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-PROCEDE PYROLYTIQUE POUR MODIFIER ENDOTHERMIQUEMENT UNE MATIERE
GAZEUSE.
. Cette -invention concerne des procédés et/ou¯des appareils pyro- lytiques à récupération 'pour modifier endothermiquement et exothermiquement des matières gazeuses ou des vapeurs, catalytiquement ou non catalytiquement.
Plus particulièrement l'invention concerne des procédés et/ou des appareils à récupération, catalytiques et non catalytiques, à réaction endothermique et exothermique, où la température la plus élevée est obtenue dans une zone de réaction communiquant avec deux masses de récupération entre les extrémités de celles-ci.
Plus particulièrement encore, l'invention concerne de procédés- et/ou, des appareils du genre mentionné ci-dessus, où la chaleur nécessaire à la réaction endothermique est fournie par la réaction exothermique.
-Plus particulièrement aussi, l'invention concerne des procédés et/ou des appareils du genre décrit, où la réaction exothermique est produi- te soit alternativement soit simultanément avec la réaction endothermique dans la zone de réaction; où les réactifs et les produits de réaction des modifications exothermiques et endothermiques sont respectivement préchauf- fés et brusquement refroidis en les faisant circuler en contact avec les masses récupératrices, et où l'on fait changer de temps à autre le sens d'écoulement des réactifs endothermiques et exothermiques et des produits de réaction d'une direction dans une direction opposée, pour permettre à la chaleur emmagasinée dans les masses pendant le refroidissement brusque des produits de la réaction d'être utilisée récupérativement pour le pré- chauffage des réactifs.
Dans ces procédés pyrolytiques, endothermiques et exothermiques à récupération, il est extrêmement important que les réactifs soient conti- nuellement préchauffés par le contact et pendant le contact avec l'une des masses à une vitesse élevée, sensiblement uniforme, et que les produits de
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réaction soient continuellement refroidis par et pendant le contact avec l'autre masse à une vitesse élevée sensiblement uniforme.
En outre, il est important que la matière préchauffée réagisse continuellement, sélecti- vement et complètement afin d'obtenir le produit désiré autant que possible immédiatement après avoir atteint les températures de réaction, et que les produits de la réaction soient continuellement refroidis aussitôt que possi- - ble après que la réaction désirée s'est produite, afin d'empêcher que les produits de la réaction ne restent aux températures de réaction plus long- temps qu'il ne faut pour achever la réaction désirée.
Il est important aussi, une fois que les dimensions convenables et la température correcte de la zone de réaction ont été déterminées pour assurer la durée correcte du séjour dans cette zone aux températures voulues pour une réaction particulière déterminée, que ces dimensions et cette tem- pérature de la zone de réaction soient maintenues sensiblement fixes pendant une opération continue.
Il est également important que les dimensions et le gradient de température des zones de préchauffage et de refroidissement restent sen- siblement fixes pendant l'opération continue pour assurer un préchauffage et un brusque refroidissement convenables et uniformes.
Si l'on n'observait pas ces conditions importantes dès le dé- but, il en résulterait un faible rendement thermique, une faible production et maintes réactions parasites indésirables, ce qui donnerait lieu à un mauvais rendement, à des produits impurs et à des prix de revient élevés.
Afin que le préchauffage, le refroidissement et la réaction pendant la durée du contact avec les masses et le séjour dans la zone de réaction se fassent à allure rapide et que les périodes de temps entre la fin du préchauffage et le commencement de la réaction de même qu'entre la fin de la réaction et le commencement du brusque refroidissement soient de courte durée,
il faut que les vitesses des réactifs et des produits de la réaction à travers les masses et dans la zone de réaction soient élevées et que les masses récupératrices soient capables d'emmagasiner ou de céder continuellement de la chaleur à un degré suffisant pour préchauffer et brus- quement refroidir d'une manière adéquate les réactifs et les produits de la réaction pendant leurs courtes durées de contact total avec ces masses ré- cupératrices sans modifier le gradient thermique sur la longueur de chaque masse et par conséquent les dimensions et les emplacements initiaux des zo- nes de préchauffage, de réaction et de brusque refroidissement, et sans élever les extrémités froides des masses à des températures auxquelles se produisent des réactions parasites indésirables et une décomposition du produit désiré.
Pour que le préchauffage et le brusque refroidissement pendant le contact avec les masses soient sensiblement uniformes, il est important qu'un gradient de température uniforme allant de températures voisines des températures atmosphériques (75 C-250 C) aux températures de réaction, soit maintenu constamment sur la longueur de chaque masse régénératrice. Si le gradient de température n'est pas uniforme et les réactifs sont amenés à l'état froid directement dans la zone de réaction qui se trouve à la tem- pérature de réaction,le chauffage et la réaction sont sporadiques, irrégu- liers et de mauvais rendement thermique, ce qui donne lieu à de faibles pro- ductions et à des réactions parasites indésirables.
Pour que les produits de la réaction restent aux-températures de la réaction pendant une durée aussi courte que possible, la zone de ré- action doit être maintenue constamment aux dimensions minima pour achever la réaction désirée. Si la zone de réaction augmente pendant la modifica- tion thermique continue et se propage dans les zones du réchauffage préa- lable et du refroidissement, les produits de la réaction restent trop long- temps aux températures de la réaction et sont refroidis d'une manière ina-
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déquate, tandis que les réactifs sont préchauffés d'une manière inadéquate.
Si la zone de réaction se déplace à une trop grande distance dans la zone de refroidissement en réduisant les dimensions de celle-ci, il y a refroi- dissement imparfait et préchauffage trop élevé.
Ces conditions importantes ne sont pas continuellement mainte- nues dans les 'anciens procédés et appareils du type décrit ci-dessus, utili- sant des lits de cailloux, des empilages de briques et autres types, de masses récupératrices, car aux grandes vitesses des gaz nécessaires, les masses, dans la majorité des cas ne sont pas capables d'absorber et de cé- der une quantité de chaleur suffisante pour préchauffer et refroidir effi- cacement les réactifs et les produits de la réaction, respectivement.
Même dans les cas où les fours à récupération de construction antérieure sont suffisamment longs pour transmettre une quantité de chaleur suffisante pour le préchauffage et le refroidissement pendant les premières opérations, le degré de transmission de chaleur et la capacité d'emmagasi- nement de chaleur sont insuffisants pour empêcher que les parties les plus chaudes des masses n'envahissent les parties les plus froides après une opération continue, ce qui a pour effet de provoquer la destruction du gra- dient thermique initial et essentiel et par conséquent de modifier les posi- tions et dimensions initiales des zones de préchauffage, de réaction et de refroidissement.
La température des masses se rapproche finalement d'une température constante d'un bout à l'autre, les zones de préchauffage et de refroidissement initiales bien définies disparaissent, les extrémités froi- des des masses deviennent chaudes et le four entier devient une zone de réaction à longues périodes résultantes pendant lesquelles les gaz restent aux températures de réaction. Le four devient àlors inefficace et le cou- rant de matières doit être arrêté pour rétablir le gradient thermique, la zone de réaction et les extrémités froides des masses récupératrices dans les conditions initiales.
La présente invention procure un procédé et/ou un appareil de modification endothermique et exothermique combiné, à récupération, extrê- mement efficace, économique, stable du type décrit ci-dessus, pour la produc- tion non catalytique et catalytique de la phase vapeur de différents produits de réaction endothermique et exothermique, où la chaleur est continuellement absorbée et cédée par les masses à une allure permettant les vitesses rapides et uniformes- ci-dessus mentionnées du préchauffage, de la réaction et du re- froidissement des réactifs et des produits de la réaction lorsqu'ils circu- lent au contact de ces masses aux vitesses excessivement rapides nécessaires, mentionnées ci-dessus,
sans altération du gradient thermique original et essentiel établi dans les masses et par conséquent sans changement de la po- sition et des dimensions des zones de préchauffage, de réaction et de refroi- dissement et sans chauffage des extrémités froides des masses aux températu- res auxquelles se produisent les réactions auxiliaires préjudiciables.
La.présente-invention a en outre pour objet un procédé et/ou un appareil du genre mentionné pour la production catalytique et non catalyti- que de la phase vapeur de différents produits gazeux de modification endo- thermique et exothermique en partant de matières premières gazeuses, compre- nant la production de gazde chauffage à partir de gaz naturel, d'hydrocar- bures ou hydrocarbures de pétrole à bas poids moléculaire, celle d'insaturés, comme les oléfines et les acétylènes à partir d'hydrocarbures à bas poids moléculaire, celle d'hydrazine à partir d'ammoniaque, celle de soufre à par- tir d'anhydride sulfureux, d'air et de gaz naturel, celle d'hydrogène à par- tir d'hydrocarbures, celle de synthèse pour les réactions de la synthèse Fi- scher-Tropsch et de la synthèse de l'alcool à partir d'hydrocarbures,
de vapeur et d'anhydride carbonique, celle de gaz de synthèse pour la production d'ammoniaque à partir d'hydrocarbures, de vapeur et d'air, celle d'hydrocar- bures aromatiques tels que le benzène à partir d'hydrocarbures paraffiniques (comprenant les cyclo-paraffines), celle de produits de déshydrogénation à partir de composés déshydrogénables, celle de produits d'isomérisation à par-
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tir d'hydrocarbures, celle de l'oxyde d'azote à partir de l'air, celle d'acide cyanhydrique à partir d'hydrocarbures et d'ammoniaque, celle de produits de déshydratation à partir d'alcools, celle d'hydrocarbures crackés à bas poids moléculaire à partir d'hydrocarbures à poids moléculaire élevé susceptibles d'être transformés par cracking et celle du noir de carbone à partir d'hydrocarbures,
le tout à un état plus pur et plus désirable, avec. des rendements thermiques plus élevés, en productions plus grandes, à une allure plus rapide et à moins de frais que n'importe quels autres procédés et appareils de modification à récupération thermique par réfractaires, connus jusqu'ici.
La présente invention a en outre pour objet un procédé et/ou un appareil du genre précité où la majeure partie de la chaleur sensible fournie au gaz entrant provient de la chaleur sensible tirée du gaz sortant et emmagasinée dans les masses récupératrices de la chaleur.
La présente invention a encore pour objet un procédé très souple et/ou un appareil qui peuvent, moyennant des modifications légères et simples aux modes opératoires précités, être utilisés pour produire un grand nombre de produits chimiques différents.
La présente invention a en outre pour objet un nouveau type de masse récupératrice destinée à être employée dans les appareils cités ci- dessus pour exécuter les procédés mentionnés.
Tout cela s'obtient suivant la présente invention, par l'emploi d'un procédé et d'un appareil nouveaux, à récupération, pour modifier ther- miquement une matière première gazeuse, consistant à pré-réchauffer la matiè- re gazeuse à des températures de modification endothermique, en la faisant circuler suivant un parcours rectiligne dans une zone de préchauffage compre- nant des carneaux ininterrompus d'une première masse récupératrice dont la température augmente progressivement dans le sens de l'écoulement du gaz, à modifier endothermiquement cette matière gazeuse préchauffée en la faisant circuler dans une zone de combustion et de modification endothermique,
à refroidir ensuite la matière gazeuse modifiée endothermiquement en la faisant circuler suivant un parcours rectiligne dans une zone de refroidissement brus- que comprenant des carneaux ininterrompus d'une seconde masse récupératrice dont la température diminue progressivement dans le sens de l'écoulement du gaz, à fournir la chaleur pour le préchauffage et la modification endothermi- que de la matière gazeuse en produisant une réaction exothermique dans la zone de combustion et de modification endothermique, les réactifs exothermi- ques étant préchauffés avant leur réaction exothermique en faisant circuler au moins l'un d'eux dans les canaux de l'une des masses récupératrices, les produits de réaction résultant de la réaction exothermique étant refroidis par leur circulation dans les carneaux de l'autre masse récupératrice,
à main- tenir le gradient de température entre les extrémités des masses récupératri- ces suffisamment stable pour maintenir l'emplacement et la grandeur des zones de préchauffage, de réaction et de refroidissement à peu près invariables et les extrémités froides des masses à une température inférieure à la tem- pérature de décomposition de la matière modifiée thermiquement en changeant la circulation des gaz dans les carneaux des masses récupératrices et la zone de combustion et de modification endothermique pendant cette modification endothermique et cette réaction exothermique, d'un sens dans le sens opposé.
La présente invention pour la production de produits de réaction endothermique ou exothermique peut convenablement être réalisée sous forme d'un procédé cyclique, intermittent, à récupération, comprenant des phases alternées de modification endothermique et de chauffage (réaction exothermi- que) où toute la chaleur nécessaire à la phase de modification endothermique est empruntée aux masses et aux parois de la zone de réaction où elle a été emmagasinée pendant la phase de chauffage précédente. Dans un pareil procé- dé intermittent, la phase de modification endothermique'précédemment décrite est prolongée -pendant le temps qu'il fautpour que la chaleur nécessaire à sa
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persistance reste dans la première masse récupératrice.
