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SOCIETE BELGE DE L'AZOTE ET DES PRODUITS CHIMIQUES DU MARLY
DISTRIBUTEUR DE GAZ POUR FOURS DE COMBUSTION
PARTIELLE D'HYDROCARBURES
La présente invention se rapporte à un distributeur de gaz pour fours utilisés pour la combustion partielle d'hydrocarbures gazeux ou vaporisés en hydrocarbures moins saturés, dont notamment l'acétylène, ou en gaz riche en oxyde de carbone et hydrogène.
Cette combustion est dite partielle du fait qu'une partie seulement de l'hydrocarbure est soumise à une combustion, par de l'oxygène de préférence, et la chaleur ainsi dégagée sert à transformer thermique- ment le reste de l'hydrocarbure mis en oeuvre.
Les fours habituellement utilisés à cet effet comprennent, comme parties essentielles, une chambre de mélange, pour la mise en contact intime de l'hydrocarbure à décomposer et de l'oxygène, et une
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chambre de combustion, ces deux chambres étant reliées par un distri- buteur de gaz, à orifices multiples. Dans les canaux parallèles tra- versant ce distributeur, la vitesse du mélange gazeux réactionnel est supérieure à la vitesse de propagation des flammes individuelles qui prennent naissance en aval de chacun de ces canaux afin d'éviter les retours de flammes. Ces fours sont aussi munis d'un dispositif pour l'introduction de faibles quantités d'oxygène dans la masse réaction- nelle, en vue d'assurer une plus grande stabilité à ces flammes ; oxygène est dénommé ci-après oxygène pilote.
Pendant longtemps, on a utilisé des distributeurs en matière céramique et réfractaire. Cependant, par suite de la chaleur élevée de rayonnement des flammes, de la grande vitesse de passage des réactifs dans les canaux et de leur mauvaise tenue mécanique à cause desnombreux canaux qui les traversent, ces distributeurs sont rapidement endommagés et deviennent vite inutilisables.
On a aussi proposé des distributeurs entièrement métalliques ou métalliques seulement du côté de la sortie du mélange gazeux, munis d'un dispositif de réfrigération. Or, dans le cas de la production d'acétylène notamment, on a avantage, afin de réduire la quantité d'hydrocarbures et celle d'oxygène nécessaires à la combustion, à préchauffer les réactifs, à une température devant cependant rester inférieure à celle d'ignition spontanée du mélange de ces réactifs.
Il en résulte que la circulation d'un fluide réfrigérant autour des canaux du distributeur, conduisant à un refroidissement du mélange gazeux réactionnel, réduit notablement les avantages du préchauffage.
D'après la présente invention, on remédie à ces inconvé- nients en utilisant un distributeur entièrement métallique, comportant un ensemble de caractéristiques telles qu'un dispositif de réfrigéra- tion n'est plus nécessaire.
Les schémas ci-annexés montrent un mode préféré d'exécution de la présente invention, ainsi que certaines modifications qui sont décrites ci-après et ils sont donnés à titre d'illustration, sans aucun caractère limitatif.
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Dans ces schémas: la rigure 1 est une vue en coupe, suivant la ligne 1-1 de la figure 3, montrant un dispositif de mélange et de distribution, avec une partie des conduites d'amenée des réactifs et du four de combus- tion partielle d'hydrocarbures gazeux; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 3; la figure 3 est une vue partielle en section transversale, suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; la figure 4 est une vue partielle en coupe verticale, similaire à la figure 2, montrant une autre particularité de l'invention; la figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la figure 4 ; la figure 6 est une vue fragmentaire en élévation de la face rainurée sur la périphérie du distributeur, indiquée par la ligne 6-6 sur la figure 4 ; la figure 7 est une section transversale fragmentaire suivant la ligne
7-7 de la figure 6;
la figure 8 est une vue fragmentaire en coupe verticale, similaire aux figures 1 et 2, mais montrant une autre forme d'exécution (coupe suivant la ligne 8-8 de la figure 9); la figure 9 est une section transversale partielle suivant la ligne
9-9 de la figure 8 ; la figure 10 montre, en coupe verticale axiale, un détail de l'extré- mite d'un des canaux d'alimentation et de l'emboiture dans le bloc distributeur auquel il s'adapte; la figure 11 est une coupe transversale de la figure 10 suivant la ligne 11-11.
