du gaz ayant subi une combustion totale est appelée la chaleur de combustion. Ainsi, pendant la combustion d'un gaz, l'énergie nécessaire à la formation des composés de ce gaz est libérée par combustion.
Une autre mesure du rendement d'un gaz combustible dépend de l'analyse des gaz formés par la combustion. La combustion totale d'un combustible hydrocarboné ne donne que de l'anhydride carbonique et de l'eau. Cette combustion est extrêmement avantageuse car l'anhydride carbonique et l'eau sont des sous-produits qui n'ont pas d'effets nuisibles de pollution. Ainsi, dans la mesure où un gaz combustible subit une combustion qui n'est pas totale et donne par exemple de l'oxyde de carbone, la chaleur de combustion de ce gaz n'est pas complètement libérée et, en conséquence, le rendement du gaz n'est pas maximal.
Selon l'invention, certains additifs qui sont tous des composés non toxiques qui, par combustion, ne donnent pas de sous-produits responsables de pollution et qui sont sûrs à manipuler, augmentent nettement la capacité de travail d'un combustible. Bien que l'invention ne soit nullement limitée par une théorie quelconque, il semble que des additifs pour combustible utilisés selon l'invention, ajoutés à un gaz combustible industriel, augmentent le rendement de ce combustible et sa capacité de travail parce qu'ils augmentent la quantité d'énergie libérée par la chaleur de combustion des additifs pour combustible. Ainsi, lorsque des gaz combustibles industriels, tels que le gaz naturel, sont saturés par les additifs de l'invention mélangés à de l'oxygène et brûlés, la flamme libère une quantité très importante de chaleur et a une température très élevée.
Le transfert de chaleur est très efficace lorsque l'additif utilisé émet des radiations dont la longueur d'onde correspond à des radiations facilement absorbées par la matière, le métal, l'alliage ou analogue à traiter.
Les additifs utilisés selon l'invention sont liquides à la température et à la pression ambiantes. Cependant, dans un traitement habituel mettant en oeuvre des combustibles industriels de type classique, le combustible passe dans un récipient qui contient ces additifs avant la combustion. Le gaz combustible industriel vaporise une quantité donnée des additifs liquides de l'invention qui est directement proportionnelle à la tension de vapeur. La saturation complète d'un gaz combustible industriel par les vapeurs des additifs liquides nécessite parfois la circulation du gaz combustible industriel dans au moins deux récipients contenant ces additifs liquides, ces récipients pouvant être disposés en série.
Les additifs convenant dans le cas des gaz combustibles industriels, comme indiqué, sont liquides dans les conditions de pression et de température ambiantes, ne donnent que des sous-produits contenant du carbone et de l'hydrogène après combustion et sont choisis parmi les hydrocarbures, les alcools, les esters ou un de leurs mélanges.
Les hydrocarbures préférés sont les alcanes à chaîne droite ou ramifiée et les cycloalcanes en Cs à C20, Les alcènes et alcines à chaîne droite ou ramifiée et les cycloalcènes et cycloalcines en Ci à C20, les dérivés aromatiques monocycliques, c'est-à-dire les benzènes et les dérivés aromatiques polycycliques, c'est-à-dire les naphtalènes, les anthracènes et les phénanthrènes. En outre, les arènes en C7 à C20, c'est-à-dire les benzènes substitués par des radicaux à chaîne droite ou ramifiée conviennent.
Le paragraphe suivant comprend une liste des alcanes en
Ci à C20 qui conviennent: n-pentane, 2-méthylbutane, 2,2-diméthylpropane, n-hexane, 2-méthylpentane, 3-méthylpentane, 2,2,-diméthylbutane; 2,2-diméthylbutane, n-heptane, 2-méthylhexane, 3-méthylhexane, 3-éthylpentane, 2,2-diméthylpentane, 2,3-diméthylpentane, 2,4-diméthylpentane, 3,3-diméthylpentane, 2,2,3-triméthylbutane, n-octane, 2-méthylheptane, 3-rnéthylheptane, 4-méthylheptane, 3-éthylhexane, 2,2-diméthylhexane, 2,3-diméthylhexane, 2,4-diméthylhexane, 2,5-diméthylhexane, 3,3-diméthylhexane, 3,4-diméthylhexane, 2-méthyl-3-éthylpentane, 3-méthyl-3-éthylpentane, 2,2,3-triméthylpentane, 2,2,4-triméthylpentane, 2,3,3 triméthylpentane, 2,3,4-triméthylpentane, 2,2,3,3-tétraméthylbutane, n-nonane,
2-méthyloctane, 3-méthyloctane, 4-méthyloctane, 3-éthylheptane, 2,2-diméthylheptane, 2,6-diméthylheptane, 2,2,4-triméthylhexane, 2,2, 5-triméthylhexane, 2, 3,3-triméthylhexane, 2,3,5-triméthylhexane, 2,4,4-triméthylhexane, 3 ,3,4-triméthylhexane, 3,3-diéthylpentane, 2,2-diméthyl-3 -éthylpentane, 2,4,diméthyl-3-éthylpentane, 2,4,diméthyl-3-éthylpentane, 2,2,3,3-tétraméthylpentane, 2,2,3,4-tétraméthylpentane, 2,2,4,4-tétraméthylpentane, 2,3,3,4-tétraméthylpentane, n-décane, 2-méthylnonane, 3-méthylnonane, 4-méthylnonane, 5-méthylnonane,
2,7-diméthyloctane, 2,2,6-triméthylheptane,
n-undécane, n-dodécane, n-tridécane, n-tétradécane, n-pentadécane, n-hexadécane, n-heptadécane, n-octadécane, n-nonadécane, n-eicosane.
Le paragraphe suivant comprend certains des dérivés hydrocarbonés du type des cycloalcanes en Ci à C20 qui conviennent: cyclopentane, méthylcyclopentane, éthylcyclopentane, 1, 1-diméthylcyclopentane, 1 ,cis-2-diméthycyclopentane, 1 ,trans-2-diméthylcyclopentane, 1 ,cis-3 -diméthylcyclopentane, 1 ,trans-3-diméthylcyclopentane, n-propylcyclopentane, isopropylcyclopentane, 1 -rnéthyl-1-éthylcyclopentane, 1 -méthyl-cis-2-éthylcyclopentane, 1-méthyl-trans-2-éthylcyclopentane, 1 -méthyl-cis-3 -éthylcyclopentane,
1-méthyl-trans-3 -éthylcyclopentane, 1,1,2-triméthylcylopentane, 1, 1,3-triméthylcyclopentane, 1 ,cis-2-cis-3-trnn.éthylcyclopentane, 1 ,cis-2-trans-3-triméthylcyclopentane,
1 ,trans-2,cis-3-triméthylcyclopentane, 1 ,ds-2,cis-4-triméthylcyclopentane, 1 ,cis-2,trans-4-triméthylcyclopentane, 1 ,trans-2,cis-4-triméthylcyclopentane, n-butylcyclopentane, isobutylcyclopentane, sec-butylcyclopentane, tert-butylcyclopentane, 1-méthyl-cis-2-n-propylcyclopentane, l-méthyl-trans-2-n-propylcyclopentane, 1-méthyl-2-isopropylcyclopentane, 1 ,cis-2-diéthylcyclopentane, 1 ,trans-2-diéthylcyclopentane, cyclohexane, méthylcyclohexane, éthylcyclohexane, 1, 1-diméthylcyclohexane, 1 ,cis-2-diméthylcyclohexane, 1 ,trans-2-diméthylcyclohexane, 1 ,cis-3-diméthylcyclohexane, 1 ,trans-3 -diméthylcyclohexane, 1 ,cis-4-diméthylcyclohexane, 1 ,trans-4-diméthylcyclohexane, n-propylcyclohexane, isopropylcyclohexane,
1,1 ,2-triméthylcyclohexane, 1,1 ,3-triméthylcyclohexane, 1 ,trans-2,trans-4-triméthyicyclohexane, n-butylcyclohexane, isobutylcyclohexane, sec-butylcyclohexane, tert-butylcyclohexane, 1-méthyl-4-isopropylcyclohexane, cycloheptane, éthylcycloheptane, cyclooctane, méthylcyclooctane, cyclononane.
