<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention a pour objet un four permettant d'effectuer la réaction de combustion partielle d'hydrocarbures en vue notamment de la production d'hydrocarbures non saturés, dont en parti- culier l'acétylène.
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 combus- tion partielle et la pyrolyse, et à stabiliser ensuite les produits de réaction par refroidissement brusque.
<Desc/Clms Page number 2>
Pour éviter une dépense excessive en oxygène, il est avan- tageux d'effectuer un préchauffage aussi poussé que possible du com- burant 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 préchauf- fage, 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 tous cas supérieures à celle de la propa- gation de la flamme dans ce mélange considéré à sa température maximum de préchauffage. Il en résulte non seulement des dépenses énergétiques élevées pour assurer l'écoulement des réactifs 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 réac- tion reste de toute manière mal déterminé, au détriment des teneurs et des rendements souhaités.
L'objet de la présente invention est de remédier à ces différents inconvénients et de 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
<Desc/Clms Page number 3>
rapide de ces réactifs, ainsi qu'une distribution parfaitement homo- gène dans la chambre de combustion.
Ces dispositifs particuliers consistent essentiellement à remplacer le mélangeur central, généralement utilisé jusqu'à présent, par un ensemble de mélangeurs de faible section. A cet effet, le four comprend plusieurs tubes de mélange, de faible section trans- versale, reliant une chambre d'alimentation d'un ou plusieurs des réactifs gazeux à la chambre de combustion de ce four, et plusieurs tubes éjecteurs pour l'introduction de l'autre ou des autres réactifs à l'entrée d'alimentation de ces tubes de mélange, de façon à faire passer les gaz d'une autre chambre d'alimentation dans 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 correspondante est fonction des proportions dans lesquelles les réac- tifs gazeux doivent être mélangés dans ces tubes de mélange.
La nature de la présente invention apparaîtra plus claire- ment par la description de fours de pyrolyse tels que représentés aux schémas en annexe où la figure I est une coupe transversale d'un four vertical du type circulaire, et les figures II et III représen- tent des formes particulières de réalisation.
Suivant la figure I, 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, sépa- rant 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 cir- culation d'eau autour de ces tubes. Elle se prolonge dans la chambre d'alimentation 3, où elle soutient une grille 4 autour des tubes
<Desc/Clms Page number 4>
éjecteurs 2. Les chambres d'alimentation 1 et 3 sont munies de con- duites d'amenée 17 et 18, la conduite 18 communiquant avec le compar- timent 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 comburant ou le combustible, préalablement pré- chauffé, amené par la conduite 17 dans la chambre d'alimentation 1, passe, par les tubes 2, dans les entrées d'alimentation 5. L'autre réac- tif 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 cham- bre de combustion 9, où se produit la combustion partielle du combus- tible hydrocarboné.
Suivant la figure II, 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 11 se prolongeant,à travers la chambre d'alimentation, jusqu'à l'entrée 15 d'un des tubes éjec- teurs 2. En employant le four de la figure II, le 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 supplé- mentaire à travers le tube 11 a pour effet d'enrichir localement le mélange réactionnel en 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 11 pour ajouter un ou plusieurs hydrocarbures ou comburants au mélange réac- tionnel, en vue d'obtenir une réaction mixte de combustion partielle et de pyrolyse.
<Desc/Clms Page number 5>
Suivant la figure III, la plaque 20 est perforée pour former les entrées 21 et 22 d'un tube éjecteur 12 et d'un tube d'alimenta- tion 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 res- pectivement l'arrivée dans cette chambre de réaction 9 du gaz prove- nant 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 multpliant, la fonction mélange qui s'effectue de manière simple, avec le maximum d'efficacité et le minimum de temps, dans un ensemble de tubes indi- viduels de petite section.