D'une.façon géné- raie, cette phase peut être poursuivie pendant une période d'environ 1/2 à 3 minutes. La phase de modification endothermique est ensuite interrompue et une phase de chauffage est mise en route en préchauffant jusqu'aux tem- pératures d'inflammation un mélange inflammable de gaz combustible et d'un gaz contenant de l'oxygène libre, par circulation d'au moins l'un-de ses constituants dans les carneaux de la seconde masse récupératrice, et en ache- vant en substance la combustion du mélange inflammable allumé par circulation de celui-ci dans la zone de combustion et de modification endothermique,
après quoi on refroidit les produits de combustion ainsi obtenus par circulation dans les carneaux de la première masse.- Cette phase de chauffage est pour- suivie jusqu'à ce que la chaleur dissipée par la phase précédente de modifi- cation endothermique ait été remplacée, le phase de modification endother- mique se reproduisant à ce moment. Le sens de circulation du gaz dans les masses et la zone de modification pendant la phase de chauffage est inverse de celui du courant de gaz pendant la phase de modification endothermique.
Le gradient de. température initial et par conséquent l'emplacement et la grandeur des zones de préchauffage, de réaction et de refroidissement restent pour ainsi dire fixes mêmes après répétition continuelle des phases alter- nées de chauffage et de modification endothermique. La température des ex- trémités froides du four reste inférieure aux températures auxquelles les gaz modifiés endothermiquement sont décomposés.
Ce procédé d'exécution intermittent de la présente invention peut être exécuté de telle manière que le gaz circule dans les carneaux des masses et la zone de modification pendant chaque phase de chacun des cycles succes- sifs en sens inverse du courant de gaz pendant la phase correspondante du cycle précédent, ou, suivant une variante, dans le même sens.
Pendant la phase de chauffage, on peut préchauffer le mélange in- flammable jusqu'aux températures d'inflammation soit en faisant passer un seul des constituants du mélange dans la seconde masse et en y mélangeant dans une chambre de mélange avant qu'il ne pénètre dans la zone de modifi- cation endothermique et de combustion, l'autre constituant du mélange, ou en faisant passer le mélange lui-même dans la seconde masse.
Dans une seconde forme d'exécution de la présente invention, lors- qu'on emploie des matières premières inflammables, une partie au moins de la chaleur requise par la réaction endothermique est produite par la combus- tion partielle d'une partie relativement faible de la matière première. Ce procédé comprend des phases de modification endothermique et de chauffage alternant continuellement, où une partie et non pas la totalité de la cha- leur requise pour la modification endothermique est obtenue par la combus- tion simultanée d'une partie de la matière première, le restant étant em- prunté aux masses et aux parois de la zone de réaction où la chaleur avait été emmagasinée pendant le cycle de chauffage intermittent.
Plus spécifi- quement, le procédé comprend: le préchauffage d'un mélange non-inflammable d'une matière gazeuse et d'air ou de gaz contenant de l'oxygène libre, à la température de la modification endothermique de la matière gazeuse, par cir- culation en ligne droite d'au moins l'un de ses constituants dans des car- neaux ininterrompus d'une première masse récupératrice dont la température croît progressivement dans le sens de l'écoulement du gaz, le mélange inin- flammable devenant inflammable et s'allumant pendant ce parcours; ensuite la combustion et la modification endothermique simultanées du mélange al- lumé par sa circulation dans la zone de combustion et de réaction endother- mique;
le brisque refroidissement de la matière gazeuse modifiée endother- miquement et des produits de la combustion émergeant de la zone de réaction, par circulation en ligne droite dans des carneaux ininterrompus d'une se- conde masse récupératrice semblable comme matière à la première masse ré- cupératrice, la température de cette seconde masse diminuant progressive- ment dans le sens de l'é oulement du gaz, et le degré de combustion simul- tanée étant réglé pour fournir une partie mais non la totalité de la chaleur de réaction nécessaire pour la modification endothermique par le réglage de
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la quantité de gaz à teneur en oxygène libre présent dans le mélange initial,
le restant de la chaleur de réaction nécessaire à la.modification endothermique étant fourni par une phase de chauffage alternée exécutée d'une manière identique à celle décrite ci-dessus pour la première forme d'exécution de la présente invention. La phase de modification endothermique et de combustion simultanées est poursuivie pendant le temps voulu pour que la chaleur nécessaire à la continuation de la modification endothermique reste dans la première masse récupératrice. Généralement cette phase peut se poursuivre pendant une période d'environ 1 minute, de préférence 30 secondes environ à 100 secondes environ. La phase de chauffage est prolongée jusqu'à ce que la chaleur dissipée par la phase de modification endothermique précédente ait été remplacée. D'une façon générale,une période d'environ 1 minute à environ 4 minutes est adéquate.
De préférence, cette phase est exé cutée pendant environ 1 à 2 minutes.
Les deux phases sont continuellement alternées sans changement notable dans l'emplacement et la grandeur des zones de préchauffage, de réaction et de brusque refroidissement et sans que la température des extrémités froides des masses n'atteigne ou ne dépasse les températures auxquelles se produisent des réactions parasites indésirables et une décomposition des matières modifiées.
Dans cette forme d'exécution de l'invention comme dans la première, le courant de gaz dans les carneaux des masses et la zone de réaction pendant chaque phase de chaque cycle successif peut être de même sens que le courant de gaz pendant la phase correspondante du cycle précédent ou de sens opposé.
En outre, comme c'est décrit pour la phase de chauffage, on peut opérer le préchauffage du mélange soit en faisant passer l'un de ses constituants soit en faisant passer le mélange lui-même dans les carneaux de la masse récupératrice.
Pendant la phase combustion-modification endothermique, on peut préchauffer le mélange soit en faisant circuler un de ses constituants dans les carneaux de la masse récupératrice et en y mélangeant, avant qu'il ne pénètre dans la zone de réaction, l'autre constituant dans une chambre de mélange, soit en faisant circuler le mélange lui-même dans la masse récupératrice. Il est préférable d'effectuer le préchauffage du mélange en le faisant circuler dans la masse.
La matière première gazéuse et le gaz contenant de l'oxygène libre doivent se trouver dans le mélange dans des proportions assurant l'ininflammabilité én vue d'empêcher un excès de combustion dépassant celle nécessaire à la modification endothermique de la quantité maximum de matière première. Le mélange ininflammable est converti en un mélange inflammable et allumé pendant son parcours dans les carneaux de la masse pendant le préchauffage.
Il est vraisemblable que la modification endothermique initiale ou naissante de la matière gazeuse, lorsqu'elle atteint d'abord les températures de modification endothermique, rend inflammable le mélange non inflammable. Le mélange inflammable résultant s'allume et la combustion simultanée de ce mélange inflammable allumé dans la zone de réaction maintient ou entretient la réaction endothermique précédemment amorcée en l'entretenant jusqu'à ce qu'elle soit achevée.
Toutefois, il n'est pas indispensable que le mélange initial soit dans des proportions correspondant à l'ininflammabilité et l'invention n'est pas censée s'y limiter.
En outre, dans certains cas les conditions de température pourraient être telles que la modification de la matière gazeuse ne pourrait se
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produire que lorsque la chambre de réaction est atteinte.
Dans cette seconde forme d'exécution, le mélange de la matière première inflammable et une quantité limitée de gaz contenant de l'oxygène' libre sont utilisés en proportions voulues pour assurer la combustion d'une partie mais non de la totalité de la matière première dans la zone de réac- tion du four récupérateur, dans une mesure suffisante pour fournir une par- tie seulement de la chaleur dissipée par réaction endothermique de la matiè- re première.
La chaleur dégagée par le brusque refroidissement des gaz mo- difiés endothermiquement et des produits de la combustion est emmagasinée dans les masses récupératrices et utilisée conjointement avec la chaleur trans- mise à la masse par la phase de chauffage pour chauffer des quantités addi- tionnelles du mélange initial aux températures de modification endothermique.
Une troisième variante de l'invention pour assurer une combus- tion partielle s'entretenant d'elle-même et pratiquement continue, peut être réalisée en introduisant la matière première gazeuse combustible avec une quantité suffisante d'air ou d'un autre gaz contenant de l'oxygène à l'état libre pour rendre le procédé pratiquement isothermique en effectuant la com- bustion d'une partie adéquate de la matière première pour fournir toute la chaleur nécessaire à la modification endothermique simultanée du restant de la matière première et pour céder à la masse récupératrice dans laquelle les produits sont refroidis, la chaleur nécessaire pour élever des quanti- tés additionnelles de la matière première gazeuse et du mélange de gaz con- tenant de l'oxygène à l'état libre, aux températures de modification endother- mique de la matière première.
Ce procédé peut être exécuté pour ainsi dire continuellement par renversement du courant des gaz dans le four à des in- tervalles appropriés. D'une façon générale, le courant de gaz sera renver- sé toutes les 1 à 3 minutes environ. On comprendra que cette forme d'exé- cution de l'invention permet d'éliminer complètement la phase de chauffage du procédé intermittent décrit précédemment.
Il est évident qu'une partie relativement petite seulement de la matière première combustible, normalement pas plus de 15 à 40% environ de la quantité totale, sera consumée par la réaction de combustion limitée qui se produit lorsque le procédé est exécuté d'une manière continue.
Lorsque le procédé est réalisé d'une manière intermittente conjointement avec la phase de chauffage, comme il a été décrit précédemment pour la seconde forme d'exécution de la présente invention, il ne sera pas consumé plus de 10 à 20% environ de la matière première combustible pendant la réaction de combustion. Le,solde ou complément de la matière première dans les deux cas est modifié endothermiquement d'une manière efficace par la chaleur dé- gagée au cours de la combustion limitée. La chaleur sensible de la tota- lité du mélange de gaz soumis au traitement dans le procédé sera en consé- quence élevée à la température d'inflammation de la réaction de combustion, température qui dépasse celle nécessaire pour amorcer la réaction endother- mique de la matière première.
L'excès de chaleur est cédé aux masses récu- pératrices dans la phase de refroidissement, et est utilisé soit isolément soit conjointement avec la chaleur produite par la phase de chauffage pour élever des quantités additionnelles de matière première aux températures de la réaction endothermique.
On remarquera que la troisième forme d'exécution du présent pro- cédé de récupération, à combustion partielle, ci-dessus décrite, diffère radicalement des procédés de récupération antérieurs. La technique anté- rieure enseigne que les masses récupératrices employées pour effectuer les réactions endothermiques désirées doivent être préchauffées à une tempéra- ture dépassant celle nécessaire à ces réactions. Ceci signifie que dans les procédés antérieurs, on emploie des masses récupératrices qui sont au moins aussi chaudes que les gaz produits. Les masses récupératrices doivent fournir la chaleur nécessaire non seulement à amorcer mais aussi à maintenir les réactions endothermiques de modification thermique.
Ces procédés sont nécessairement accompagnés de pertes,de chaleur excessives et sont par consé-
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quent extrêmement inefficaces.
Contrairement aux procédés antérieurs, dans la troisième forme d'exécution à circulation continue, de cette invention, les gaz produits, s'il y en a, sont notablement plus chauds que les masses récupératrices et les parois de la zone de réaction. En d'autres termes, les masses récu- pératrices sont toujours à une température notablement inférieure à la tem- pérature maximum des gaz. En outre, pendant la phase de modification ther- mique proprement dite du procédé, les réactions endothermiques et exother- miques se font à peu près équilibre. Par conséquent il n'y a pas de perte de chaleur sensible dans le système. On peut ainsi opérer à haute tempé- rature sans effet préjudiciable sérieux sur la matière réfractaire des mas- ses récupératrices.
Les diverses formes d'exécution des procédés et appareils sui- vant la présente invention peuvent être utilisées avec emploi d'un cataly- seur. Ceci signifie que si l'on place¯dans la zone de réaction un cataly- seur de modification endothermique en phase vapeur approprié à la modifica- tion endothermique particulière en cours de réalisation et si l'on fait circuler la matière gazeuse préchauffée des carneaux de l'une des masses récupératrices dans la zone de réaction en contact avec ce catalyseur, la modification endothennique catalytique se produit. La matière catalytique peut être déposée dans la zone de réaction de n'importe quelle manière.
Par exemple, on peut remplir la zone de réaction de granules ou de mor- ceaux de matière catalytique librement entassés, ou bien les parois de la zone de réaction peuvent être imprégnées de matière catalytique. Dans les cas où il n'y a pas combustion simultanée pendant la modification, le ca- talyseur peut être constitué par des briques de même forme que les briques utilisées pour établir les masses récupératrices. Dans ce cas, les triques remplissent complètement la zone de réaction et sont alignées de la même manière que dans les masses récupératrices, de façon à former des carneaux dont les axes se trouvent dans le prolongement longitudinal des axes des carneaux des masses récupératrices. Dans ce cas, il n'y a pas de chambre de réaction proprement dite, mais la zone de réaction comprend des carneaux semblables à ceux des masses récupératrices.
Les briques sont faites en la matière catalytique désirée ou bien les surfaces des carneaux qu'elles forment sont imprégnées de cette matière catalytique. On emploie de préfé- rence des granules de catalyseur librement entassés, remplissant complète- ment la zone de réaction.