D'après les figures 1 à 3, le distributeur 11 consiste en un bloc cylindrique, de préférence en acier réfractaire ayant cepen- dant une conductibilité thermique aussi élevée que possible. Le distri- buteur est traversé longitudinalement par les canaux 13, chacun de ces canaux ayant une section transversale pratiquement constante sur toute sa longueur, ces nanaux étant utilisés pour le passage du mélange réac- tionnel gazeux préchauffé, depuis la chambre de mélange 14 vers la chambre de combustion 15.
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Le bloc distributeur 11 comporte, à sa périphérie et à environ la moitié de sa hauteur, une cavité annulaire 17 qui sert de conduite principale pour recevoir l'oxygène pilote et le distribuer à une série de canaux transversaux 18,19 qui traversent le bloc 11 et qui sont perforés (perforations 21) le long de la face du distri- buteur côté chambre de combustion 15. Ces perforations 21 servent à distribuer l'oxygène pilote dans la chambre de combustion, de façon à maintenir stables les flammes de combustion.
Un tel distributeur est stable mécaniquement et thermique- ment car, d'une part, il est pratiquement d'une seule pièce, au lieu d'être composé de plusieurs éléments soudés, et, d'autre part, la température de sa face côté chambre de combustion est inférieure à celle qui pourrait provoquer une surchauffe et une dégradation ou déformation.
Cette stabilité thermique du distributeur est obtenue du fait que les calories transmises par rayonnement direct des flammes à la face côté chambre de combustion, sont évacuées par le mélange gazeux préchauffé traversant le distributeur et se retrouvent sous forme de complément de préchauffage de ce mélange gazeux réparti dans la chambre de combustion. Ce résultat est obtenu grâce à : 1) la répartition des canaux de passage du mélange gazeux dans le bloc métallique distributeur 11.
2) le rapport de perforation (c'est-à-dire le rapport de la surface totale des sections de ses canaux à la surface totale du distri- buteur, suivant un même plan transversal).
3) le diamètre de ces canaux.
Ces facteurs sont choisis en fonction de la température des réactifs gazeux et de la température dans la chambre de combustion, afin que la chaleur transmise à la face chaude du distributeur par rayonnement direct des flammes soit évacuée par les gaz traversant le distributeur. Comme le mélange gazeux est déjà préchauffé et subit ainsi un complément de préchauffage par passage à travers le distri- buteur et comme, de plus, les canaux 13 sont distribués sur toute la surface transversale du distributeur, il n'existe en aucun point du front du distributeur un gradient excessif de température qui condui-
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rait à une déformation ou même à une fusion de l'extrémité du distri- buteur.
De plus, la chaleur de rayonnement est renvoyée dans la zone de réaction sous forme de précnauffage complémentaire des réactifs, de sorte qu'on réduit la consommation d'hydrocarbure et d'oxygène pour la réaction de combustion (réaction exothermique) dont la chaleur dégagée sert à effectuer la réaction de pyrolyse (endothermique) d'une autre partie de l'hydrocarbure.
En préchauffant ainsi les réactifs gazeux à une température supérieure à celle de combustion spontanée du mélange de ces réactifs, on augmente l'efficacité du procédé, c'est-à-dire que moins d'hydro- carbure est consommé par la combustion ce qui, par conséquent, laisse une plus grande quantité d'hydrocarbure pour la réaction de pyrolyse.