Le paragraphe suivant comprent certains des dérivés hydrocarbonés du type des alcènes en Cs à C20 qui conviennent:
1-pentène, cis-2-pentène, trans-2-pentène, 2-méthyl- 1-butène, 3-méthyl- 1-butène,
2-méthyl-2-butène, 1-hexène, cis-2-hexène,
trans-2-hexène, cis-3-hexène, trans-3-hexène,
2-méthyl- 1-pentène, 3-méthyl-1-pentène, 4-méthyl- 1-pentène, 2-méthyl-2-pentène, 3-méthyl-trans-2-pentène,
3-méthyl-cis-2-pentène, 4-méthyl-cis-2-pentène, 4-méthyl-trans-2-pentène, 3-méthyl-Åas-2-pentène, 4-méthyl-cis-2-pentène, 4-méthyl-trans-2-pentène, 2,3-diméthyl- 1-butène, 3,3-diméthyl-1-butène,
3,3-diméthyl-2-butène, 1 -heptène, cis-2-heptène, trans-2-heptène, cis-3-heptène, trans-3-heptène, 4,4-diméthyl- 1-pentène, 2,3-diméthyl-2-pentène, 2,3,3-triméthyl 1-butène, 1-octène, cis-2-octène, trans-2-octène, trans-3-octène, cis-4-octène, trans-4-octène, 2-méthyl- 1-heptène, 2,3-diméthyl-2-hexène, 2,3 3-triméthyl- 1-pentène, 2,4, 4-triméthyl- 1-pentène, 2,4,4-triméthyl-2-pentène, 1-nonène, 2,3-diméthyl-2-heptène.
La paragraphe suivant comprend des cycloalcènes en Cs à
C20 qui conviennent: cyclopentène, cyclohexène, 4-méthylcy clohexène-1, 4-vinyl-cyclohexène- 1, 1,5-cyclooctadiène.
Les composés aromatiques qui conviennent sont le benzène
et, dans le cas de composés aromatiques polycycliques, l'anthracène et le phénanthrène. Le paragraphe suivant comprend
des arènes qui conviennent: toluène, éthylbenzène, 1,2-diméthylbenzène, 1,3-diméthylbenzène, 1,4-diméthylbenzène, n-propylbenzène, isopropylbenzène,
1-méthyl-2-éthylbenzène, 1-méthyl-3-éthylbenzène, 1-méthyl-4-éthylbenzène, 1,2,3-triméthylbenzène,
1 ,2,4-triméthylbenzène, 1,3,5-triméthylbenzène, n-butylbenzène, isobutylbenzène, sec-butylbenzène, tert-butylbenzène, 1-méthyl-2-isopropylbenzène, 1 -méthyl-3-isopropylbenzène, 1 -méthyl-4-isopropylbenzène, styrène, n-méthylstyrène, cis-méthylstyrène, trans-méthylstyrène, o-méthylstyrène, m-méthylstyrène, p-méthylstyrène, phénylacétylène.
Les additifs hydrocarbonés les plus avantageux sont les alcanes à chaîne droite ou ramifiée, les cycloalcanes, les alcènes et les cycloalcènes en Cs à Ci.
Les alcools avantageux sont les mono-, les di- et les polyalcools en Ci à C20 correspondant aux hydrocarbures mentionnés.
Les alcools préférés sont les mono-, les di- et les polyalcools correspondant aux hydrocarbures en Cs à Ci mentionnés, par exemple les pentanols, les hexanols, les heptanols, les obtanols, les penténols, les hexénols, les hepténols et les octénols.
Les esters qui conviennent sont les esters en Ci à C20 des acides carboxyliques aliphatiques et des acides carboxyliques aromatiques lorsqu'ils sont liquides dans les conditions de température et de pression ambiantes. Les esters préférés sont les esters en Cs à Ci des alcools inférieurs en Cl à Ci et des acides carboxyliques aliphatiques inférieurs en Ci à C4.
Comme indiqué, les additifs pour combustibles industriels de l'invention doivent être liquides dans les conditions de température et de pression ambiantes pour plusieurs raisons.
Les additifs liquides sont faciles à manipuler, ces additifs à chaîne courte ont une tension de vapeur notable dans les conditions ambiantes de température et de pression et sont faciles à vaporiser et à mélanger convenablement avec les gaz combustibles industriels, et enfin, ils sont facilement disponibles.
Une chaîne contenant 5 à 20 atomes de carbone convient en général selon l'invention. Lorsque la chaîne contient moins de 5 atomes de carbone, la chaleur de combustion du dérivé hydrocarboné de l'alcool ou de l'ester est suffisamment faible pour que l'additif n'améliore pas nettement le combustible. Par ailleurs, lorsque la chaîne comprend plus de 20 atomes de carbone, la plupart des composés ne sont pas liquides, ou ne sont pas facilement disponibles, et même s'ils sont disponibles et liquides, ils ont une tension de vapeur tellement faible qu'ils ne sont pratiquement pas volatils et que la quantité d'additif présente dans le gaz combustible industriel est très faible.
Il faut également remarquer que les additifs de l'invention sont des composés non substitués, c'est-à-dire qu'ils ne se composent que d'hydrogène et de carbone, avec l'oxygène dans le cas des alcools et des esters. Ces composés ne doivent pas être substitués par exemple par du soufre, du chlore ou d'autres halogènes. Ceci est extrêmement important car les hydrocarbures, les alcools et les esters substitués donnent des sous-produits de combustion qui sont des agents nuisibles de pollution. Par exemple, les composés soufrés et azotés donnent des oxydes de soufre et d'azote qui ont une action nuisible polluante. Ainsi, tous les composés utilisés doivent étre des composés non substitués.
La quantité d'additif pour gaz combustible utilisée peut bien entendu varier dans les limites revendiquées et il va de soi qu'en général plus cette quantité est importante plus la chaleur de combustion est importante et plus le transfert de chaleur efficace possible est important en raison de l'augmentation de la capacité de travail des combustibles lors de la combustion.
Cependant, dans le cas de compositions très riches qui contiennent des pourcentages inhabituellement élevés d'additif, la combustion n'est pas toujours totale et, en conséquence, le rendement diminue et, bien entendu, le coût et la quantité d'oxyde de carbone libéré augmentent. En général, une quantité d'additif comprise entre 0,1% en volume et une quantité correspondant à la saturation à la température et à la pression données du gaz combustible convient. On obtient des résultats satisfaisants lorsque la quantité d'additif est comprise entre 53 g/m3 de gaz combustible et 160 g/m3 de ce même gaz combustible, 80 g/m3 étant particulièrement avantageux.