Toute matière catalytique appropriée convenant à la modification endothermique particulière désirée peut être utilisée pour l'exécution de la présente invention, comme des catalyseurs de déshydrogénation pour réactions de déshydrogénation, des catalyseurs de cyclisation pour la cyclisation d'hy- drocarbures en benzène, des catalyseurs réformateurs pour la préparation de gaz de chauffage à partir d'hydrocarbures, tels que le gaz naturel, les gaz de raffinerie, le propane, le fuel oil, la gazoline ou autres hydrocarbures de pétrole liquides qui peuvent être vaporisés, des catalyseurs générateurs d'hydrogène pour la production d'hydrogène à partir d'hydrocarbures, et des catalyseurs connus pour la production d'hydrazine à partir de l'ammoniaque, celle de gaz de synthèse à partir d'anhydride carbonique (C02),
d'hydrocar- bures et de vapeur pour la production d'alcools ou d'hydrocarbures par la réaction Fischer-Tropsch, celle de gaz de synthèse pour la production d'am- moniaque à partir d'hydrocarbures, de vapeut et d'air, celle d'acétylènes ou d'oléfines à partir d'hydrocarbures, celle d'acide cyanhydrique à partir d'hydrocarbures à faible poids moléculaire et d'ammoniaque, celle de soufre à partir d'anhydride sulfureux, d'air et de gaz naturel, etc..
Il est évident que les températures de réaction ou les tempéra- tures des gaz qui doivent être atteintes dans la zone de réaction pour une modification endothermique catalytique particulière quelconque dépendent de la matière,catalytique particulière employée. Les températures connues dans les procédés antérieurs qui doivent être appropriées à la matière cata-
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lytique particulière employée pour la modification' endothermique considérée sont également appropriées dans le cas de la modification endothermique par- ticulièré effectuée suivant la présente invention.
Même lorsque les procédés suivant la présente invention sont e- xécutés non catalytiquement, la zone de réaction peut être remplie de matiè- res inertes tassées, telles que des noyaux, des sellettes de Berl, des bou- les massives ou des carreaux plats, en vue d'augmenter la surface de contact dans la zone de réaction. Dans les cas où il n'y a pas combustion simultanée pendant la modification endothermique, la matière inerte entassée peut être sous forme de briques remplissant la chambre de réaction et formant des pas- sages semblables à ceux des masses récupératrices et dans le prolongement lon- gitudinal de ceux-ci. L'empilage inerte dans ce cas peut, ou non, être fait de la'même matière que les masses récupératrices. La réaction se fait dans les passages de cette masse inerte.
Il est évident que les masses récupératrices réfractaires doivent être préchauffées avant que les différentes opérations de l'invention ne soient amorcées pour établir le gradient de température convenable qui s'y établit.
Ce'préchauffage peut être effectué de toute manière désirée. Normalement, les fours récupérateurs à réfractaires sont pourvus de dispositifs de chauf- fage dans ce but. Un mode de fonctionnement convenable exige le chauffage des masses récupératrices dans des conditions telles qu'un mélange gazeux combustible de gaz combustible et d'air ou d'un autre gaz contenant de l'o- xygène à l'état libre s'allume dans les sections finales du passage de l'ex- trémité froide à l'extrémité chaude de l'une des masses, et brûle dans la zone de réaction, tandis que les gaz de combustion sont envoyés dans l'au- tre masse, le sens de la circulation 'du gaz dans le four étant continuelle- ment renversé.
Un autre mode de préchauffage du four consiste à brûler un mélan- ge de gaz combustible et d'air ou de gaz contenant de l'oxygène libre dans -la zone de réaction au moyen d'un brûleur qui y est disposé, une partie des gaz de combustion chauds produits passant dans une masse pour se rendre à l'empilage et une autre partie étant envoyée dans l'empilage à travers l'autre masse. Dans l'un ou l'autre de ces modes de préchauffage, la zone de réac- tion et le catalyseur qui y est contenu, lorsque le procédé est exécuté ca- talytiquement, sont chauffés à une température d'environ 16000C à 500 C, sui- vant la réaction endothermique à produire, suivant qu'elle doit être réalisée catalytiquement, et dans ce cas, suivant le catalyseur particulier à utili- ser.
La construction des fours selon l'invention est telle que pendant ce préchauffage les extrémités les plus froides des masses restent à une tempé- rature inférieure à celle à laquelle des réactions parasites indésirables et une décomposition des produits altérés désirés se produisent, Les extré- mités les plus froides se trouvent, après préchauffage, habituellement à des températures d'environ 75 C à 250 C, de préférence 100 C, et les extré- mités les plus chaudes à des températures d'environ 250 C inférieures à la température de la zone de réaction.
Ces extrémités plus chaudes des masses doivent habituellement se trouver à des températures auxquelles s'amorce la modification endother- mique particulière à effectuer. Lorsque la combustion s'effectue en même temps que la modification endothermique, ces extrémités les plus chaudes de la mas- se récupératrice seront à des températures auxquelles la modification endo- thermique particulière et la combustion simultanée sont toutes deux amorcées.
Lorsqu'on emploie les fours préférés'à grand rendement suivant cette invention; les extrémités les plus froides des masses récupératrices, même après un fonctionnement continu, sont normalement à une température comprise de préférence dans là gamme de 75 C à 250 C, ces températures ré- sultant évidemment, d'une manière similaire du préchauffage du type décrit précédemment.
'En ce point réside l'une des plus importantes particularités de la présente invention, car dans tous les fours similaires de rendement
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thermique moindre utilisés antérieurement, la température de ces extrémités, les plus froides des masses récupératrices après un fonctionnement continu tend à augmenter jusqu'à ce qu'elle se rapproche de la température des ex- trémités les plus chaudes des masses, conditions dans lesquelles le procédé ne peut plus être réalisé, ce qui nécessite le maintien de l'opération de modification endothermique pour rétablir le gradient thermique voulu.
Il est bien entendu que les termes "matière catalytique" employés ici sont pris dans leur acception générique et propre aux matières dont l'action catalytique est due à leur constitution chimique particulière,,ain- si qu'aux matières qui sont catalytiquement'actives par suite de phénomènes, superficiels dont elles sont la cause. En d'autres termes, la masse de ma- tière catalytique peut être inerte, en ce qui concerne la catalyse due à la composition chimique, mais est uniquement effective comme conséquence de l'a grande étendue de la surface exposée. La masse catalytique présente de préférence la forme d'une matière en particules ou en granules, ou de bagues métalliques ou de cartouches composées de couches de treillis métal- liques, de types qu'on peut se procurer facilement dans le commerce.
En outre, ainsi qu'il a été dit, la masse catalytique peut être de plusieurs types aux points de vue de sa constitution chimique et physi- que, suivant le genre de réaction qu'on désire produire. Par exemple un catalyseur du type nickel est préférable pour produire des réactions de reformation de gaz du type suivant :
EMI10.1
Les traitements utilisant ce type de réaction sont efficaces pour la production de gaz de chauffage ou de gaz de synthèse. D'autres catalyseurs qu'on peut employer dans ce but comprennent le chrome, le cobalt, le fer, le cuivre et l'argent et leurs divers oxydes et sels et les mélanges de ces corps.
Par exemple on peut employer des catalyseurs constitués par de l'oxyde de chrome pour produire les réactions de déshydrogénation du type ci-après.
EMI10.2
C4H10 ########## C4 + H2 Butane Butylène
Des réactions telles que celles qui se présentent dans la reformation de gaz naturel,méthane ou hydrocarbures plus élevés pour produire des gaz de chauffage ou des produits de réaction endothermique, comprenant des aromatiques et des composés non saturés sont de préférence catalysées au moyen de masses de matières à surface active telles que le carbure de silice et d'alumine.
On insistera encore sur le fait que d'autres catalyseurs connus dans ce domaine de la technique peuvent être employés avec des résultats équivalents pour produire des réactions auxquelles ils conviennent particulièrement dans les procédés suivant cette invention.
Il est'entendu que certaines réactions endothermiques peuvent être produites plus efficacement suivant la présente invention par l'emploi de catalyseurs, tandis que d'autres sont réalisées plus efficacement par des procédés non catalytiques. La reformation de paraffines à bas poids moléculaire telles que le propane suivant le procédé continu de la présente invention,pour produire un gaz de chauffage présentant des propriétés qui lui' permettent de remplacer au point de vue de l'utilisation les gaz naturels, peut être exécutée efficacement sans catalyseur, tandis que la refor-
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mation de gaz naturels en un gaz de chauffage à faible pouvoir calorifi- , que destiné à être employé comme tel ou en mélange avec des gaz à pouvoir calorifique plus élevé est effectuée plus efficacement avec emploi d'un .
catalyseur.
.Toutefois, la plupart des réactions peuvent être effectuées catalytiquement ou non catalytiquement, la température de la réaction variant en conséquence. L'emploi d'un catalyseur dans la présente invention offre l'avantage de permettre l'emploi de faibles températures dans la zone de réaction, et par conséquent de réduirela différence de température entre la zone de réaction et les extrémités froides des.masses et de diminuer la tendance des extrémités froides de ces masses à prendre une température égale ou supérieure aux températures auxquelles les produits modifiés sont décomposés. Il est évident qu'on peut employer des catalyseurs avec avantage dans les réactions endothermiques nécessitant des températures de modification endothermique élevées.
Certaines réactions endothermiques sont effectuées plus efficacement sans combustion simultanée, tandis que d'autres sont réalisées plus efficacement avec combustion simultanée. La reformation catalytique de paraffines à bas poids moléculaires pour produire un gaz de chauffage ayant des propriétés qui lui permettent de remplacer les gaz naturels et la reformation catalytique de gaz naturels pour former.du gaz de chauffage à faible pouvoir calorifique peuvent être effectuées efficacement avec combustion simultanée. D'autre part, la fabrication de noir de furmée, d'hydrazine, d'acide cyanhydrique et d'hydrogène, est effectuée plus efficacement sans combustion simultanée.
Toutefois, toutes les réactions endothermiques de la présente invention peuvent être effectuées avec ou sans combustion simultanée. '
Bien qu'on se réfère continuellement à la fourniture de chaleur pour la modification endothermique par la combustion d'un gaz combustible ou d'une matière première combustible, il doit être entendu que cette chaleur peut être fournie simultanément ou alternativement avec la modification endothermique par toute réaction exothermique.
Suivant la présente invention, la matière première, le gaz contenant de l'oxygène libre, le diluant ou leur équivalent, peuvent être préchauffés, en mélange, jusqu'aux températures de la réaction endothermique, et un gaz contenant de l'oxygène non préchauffé peut être ajouté à la matière première préchauffée, ou bien de la matière première non préchauffée peut être ajoutée au gaz à teneur en oxygène préchauffé. Toutefois, lorsqu'un des constituants du mélange n'est pas préchauffé par son passage dans la masse, il doit de préférence être mélangé avec le constituant préchauffé dans une chambre de mélange avant son arrivée dans la zone de réaction, bien qu'il soit possible de mélanger le gaz non préchauffé avec le gaz préchauffé dans la zone de réaction même.
Le paragraphe précédent s'applique aussi au mélange de gaz combustible et de gaz à teneur en oxygène employé pendant la phase de chauffage.
Il est en outre important pour obtenir de bons résultats qu'on soit assuré d'une faible chute de pression, d'un degré élevé de transmission de chaleur et d'une faible durée de contact avec les masses récupératrices et la zone de réaction.
.La durée maximum du séjour des gaz soumis au traitement dans la première et dans la seconde masses récupératrices dépend de la nature de la réaction de modification endothermique particulière et de la température à laquelle elle est réalisée. Toutefois, dans aucun cas la durée de séjour dans chaque masse ne doi@ dépasser environ 0,5x seconde sauf pour la produc- tion de noir de fumée à partir d'hydrocarbures à bas poids moléculaire, au- quel cas cette durée de séjour dans chaque.masse ne doit pas dépasser 2x
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secondes environ, représentant la pression en atmosphères absolues à laquelle le procédé est exécuté.
Une gamme préférée pour cette durée de séjour est comprise entre 0,4 x et 0,05 seconde environ, sauf pour la production de noir de fumée où elle est de préférence de 1x à 0,3x seconde environ.
Pour produire des gaz de chauffage riches en insaturés, hydrazine et insaturés, la durée de séjour ne doit pas dépasser 0,3 seconde environ et est de préférence comprise entre 0,05 x seconde et 0,1 x seconde.
La durée de séjour maximum dans la zone de réaction des gaz soumis au traitement non catalytique, sauf pour la production du noir de fumée, est d'environ 0,2 seconde et de préférence dans une gamme de 0,15 à 0,01 seconde environ. Pour la production de certains gaz de chauffage riches et insaturés, hydrazine et insaturés, la durée de séjour ne doit pas dépasser 0,05 seconde environ, et est de préférence comprise entre 0,01 x seconde environ et 0,05 seconde environ.
Le procédé suivant la présente invention peut être exécuté à une pression inférieure ou supérieure à la pression atmosphérique. Les procédés à une pression sub-atmosphérique sont de préférence exécutés à une pression allant d'une pression juste inférieure à la pression atmosphérique à une pression d'environ 0,2 atmosphère absolu et ils sont particulièrement utiles pour la production de certains gaz de chauffage riches en oléfines insaturées à bas poids moléculaire à partir d'hydrocarbures, celle d'hydrazine à partir d'ammoniaque et =celle d'acétylène à partir d'hydrocarbures.
Toutefois, les oléfines et les gaz de chauffage peuvent être produits efficacement à la pression atmosphérique. Bien que l'hydrazine et l'acétylène puissent être produits aux pressions atmosphériques, l'emploi de pressions subatmosphériques est beaucoup plus satisfaisant, car il permet de réduire la durée du préchauffage, de la réaction et du refroidissement en abaissant ainsi la quantité de réactions parasites et la décomposition des produits désirés.