Cette réduction de la quantité d'hydrocarbure consommée pour la combus- tion permet d'utiliser une quantité moindre d'oxygène dans le mélange réactionnel, d'où augmentation de la température de combustion spon- tanée (en supposant que les gaz soient mélangés de façon homogène), ce qui permet de préchauffer encore plus fortement les réactifs, d'où amélioration de l'efficacité du procédé.
De façon à réduire encore le taux de combustion nécessaire et afin d'augmenter encore l'efficacité, on mélange l'nydrocarbure avec une quantité d'oxygène inférieure à celle nécessaire pour main- tenir une flamme stable, mais suffisante pour assurer le chauffage de toutes les parties de l'hydrocarbure à la température de pyrolyse dans la chambre de réaction, puis on introduit de l'oxygène pilote sous forme de petits jets distribués de façon homogène, qui stabilisent les flammes dans la chambre de combustion.
Compte tenu de la nature de l'hydrocarbure traité et du degré de préchauffage des réactifs gazeux, on maintient le diamètre des canaux de distribution 13 entre des limites telles que la vitesse linéaire de passage à travers ces canaux soit supérieure à la vitesse de propagation de la flamme, pour éviter les retours de flammes, mais inférieure à celle qui -produirait un soufflage des flammes.
La conduite principale 17 et les conduites 19 de distribu- tion de l'oxygène pilote ont une section transversale telle que l'oxy- gène froid circule dans ces conduites à une vitesse assurant un
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coefficient de transmission thermique suffisamment important. Il en résulte que cet oxygène reçoit une partie de la chaleur rayonnante des flammes à travers l'extrémité du distributeur métallique. Cette chaleur est très efficace pour augmenter l'action stabilisatrice de cet oxygène et pour contrôler la surchauffe du front de distributeur par le rayonnement des flammes.
Deux facteurs importants interviennent lors de la construc- tion de ces blocs distributeurs entièrement métalliques: 1 ) ils doivent être thermiquement stables, sans surchauffe excessive de la face côté chambre de combustion. Ce résultat est obtenu grâce à la transmission de chaleur entre le distributeur et les gaz qui le traversent.
2 ) la vitesse linéaire et le nombre de Reynolds du mélange gazeux, à la sortie de chaque canal 13 du distributeur doivent être réglés, de façon à obtenir et maintenir un front de flammes stable, parfai- tement défini.
Des essais systématiques avec un mélange de méthane et d'oxy- gène ont montré que, lors du préchauffage de ces réactifs à 600 C., le diamètre des canaux 13 du distributeur doit être de préférence de l'ordre de 12 à 13 mm., avec un écartement de 24 mm. entre les exes de ces canaux. Avec un tel diamètre, on obtient un front de flammes parfaitement défini, tandis qu'avec cet écartement, on assure la sta- bilité thermique du distributeur.
Quand la température de préchauffage des réactifs gazeux est supérieure à 600 C., on réduit la vitesse de sortie du mélange hors des canaux 13 du distributeur, par exemple par augmentation du diamè- tre de chaque canal. C'est ainsi qu'à une température d'environ 700 C., le diamètre des canaux est d'environ 14 mm. A des températures de préchauffage encore plus élevées, on doit alors tenir compte de la réactivité du mélanga gazeux qui est suffisamment accrue,de sorte qu'il n'est plus nécessaire de réduire la vitesse de sortie de ce mélange et des diamètres de 12 à 13 mm. conviennent de nouveau.
D'autres essais avec des mélanges gazeux d'oxygène et de gaz riche en méthane et contenant de l'hydrogène (par conséquent, des
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gaz plus reactifs que le méthane) ont montré que le diamètre des passages 13 pouvait être inférieur à 12-13 mm. et être de 10 à 11 mm., suivant la température de préchauffage.
En général, le diamètre des canaux 13 doit être compris entre 10 et 14 mm., afin de maintenir un front de flammes stables et parfai- tement défini dans la chambre de combustion, et il est fonction de la nature et de la conductibilité thermique du gaz combustible, de la température et du débit du mélange de-ce gaz combustible et de l'oxygène.