En ce qui concerne les combustibles utilisés pour le chauffage des chaudières et pour les chauffages doméstiques, une plage de 27 à 80 g d'additif par m3 de gaz combustible convient, 40 g/m3 étant avantageux.
En général, les composés à chaîne droite sont plus avantageux que les composés à chaîne ramifiée et, en conséquence, sont préférés; les alcènes sont légèrement meilleurs que les composés saturés et sont en conséquence avantageux. Les composés à chaîne longue ont un comportement très intéressant au cours du préchauffage et sont donc avantageux dans les cas de compositions destinées à fournir un préchauffage rapide; les composés cycliques peu stables sont meilleurs que les composés cyclique stables, c'est-à-dire que le cyclopentène est meilleur que le cyclohexane.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemples I à 19
Comme indiqué dans le tableau, dans les exemples 1 à 17, le gaz combustible utilisé est un gaz naturel qui comprend pratiquement uniquement du méthane. En général, on peut dire que la quantité de méthane contenu dans le gaz naturel est de l'ordre de 97 %. Le reste est formé d'alcanes inférieurs habituellement en Ci à Ci, tous présents en quantité relativement faible. En outre le tableau indique que dans les exemples 18 et 19, on utilise comme gaz combustible industriel le propane.
Les références 1 et 2 indiquées dans le tableau concernant du gaz naturel utilisé seul sans additif.
Les essais dont les résultats sont indiqués dans le tableau et qui concernent les exemples 1 à 19 sont effectués selon le mode opératoire décrit dans les paragraphes suivants. On fabrique deux générateurs experimentaux. Ces générateurs identiques permettent de faire varier le niveau du liquide d'additif et de régler la concentration de vapeur dans le gaz combustible. Le chalumeau de découpe utilisé est du type habituel et comporte une buse normalisée HF-7. Toutes les analyses dont les résultats sont indiqués dans les exemples 1 à 19 sont effectuées par chromatographie en phase gazeuse avec des détexteurs par ionisation de flamme ou conductibilité thermique.
Les conditions normalisées de découpe utilisées pour l'évaluation de l'efficacité du gaz combustible sont déterminées pour chaque combustible essayé par réglage de la flamme jusqu'à ce que les conditions de découpe soient optimales en l'absence d'additif. Cette découpe est ensuite réalisée comme étalon pour l'évaluation de la qualité des découpes au chalumeau et de l'efficacité de l'additif pour combustible. Au début de chaque essay, on remplit le générateur d'additif à sa capacité maximale. On fait ensuite circuler le gaz combustible dans le générateur afin de vaporiser une certaine quantité de l'additif qui est ensuite entraîné par le gaz combustible dans le chalumeau. On règle le chalumeau pour que la flamme soit optimale et que la vitesse de coupe maximale possible soit obtenue.
On diminue ensuite le niveau de liquide dans le générateur de vapeur par réglage de la hauteur à 30 cm et on répète l'essay de découpe décrit. On règle de nouveau le niveau de
liquide du générateur à 15 cm et on répète l'essay de découpe.
On choisit parmi ces trois essays appliqués à chacun des échantillons celui qui donne la vitesse de découpe optimale pour les évaluations ultérieures. Le barreau d'essay utilisé est en acier à forte teneur en carbone et a une épaisseur de l'ordre de 5 mm.
On détermine le temps de préchauffage de la flamme en fonction du temps nécessaire au perçage d'un trou en un point localisé du métal. On recueille un échantilion des gaz brûlés et du gaz combustible et de l'additif, et on les analyse.
Dans toutes les expériences indiquées dans les exemples 1 à
19, le rapport du combustible à l'oxygène est réglé jusqu'à ce
que la découpe à la flamme soit la meilleure possible pour chaque ensemble de conditions expérimentales. Dans tous les exemples, on utilise le même acier. De même, on utilise le même chalumeau pour tous les essays. Dans chacun des exemples 1 à 19, on obtient une découpe satisfaisante rectiligne présentant un gauchissement faible ou nul dont la surface ne semble pas irrégulière et qui ne présente pas de déformation, la quantité de laitier présente étant très faible et facile à éliminer. Dans les exemples 1 à 17, le combustible est le gaz naturel et dans les exemples 8 à 19 le combustible est le propane.
On calcule les économies en combustible, en oxygène et en production selon les formules suivantes:
51-52
économie de production = x 100%
S2
Si = vitesse de découpe avec additif
S2 = vitesse de découpe en présence de gaz naturel
uniquement Fl-F2
économie de combustible = X 100%
F2
Fi = longueur découpée par mn en présence d'additif
F2 = longueur découpée par mn en présence de gaz naturel
uniquement
économie d'oxygène = Ol - O2 x 100%
O2
O1 = longueur découpée par unité de volume d'oxygène
en présence d'additif
O2 = longueur découpée par unité de volume d'oxygène
en présence de gaz naturel uniquement Exemple Additif Temps de Vitesse de Générateur Tension de Concen- Pour- Débit Débit Economie Economie
Augmen
N pré- découpe hauteur vapeur tration de centage du com- d'oxygène de combus- d'oxygène tation de la
chauffage, Pa à la vapeur volumique bustible tible production
dans le gaz de CO2
combus- dans les
tible, % en gaz brûlés
s cm/mn en cm 21 C volume m /h m /h % % % 1 1-pentène 33,0 45,7 15,2 7,4 104 19,0 3,90 0,57 1,56 40,6 39,2 12,5 2 cyclopentane 28,9 45,7 45,7-30,5 3,65 104 12,0 1,30 0,57 1,42 40,6 53,2 12,5
15,2 3 n-heptane 72,0 43,2 45,7 1,1 104 (38 C) 4,0 0,90 0,57 1,36 32,8 50,4 6,3 4 2,2,4-triméthyl-pentane 29,7 40,6 45,7 5,5 10 (38 C) 1,9 5,25 0,57 1,42 25,0 36,2 0,0 5 n-octane 16,0 43,2 30,5 3,45 10 (38 C) 0,40 4,50 0,57 1,42 32,8 44,7 6,3 6 méthyl-benzène 103,0 41,9 45,7 2,75 10 0,40 5,00 0,57 1,13 28,9 75,5 3,1 7 2,2-diméthylpropane 1,54 105 100,0 8 cyclohexane 75,0 45,7 15,2 2,28 104 (38 C) 3,4 5,70 0,57 1,42 40,6 53,2 12,5 9 1 partie 1,5 hexadiène 4,9 104
3,7
2 parties 3,3-diméthyl-1-butène 99,5 47 35,6 9,05 104 11,7 4,60 0,57 1,42 44,5 57,4 15,6 10 SAE 10W huile moteur 75,0 45,7 45,7 < 1,0 2,25 0,57 1,42 40,6 57,3 12,5 11 mélange d'hexanes 59,8 40,6 45,7 1,1 104 8,5 4,00 0,57 1,56 25,0 23,4 0,0 12 n-pentane 32,5 43,2 40,6 5,93 104 30,0 5,75 0,57 1,84 32,8 13,0 6,3 13 2-méthylbutane 33,3 43,2 45,7 7,85 104 39,0 3,00 0,57 2,26 32,8 9,6 6,3 14 mélange spécial de -n-pentane 15,0
iso-pentane 48,3 45,7 45,7 6,55 104 5,0 1,40 0,51 1,70 56,3 27,7 12,5
et d'hexanes 3,0 15 1-octène 43,3 44,5 30,5 1,38 10 0,30 1,60 0,57 1,42 36,7 48,9 9,4 16 Wesson Oil 41,5 40,6 45,7 < 1,0 0,57 1,42 25,0 36,2 0,0 17 Alcool à brûler 50,0 41,9 30,5 3,0 0,57 1,42 28,9 40,4 3,1 18 n-pentane 109,0 48,3 45,7 5,93 104 30,0 0,80 0,45 1,98 86,0 15,5 18,8 19 Cyclopentane 84,0 48,3 45,7 3,65 104 12,0 7,25 0,51 1,64 64,8 39,0 18,8
Témoins N 1-gaz naturel 109,0m
40,6 0,71 1,93
Témoins N 2-gaz naturel 106,0 40,6 0,71 1,93
Dans les exemples précédents, les économies de combustible et d'oxygène et l'augmentation de la production sont calculées comme indiqué.