Une gamme de pressions préférée dans les conditions super-atmosphériques, telles que celles appliquées pour la production d'oléfines d'ordre plus élevé, d'aromatiques et autres produits de réaction'liquides, est comprise entre une pression juste supérieure à la pression atmosphérique et une pression d'environ 5 atmosphères. Toutefois, des pressions ne dépassant pas 3 atmosphères environ sont plus efficaces.
Les pressions plus élevées utilisées dans la production d'aromatiques et d'oléfines supérieures ont pour effet d'augmenter les durées de séjour dans les 'masses et la zone de réaction, ce qui est admissible et désirable dans ces réactions.
Lorsqu'on emploie de l'oxygène au lieu d'air, les durées de séjour des gaz soumis au traitement dans le four peuvent être réduites à la moitié environ de celle nécessaire pour des opérations similaires conduites avec de l'air. Ainsi, la durée de séjour à la pression atmosphérique lorsqu' on utilise,de l'oxygène peut être réduite à quelques millièmes de seconde.
Il est évident que des modifications analogues peuvent être apportées à la durée de séjour lorsqu'on emploie d'autres gaz plus riches ou plus pauvres que l'air en oxygène libre. Pour éviter le danger de surcharger le four lorsqu'on emploie des gaz extrêmement riches en oxygène, il est désirable de réduire la durée de séjour en diminuant les pressions plutôt qu'en augmentant la vitesse de l'alimentation.
Il est évident que la réduction des périodes de séjour et de refroidissement par réduction de la pression dans l'installation peut être effectuée sans changement appréciable de la chute de pression dans la masse récupératrice, parce que seule la vitesse linéaire du gaz est augmentée et non la vitesse de la macse. Cette caractéristique d'une chute de pression réduite constitué l'un des points importants de cette.invention. Il est nécessaire que la chuté de pression dans l'appareil ne dépasse pas environ
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5 livres par pouce carré (0,3515 kg. par cm2). La gamme préférée s'étend' d'environ 1 livre par pouce carré (0,0703 kg. par cmê) à environ 2,5 livres par pouce carré (0,1757 kg. par cmê).
On peut employer ou non des diluants pendant les modifications endothermiques.'Dans la production d'acétylènes, d'oléfines, de gaz de chauffage et d'aromatiques et dans la déshydrogénation, le cracking et l'i- somérisation des hydrocarbures, la vapeur est utile comme diluant. Dans la production d'hydrogène, d'hydrazine et de noir de fumée, l'hydrogène est utile comme diluant. On peut utiliser des diluants connus dans les procédés antérieurs pour chaque genre particulier de modification endothermique.
Certaines limitations additionnelles devront être observées dans les formes d'exécution de l'invention où une partie de la chaleur nécessai- re est fournie par la combustion d'une matière première inflammable. Il est préférable que dans ces formes d'exécution à combustion partielle de la pré- sente invention le mélange initial de matières premières contienne de l'oxy- gène ou un gaz à teneur en oxygène libre dans des proportions garantissant la non inflammabilité pour empêcher un excès de combustion de la matière pre- mière par la réaction de combustion. On n'emploiera dans la phase de pro- duction que la quantité suffisante d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygè- ne libre pour obtenir la chaleur nécessaire à la production du produit dé- siré et à la continuation de l'opération.
De l'air, de l'oxygène ou de l'oxygène en mélange avec d'autres gaz tels que l'azote qui sont inertes dans les conditions de la réaction peuvent être employés. L'air est préféré.
D'une façon générale, de l'air peut être mélangé avec des hydro- carbures à bas poids moléculaire pour être employé dans les procédés à com- bustion partielle de l'invention, dans la gamme comprise entre 0,5 partie d'air environ en volume pour 1 partie d'hydrocarbure et 6,5 parties environ d'air pour 1 partie d'hydrocarbure en volume, s'il s'agit d'hydrocarbures allant du méthane au delà du pentane. Des rapports semblables en oxygène s'établissent entre environ 0,1 partie d'oxygène pour 1 partie d'hydrocar- bure à environ 1,5 partie d'oxygène pour 1 partie d'hydrocarbure. Pour le cracking d'hydrocarbures supérieurs au pentane, des quantités proportion- nellement plus grandes que l'oxygène sont nécessaires. En général, le ma- ximum nécessaire comporte approximativement le même nombre d'atomes d'oxy- gène qu'il y-a d'atomes de carbone dans la molécule.
Les hommes de métier seront capables de déterminer facilement les proportions convenables de gaz contenant de l'oxygène libre à employer avec une matière première autre que les hydrocarbures.
Les limites à observer pour les proportions des divers hydrocar- bures et autres gaz combustibles avec l'oxygène pour former un mélange com- bustible sont bien connues dans le métier. On peut trouver ces données par exemple dans le "Handbook of Chemistry and Physics " 30e édition, 1947, p.
1506. Les proportions d'oxygène ou d'air nécessaires pour former un mélange combustible avec les hydrocarbures préférés, susceptible d'être employé dans le procédé suivant l'invention et les proportions préférées à utiliser pour ces matières premières sont indiquées dans le tableau 1 concernant les- opérations exécutées à la pression atmosphérique.
TABLEAU I.
EMI13.1
<tb>
Hydrocarbure <SEP> Nécessaire <SEP> pour <SEP> la <SEP> combustion <SEP> (x) <SEP> Gamme <SEP> préférée
<tb> oxygène <SEP> air <SEP> oxygène <SEP> air
<tb>
<tb>
<tb> méthane <SEP> 2.0 <SEP> 9. <SEP> 52 <SEP> 0.2-0.7 <SEP> 1.0-3.5
<tb>
<tb> éthane <SEP> 3.5 <SEP> 16.67 <SEP> 0. <SEP> 15-0.7 <SEP> 0.75-3.5
<tb>
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EMI14.1
<tb> propane <SEP> 5.0 <SEP> 23.80 <SEP> 0. <SEP> 2-1.0 <SEP> 1.0-5.0
<tb>
<tb> butane <SEP> 6.5 <SEP> 30.95 <SEP> 0.3-1.5 <SEP> 1.5-6.5
<tb>
<tb>
<tb> éthylène <SEP> 3.0 <SEP> 14.29 <SEP> 0. <SEP> 1-0.5 <SEP> 0. <SEP> 5-2.5
<tb>
<tb>
<tb> propylène <SEP> 4.5 <SEP> 21.43 <SEP> 0.15-0.8 <SEP> 0.75-4.0
<tb>
<tb>
<tb> butylène <SEP> 6.0 <SEP> 28.58 <SEP> 0. <SEP> 2-1.0 <SEP> 1. <SEP> 0-5.0
<tb>
<tb>
<tb> gaz <SEP> naturel <SEP> 0.
<SEP> 2-0.7 <SEP> 1.0-3.5
<tb>
(x) parties en volume d'oxygène ou d'air par partie en volume d'hydrocarbure.
Ainsi qu'il a été dit, les températures des parties les plus chaudes des masses sont au moins égales aux températures auxquelles s'amor- cent la modification thermique et la combustion de la matière première.
Les parois de la zone de réaction et le catalyseur, lorsqu'on en utilise, sont habituellement à une température dépassant de 150 C environ celle des parties les plus chaudes des masses. Ces températures peuvent évidemment varier suivant la nature particulière de la modification endothermique à effectuer, suivant que celle-ci est catalytique et dans ce cas suivant le catalyseur particulier utilisé. Dans certaines réactions exécutées cataly- tiquement, le catalyseur et les parois de la zone de réaction se-trouvent à une température inférieure aux parties les plus chaudes des masses.
Les températures nécessaires pour des modifications endothermi- ques particulières sans l'emploi de catalyseurs et avec emploi de catalyseurs particuliers de la technique antérieure sont bien connues des hommes du mé- tier. Lorsque des gaz de chauffage sont produits au moyen d'hydrocarbures à bas poids moléculaire, les températures de la zone de réaction sont com- prises dans. une gamme allant de 700 C à 1000 C.
Dans cette description et les revendications annexées, les ter- mes "matières gazeuses" et "gaz" se rapportent aussi bien à des matières normalement gazeuses qu'à des matières liquides et solides qui ne sont pas gazeuses normalement mais sont capables d'exister à l'état de vapeur ou à un état de fluidité. Des composés à bas poids moléculaire tels que le mé- thane, l'éthane et les divers butanes, hexanes, propanes isomériques et normaux et leurs mélanges peuvent être employés, de même que les octanes et décanes et les naphtes de pétrole. Ces "matières gazeuses" comprennent l'ammoniac, des mélanges d'hydrocarbures et d'ammoniac, l'air, l'anhydride carbonique, la vapeur et l'anhydride sulfureux. Les hydrocarbures liqui- des tels que le fuel oil et la gazoline naturelle peuvent être préchauffés ou pulvérisés et introduits en même temps que l'air.
L'emploi d'un four à récupération de type nouveau, dans lequel les procédés suivant la présente invention peuvent être réalisés, est l'une des principales caractéristiques de l'invention. En résumé, le four sui- vant cette invention comprend deux masses récupératrices thermiquement iso- lées possédant chacune des carneaux continus ininterrompos qui les traver- sent, chacune de ces masses récupératrices étant pourvue d'un espace libre en communication avec une extrémité des carneaux et une zone de réaction thermiquement isolée établissant la communication entre les extrémités des carneaux de chacune des masses récupératrices du côté opposé aux espaces libres. Des dispositifs sont associés à chacun des espaces libres pour 1' admission et l'échappement des gaz.
Des dispositifs sont également prévus pour renverser le sens de la circulation des gaz dans les fours. La zone de réaction peut ou non être pourvue d'une matière catalytique ou non cata- lytique qui s'y trouve de préférence à l'état de particules ou de granules.
Dans une forme d'exécution de ce four, chacune des masses récu- pératrices et les carneaux qui y sont établis sont séparés en deux parties
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par une chambre de mélange située à leur extrémité adjacente à la zone de réaction, de telle sorte que les gaz qui circulent dans les carneaux de chacune des masses passent dans sa chambre de mélange. Des dispositifs sont prévus pour admettre les gaz dans chacune des chambres de mélange autrement que par-lescarneaux..
Chacune des masses peut être disposée sur les côtés opposés de la zone de réaction sous un angle de 180 , les carneaux de chaque masse étant situés dans le prolongement axial des carneaux de l'autre masse, ou bien les deux masses peuvent être disposées côte à côte du même côté de la zone de réaction et suivant un angle de 360 , les carneaux de chaque masse étant parallèles aux carneaux de l'autre masse, ou encore les masses peuvent partir de la zone de réaction sous un angle désiré quelconque l'une par rapport à l'autre.
La disposition de masses récupératrices établies d'une façon nouvelle pour être employées dans les fours de la présente invention et pour réaliser les procédés suivant l'invention constitue également l'une des caractéristiques de celle-ci.
En bref, la masse récupératrice suivant l'invention comporte une série de blocs en matière résistant à l'action de la chaleur, placés bout-à-bout pour remplir complètement un espace prédéterminé dans le four.
Une série de passages rectilignes s'étendent de part en part au travers de cette masse, la totalité de ces passages étant formée par la juxtaposition de rainures à parois courbes complémentaires aménagées périphériquement, .dans les faces en regard de chacun des blocs, une partie seulement de ces passages étant formée par ces rainures, le restant par des rangées de passages alignés longitudinalement et passant à-travers chacun des blocs.
Chacun des blocs nouveaux constituant ces masses récupératrices est de préférence mais non nécessairement rectangulaire et fait en une matière résistant à la chaleur, chacune de deux faces opposées de ce bloc étant pourvue d'une rangée de rainures à parois courbes ménagées périphériquement s'étendant complètement en travers de ces faces, les rainures ménagées dans une face y étant disposées d'un côté à l'autre dans la même direction que les rainures de la face opposée. Chacun de ces blocs peut ou non être pourvu d'une ou de plusieurs rangées de passages qui les traversent dans la même direction que les rainures.
Dans le cas où les blocs ne sont pas pourvus de tels passages, la distance entre les axes des rainures dans l'une de ces faces est'à peu près égale à la distance entre les axes des rainures ménagées dans l'autre de ces faces et à la distance entre les axes de rainures adjacentes ménagées dans les.faces opposées, la distance mentionnée en dernier lieu étant mesurée en travers du bloc. Les rainures formées sur les faces opposées sont disposées en quinconce.
Dans les cas où les blocs présentent une rangée de passages qui y passent au travers dans la même direction que les rainures, cette rangée de passages étant disposée entre les faces rainurées opposées du bloc, cette rangée de passages est décalée par rapport à la rangée de rainures dans chacune des faces opposées et chacun des passages et cette rangée est espacé d'une quantité sensiblement uniforme des passages adjacents et des deux rainures contiguës les plus rapprochées de chacune des faces opposées.
Dans les cas où les blocs sont pourvus de plus d'une rangée de passages qui la traversent dans la même direction que les rainures-ces rangées de passages étant situées entre les faces rainurées opposées des blocs, les rangées de passages adjacents à chacune des faces rainurées sont décalées par rapport aux rangées de rainures de ces faces, chacune des passages de ces rangées adjacentes de passages étant sensiblement à la même distance des passages contigus de la même rangée et des deux rainures contiguës les plus rapprochées des faces .rainurées adjacentes.
Les rangées de passages traversant les blocs, lorsqu'il y en a plus d'une, sont toutes décalées l'une par rapport à l'autre, chaque passage de chaque rangée étant sensiblement équidistant des passages contigus de la même rangée et des deux passages conti-
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gus les plus proches des rangées adjacentes.