D'autre part, l'espacement entre les axes des canaux 13 doit être compris entre 1,8 et 2,2 fois le diamètre de ces canaux, de pré- férence environ 2 fois le diamètre, pour maintenir la stabilité ther- mique désirée du distributeur.
De plus, le mélange gazeux doit être aussi distribué de façon homogène dans la chambre de combustion, avec écoulement stable à la sortie des canaux 13, en dépit de la turbulence des réactifs à l'entrée de ces canaux. A cet effet, les canaux 13 doivent avoir une longueur suffisante, d'environ 15 à 20 fois le diamètre de ces canaux et l'extrémité de sortie de ces canaux doit être judicieusement pro- filée, le plus opportunément en quart-rond.
Un mode préféré d'exécution consiste à répartir les canaux 13 de telle sorte que les intersections, avec un plan transversal, des axes de ces canaux se trouvent aux sommets de carrés, c'est-à-dire que les axes soient équidistants et se trouvent répartis sur plusieurs plans parallèles, la distance entre deux plans étant égale à la dis- tance entre deux axes voisins sur un même plan. Un orifice d'introduc- tion d'oxygène pilote dans la chambre de combustion est situé au centre de chacun de ces carrés. Cette répartition des différents canaux conduit à une distribution particulièrement homogène des réac- tifs gazeux dans la chambre de combustion.
Lors de la construction de ce distributeur 11, on part d'un bloc solide dans lequel les canaux 17 et 18 sont percés à la machine et on perfore ce bloc pour former les canaux 13, 19 et 21, ou les passages 13, 17, 18 et 19 peuvent être obtenus directement dans le cas de moulage du bloc 11. Les brides 25 et 27 sont ensuite fixées par
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soudure de façon à fermer les conduites 17 et 18. On peut ensuite fixer, par soudure, la bride externe 29, en laissant un passage 28 pour l'eau, qui passe à travers les rainures 30 pour former un rideau continu d'eau le long de la surface interne de la paroi de la chambre de combustion 15. On soude une partie de conduite 31 sur une cavité radiale 32 pratiquée dans la bride 29 de façon à former, avec l'ouver- ture 33, une conduite d'amenée alimentant le passage 28 pour l'eau d'écran.
Le fond de ce passage 28 est fermé quand la bride 29 est fixée à la bride de support 34 à l'extérieur de la chambre 15.
La bride 25 comporte une ouverture 36 faisant communiquer la conduite 17 avec la conduite 35 d'amenée d'oxygène pilote.
Du fait de la construction en un seul bloc, on peut rappro- cher fortement les canaux 13, plus fortement que dans le cas d'une construction de distributeur soudé, et ce rapprochement des canaux 13 n'est pas fortement limité par la nécessité de prévoir les passages 19 transversaux entre ces/canux. 13.
Pour la distribution de l'oxygène pilote, on peut forer les passages 19a (figures 4 et 5) dans lesquels sont soudés les tubes 40 dans lesquels on fore ensuite les ouvertures 21a.
Les figures 8 à 11 montrent une autre forme d'exécution de la présente invention. Dans ce cas, un des réactifs gazeux, de préfé- rence l'hydrocarbure, est amené par la conduite 41 à la chambre annu- laire 42, et il passe ensuite dans la chambre 44 où il est distribué de façon homogène. La paroi latérale de la chambre est imperméable aux gaz, mais la paroi supérieure est munie de plusieurs ouvertures 45, chacune de ces ouvertures correspondant à un canal 13b'. L'hydrocar- bure, en entrant daus la chambre 44, se divise lui-même en courants parallèles, (par les ouvertures 45), chacun de ces courants passant ensuite dans le tube 13b'. Ces tubes 13b' s'emboitent dans les extré- mités élargies des canaux 13b dans le distributeur llb.
De préférence, les calibres sont les mêmes, de façon à obtenir un passage continu et régulier des gaz à travers les canaux 13b' et 13b.