La comparaison des combustibles contenant les additifs de l'invention et des combustibles témoins No. 1 et 2 met en évidence une augmentation notable de la vitesse de découpe, une augmentation importante des rendements des combustibles et de l'oxygène, une diminution du temps de préchauffage et, comme indiqué, une amélioration de la qualité de la découpe.
Exemple 20
L'exemple suivant concerne un combustible industriel utilisé pour le chauffage d'une chaudière. Ce combustible comprend 4 parties en volume de pentane normal, 4 parties en volume d'isopentane et 1 partie en volume d'isomère de l'hexane. Dans la suite de cet exemple, ce combustible est appelé composition contenant l'additif .
La chaudière utilisée est une chaudière Powermaster du type 3 dont la puissance nominale est de 1960 kW, qui donne 1960 kW thermique et 3,14 t de vapeur d'eau, et qui a une capacité de chauffage d'eau de 3500 m2. Les dimensions de la chaudière sont les suivantes: longueur: 5,35 m, largeur 2 m, hauteur 2,90 m.
L'eau qui alimente la chaudière est le condensat provenant de plusieurs dispositifs de chauffage disposés à différents endroits de l'usine. Le gaz naturel pénètre dans la chambre de combustion par un brûleur du type habituel. Le brûleur est alimenté en air à volume et pression constants par un ventilateur de 3,7 kW. La quantité de combustible qui alimente le brûleur est réglée automatiquement par des vannes du type habituel. La pression de vapeur d'eau dans la chaudière est maintenue à 7.104 Pa, l'eau condensée étant inférieure à 0,5 %.
On effectue deux essays avec cette chaudière. Dans un premier essay, le brûleur n'est alimenté qu'en gaz naturel, l'air étant fourni au brûleur par un ventilateur à vitesse constante dont le moteur a une puissance de 3,7 kW.
L'énergie recueillie provient de la vapeur d'eau saturée sèche sous une pression de 7.104 Pa et des gaz de cheminée à 150-1630C et des radiations émises par la surface de la chaudière.
Dans ces essays, on utilise du gaz naturel dont le pouvoir
calorifique est de 9000 kcal/m3 et du gaz naturel contenant la composition d'additif à raison de 393 g/m3.
Résultats
Combustible utilisé
Gaz naturel sans additif 43,45 m3/h
Gaz naturel plus additif 29,45 m3/h
Economie combustible 13,97 m /h
Economie en pour-cent- 43,45-29,45 X 100=47%
-----------
29,45
Alimentation en eau de la chaudière
Durée de l'alimentation à la pression de 9,3 104 Pa
Durée totale
d'alimentation
par heure
En l'absence d'additif 10,7 mn
En présence d'additif 10,8 mn
L'amélioration la plus notable mise en évidence par cet essay est l'économie remarquable de combustible dans le cas où le gaz naturel est utilisé avec la composition d'additif de l'invention. En l'absence de composition d'additif, 47% de gaz naturel sont utilisés en plus pour l'obtention du même travail.
Il faut remarquer que l'additif ne doit pas être corrosif vis-àvis du métal, de l'alliage ou de la matière utilisée à traiter. En outre, cet additif doit émettre des radiations dont la longueur d'onde est comprise dans la plage des longueurs d'onde des radiations les mieux absorbées par le métal, l'alliage ou la matière analogue à traiter.
En présence d'au moins un des additifs non corrosifs décrits, des radiations sont émises, ces radiations ayant une longueur d'onde comprise dans la plage qui correspond aux radiations les mieux absorbées par la matière à traiter et en conséquence la vitesse de réalisation du traitement est augmentée, la quantité de gaz combustible utilisée est minimale, la qualité des découpes, des soudures, des brasures, des rainures, de la fusion, du chauffage ou du traitement analogue est améliorée, et, comme le traitement est réalisé très rapidement, la dureté du métal, de l'alliage ou de la matière analogue à traiter n'est pas modifiée. Comme cette dureté n'a pas été modifiée, la structure cristalline n'est pas sous contrainte, le métal est facile à usiner.
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CLAIMS
1. Industrial fuel, characterized in that it comprises an industrial combustible gas and 0.1% by volume to an amount corresponding to the saturation by vapor (this value being included) of an additive normally liquid under ambient conditions of temperature and pressure, and being chosen from hydrocarbons, alcohols, esters and one of their mixtures.
2. Fuel according to claim 1, characterized in that the combustible gas is natural gas, propane, butane or acetylene.
3. Fuel according to claim 1, characterized in that the additive is chosen by straight or branched chain alkanes and C1 to C20 cycloalkanes, straight or branched chain alkenes and C1 to C20 cycloalkenes, alkines with straight or branched chain and C 1 to C 20 cycloalkines or monocyclic and polycyclic aromatic compounds having less than 20 carbon atoms, and C 7 to C 20 arenes.
4. Fuel according to claim 1, characterized in that the additive is an alcohol chosen from mono- and polyalcohols Ci to C20.
5. Fuel according to claim 1, characterized in that the additive is a C1 to C20 ester.
6. Fuel according to claim 3, characterized in that the additive is a Ci to Ci alkane, a Ci to Ci cycloalkane
C8, a C1-C8 alkene, or a C1-C8 cycloalkene.
7. Fuel according to claim 4, characterized in that the alcohol is Ci to Ci.
8. Fuel according to claim 5, characterized in that the esters are C1 to Ci esters of alcohol and C1 to C4 aliphatic carboxylic acid.
9. Fuel according to claim 1, characterized in that the additive is present in an amount of 53 to 160 g / m3 of combustible gas.
10. Industrial fuel according to claim 1, usable in processes for working metals, characterized in that it essentially comprises propane and a vapor of a liquid hydrocarbon under ambient conditions, this vapor being present in fuels in an amount between 0.1% by volume of the fuel until saturation of said vapor in propane under ambient conditions, the hydrocarbon being a cycloalkane containing 5 to 20 carbon atoms per molecule and providing only carbon and hydrogen.
11. Industrial fuel according to claim 1, usable in processes for working metals, characterized in that it essentially comprises natural gas and a vapor of a liquid hydrocarbon under ambient conditions, this vapor being present in the fuel in a quantity between 0.1% by volume of the fuel until saturation of said vapor in natural gas under ambient conditions, the hydrocarbon being a cycloalkane containing 5 to 20 carbon atoms per molecule and not providing carbon and hydrogen .