L'emploi, de masses récupératrices comprenant les blocs décrits ci-dessus, a pour effet d'augmenter la rapidité de la transmission de chaleur et d'accroître la capacité d'emmagasinement de la chaleur avec moins de casse ou de déchets après un emploi prolongé que dans les masses ou blocs récupérateurs connus de la technique antérieure. Ces blocs permettent une transmission de chaleur efficace à des allures rapides du courant de gaz à travers leurs passages avec une chute de pression faible ou nulle.
L'absence de déchets dans ces masses après un emploi prolongé est une caractéristique importante de la.présente invention.
La pièce ou le bloc construit suivant la présente invention est de fabrication économique. Les blocs peuvent être facilement extrudés, comprimés ou moulés en employant les matières désirées et les rainures ménagées dans les faces opposées sont toutes d'une configuration telle que. les parties du moule qui forment ces rainures lorsque les blocs sont moulés peuvent être facilement retirées, leur "dépouille" étant suffisante dans ce but.
Les rainures peuvent présenter une section transversale polygonale si.on le désire, aussi bien que semi-cylindrique.
Toutefois, il est préférable que la forme semi-cylindrique soit employée car la répartition de la chaleur dans la masse est plus uniforme et plus complète lorsque ces rainures sont employées.
Les masses et blocs particuliers suivant la présente invention sont utiles non seulement pour réaliser les procédés suivant l'invention, mais ils peuvent aussi être utilisés avantageusement dans tout procédé où une matière doit être chauffée ou refroidie efficacement.
On comprendra mieux l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 représente, partiellement en coupe, partiellement en schéma, un appareil complet suivant la présente invention ;
Fig. 2 est une coupe transversale suivant la li gne II-II de la Fig. 1;
Fig. 3 représente partiellement en coupe transversale, partiellement schématiquement, une seconde forme d'exécution complète de l'appareil suivant la présente invention;
Fig. 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la Fig. 3;
Fig. 5 représente partiellement en coupe transversale, partiellement schématiquement une troisième forme d'exécution préférée de la présente invention;
Fig. 6 est une coupe transversale suivant la ligne VI-VI de la Fig. 5;
Fig. 7 représente, partiellement en coupe transversale et partiellement schématiquement une quatrième forme d'exécution préférée de la présente invention ;
Fig. 8 est une coupe transversale suivant la ligne VIII-VIII de la Fig. 7;
Fig. 9 est une vue en coupe transversale d'un four spécifique correspondant à la forme d'exécution de l'invention représentée sur la Fig. 1;
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Fig, 10 est une vue en coupe transversale du four perpendiculai- re à la vue en coupe de la Fig. 9 et prise suivant la ligne X-X de la Fig.
9 ;
Fig. 11 est une vue en coupe transversale du four de la Fig.
9 suivant la ligne XI-XI;
Fig. 12 est une coupe transversale d'un four spécifique corres- pondant à la forme d'exécution préférée de l'invention, représentée sur la Fig. 5;
Fig..13 est une élévation en bout du four représenté sur la Fig.
12 ;
Fig. 14 est une vue en perspective d'une forme préférée de l' enveloppe de support des réfractaires, employée dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 12 ;
Fig. 15 est une vue en perspective de l'un des blocs ou pièce composant les masses récupératrices des figures précédentes;
Fig. 16 est une vue en plan de la pièce représentée sur la Fig.
15 ;
Fig. 17 est une vue en coupe suivant la ligne XVII-XVII de la Fig. 18 à travers une masse composée des blocs de la Fig. 15;
Fig. 18 est une vue-en élévation de côté d'une masse montée prise de la droite de la Fig. 17, certaines parties de la rangée avant étant arrachées;
Fig. 19 est une vue en élévation de côté d'une autre forme de bloc;
Fig. 20 est une vue en coupe, semblable à la Fig. 17, mais montrant encore une autre forme de bloc.
Les Figs. 1 et 2 montrent une chambre 1 isolée par des réfrac- taires, contenant deux empilages récupérateurs contigus 2 et 3, qui sont pourvus tous deux de carneaux rectilignes continus 4. Les empilages 2 et 3 sont séparés par une paroi étanche aux gaz 5 et pourvus respectivement de chambres d'entrée et d'échappement 6 et 7, qui sont en communication avec les carneaux 4. Au-dessus des empilages récupérateurs 2.et 3 se trou- ve une chambre d'in ter-communication 8 en communication avec les extrémi- tés supérieures des carneaux 4 des deux empilages récupérateurs 2 et 3. La chambre 8 est pourvue de dispositifs de chauffage 9, normalement un brûleur à combustible gazeux ou liquide.
Un conduit d'entrée et d'é- vacuation 10 raccordé à la chambre d'entrée.et d'évacuation des gaz 6 est relié par un conduit 11, une vanne à trois 'voies 12 et un conduit 13 à un mélangeur 14. Le conduit d'entrée et d'évacuation 31, raccordé à la cham- bre d'entrée et d'évacuation des gaz 7 est-également relié par le conduit 35, la vanne 101, le conduit 102, la vanne ou le robinet à trois voies 12 et le conduit 13 au mélangeur 14. Ce dernier est raccordé par un con- duit 80, un conduit 38, un débit-mètre 41, un conduit 43, un-robinet ou van- ne 44 et un conduit 46 à une source d'un. gaz contenant de l'oxygène libre, tel que .de l'air.
Le mélangeur 14 est aussi raccordé par un conduit 80, un conduit 39, un débit-mètre 40, un conduit 42, une vanne 45 et un conduit 47 à une source d'un gaz contenant de l'oxygène libre, tel que de l'air.
Le mélangeur 14 est aussi raccordé par le conduit 48, le conduit 49, le dé- bit-mètre 51, le conduit 52, la vanne 53 et le conduit 54 à une source de vapeur. Le mélangeur 14 est également relié par le conduit 48, le con- duit 50, le conduit 55, le débit-mètre 46, le conduit 57, la vanne 58 et le conduit 59 à une source de gaz à modifier thermiquement. Le mélangeur 14 est encore raccordé par les conduits 48,50 et 51, le débit-mètre 62, le
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conduit 63, la vanne 64 et le conduit 65 à une source de gaz de chauffage.
Le conduit 10 est raccordé par le conduit 15, et le conduit 31 par le conduit 35, la vanne 101 et les conduits 102 et 76, à une vanne à trois voies 16 qui est, à son tour, reliée par les conduits 17 et 18 à la vanne à trois voies 19. Celle-ci est raccordée par un conduit 20 à une cheminée et par le conduit 21, la vanne 22, le conduit 23, la pompe 24, le conduit 25, la vanne 26 et le conduit'30, au dispositif d'emmagasinage ou gazomètre, non représenté. Les vannes 23 et 26 et la pompe 24 peuvent être court-circuitées par le conduit 27, la vanne 28 et le conduit 29.
Le conduit 35, la vanne 101, les conduits 102 et 76, la vanne à trois voies 16 et le conduit 17 peuvent être court-circuités par le conduit 32, la vanne 33 et le conduit 34.
L'appareil représenté sur les Figs. 3 et 4 est semblable à celui des Figs. 1 et 2 et les mêmes chiffres de référence sont employés pour désigner des éléments semblables. Les différences qu'il présente vis-à-vis du premier appareil résident dans les points suivants :
L'empilage 2 est divisé en deux parties 106 et 84 séparées par une chambre de mélange 75 et l'empilage 3 est divisé en deux parties 107 et 105 séparées par une chambre de mélange 103. Les carneaux de l'empilage 106 sont raccordés entre eux par la chambre de mélange 75 et les carneaux de l'empilage 84 sont raccordés à la chambre 8. Les carneaux de l'empilage 107 sont raccordés entre eux par la chambre de mélange 103 et les carneaux de l'empilage 105 sont raccordés à la chambre 8.
La chambre 75 est raccordée par une série de conduits 72, un conduit collecteur 71,un conduit 70, une vanne ou un robinet à trois voies 68, un conduit-67, une vanne 66, un conduit 61, un débit-mètre 62, un conduit 63, une vanne 64 et un conduit 65 à une source de gaz de chauffage.
La chambre 75 est aussi raccordée par la série de conduits 72, le conduit collecteur 71, le conduit 70, le robinet ou vanne à trois voies 68, le conduit 67, la vanne 66, la vanne 60, le conduit 55, le débit-mètre 56, le conduit 57, la vanne 58 et le conduit 59 à une source de gaz à modifier thermiquement.
La chambre 75 est aussi raccordée par les conduits 72, le collecteur 71, le conducteur 70, la vanne ou le robinet 68, les conduits 67, 77, la vanne 78, les conduits 79, 38, le débit-mètre 41, le conduit 43, la vanne 44 et le conduit 46 à une source de gaz contenant de l'oxygène libre, tel que l'air.
La chambre 75 est aussi raccordée par les conduits 72, 71 et 70, le robinet 68, les conduits 67, 77, la vanne 78, les conduits 79, 39, le débit-mètre 40, le conduit 42, la vanne 45 et le conduit 47 à une source de gaz contenant de l'oxygène libre tel que'l'air.
. La chambre 103 est raccordée par une série de conduits 74, un collecteur 73, un conduit 69, le robinet à trois voies 68, le conduit 67, la vanne 66, le conduit 61, le débit-mètre 62, le conduit 63, la vanne 64 et le conduit 65 à une source de gaz de chauffage. La chambre 103 est aussi raccordée par la série de conduits 74, le collecteur 75, le conduit 69, le robinet à trois voies 68, le conduit 67, la vanne 66, la vanne 60, le conduit 55, le débit-mètre 56, le conduit 57, la vanne 58 et le conduit 59 à une source productrice de gaz.
La chambre 103 est aussi reliée par les conduits 74, les conduits 73 et 69, la vanne 68, les conduits 67 et 77, la vanne 78, le conduit 79, le conduit 38,. le débit-mètre 41, le conduit 43, la vanne 44 et le conduit 46 à la source de gaz contenant de l'oxygène libre, tel que l'air.
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La chambre 103 est encore reliée par les conduits 74,73 et 69, la vanne 68, les conduits 67 et 77, la vanne 78, les conduits 79 et 39, le débit-mètre 40, le conduit 42, la vanne 45 et le conduit 47 à une source de gaz contenant de l'oxygène libre tel que de l'air.
L'appareil représenté sur les Figs. 5 et 6, qui est encore une autre forme d'exécution de l'invention, est semblable à celui de la Fig.
1 et les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes éléments. Il n' en diffère qu'en ce que les empilages 2 et 3 se trouvent de part et d'autre de la chambre 8 et que leurs carneaux se trouvent dans le'prolongement longitudinal les uns des autres. Dans un tel appareil, la paroi 5 des Figs.
1 et 2 n'est naturellement pas nécessaire.
L'appareil suivant les Figs. 7 et 8, qui est encore une autre forme d'exécution de l'invention, est semblable à celui de la Fig. 3 et les mêmes chiffres de référence sont utilisés pour désigner des éléments semblables. La seule différence réside dans le fait que les empilages 2 et 3 se trouvent de part et d'autre de la chambre 8, de telle manière que leurs carneaux se trouvent dans le prolongement longitudinal les uns des autres. Dans un tel appareil, naturellement, la paroi 5 des Figs. 3 et 4 n'est pas nécessaire.
Bien que les sections transversales des fours et des masses réfractaires soient de préférence rectangulaires, comme c'est représenté, elles peuvent être circulaires ou avoir toute autre forme désirée.
L'appareil représenté sur les Figs. 9, 10 et 11 constitue un four conforme à un mode d'exécution de l'invention suivant la Fig. 1, où le four-est disposé verticalement et supporté par des pieds ou montants 110. L'enveloppe du four comprend un corps inférieur 111 pourvu d'une plaque de fond 112 et d'une plaque de tête 113, la plaque de fond 112 étant fixée aux pieds 110 d'une manière désirée quelconque. La plaque de fond est pourvue d'ouvertures 114 et la-plaque de tête 113 d'ouvertures 115.
La plaque- de tête '113 est de préférence munie de nervures de renfort comme c'est indiqué en 116. Des manchons ou tubes 117 sont suspendus à la périphérie des ouvertures 115 de la plaque 113. On remarquera en se référant à la Fig. 11 que les ouvertures 115 et les manchons 117 sont rectangulaires dans les formes d'exécution représentées. Les manchons 117 se terminent à une faible distance au-dessus de la plaque de fond 112 et de courtes grilles 118 y sont emboîtées télescopiquement à leurs extrémités inférieures.
Les bords périphériques des extrémités inférieures des manchons 117 sont raccordés à la plaque de fond 112 par des.joints de dilatation indiqués en 119 . La disposition est telle que les manchons 117 en acier résistant à l'action de la chaleur peuvent se contracter ou se dilater longitudinalement dans les limites nécessaires pour les variations de température auxquelles ils peuvent être soumis pendant le fonctionnement du four. A la plaque 112 et en-dessous de celle-ci sont fixées de courtes trémies d'extrémité 120 dont la section transversale se rétrécit vers leurs extrémités libres et qui se terminent par des plaques de fermeture pourvues d'ouvertures appropriées 121 auxquelles peuvent être fixés des raccords convenables.
On remarquera que le corps 111, les plaques 112,et 113 et les manchons 117 délimitent une chambre fermée enveloppant-complètement les manchons 117.