L'autre réactif est amené par la conduite 37b dans la chambre annulaire 46 qui renferme la chambre 47 pourvue à son sommet d'une paroi munie d'ouvertures 48 pour le passage des tubes 13b' et
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d'ouvertures intermédiaires 49 qui, comme les ouvertures 45, servent à assurer une distribution uniforme du gaz venant de la conduite 37b.
Dans ce cas, cependant, le courant gazeux passant par chaque ouverture 49 se divise près du fond de la chambre 46, pour alimenter les 4 ouver- tures 50 dans les tubes 13b, comme indiqué à la figure 11.
Le distributeur 11 de la figure 8 est le même que celui re- présenté à la figure 1. Ce dispositif de mélange des réactifs gazeux est particulièrement indiqué dans le cas de préchauffage élevé de ces réactifs gazeux, par exemple à une température de 800 à 850 C., sans danger de combustion prématurée dans les canaux 13.
Exemple:
Le distributeur métallique 11 est en un bloc cylindrique en acier réfractaire, à 18 % de nickel, 8 % de chrome et stabilisé au titane. Ce bloc a 200 mm. de diamètre et 230 mm. de hauteur. On a foré 32 canaux 13 dans ce bloc, pour le passage du mélange des réactifs gazeux. Ces canaux ont un diamètre de 14 mm. et sont disposés de sorte que les axes se trouvent aux sommets de carrés ayant 26 mm. de côté.
Au centre de ces carrés, on a foré les canaux 21 pour la distribution de l'oxygène pilote, chacun de ces canaux ayant un diamètre de 5 mm.
On a foré aussi d'autres canaux 21 à la périphérie du distributeur de sorte qu'on a 45 canaux 21 autotal.
Ces canaux, d'une hauteur de 5 mm., relient la chambre de combustion. 15 à 9 conduites 19, de 10 mm. de diamètre, elles-mêmes reliées à la conduite principale 17 par les 9 conduites 18, dont les axes sont inclinés d'environ 15 par rapport à l'axe du brûleur.
On peut adapter ce distributeur soit au dispositif de mélange représenté aux figures 1 et 2, consistant en une chambre de mélange unique, soit au dispositif multitubulaire représenté à la figure 8.
Dans les deux cas, on a introduit 160 Nm3/H. (mesurés à 0 C. et 760 mm. Hg) d'oxygène à 97,5 % de pureté et 325 Nm3/H. de méthane, ces réactifs étant préchauffés à 685 C. Le mélange des réactifs se répartit dans les 32 canaux 13 et est uniformément distribué dans la chambre de combustion 15. Par les 45 canaux 21, on introduit 20 Nm3/H. d'oxygène pilote dans la chambre 15. Dans cette chambre, se produit la
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réaction de combustion partielle avec formation d'acétylène, qu'on stabilise par refroidissement brusque, notamment par injection d'eau froide transversalement au courant gazeux.
Le taux de transformation du méthane en acétylène est de 29%
Pour 1 tonne d'acétylène, on consomme 6050 Nm3 de méthane et 4800 kg. d'oxygène (calculés en réactifs purs).
Des essais comparatifs ont montré qu'avec un distributeur à dispositif de refroidissement, les consommations sont plus élevées et, pour 1 tonne d'acétylène, il faut 6700 Nm3 de métnane et 5600 kg. d'o- xygène, le taux de transformation du méthane en acétylène étant de 26% seulement.
Du méthane et de l'oxygène préchauffés à 750 C. ont été trai- tés avec le distributeur de l'invention, adapté au mélangeur multitubu- laire de la figure 8. On a obtenu un gaz de pyrolyse qui, calculé sec, contenait 9 % d'acétylène.
Ce distributeur a été utilisé pendant une longue période d'essais ; il s'est montré thermiquement stable et aucun retour de flammes ne s'est produit dans le dispositif de mélange.