12. Industrial fuel according to claim 1, usable in processes for working metals, characterized in that it essentially comprises butane and a vapor of a liquid hydrocarbon under ambient conditions, this vapor being present in the fuel in an amount between 0.1% by volume of the fuel until saturation of said vapor in butane under ambient conditions, the hydrocarbon being a cycloalkane containing 5 to 20 carbon atoms per molecule and providing only carbon and hydrogen.
13. Industrial fuel according to claim 1, usable in processes for working metals, characterized in that it essentially comprises acetylene and a vapor of a liquid hydrocarbon under ambient conditions, this vapor being present in the fuel in an amount between 0.1% by volume of the fuel until saturation of said vapor in acetylene under ambient conditions, the hydrocarbon being a cycloalkane containing 5 to 20 carbon atoms per molecule and providing only carbon and l 'hydrogen.
14. Use of a fuel according to claim 1 for the treatment by cutting or brazing of metals, alloys or ceramic materials.
The invention relates to an industrial fuel which is applicable to cutting, welding, brazing, flame hardening, heating, smelting and grooving techniques for metals, alloys and the like. The application to cutting metals, for example, includes the use of a cutting torch connected to a source of combustible gas and to a source of oxygen. The mixture of oxygen and combustible gas is burnt when in contact with the piece of metal, alloy or similar material to be treated. Usually, the treatment includes a warm-up time during which the amount of oxygen in the gas mixture is slightly reduced.
However, when the metal to be treated reaches a predetermined temperature, that is to say at the end of preheating, the percentage of oxygen in the gas mixture is increased, and, consequently, the temperature of the flame increases. Increasing the flame temperature allows the flame to be used as a suitable heat stroke for cutting, welding, grooving, flame curing, melting or the like of metal or alloy. treat.
The combustible gases usually used in these applications and for heating and other heat transfers are natural gas, propane, acetylene and butane. These gases, when they burn with oxygen, can give very hot flames whose temperature is generally between 2480 and 3040 C sometimes even slightly more.
Obviously, the cost of natural gas, propane, butane and acetylene is significant. Consequently, the treatment yield per quantity of industrial combustible gas used must be as high as possible. This is particularly important when the supply of natural gas, propane, butane and acetylene is limited. The efficiency of an industrial combustible gas and industrial gases used for domestic heating or other heat transfers is measured by the quantity of gas necessary for the performance of a given job and the speed of completion of this job. For example, with regard to combustible gases used for metalworking, it is necessary to measure the cutting speed.
Of course, a reduction in the quantity of combustible gas necessary for the performance of a given operation, associated with an increase in cutting capacity, corresponds to an increase in speed and a corresponding increase in the savings achieved per unit. cutting or welding length, heat treatment or the like. Thus, an ideal combustible gas would allow rapid processing and minimal consumption of fuel and oxygen.
Furthermore, the value of a combustible gas depends on the length of the cut, the weld and the like, obtained for a given combustible gas. The effect of the combustible gas on the metal or alloy to be treated is also a criterion to be considered. For example, treating high carbon alloy steel at high temperatures for extended periods of time changes the crystal structure of the alloy. In particular, the
crystal lattice of an alloy which originally had a centered structure may, after transformation, have a face-centered structure. As a result, the hardness and brittleness of the steel increases. Steel with high hardness is of course very difficult to machine. However, if the combustible gas allows the treatment by a high temperature in a very short time, this time may not be sufficient for the transformation of the crystal lattice structure of the alloy and, consequently, the hardness of the alloy remains unchanged. . Such an alloy is then much easier to machine.
Another important criterion for the choice of an industrial combustible gas, in particular used for cutting, is the general aspect of cutting. A satisfactory cut is generally apparently straight, has little or no warping, little or no oxidation of the metal and little or no slag along the cut. Conversely, a poor quality cut has an irregular surface, a visible general deformation, an excess of slag bonded along the cut (slag is very difficult to remove) and general oxidation along the cut.
In addition, a fuel gas of satisfactory quality must undergo complete combustion and give only carbon dioxide and water. Thus, gases whose qualities are satisfactory as industrial combustible gases but which give oxides of sulfur or nitrogen as by-products are not advantageous because they are responsible for harmful pollution.
The fuel according to the invention does not include the use of harmful additives which give combustion by-products which are polluting agents such as nitrogen oxides and sulfur dioxide.
Knowledge of a certain number of thermodynamic principles is essential for understanding the invention. This brief therefore gives a very basic description of these essential principles.
When a flame is used as a heat source in the case of an industrial fuel intended for the treatment of metals, for example for cutting, or a heat transfer for domestic heating than the like, the transfer takes place according to two mechanisms. On the one hand, it comes from the transfer of kinetic energy released by the combustion of gaseous molecules, often called heat transfer by convention and, on the other hand, it comes from the transfer of heat by radiation of the flame. The combustion of a gas first causes the rapid displacement of the molecules of the gas, these molecules then colliding with the surface of the material to be treated and, by transfer of their kinetic energy, cause an intense vibration of the molecules of the material processed.
These molecules in turn collide with the other molecules of the metal and the movement is thus transmitted to the other face of the treated material.
The higher the heat of combustion of a gas, the higher the flame temperature and the higher the kinetic energy of the gas molecules. Consequently, the kinetic energy transmitted to a treated metallic surface given per unit of time is greater and sufficient to obtain the desired fusion or vaporization of the metal in a relatively short time.
In addition, a flame is also a source of electromagnetic radiation. The relationship between the emission of electromagnetic radiation by a heated solid body and the absorption of radiation by another solid matter is given by Kirchhoff's law of radiation. This law simply indicates that the ability of a given material to emit radiation when heated is proportional to its ability to absorb radiation. Thus, when the radiations are completely absorbed by a material, they are transformed into heat, the quantity of heat being equal to the total energy of the absorbed radiations.
Visible light type thermal radiation is electromagnetic waves and has the known general properties of visible light. In this respect, as in the case of light, the intensity of the radiation or absorption depends not only on the absolute temperature, but also on the nature of the surfaces exposed. Objects that are good heat emitters are also good absorbers of the same type of radiation.
The emission and absorption characteristics of the radiation energy naturally vary with the different materials. Thus, a metal, an alloy, an element or a similar material has emission and absorption characteristics of radiation different from those of another metal, another alloy or another element.
According to the invention, the radiations which have frequencies equal to the natural atomic frequencies of the metal, of the alloy or of the element to be treated are absorbed with great efficiency.
All metals, elements or alloys or other materials that need to be treated generally have a wavelength range within which they can absorb radiation with maximum efficiency. When the metal alloy or similar material is consequently subjected to radiation from a source which emits a high percentage of the radiation which the material to be treated absorbs most efficiently, the transfer of energy by radiation has a maximum efficiency. Thus, a determining factor in the most efficient use of a combustible gas is not the maximum temperature obtained during the combustion of the mixture of combustible gas and oxygen, but the emission of radiation, the length of which wave is such that it is likely to be absorbed by the treated material.
The potential energy of all combustible gases depends on their chemical properties which, themselves, depend on the arrangement of atoms and electrons in molecules.
So when a fuel is burned, heat is released.
The quantity of heat released per unit mass of the gas having undergone total combustion is called the heat of combustion. Thus, during the combustion of a gas, the energy necessary for the formation of the compounds of this gas is released by combustion.