Le corps 111 est pourvu d'une ou de plusieurs ouvertures d'accès recouvertes par des plaques de fermeture amovibles appropriées 122 qui peuvent être enlevées pour permettre le remplissage de la chambre entourant les manchons 117 avec une matière isolante en granules, telle que la vermiculite. indiquée d'une façon générale en 123. Il est évident qu'on peut employer d'autres matières légères, mauvaises conductrices de la chaleur, telles que la magnésie, les briques ou le ciment isolant.
La zone de haute température du'four est enfermée dans un corps d'enveloppe supérieur 124 fixé par la bride 125 à la plaque de tête 113 du corps inférieur 111 et pourvu avantageusement d'une plaque de recouvrement
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courbée 126. La zone à haute température du four embrasse les parois ver- ticales 127 en briques réfractaires et la paroi médiane formant pont 128 de même matière. Les parois 127 supportent la voûte réfractaire 129 qui est également formée de briques réfractaires et est isolée de la plaque de recouvrement 126 par une couche intercalaire de matière isolante appropriée 130 telle que la vermiculite en menus morceaux ou des blocs de magnésie.
La plaque de recouvrement 126 est de préférence entièrement soudée au corps supérieur 124. Les parois 127 sont, sur une partie notable de leur longueur, espacées intérieurement d'une faible quantité du corps d'enveloppe 124 et l'espace intermédiaire est de préférence rempli d'une matière isolante ap- propriée 131, comparable à celle indiquée en 130 au-dessus de la voûte réfractaire 129. Un brûleur approprié 132 s'ouvre dans la chambre de com- bustion 133 située immédiatement au-dessous de la voûte 129. Un tube d'ob- servation 134 s'étend au travers dela voûte 129 pour permettre l'examen intérieur du four.
Des masses récupératrices réfractaires 135 et 136, pourvues de carneaux ininterrompus 137 qui y sont ménagés longitudinalement sont placées dans des manchons 117 et s'étendent sur une longueur notable dans la zone de haute température du four entre les parois verticales 127 et la paroi centrale 128. Les masses 135 et 136 limitent ainsi l'étendue de la cham- bre de combustion 133 située en-dessous de la voûte 129. A leurs extrémités opposées les masses 135 et 136 sont supportées sur des grilles 118.
Le four est aussi pourvu avantageusement de dispositifs pour y introduire des gaz et les en retirer et pour renverser la circulation des gaz dans le four. A cet effet, la trémie 120 conjuguée à la masse réfrac- taire 135 est pourvue d'un conduit 138 correspondant au conduit 31 des Figs. 1 à 4, et raccordé à une cheminée, des sources de gaz et un support de la même manière que le conduit 31 des Figs. 1 à 4.
D'une façon analogue la courte trémie 120 qui est conjuguée avec la masse récupératrice réfractaire 136 est pourvue d'un conduit 144 correspondant au conduit 10 des Figs. 1 à 4 et raccordé à des sources de gaz,..une cheminée et un accumulateur ou gazomètre, de la même manière que le conduit 10 des Figs. 1 à 4.
L'appareil représenté sur les Figs. 12,13 et 14 est un four spécifique correspondant à la forme d'exécution préférée de l'invention re- présentée sur la Fig. 5.
Dans cette forme d'exécution, le four est pourvu d'une envelop- pe extérieure allongée 156 de section transversale normalement rectangulai- re, comportant des sections séparables non représentées. L'enveloppe 156 est pourvue de plaques d'extrémité identiques 157 danslesquelles sont ména- gées des ouvertures 158. A l'intérieur de cette enveloppe extérieure 156 se trouve une section intermédiaire 159 comprenant une paroi réfractaire 160 délimitant un passage 161 pourvu de sorties identiques 162.
A l'intérieur de l'enveloppe extérieure 156 se trouvent aussi deux sections terminales identiques 163, disposées chacune à une.sortie 162 du passage 161. Les sections terminales 163 entourent des caissons de support réfractaires perforés 164 qui se prolongent à l'extérieur à travers les ouvertures 158 des plaques d'extrémité 157. Les caissons 164 sont sus- ceptibles de se déplacer librement dans des ouvertures 158 pour permettre les contractions et dilatations normales du four pendant le service. L'es- pace entre les caissons 164 et l'enveloppe extérieure 156 est rempli de ma- tière isolante en morceaux 165. Les caissons 164 sont pourvus en leurs ex- trémités extérieures de plaques de recouvrement étanches aux gaz 166.
Les extrémités internes des caissons 164 sont pourvues de brides 167 disposées de manière à porter sur les extrémités de la paroi réfractaire 160 et fixées d'une manière étanche aux gaz à l'enveloppe extérieure 156.
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Des masses récupératrices réfractaires identiques 168 et 169, en matière réfractaire perforée, pourvues de carneaux ou de rainures inin-@ terrompus 170 qui les traversent longitudinalement sont placées dans les caissons en acier inoxydable 164 et s'étendent à une notable profondeur à ' l'intérieur'du passage 161. Les extrémités internes des masses 168 et 169 sont espacées l'une de l'autre pour former les parois d'extrémité de la zone de combustion 171. Cette dernière est pourvue d'un dispositif de chauffage 172 qui peut avantageusement présenter la forme d'un brûleur pour combustible gazeux ou liquide.
Les extrémités externes des masses 168 et 169 se trouvent à une certaine distance des plaques d'extrémité 166, de manière à former des chambres collectrices 173 et 174 respectivement. Des plaques perforées 175 sont disposées dans les chambres collectrices 173 et 174 pour effectuer une répartition plus uniforme des gaz dans les masses récupératrices réfractaires 168 et 169.
L'appareil comporte aussi des dispositifs d'admission et d'échappement et des dispositifs pour renverser le courant des gaz dans les foyers.
A cet effet, la chambre collectrice 173 est pourvue d'un conduit 176 correspondant au conduit, 31 des Figs. 5 à 8 et raccordé à des sources de gaz, une cheminée et un support, de la même manière que le conduit 31 des Figs 5 à 8, tandis que le collecteur 174 est pourvu d'un conduit 177 correspondant au conduit 10 des Figs. 5 à 8 et raccordé à des sources de gaz, une cheminée et un accumulateur, de la même manière que le conduit 10 des Figs.
5 à 8.
Dans la variante de l'invention représentée sur les Figs. 5, 6, 7, 8, 12, 13 et 14, les masses récupératrices réfractaires sont disposées dans une position horizontale dans le même plan et sont séparées par une chambre ou zone de combustion de volume réduit placée entre les extrémités des deux masses. Toutefois, les masses peuvent être disposées sur un plan vertical de la même manière.
On remarquera que dans cette variante les extrémités les plus chaudes des masses récupératrices se trouvent pour ainsi dire en contact l'une avec l'autre. En outre, la chute de pression des gaz soumis au traitement dans le four est réduite du fait que les gaz ne changent pas de direction en passant de l'une des masses récupératrices à l'autre. En outre, il existe de. nombreux avantages inhérents à ce type de construction comportant un moyen simple de permettre les dilatations et contractions de l'appareil.
Les masses récupératrices des fours spécifiques suivant les Figs. 9 à 14, peuvent être modifiées pour comporter les chambres de mélange des Figs. 3, 4, 7 et 8, de telle sorte que l'une des matières gazeuses peut être admise directement dans chacune de ces chambres de mélange.
Les Figs. 15 et 16 montrent un bloc ou une brique propre à composer les masses récupératrices suivant la présente invention; c'est un bloc ou une brique rectangulaire 92 en matière,appropriée résistant à l'action de la chaleur qui présente des faces opposées pratiquement parallèles et relativement grandes 89 et des surfaces de champ relativement étroites 91 et 86. Les faces planes opposées sensiblement parallèles 89 sont chacune pourvues d'une série de rainures droites approximativement parallèles 87 et 92 et de demi-rainures 88, chaque rainure présentant une section transversale à peu près semi-cylindrique et s'étendant complètement en travers de la face du bloc.
L'écartement entre les rainures est sensiblement uniforme et les rainures sont "décalées", c'est-à-dire que les rainures 87 de l'une des faces sont disposées de manière que leurs axes se trouvent à égales distances,des axes des rainures 93 de l'autre face, entre ceux-ci, le tout comme on le voit clairement sur les Figs. 15 et 16. Une autre caractéristique du bloc réside dans le fait que les rainures 87, 88 et 93 sont
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toutes espacées les unes des autres de quantités approximativement égales.
La distance entre deux rainures adjacentes quelconques 87 et la distance entre les rainures 87 et 88 sont sensiblement égales à la distance entre deux quelconques des rainures 93 et à la distance entre les rainures 87 ou 88 et les rainures les plus proches 93 'de la face opposée, mesurée en travers du bloc. En d'autres termes, les axes de deux rainures d'une face et la rainure adjacente de la face opposée se trouvent sensiblement aux sommets d'un triangle équilatéral, comme c'est indiqué en A B C sur la Fig.
16.
Les proportions relatives des blocs peuvent être modifiées notablement, mais ces 'derniers sont relativement minces en comparaison de leur longueur et de leur hauteur.
Les blocs qui viennent d'être décrits peuvent être facilement assemblés en une masse comme c'est représenté sur la Fig. 17 où des rangées alternées de blocs placés bout-à-bout comportent une brique courte ou de demi-longueur E à une extrémité, de telle sorte'que les joints 95 de ces rangées sont décalés par rapport aux joints 99 des autres rangées qui comportent des briques de longueur pleine aux extrémités adjacentes aux blocs E. Il n'est pas nécessaire que les blocs E aient exactement la moitié de la longueur des blocs de longueur standard ou de pleine longueur. Toutefois, de préférence la longueur des blocs E sera un multiple pair de la distance entre les rainures des blocs.
Il ressort clairement de la Fig. 17 que les rainures 93 de l'un des blocs concordent avec les rainures 87, du bloc immédiatement adjacent ou les rainures 88 des blocs immédiatement adjacents, en délimitant ainsi un passage continu non obstrué dans la masse. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, l'écartement entre les rainures est tel que la distance entre les passages ou les carneaux 4 est à peu près la même dans toutes les directions, les carneaux étant disposés en rangées approximativement parallèles et les carneaux de chaque rangée étant décalés par rapport à ceux dex rangées adjacentes.
Les cercles D en traits interrompus de la Fig.-17 indiquent la configuration de la pénétration de chaleur dans la masse de matière par suite du passage des gaz chauds dans les carneaux pendant une période de temps déterminée et montrent que comme la transmission de chaleur des gaz à la masse est à peu près égale dans toutes les directions, la totalité, pratiquement, de la masse de matière est chauffée à la même température au même moment, la quantité de matière laissée à une température inférieure étant très faible ou même nulle.
Ceci constitue une caractéristique importante de l'invention, la masse entière de matière solide étant de ce fait utilisée avec une efficacité maximum, de telle sorte que la quantité maximum de chaleur est emmagasinée dans le minimum de temps et qu'on évite de trop grandes différences de température dans chaque bloc. Ces grandes différences de température ont pour effet, lorsqu'elles se répètent trop fréquemment de provoquer des détériorations ou des fissures dans les briques et de nécessiter un remplacement fréquent de celles- ci .
On peut utiliser des blocs (non représentés sur le dessin) présentant des rainures dans leurs faces opposées, ainsi que des passages s'étendant à l'intérieur des blocs dans la même direction que les rainures.
Dans ce cas, les passages seront décalés les uns par rapport aux autres et par rapport aux rainures. L'effet sera le même que si un, deux ou trois blocs 92 ou davantage étaient placés ensemble, comme sur la Fig. 17, et si la masse était intégrée en une seule pièce pourvue de rainures dans les faces opposées et de conduits ou de passage s'étendant dans la masse entre ces rainures. Dans ce cas, une partie des passages de la masse de ces pièces assemblées seront formés par les rainures et la partie restante par les conduits qui s'étendent dans les blocs. Ces blocs dans lesquels s'étend une rangée de conduits peuvent être extrudés économiquement.
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La Fig. 18 montre une autre caractéristique de la présente invention où les blocs sont susceptibles d'être assemblés en assises et où les joints de rangées contiguës sont décalés -entre eux. Comme c'est représenté sur la Fig. 18 les blocs les plus bas de la rangée à la face avant n'ont que la moitié de la hauteur des autres blocs de la masse.
Ainsi, les joints horizontaux 97 entre la première et la seconde assise de la rangée située le plus en avant se trouvent à un niveau différent des joints 98 entre la première et la seconde assise de la seconde rangée en arrière. En combinant des briques de demi-longueur avec des briques de longueur entière et en employant des briques de demi-longueur dans les rangées d'ordre pair, on peut obtenir un appareil complètement emb.riqué.
On remarquera que dans les dispositifs décrits, tous les joints, c'est- à-dire les joints entre les assises et les joints entre les briques de ran- gées adjacentes ainsi que les joints verticaux entre les briques de la même rangée, sont décalés les uns par rapport aux autres.
Il n'est pas nécessaire que les briques inférieures aient exactement la moitié de la hauteur des blocs de dimensions complètes, car elles peuvent avoir des dimensions représentant toute autre fraction des dimensions complètes, ou peuvent même avoir une hauteur plus grande. Il est préférable que les briques courtes aient à peu près la moitié de la longueur des briques de dimensions entières et que les briques inférieures aient à peu près la moitié de la hauteur des briques de dimensions entiè- res, de telle sorte qu'il suffit d'avoir des briques de trois grandeurs différentes seulement.