En plus de ces avantages, au point de vue facilité et rapi- dité du mélange, autorisant de la sorte un préchauffage poussé des réactifs, les dispositifs suivant l'invention permettent, en outre, une distribution homogène du mélange préchauffé dans la chambre de combustion. Il en résulte un maximum de stabilité de la réaction et une homogénéité complète de l'état réactionnel dans toute tranche transversale de cette chambre 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
<Desc/Clms Page number 6>
où l'on doit effectuer le refroidissement brusque des produits gazeux de réaction.
De plus, l'emploi de tubes de mélange à section transver- sale réduite conduit à une faible turbulence, même à des vitesses d'alimentation élevées, réduisant ainsi les retours de flammes éven- tuels dans le dispositif d'alimentation.
Exempte¯1
Un four, tel que représenté à la figure I, compte 36 tubes de mélange 6 en acier réfractaire, répartis en plusieurs cercles concentriques, chacun de ces tubes ayant un diamètre intérieur de
11 mm. et une longueur de 200 mm. Par la conduite 18, on introduit .
220 m3 par heure (mesurés aux conditions normales, à 0 C. et 760 mm.Hg) de méthane à 98 % de pureté, préchauffé à 750 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 m3N/H. d'oxygène à 98 % de pureté, préchauffé également à 750 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 . Les gaz de pyrolyse sont brusquement refroidis. On obtient 440 m3N/heure de gaz de pyro- lyse, compté sec, contenant 9 % en volume d'acétylène.
Le dispositif suivant la présente invention permet d'ail- leurs de traiter des gaz fortement préchauffés, sans crainte d'igni- tion 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 500 C. pour éviter, avec des mélanges homogènes des réactifs, le phénomène de pré-ignition dans la chambre de mélange. Dans ces con- ditions, 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 figure II.
<Desc/Clms Page number 7>
Ce four comprend 36 tubes de mélange 6- dais lesquels on in troduit respectivement 220 m3N/H. de méthane à 98% de puretés par la chambre 3 et la grille 4, et 115 m3N/H d'oxygéne à 98 % de puretée, par la chambre 1 et les 36 tubes 2. Par 4 tubes 11,on introduit 15 m3N/H. d'oxygène. Les réactifs sont préchauffés à ?50 Ce Le gaz de pyrolyse contient 9 % en volume d'acétylène (calculé sur le gaz sec).
Une variante consiste à introduire les 15 m3N/H. d'oxygène, non plus par les 4 tubes 11, mais par 4 tubes 12 ou 4 tubes 13, comme représenté à la figure III, les autres 115 m3N/H. d'oxygène étant amenés par 32 tubes 2 dans les tubes 6.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to a furnace making it possible to carry out the reaction for the partial combustion of hydrocarbons with a view in particular to the production of unsaturated hydrocarbons, of which in particular acetylene.
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. via a distributor, into a reaction chamber, where partial combustion and pyrolysis take place, and then stabilize the reaction products by sudden cooling.
<Desc / Clms Page number 2>
To avoid excessive oxygen consumption, it is advantageous to preheat the fuel and 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 heretofore, the reagents are generally preheated separately, then mixed in an expansion chamber of relatively large volume to ensure sufficiently intimate mixing, which limits the preheating temperature, if one is concerned. wants to avoid a pre-ignition of the mixture or a flashback before introduction into the reaction chamber.
Another technique consists of mixing the reagents cold and preheating it in an apparatus with a tubular coil where the mixture circulates at high linear speeds, practically sonic, and in any case higher 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 reactants 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.
The object of the present invention is to remedy these various drawbacks and to allow, thanks to an oven comprising particular devices for bringing into contact and mixing the reagents, a thorough preheating and a complete interpenetration and
<Desc / Clms Page number 3>
rapid reagents, as well as a perfectly homogeneous distribution in the combustion chamber.