Another measure of the efficiency of a combustible gas depends on the analysis of the gases formed by combustion. The total combustion of a hydrocarbon fuel gives only carbon dioxide and water. This combustion is extremely advantageous since carbon dioxide and water are by-products which have no harmful pollution effects. Thus, insofar as a combustible gas undergoes a combustion which is not complete and gives for example carbon monoxide, the heat of combustion of this gas is not completely released and, consequently, the efficiency of the gas is not maximum.
According to the invention, certain additives which are all non-toxic compounds which, on combustion, do not give by-products responsible for pollution and which are safe to handle, clearly increase the working capacity of a fuel. Although the invention is in no way limited by any theory, it seems that fuel additives used according to the invention, added to an industrial combustible gas, increase the efficiency of this fuel and its working capacity because they increase the amount of energy released by the heat of combustion of fuel additives. Thus, when industrial combustible gases, such as natural gas, are saturated with the additives of the invention mixed with oxygen and burnt, the flame releases a very large amount of heat and at a very high temperature.
Heat transfer is very effective when the additive used emits radiation whose wavelength corresponds to radiation easily absorbed by the material, metal, alloy or the like to be treated.
The additives used according to the invention are liquid at ambient temperature and pressure. However, in a usual treatment using industrial fuels of conventional type, the fuel passes into a container which contains these additives before combustion. Industrial combustible gas vaporizes a given quantity of the liquid additives of the invention which is directly proportional to the vapor pressure. The complete saturation of an industrial combustible gas by the vapors of the liquid additives sometimes requires the circulation of the industrial combustible gas in at least two receptacles containing these liquid additives, these receptacles being able to be arranged in series.
The additives which are suitable in the case of industrial combustible gases, as indicated, are liquid under ambient pressure and temperature conditions, give only by-products containing carbon and hydrogen after combustion and are chosen from hydrocarbons, alcohols, esters or a mixture thereof.
The preferred hydrocarbons are straight or branched chain alkanes and C8 to C20 cycloalkanes, straight or branched chain alkenes and alkines and C1 to C20 cycloalkenes and cycloalkenes, monocyclic aromatic derivatives, i.e. benzenes and polycyclic aromatic derivatives, that is to say naphthalenes, anthracenes and phenanthrenes. In addition, C7 to C20 arenas, that is to say benzene substituted by straight or branched chain radicals are suitable.
The following paragraph includes a list of alkanes in
Ci to C20 which are suitable: n-pentane, 2-methylbutane, 2,2-dimethylpropane, n-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, 2,2, -dimethylbutane; 2,2-dimethylbutane, n-heptane, 2-methylhexane, 3-methylhexane, 3-ethylpentane, 2,2-dimethylpentane, 2,3-dimethylpentane, 2,4-dimethylpentane, 3,3-dimethylpentane, 2,2, 3-trimethylbutane, n-octane, 2-methylheptane, 3-methylheptane, 4-methylheptane, 3-ethylhexane, 2,2-dimethylhexane, 2,3-dimethylhexane, 2,4-dimethylhexane, 2,5-dimethylhexane, 3, 3-dimethylhexane, 3,4-dimethylhexane, 2-methyl-3-ethylpentane, 3-methyl-3-ethylpentane, 2,2,3-trimethylpentane, 2,2,4-trimethylpentane, 2,3,3 trimethylpentane, 2 , 3,4-trimethylpentane, 2,2,3,3-tetramethylbutane, n-nonane,
2-methyloctane, 3-methyloctane, 4-methyloctane, 3-ethylheptane, 2,2-dimethylheptane, 2,6-dimethylheptane, 2,2,4-trimethylhexane, 2,2, 5-trimethylhexane, 2, 3,3- trimethylhexane, 2,3,5-trimethylhexane, 2,4,4-trimethylhexane, 3, 3,4-trimethylhexane, 3,3-diethylpentane, 2,2-dimethyl-3 -ethylpentane, 2,4, dimethyl-3- ethylpentane, 2,4, dimethyl-3-ethylpentane, 2,2,3,3-tetramethylpentane, 2,2,3,4-tetramethylpentane, 2,2,4,4-tetramethylpentane, 2,3,3,4- tetramethylpentane, n-decane, 2-methylnonane, 3-methylnonane, 4-methylnonane, 5-methylnonane,
2,7-dimethyloctane, 2,2,6-trimethylheptane,
n-undecane, n-dodecane, n-tridecane, n-tetradecane, n-pentadecane, n-hexadecane, n-heptadecane, n-octadecane, n-nonadecane, n-eicosane.
The following paragraph includes some of the suitable hydrocarbon derivatives of the C1 to C20 cycloalkanes type: cyclopentane, methylcyclopentane, ethylcyclopentane, 1, 1-dimethylcyclopentane, 1, cis-2-dimethycyclopentane, 1, trans-2-dimethylcyclopentane, 1, cis -3-dimethylcyclopentane, 1, trans-3-dimethylcyclopentane, n-propylcyclopentane, isopropylcyclopentane, 1-methyl-1-ethylcyclopentane, 1-methyl-cis-2-ethylcyclopentane, 1-methyl-trans-2-ethylcyclopentane, 1 -methyl -cis-3 -ethylcyclopentane,
1-methyl-trans-3 -ethylcyclopentane, 1,1,2-trimethylcylopentane, 1, 1,3-trimethylcyclopentane, 1, cis-2-cis-3-trnnéthylcyclopentane, 1, cis-2-trans-3- trimethylcyclopentane,
1, trans-2, cis-3-trimethylcyclopentane, 1, ds-2, cis-4-trimethylcyclopentane, 1, cis-2, trans-4-trimethylcyclopentane, 1, trans-2, cis-4-trimethylcyclopentane, n- butylcyclopentane, isobutylcyclopentane, sec-butylcyclopentane, tert-butylcyclopentane, 1-methyl-cis-2-n-propylcyclopentane, l-methyl-trans-2-n-propylcyclopentane, 1-methyl-2-isopropylcyclopentane, 1, cis-2- diethylcyclopentane, 1, trans-2-diethylcyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, 1, 1-dimethylcyclohexane, 1, cis-2-dimethylcyclohexane, 1, trans-2-dimethylcyclohexane, 1, cis-3-dimethylcyclo 3-dimethylcyclohexane, 1, cis-4-dimethylcyclohexane, 1, trans-4-dimethylcyclohexane, n-propylcyclohexane, isopropylcyclohexane,
1,1, 2-trimethylcyclohexane, 1,1, 3-trimethylcyclohexane, 1, trans-2, trans-4-trimethyicyclohexane, n-butylcyclohexane, isobutylcyclohexane, sec-butylcyclohexane, tert-butylcyclohexane, 1-methylcyclohexane cycloheptane, ethylcycloheptane, cyclooctane, methylcyclooctane, cyclononane.