La Fig. 19 représente une autre forme de construction où les rainures 100 peuvent s'étendre diagonalement en travers des faces opposées des blocs. Sous tous les autres rapports, le bloc de la Fig. 19 est sem- blable à celui de la Fig. 15. Les rainures ménagées du côté opposé ou côté le plus éloigné du bloc représenté sur la Fig. 19 s'étendent dans une direction parallèle à celles représentées en 100 mais sont décalées par rapport à celles-ci. Ces blocs peuvent être assemblés pour délimiter des passages sinueux à travers la masse dans le cas où ces passages si- nueux sont désirables.
La Fig. 20 représente encore une autre forme du bloc, où la "longueur" de chaque brique 94 mesurée dans la direction horizontale le long des rangées, est égale à l'écartement entre les rainures. Evidemment les blocs de la Fig. 20 peuvent être assemblés de la même manière que ceux représentés sur la Fig. 17 et constituer une masse présentant les mêmes ca- ractéristiques mais offrant les avantages d'être adaptable à des espaces fermés de forme non rectangulaire ou de toute autre forme irrégulière sans devoir couper,les blocs les plus grands à des dimensions appropriées.
Une transmission de chaleur d'ordre élevé, une courte durée de séjour et une faible chute de pression dans le four récupérateur sont des points importants pour assurer au procédé suivant l'invention de bons ré- sultats. Dans ce but, le four particulier et le dispositif de masse récu- pératrice qui font partie de cette invention sont soumis à certaines res- trictions au point de vue construction. La longueur des masses récupéra- trices 1 et 2 ne doit pas dépasser 15 pieds environ (4,50 m. env. ). De même, les'masses récupératrices de longueur-inférieure à environ 4 pieds (1,20 m. env.) ne sont guère réalisables, bien que la limite inférieure ne soit pas nécessairement critique. La longueur préférée pour chacune des masses récupératrices est d'environ 6 à 10 pieds (1,80 à 3 m. env.).
De même, dans tous les cas, sauf pour certaines des réactions endothermiques qui sont réalisées catalytiquement, le volume non occupé ou volume vide de la zone de réaction du four ne doit pas dépasser environ 60% du volume combiné des carneaux situés dans les deux masses récupératrices du four. Il est préférable dans ces. cas que le volume vide de la zone de réaction soit égal à un pourcentage d'environ 20 à 40% du volume combiné
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des carneaux. Toutefois, dans certaines des réactions réalisées catalytiquement le volume vide de la zone de réaction peut être de 10 à 20. fois plus grand que le volume combiné des carneaux.
Dans les cas-décrits cidessus, où la chambre 8 est remplie d'une masse inerte ou masse catalytique semblable comme forme à la masse récupératrice et traversée par des passages situés dans le prolongement des passages des masses récupératrices, le volume de la chambre 8 est plus grand que lorsqu'elle ne contient pas de catalyseurs ou de masse inerte pour que le volume vide de la zone de réaction par rapport au volume des carneaux de la masse récupératrice, réponde aux rapports mentionnés ci-dessus.
Les empilages 84 et 105 des Figs. 2, 4, 6 et 8 peuvent présenter toute forme de grille au lieu d'un empilage du même modèle que les empilages 106 et 107 bien que ceux-ci soient préférables.
Les passages de gaz ou carneaux 4 ménagés dans les masses 2 et 3 ne devront pas dépasser environ 0,75 pouce (env. 19 mm.) comme largeur transversale ou diamètre maximum. La limite inférieure de la largeur ou du diamètre utile de ces.carneaux n'est pas nécessairement d'importance critique, mais ne doit pas être assez faible pour qu'il en résulte une chute de pression excessive dans le four. En général, des carneaux d'une largeur ou un diamètre maximum d'environ 0,75 pouce à 0,25 pouce (env. 19 à 6,35 mm. ) peuvent être employés avantageusement. Des carneaux d'une largeur ou d'un diamètre maximum d'environ 0,375 pouce à 0,5 pouce (env.
9,5 à 12,7 mm.) seront employés de préférence . Les carneaux doivent de préférence présenter une paroi périphérique courbe, mais ils peuvent avoir une forme polygonale. Ils peuvent être circulaires, elliptiques, ou présenter toute forme convenable où une notable partie de la surface périphérique est courbe. Les carneaux circulaires sont préférés.
Il est aussi important que le rapport du volume des carneaux ménagés dans la masse récupératrice au volume total de la masse récupératrice dans laquelle les carneaux sont ménagés, ne dépasse pas le rapport 1 : 3. Ce rapport est de préférence compris dans une gamme allant de 1 : 4 environ à 1 : 10 environ et une limite inférieure convenable est d'en- viron .1 : 20. Les briques à employer dans la construction des masses récupératrices du four suivant l'invention peuvent être exécutées en une matière réfractaire conventionnelle quelconque, telle que les divers oxydes de calcium, magnésium, aluminium, de silicium, de fer, de chrome, etc.. et leurs.mélanges.
En outre, comme conséquence des avantages thermodynamiques du procédé suivant l'invention, on peut employer dans les parties inférieures ou froides des masses récupératrices un empilage d'un métal tel que le fer ou le cuivre ou un empilage de graphite. De préférence, les briques sont préparées au moyen de carborundum ou d'une matière ayant une forte teneur en alumine, telle que l'alumine fondue pour obtenir une capacité thermique maximum, un pouvoir réfractaire élevé, une grande stabilité thermique et une grande inertie envers les gaz soumis au traitement.
Il existe un rapport défini entre l'écartement des carneaux et la conductibilité de la matière. Par exemple, pour le fer, l'aluminium, le cuivre ou le laiton, les carneaux peuvent avoir un diamètre d'environ 3/8 à environ 3/4 pouce (env. 9,5 à 19 mm.) et être espacés périphériquement l'un de l'autre d'environ 1 à environ 2 pouces (env. 25 à 50 mm.). -Dans lé cas du carborundum, les carneaux peuvent avoir un diamètre d'environ 1/4 à environ 3/4 pouce (env. 6,35 à 19 mm.) et être espacés périphériquement l'un de l'autre d'environ 1 à environ 1 1/2 pouce (env. 25 à 37,5 mm.).
Lorsque la matière employée est l'alumine, de conductibilité thermique éga- . le à environ le quart de celle du carborundum, les carneaux peuvent avoir un diamètre d'environ 1/4 à environ 1/2 pouce (env. 6,5 à 12,5 mm.) et être périphériquement espacés l'un de l'autre d'environ 3/8 à environ 5/8 pouce (env. 9,5 à 15,9 mm.).
En vue,de se conformer aux conditions de la présente invention,
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il existe un rapport limitatif entre la conductibilité de la matière consti- tuant les blocs et l'espacement périphérique des carneaux. Le rapport de la conductibilité en unités thermiques britanniques par pied carré, par pouce carré, par heure et par degré Fahrenheit à la distance entre les car- neaux exprimée en pouces, doit être supérieur à 40 environ.
On remarquera par l'examen 2, 4,6 et 8 que les car- neaux sont disposés de manière à former des rangées en quinconce, la distan- ce de l'axe de chaque carneau à l'axe des carneaux les plus proches des rangées adjacentes et de la même rangée étant sensiblement uniforme. Dans le four suivant l'invention cette distance d'axe en axe ne dépasse pas un pouce environ. Cette distance sera de préférence comprise dans une gamme allant de 0,62 pouce environ à 0,88 pouce environ (env. 15,5 à 22 mm.).
L'épaisseur des parois réfractaires séparant les carneaux est sensiblement uniforme et ne doit pas dépasser environ 0,75 pouce (env. 19 mm.).
Cette distance minimum sera de préférence comprise dans une gam- me de 0,37 pouce à 0,625 pouce environ (env. 9,5 à 15,9 mm.). Lorsque ces limites sont observées, les limites définies précédemment en ce qui concerne le rapport du volume des carneaux ménagés dans les masses au vo- lume total des masses dans lesquelles les carneaux.sont situés, seront as- surées. Les carneaux représentés sur le dessin ont un diamètre d'environ 3/8 pouce '(env. 9,5 mm.) et la distance de l'axe de chaque carneau à l'a- xe des carneaux les plus proches est d'environ 11/16 pouce (env. 17,5 mm.).
Evidemment des modifications peuvent être apportées aux dimensions et à la forme des carneaux et à l'épaisseur des parois séparatrices, dans les limi- tes précédentes en ce qui concerne les dimensions et volume maxima des rainures. Des empilages conventionnels d'autres types que ceux qui ont été décrits spécifiquement ci-dessus peuvent être employés si les limites mentionnées précédemment sont observées. Par exemple, la masse peut être d'une seule pièce conjointement avec les passages qui y sont établis.
L'une des caractéristiques importantes de l'invention est l'ab- sence de dépôts de noir de fumée ou de suie sur les parois des carneaux et des obstructions qui en résultent, donnant lieu à une diminution du ren- dement. En outre, les produits de la réaction lorsqu'ils engendrent même à des températures extrêmement élevées, des gaz de chauffage, des cyanures d'hydrogène, des oléfines et de l'acétylène, contiennent moins.de.particu- les de charbon comme impuretés que dans les autres procédés similaires con- nus.
Un autre avantage du présent procédé est qu'en faisant varier uniquement la concentration des constituants des divers mélanges de gaz de chauffage et d'air pendant la phase de chauffage et de matière première et d'air pendant la phase de modification endothermique et de combustion, on'peut faire varier les températures atteintes dans la zone de réaction et les parties les plus chaudes du four pour produire différents produits endothermiques.
La présente invention est applicable utilement à tout procédé de modification pyrolytique endothermique ou exothermique et endothermique combiné, à récupération, où les réactifs doivent être chauffés, soumis à la réaction et être brusquement refroidis. Le fonctionnement du four et l'exécution des procédés suivant l'invention d'une manière continue pour produire un gaz'chauffant réformé de faible densité au moyen de propane et d'air seront décrits ci-après avec référence aux Figs. 1 et 5.
Avant d'amorcer la réaction de cracking, le four doit être préchauffé. A cet effet, on met les vannes ou robinets à trois voies 12 et 16 dans les positions représentées et la vanne ou robinet à trois voies
19 dans la position voulue pour raccorder le conduit 18 au conduit 20, on ouvre la vanne 33 et on ferme la vanne 101. On actionne ensuite les dis- positifs de chauffage 9 dans la chambre 8, de manière à faire passer les
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gaz chauds de la combustion en courants parallèles dans les carneaux 4 des empilages récupérateurs 2 et 3 aménagés dans les chambres 6 et 7 et à les évacuer ensuite du four par les conduits 10, 15, la vanne 16, les conduits 17, 18, la vanne 19 et le conduit 20, et par les conduits 31, 32, la vanne 33, les conduits 34, 18, la vanne 19 et le conduit 20 respec- tivement, dans une cheminée.
Pendant le passage dans les carneaux 4, les gaz chauds de la combustion produits par les dispositifs de chauffage 9 cèdent de la chaleur aux empilages réfractaires 2 et 3. La transmission de chaleur résultant efficacement de la construction et des dimensions des empilages récupérateurs 2 et 3, précédemment décrits, est telle que les gaz de combustion quittent le four à une température d'environ 100 C. Ce proces- sus se prolonge jusqu'à ce que les extrémités de l'empilage récupérateur adjacentes à la chambre de combustion 8 aient une température excédant' 900 C, de'préférence comprise entre 100 C et 1300 C environ. On obtient ainsi un gradient de température dans les masses allant d'environ 100 C à leurs extrémités froides à environ 900 C à leurs extrémités chaudes.
Suivant une variante, on peut arrêter le dispositif de chauffa- ge 9 lorsque les extrémités des empilages récupérateurs 2 et 3 adjacentes à la chambre de combustion ont atteint une température dépassant la tempé- rature d'ignition du combustible employé, généralement 550 C environ à 650 C environ, puis on ferme la vanne 33, on ouvre la vanne 101, et les vannes'45 et 64, de manière à mélanger dans le mélangeur 14 de l'air venant par le conduit 47, la vanne 45, le conduit 42, le débit-mètre 40, les con- duits 39 et 80 et des gaz de chauffage venant par le conduit 65, la vanne 64, le conduit 63, le débit-mètre 62, les conduits 61, 50 et 48. Ensuite on fait passer le mélange du mélangeur 14, dans le conduit 13, la vanne 12, le conduit 102, la vanne 101,
les conduits 35 et 31 à travers la chambre 7 et les carneaux 4 de l'empilage 3 où il est chauffé aux températures d'ig- nition. La matière combustible chauffée passe alors dans la chambre de com- bustion 8 où elle brûle. Les produits de la combustion descendent alors par les carneaux 4 de l'empilage récupérateur 2 dans la chambre d'échappement des gaz 6 pour être évacués du four par les conduits 10 et 15, la vanne 16, les conduits 17 et 18, la vanne 19 et le conduit 20 dans la cheminée. On peut renverser le courant de gaz à des intervalles appropriés en renversant les vannés ou robinets à trois voies 12 et 16. Les conditions de tempéra- tures ainsi obtenues dans la masse correspondent à celles décrites précé- demment.