These particular devices consist essentially in replacing the central mixer, generally used until now, by a set of mixers of small section. To this end, the furnace comprises several mixing tubes, of small cross section, connecting a supply chamber of one or more of the gaseous reactants to the combustion chamber of this furnace, and several ejector tubes for the introduction. the other or the other reagents at the feed inlet of these mixing tubes, so as to pass the gases from another feed chamber into 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, depend on the proportions in which the gaseous reactants are to be mixed in these mixing tubes.
The nature of the present invention will become clearer from the description of pyrolysis furnaces as shown in the accompanying diagrams where Figure I is a cross section of a vertical circular type furnace, and Figures II and III are shown. try particular embodiments.
According to Figure I, 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 chamber reaction 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 feed chamber 3, where it supports a grid 4 around the tubes
<Desc / Clms Page number 4>
Ejectors 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 corresponding supply inlet 5 of a mixing tube 6.
The device thus described operates in the following way: one of the reactants, the oxidant or the fuel, preheated beforehand, brought by line 17 into the supply chamber 1, passes, through the tubes 2, into the inlets of feed 5. The other reagent is fed via line 18, into the upper part of the feed chamber 3, and it is distributed homogeneously in the lower part of this feed chamber, by means of 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 combustion chamber 9, where partial combustion of the hydrocarbon fuel takes place.
According to Figure II, the furnace comprises a third feed chamber 10 separated from the chamber 1 by a perforated plate 20 as well as one or more ejector tubes 11 extending, through the feed chamber, to the inlet 15 of one of the ejector tubes 2. Using the furnace of FIG. II, the oxidant 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 feed through tube 11 has the effect of locally enriching the reaction mixture by oxidizing, 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 add one or more hydrocarbons or oxidizers to the reaction mixture, in order to obtain a mixed reaction of partial combustion and pyrolysis.
<Desc / Clms Page number 5>
In accordance with Figure III, the plate 20 is perforated to form the inlets 21 and 22 of an ejector tube 12 and a supply 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 feed tube 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 ensure the arrival in this reaction chamber 9 of the gas coming from the chamber 10, either directly, via the nozzle 13, or after mixing with only the gas. from 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 construction. metallic, 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, by folding it, which is carried out in a simple manner, with the maximum efficiency and the minimum time, in a set of individual tubes of small cross-section.
In addition to these advantages, from the point of view of ease and rapidity of mixing, thereby allowing extensive preheating of the reactants, the devices according to the invention also allow a 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 allowing precise determination of the most efficient area
<Desc / Clms Page number 6>
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 any flashbacks in the feed device.
Exemptē1
A furnace, as shown in Figure I, 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, one introduces.
220 m3 per hour (measured under normal conditions, at 0 C. and 760 mm.Hg) of methane at 98% purity, preheated to 750 C., which is distributed in chamber 3 and is distributed homogeneously, by the grid 4, at the top of the tubes 6. On the other hand, is introduced, through the pipe 17,
130 m3N / H. oxygen at 98% purity, also preheated to 750 C., which, from chamber 1, passes into ejector tubes 2, then into mixing tubes 6. On leaving these tubes 6, the homogeneous mixture of methane and oxygen ignite in the chamber. The pyrolysis gases are suddenly cooled. 440 m3N / hour of pyrolysis gas is obtained, counted dry, containing 9% by volume of acetylene.
The device according to the present invention moreover 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 500 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. II.
<Desc / Clms Page number 7>
This furnace comprises 36 6-dais mixing tubes which are introduced respectively 220 m3N / H. of methane at 98% purity through chamber 3 and grid 4, and 115 m3N / H of oxygen at 98% purity, through chamber 1 and the 36 tubes 2. Through 4 tubes 11, 15 m3N / H. oxygen. The reagents are preheated to? 50 Ce. The pyrolysis gas contains 9% by volume of acetylene (calculated on the dry gas).
A variant consists in introducing the 15 m3N / H. oxygen, no longer by the 4 tubes 11, but by 4 tubes 12 or 4 tubes 13, as shown in FIG. III, the other 115 m3N / H. of oxygen being supplied by 32 tubes 2 in tubes 6.