The following paragraph includes some of the suitable hydrocarbon derivatives of the Cs to C20 alkenes type:
1-pentene, cis-2-pentene, trans-2-pentene, 2-methyl- 1-butene, 3-methyl- 1-butene,
2-methyl-2-butene, 1-hexene, cis-2-hexene,
trans-2-hexene, cis-3-hexene, trans-3-hexene,
2-methyl-1-pentene, 3-methyl-1-pentene, 4-methyl-1-pentene, 2-methyl-2-pentene, 3-methyl-trans-2-pentene,
3-methyl-cis-2-pentene, 4-methyl-cis-2-pentene, 4-methyl-trans-2-pentene, 3-methyl-Åas-2-pentene, 4-methyl-cis-2-pentene, 4-methyl-trans-2-pentene, 2,3-dimethyl-1-butene, 3,3-dimethyl-1-butene,
3,3-dimethyl-2-butene, 1-heptene, cis-2-heptene, trans-2-heptene, cis-3-heptene, trans-3-heptene, 4,4-dimethyl-1-pentene, 2, 3-dimethyl-2-pentene, 2,3,3-trimethyl 1-butene, 1-octene, cis-2-octene, trans-2-octene, trans-3-octene, cis-4-octene, trans-4 -octene, 2-methyl- 1-heptene, 2,3-dimethyl-2-hexene, 2,3 3-trimethyl- 1-pentene, 2,4, 4-trimethyl- 1-pentene, 2,4,4- trimethyl-2-pentene, 1-nonene, 2,3-dimethyl-2-heptene.
The following paragraph includes Cs cycloalkenes at
C20 which are suitable: cyclopentene, cyclohexene, 4-methylcy clohexene-1, 4-vinyl-cyclohexene-1, 1,5-cyclooctadiene.
The suitable aromatics are benzene
and, in the case of polycyclic aromatic compounds, anthracene and phenanthrene. The following paragraph includes
suitable arenas: toluene, ethylbenzene, 1,2-dimethylbenzene, 1,3-dimethylbenzene, 1,4-dimethylbenzene, n-propylbenzene, isopropylbenzene,
1-methyl-2-ethylbenzene, 1-methyl-3-ethylbenzene, 1-methyl-4-ethylbenzene, 1,2,3-trimethylbenzene,
1, 2,4-trimethylbenzene, 1,3,5-trimethylbenzene, n-butylbenzene, isobutylbenzene, sec-butylbenzene, tert-butylbenzene, 1-methyl-2-isopropylbenzene, 1-methyl-3-isopropylbenzene, 1 -methyl- 4-isopropylbenzene, styrene, n-methylstyrene, cis-methylstyrene, trans-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, phenylacetylene.
The most advantageous hydrocarbon additives are straight or branched chain alkanes, cycloalkanes, alkenes and Cs to Ci cycloalkenes.
The advantageous alcohols are mono-, di- and polyalcohols, C1 to C20 corresponding to the hydrocarbons mentioned.
The preferred alcohols are the mono-, di- and polyalcohols corresponding to the C 1 -C 1 hydrocarbons mentioned, for example pentanols, hexanols, heptanols, obtanols, pentenols, hexenols, heptenols and octenols.
Suitable esters are the C1 to C20 esters of aliphatic carboxylic acids and aromatic carboxylic acids when they are liquid under ambient temperature and pressure conditions. The preferred esters are the C 1 -C 4 esters of the lower C 1 -C alcohols and the lower C 1 -C 4 aliphatic carboxylic acids.
As indicated, the industrial fuel additives of the invention must be liquid under ambient temperature and pressure conditions for several reasons.
Liquid additives are easy to handle, these short-chain additives have a significant vapor pressure under ambient temperature and pressure conditions and are easy to vaporize and mix properly with industrial combustible gases, and finally, they are readily available .
A chain containing 5 to 20 carbon atoms is generally suitable according to the invention. When the chain contains less than 5 carbon atoms, the heat of combustion of the hydrocarbon derivative of the alcohol or of the ester is sufficiently low that the additive does not significantly improve the fuel. On the other hand, when the chain contains more than 20 carbon atoms, most of the compounds are not liquid, or are not readily available, and even if they are available and liquid, they have a vapor pressure so low that they are practically not volatile and the quantity of additive present in the industrial combustible gas is very small.
It should also be noted that the additives of the invention are unsubstituted compounds, that is to say that they consist only of hydrogen and carbon, with oxygen in the case of alcohols and esters . These compounds should not be substituted, for example, with sulfur, chlorine or other halogens. This is extremely important because hydrocarbons, alcohols and substituted esters give combustion by-products which are harmful agents of pollution. For example, sulfur and nitrogen compounds give sulfur and nitrogen oxides which have a harmful polluting action. Thus, all of the compounds used must be unsubstituted compounds.
The quantity of fuel gas additive used can of course vary within the claimed limits and it goes without saying that in general the greater this quantity the greater the heat of combustion and the greater the possible effective heat transfer due increase in the working capacity of fuels during combustion.
However, in the case of very rich compositions which contain unusually high percentages of additive, the combustion is not always complete and, consequently, the yield decreases and, of course, the cost and the amount of carbon monoxide released increase. In general, an amount of additive of between 0.1% by volume and an amount corresponding to the saturation at the given temperature and pressure of the combustible gas is suitable. Satisfactory results are obtained when the amount of additive is between 53 g / m3 of combustible gas and 160 g / m3 of this same combustible gas, 80 g / m3 being particularly advantageous.
With regard to the fuels used for heating boilers and for domestic heating, a range of 27 to 80 g of additive per m3 of combustible gas is suitable, 40 g / m3 being advantageous.
In general, straight chain compounds are more advantageous than branched chain compounds and, therefore, are preferred; alkenes are slightly better than saturated compounds and are therefore advantageous. The long chain compounds have a very interesting behavior during preheating and are therefore advantageous in the case of compositions intended to provide rapid preheating; unstable cyclic compounds are better than stable cyclic compounds, that is to say that cyclopentene is better than cyclohexane.
The following examples illustrate the invention.
Examples I to 19
As indicated in the table, in Examples 1 to 17, the combustible gas used is a natural gas which comprises practically only methane. In general, we can say that the quantity of methane contained in natural gas is around 97%. The remainder is formed from lower C1 to Ci alkanes, all of which are present in relatively small amounts. In addition, the table indicates that in Examples 18 and 19, propane is used as an industrial fuel gas.
References 1 and 2 indicated in the table concerning natural gas used alone without additive.
The tests, the results of which are indicated in the table and which relate to Examples 1 to 19, are carried out according to the procedure described in the following paragraphs. We make two experimental generators. These identical generators make it possible to vary the level of the additive liquid and to regulate the concentration of vapor in the combustible gas. The cutting torch used is of the usual type and includes a standardized HF-7 nozzle. All the analyzes, the results of which are indicated in Examples 1 to 19, are carried out by gas chromatography with detoxifiers by flame ionization or thermal conductivity.
The standard cutting conditions used for the evaluation of the fuel gas efficiency are determined for each fuel tested by adjusting the flame until the cutting conditions are optimal in the absence of additive. This cut is then carried out as a standard for the evaluation of the quality of the torch cuts and the efficiency of the fuel additive. At the start of each test, the additive generator is filled to its maximum capacity. The combustible gas is then circulated in the generator in order to vaporize a certain quantity of the additive which is then entrained by the combustible gas in the torch. The torch is adjusted so that the flame is optimal and the maximum possible cutting speed is obtained.
Then decrease the liquid level in the steam generator by adjusting the height to 30 cm and repeat the cutting test described. We re-adjust the level of
liquid from the generator at 15 cm and the cutting test is repeated.
We choose from these three tests applied to each of the samples the one that gives the optimal cutting speed for subsequent evaluations. The test bar used is made of steel with a high carbon content and has a thickness of the order of 5 mm.
The flame preheating time is determined as a function of the time required to drill a hole at a localized point on the metal. A sample of the flue gases and combustible gas and the additive is collected and analyzed.
In all the experiments indicated in examples 1 to
19, the ratio of fuel to oxygen is adjusted until
that flame cutting is the best possible for each set of experimental conditions. In all the examples, the same steel is used. Likewise, the same torch is used for all the trials. In each of Examples 1 to 19, a satisfactory rectilinear cut is obtained, exhibiting little or no warping, the surface of which does not appear irregular and which does not exhibit any deformation, the quantity of slag present being very small and easy to remove. In Examples 1 to 17, the fuel is natural gas and in Examples 8 to 19 the fuel is propane.
Fuel, oxygen and production savings are calculated using the following formulas:
51-52
production savings = x 100%
S2
Si = cutting speed with additive
S2 = cutting speed in the presence of natural gas
only Fl-F2
fuel saving = X 100%
F2
Fi = cut length per minute in the presence of additive
F2 = length cut by min in the presence of natural gas
only
oxygen saving = Ol - O2 x 100%
O2
O1 = length cut out per unit volume of oxygen
in the presence of additive
O2 = cut length per unit volume of oxygen
in the presence of natural gas only Example Additive Generator Speed Time Voltage of Concentrate- Flow Flow Flow Economy Economy
Augmen
N pre-cut steam height centering of the combustion oxygen combi- oxygen of the
heating, Pa steam volume bustible tible production
in CO2 gas
combus- in
tible,% in burnt gases
s cm / min in cm 21 C volume m / hm / h%%% 1 1-pentene 33.0 45.7 15.2 7.4 104 19.0 3.90 0.57 1.56 40.6 39 , 2 12.5 2 cyclopentane 28.9 45.7 45.7-30.5 3.65 104 12.0 1.30 0.57 1.42 40.6 53.2 12.5
15.2 3 n-heptane 72.0 43.2 45.7 1.1 104 (38 C) 4.0 0.90 0.57 1.36 32.8 50.4 6.3 4 2.2, 4-trimethyl-pentane 29.7 40.6 45.7 5.5 10 (38 C) 1.9 5.25 0.57 1.42 25.0 36.2 0.0 5 n-octane 16.0 43.2 30.5 3.45 10 (38 C) 0.40 4.50 0.57 1.42 32.8 44.7 6.3 6 methyl benzene 103.0 41.9 45.7 2, 75 10 0.40 5.00 0.57 1.13 28.9 75.5 3.1 7 2,2-dimethylpropane 1.54 105 100.0 8 cyclohexane 75.0 45.7 15.2 2.28 104 (38 C) 3.4 5.70 0.57 1.42 40.6 53.2 12.5 9 1 part 1.5 hexadiene 4.9 104
3.7
2 parts 3,3-dimethyl-1-butene 99.5 47 35.6 9.05 104 11.7 4.60 0.57 1.42 44.5 57.4 15.6 10 SAE 10W engine oil 75, 0 45.7 45.7 <1.0 2.25 0.57 1.42 40.6 57.3 12.5 11 mixture of hexanes 59.8 40.6 45.7 1.1 104 8.5 4.00 0.57 1.56 25.0 23.4 0.0 12 n-pentane 32.5 43.2 40.6 5.93 104 30.0 5.75 0.57 1.84 32.8 13.0 6.3 13 2-methylbutane 33.3 43.2 45.7 7.85 104 39.0 3.00 0.57 2.26 32.8 9.6 6.3 14 special mixture of -n -pentane 15.0
iso-pentane 48.3 45.7 45.7 6.55 104 5.0 1.40 0.51 1.70 56.3 27.7 12.5
and hexanes 3.0 15 1-octene 43.3 44.5 30.5 1.38 10 0.30 1.60 0.57 1.42 36.7 48.9 9.4 16 Wesson Oil 41, 5 40.6 45.7 <1.0 0.57 1.42 25.0 36.2 0.0 17 Methyl alcohol 50.0 41.9 30.5 3.0 0.57 1.42 28, 9 40.4 3.1 18 n-pentane 109.0 48.3 45.7 5.93 104 30.0 0.80 0.45 1.98 86.0 15.5 18.8 19 Cyclopentane 84.0 48.3 45.7 3.65 104 12.0 7.25 0.51 1.64 64.8 39.0 18.8
Witnesses N 1-natural gas 109.0m
40.6 0.71 1.93
Witnesses N 2-natural gas 106.0 40.6 0.71 1.93
In the previous examples, fuel and oxygen savings and increased production are calculated as shown.
The comparison of the fuels containing the additives of the invention and the control fuels No. 1 and 2 shows a notable increase in the cutting speed, a significant increase in the yields of the fuels and of oxygen, a reduction in the time of preheating and, as indicated, an improvement in the quality of the cut.
Example 20
The following example concerns an industrial fuel used for heating a boiler. This fuel comprises 4 parts by volume of normal pentane, 4 parts by volume of isopentane and 1 part by volume of the isomer of hexane. In the remainder of this example, this fuel is called a composition containing the additive.
The boiler used is a Powermaster type 3 boiler whose nominal power is 1960 kW, which gives 1960 kW thermal and 3.14 t of steam, and which has a water heating capacity of 3500 m2. The dimensions of the boiler are as follows: length: 5.35 m, width 2 m, height 2.90 m.
The water that feeds the boiler is condensate from several heaters located at different locations in the factory. Natural gas enters the combustion chamber through a burner of the usual type. The burner is supplied with air at constant volume and pressure by a 3.7 kW fan. The quantity of fuel which feeds the burner is regulated automatically by valves of the usual type. The steam pressure in the boiler is maintained at 7.104 Pa, the condensed water being less than 0.5%.
Two tests are carried out with this boiler. In a first test, the burner is only supplied with natural gas, the air being supplied to the burner by a constant speed fan whose motor has a power of 3.7 kW.
The energy collected comes from saturated dry steam at a pressure of 7.104 Pa and flue gases at 150-1630C and radiation emitted from the surface of the boiler.
In these tests, we use natural gas whose power
calorific is 9000 kcal / m3 and natural gas containing the additive composition at a rate of 393 g / m3.
Results
Fuel used
Natural gas without additive 43.45 m3 / h
Natural gas plus additive 29.45 m3 / h
Fuel economy 13.97 m / h
Economy in percent- 43.45-29.45 X 100 = 47%
-----------
29.45
Boiler water supply
Pressure supply time of 9.3 104 Pa
Total duration
feed
per hour
In the absence of an additive 10.7 min
In the presence of an additive 10.8 min
The most notable improvement highlighted by this test is the remarkable fuel economy in the case where natural gas is used with the additive composition of the invention. In the absence of additive composition, 47% of natural gas is used in addition to obtain the same work.
It should be noted that the additive must not be corrosive towards the metal, the alloy or the material used to be treated. In addition, this additive must emit radiation whose wavelength is within the range of the wavelengths of the radiation best absorbed by the metal, alloy or similar material to be treated.
In the presence of at least one of the non-corrosive additives described, radiations are emitted, these radiations having a wavelength included in the range which corresponds to the radiations best absorbed by the material to be treated and consequently the speed of realization of the treatment is increased, the quantity of combustible gas used is minimal, the quality of the cuts, welds, solders, grooves, melting, heating or the like is improved, and, as the treatment is carried out very quickly, the hardness of the metal, alloy or similar material to be treated is not changed. As this hardness has not been modified, the crystal structure is not under stress, the metal is easy to machine.