Cette variante du mode de chauffage est particulièrement avanta- geuse du fait qu'une température très élevée de la flamme est obtenue dans la chambre 8.en même temps qu'une réduction résultante du temps nécessaire pour chauffer le four. En outre, la zone de haute température des empilages récupérateurs 2 et 3 adjacente à la chambre 8 est de longueur plus courte que celle qui résulte du mode de chauffage décrit en premier.lieu. Ce résultat est particulièrement avantageux lorsqu'on désire produire une quan- tité maximum d'hydrocarbures non saturés pendant une courte durée de séjour à des températures élevées.
Dans les cas où l'on emploie des chambres de mélange 75 et 103 et où la chambre 8 est remplie, comme il a été décrit ci-dessus, d'une masse catalytique ou non catalytique semblable, comme disposition, aux masses 2 et 3, les chambres 75 et 103, plutôt que la chambre 8, sont pourvues de dispositifs de chauffage, indiqués en 9 sur les dessins, et on chauffe le four au préalable en brûlant un mélange de gaz de chauffage d'abord dans la chambre 75,les gaz de combustion en étant retirés aux deux extrémités du four pour s'échapper alors par la cheminée, et ensuite dans la chambre 103, d'où les gaz de combustion sont envoyés aux deux extrémités du four.
Dans les cas où il n'existe pas de chambres de mélange 75 et 103 et où la cham- bre 8 est remplie d'une masse catalytique ou non catalytique semblable com- me forme aux masses 2 et 3, une petite chambre peut être établie dans la chambre 8 et être pourvue d'un brûleur pour le préchauffage du four.
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Le four est alors prêt à produire du gaz de chauffage à faible densité à partir du propane. On ouvre les vannes 58, 44 et 28, on ferme les vannes 22,26, 45 et 64, et on fait tourner la vanne 19 pour raccorder le conduit 18 au conduit 21. Un mélange contenant des hydrocarbures qui se composent en prédominance de propane et d'air dans les proportions de non combustibilité d'environ 1 à 2 est formé dans un mélangeur 13, par un courant de mélange de propane circulant dans le conduit 59, la vanne 58, le conduit 57, le débit-mètre 56, les conduits 55, 60 et 48, et d'air cir- culant dans le conduit 46, la vanne 44, le conduit 43, le débit-mètre 41 et les conduits 38 et 80.
Le mélange non inflammable d'air et d'hydrocar- bure s'écoule du mélangeur 14 par le conduit 13, la vanne 12, le conduit 102, la vanne 101, le conduit 35 et le conduit 31 dans la chambre 7. Le mélange est alors envoyé dans les carneaux 4 de l'empilage 3. Au cours de ce passage, la température du propane s'élève jusqu'à ce qu'à proximité de l'extrémité chaude de l'empilage il se soit produit un cracking suffisant pour rendre le mélange gazeux inflammable. On constatera que des produits nouveaux auront été formés par le cracking et que ces produits nouveaux sont inflammables même pour la quantité limitée d'oxygène qui y est présente.
Toutefois, comme il y a un manquant en oxygène, une partie seulement des matières combustibles sera consumée. Une quantité d'environ 15 à 40% seu- lement de l'hydrocarbure original employé est ainsi dissipée. Dans le cas considéré le solde de l'hydrocarbure, en prédominance du propane, su- bit effectivement le cracking sous l'action de la chaleur dégagée par la ré- action de combustion ci-dessus mentionnée. La combustion et les réactions de cracking se produisent en prédominance dans la chambre 8 où l'on remar- quera que la chaleur endothermique et la chaleur exothermique s'équilibrent à peu près. Il est évident que la chaleur exothermique provenant de la combustion sera absorbée par les réactions de cracking endothermiques.
En outre, la chaleur sensible du mélange gazeux entier s'élève à la température de la flamme de la réaction de combustion.
Par suite du type et des dimensions des empilages 2 et 3 et de la chambre 8 du four suivant l'invention, la durée de contact des gaz dans la chambre 8 est extrêmement courte.
Subséquemment à la réaction de combustion et de cracking qui se produit en prédominance dans la chambre 8, le mélange gazeux obtenu cir- cule dans les carneaux 4 de l'empilage 2 et y cède de la chaleur. Le mé- lange s'échappe alors par la chanbre 6, les conduits 10, 15, la vanne 18, les conduits 17 et 18, la vanne 19, les conduits 21 et 27, la soupape 28 et les conduits 29 et 30 , pour se rendre à l'emmagasinage. La température du gaz à sa sortie du four est d'environ 100 C à 350 C ce qui prouve le grand rendement thermique.
La circulation du gaz dans le four se poursuit de la manière spécifiée pendant approximativement 1 minute et on renverse alors simulta- nément les robinets à trois voies 12 et 16. Ce renversement de sens est de préférence effectué en une fraction de seconde, et est en réalité telle- ment rapide que le courant continu de gaz produit qui circule dans le conduit n'est pas interrompu. Le renversement du courant envoie le courant de gaz entrant par la vanne 12, les conduits 11 et 10 et la chambre 6 dans les carneaux 4 de l'empilage 2.
En passant dans ces carneaux les gaz sont chauffés aux températures auxquelles ils sont partiellement crackés, sont soumis simultanément au cracking et à la combustion dans la chambre 8, sont refroidis dans l'empilage 3, et se rendent par la chambre 7,les conduits 31 et 35, la vanne 101, les conduits 102 et76, la vanne 16, les conduits 17 et 18, la vanne 19, les conduits 21 et 27, la vanne 28 et les conduits 29 et 30 dans l'emmagasinage. Le courant de gaz est de nouveau renversé rapidement après un fonctionnement d'environ 1 minute et le procédé se poursuit ainsi continuellement. Après une période de ce fonctionnement continu, la température maximum des empilages récupérateurs s'élève à envi- ron 700 à 900 C, normalement à 850 C.
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Le produit gazeux obtenu a des propriétés combustibles qui lui permettent de remplacer le gaz naturel dans les applications nécessi- tant le gaz naturel. Le volume de gaz produit en comparaison du mélange à l'entrée est dé 1. 37. Le pouvoir chauffant des constituants du produit gazeux par unité de volume est égal à 97% de celui du propane contenu dans une unité de volume à l'admission.
On peut mélanger de la vapeur au mélange à traiter en ouvrant la vanne 53, de manière à envoyer de la vapeur par le conduit 54, la vanne 53, le conduit 52, le compteur 51, le conduit 49 et le conduit 48 dans le mélangeur où elle est mélangée au gaz et à l'air et envoyée ensuite, en mê- me temps que ceux-ci dans le four.
Après fonctionnement continu, la température des extrémités froides des masses ne s'élève pas notablement mais reste pratiquement la même que pendant le fonctionnement initial. La position et la grandeur des zones de préchauffage, de réaction et de refroidissement brusque, res- tent sensiblement fixes, même après plusieurs heures de fonctionnement.
Par "zones de préchauffage, de réaction et de refroidissement brusque" il faut entendre les zones du four qui se trouvent à une température à laquel- le le préchauffage, la réaction et le refroidissement se produisent. Par "sensiblement fixe" on ne veut pas dire que la position et la grandeur des diverses zones sont constantes mais qu'elles restent suffisamment fixes pour que la majeure partie de la zone de réaction coïncide en tout temps avec la chambre de réaction S, et les zones de préchauffage et de refroi- dissement sont en tout temps suffisamment grandes pour préchauffer et re- froidir efficacement les gaz qui les traversent.
Le fonctionnement du four de la manière ci-dessus décrite est particulièrement avantageux en cé sens qu'il n'est pas nécessaire de sou- mettre les zones de chauffage du four à un réchauffage, une remise en pla- ce et une condensation autres que ceux qui résultent du seul renversement du courant dans les carneaux de gaz dont il a été question. En outre, 1' absence de changements de températures rapides et excessives prolonge con- sidérablement la vie des empilages récupérateurs, et permet ainsi de réali- ser une économie importante.
Le mode de fonctionnement ci-dessus décrit, à la pression atmosphérique, bien qu'admirablement propre à la production de gaz de chauffage, ne convient pas aussi bien à la production d'acétylè- ne sur une grande échelle, pour la raison qu'un refroidissement plus rapide est nécessaire pour empêcher la décomposition du produit.
Le fonctionnement à une pression sous-atmosphérique peut s'ef-' fectuer par l'emploi de pompes 24. Pour avoir recours à la pompe 24, on ouvre les vannes 22 et 26 et on ferme la vanne 28 . Le fonctionnement de l'appareil, à part cela, est le même que celui décrit précédemment dansée cas de la pression atmosphérique. Ces fonctionnements à pression réduite conviennent particulièrement à la production de l'acétylène, de l'hydrazine et d'autres produits nécessitant un refroidissement rapide pour empêcher la décomposition du fait que la durée de séjour des gaz soumis au traitement dans le four récupérateur à réfractaires peut être réduite dans le rapport de la réduction de la pression sous la pression atmosphérique.
Les rapports d'hydrocarbure à l'air, sont différents et, plus petits, lorsqu'on désire produire de l'acétylène, que lorsque le produit désiré est un gaz de chauffage.
Lorsqu'on fait réagir le gaz naturel et l'air comme c'est dé- crit ci-dessus pour produire del'acétylène, l'acétylène n'est pas souillé sensiblement par des particules de carbone. Par conséquent, on évite dans une mesure considérable les difficultés inhérentes à l'enlèvement du car- bone de l'acétylène produit.
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Lorsqu'on opère à des pressions super-atmosphérique, le mélange de gaz et d'air est envoyépar une pompe (non représentée) située en un point entre le mélangeur 14 et la vanne 12 et qui le refoule à la pression désirée. Les vannes 22 et 26 sont fermées et la vanne 28 est ouverte.
Si on le désire, toute la matière première à modifier endother- miquement, ou une partie de cette matière, ou bien la totalité de l'air ou une partie de celui-ci, peut être ajoutée continuellement par des ouvertures ménagées dans le dispositif de chauffage 9, au restant de la matière pre- mière, ou à l'air, ou à l'un et l'autre circulant dans le four, comme c'est décrit.
Lorsqu'on emploie des chambres de mélange 75 et 103, comme c'est représenté sur les Figs. 3, 4, 7 et 8, il suffit d'envoyer seulement l'air et la matière première dans les carneaux, comme c'est décrit, pour préchauf- fer le mélange.
Lorsqu'on doit préchauffer seulement l'air en le faisant circu- ler dans.les carneaux, comme c'est décrit, on ferme la vanne 82 et on ouvre les vannes 60,66, 44 et 58. Le gaz de propane est envoyé continuellement par le conduit 59, la vanne 58, le conduit 57, le compteur 56, le'conduit 55, les vannes 60 et 66, le conduit 67, la vanne 68 le conduit 69, le conduit de distribution 73 et les conduits 74 dans la chambre 103, tandis que l'air est amené par le mélangeur 14, le conduit 13, la vanne 12, le conduit 102 la vanne 101, les conduits 35 et 31, la chambre 7 et les càrneaux 4 de l'em- pilage 107 dans la chambre 103. L'air et le gaz sont mélangés ensemble dans cette dernière et passent ensuite par les carneaux de l'empilage 105 dans la chambre de réaction 8.
Le brusque refroidissement subséquent et l'échappement des gaz du four après réaction se font comme c'est décrit ci- dessus. Lorsqu'on renverse le courant d'air dans les carneaux au moyen des vannes 12 et 16, on renverse simultanément la position de la vanne 68 de manière à envoyer le gaz par le conduit 70, le conduit collecteur 71 et les conduits 72 dans la chambre de mélange 75 où les gaz sont mélangés entre eux et envoyés ensuite par les empilages 24 dans la.chambre 8. Le refroi- dissement subséquent et l'échappement des gaz de la réaction de la chambre 8 se font comme il a été décrit ci-dessus.
Si l'on ne doit préchauffer que le gaz par son passage dans les carneaux, on ferme les vannes 60 et 66 et on ouvre les vannes 82 et 58, on ferme la vanne 81 et on ouvre les vannes 78 et 44. De l'air cir- cule alors par le conduit 46, la vanne 44, le conduit 43, le compteur 41, les conduits 38 et 79, la vanne 78, le conduit 77, la vanne 68, le conduit 69, le conduit collecteur 73 et les conduits 74 pour se rendre dans la chambre de mélange 103. Le propane circule dans le conduit 59, la vanne 58, le conduit 57, le compteur 56, les conduits 55 et 50, la vanne 82, le conduit 48, le mélangeur 14, le conduit 13, la vanne 12, le conduit 102, la vanne 101, le conduit 35, le conduit 31 et les carneaux 4 de l'empilage 107 pour se rendre dans la chambre de mélange 103.
Lorsqu'on renverse le courant de propane dans le four en renversant la position des vannes 12 et 16, on renverse la vanne 68 de manière à envoyer l'air par les conduits 70 et 71 et les ajutages 72 dans la chambre 75.
Si on le désire, on peut mélanger de la vapeur à l'air et aux gaz dans les chambres 75 ou 103, en établissant des vannes et des conduits de manière à envoyer un courant de vapeur par la vanne 68 dans la chambre
75 ou la chambre 103 et l'empêcher de passer dans le mélangeur 14.
En remplissant la chambre 8 de granules de catalyseur et en appliquant l'un ou l'autre des procédés ci-dessus décrits, on peut modifier les gaz endothermiquement et les brûler catalytiquement..
Des productions élevées de gaz de chauffage ayant une puissance calorifique d'environ 300 B.t.u. par pied cubique et une densité de 0,6 par
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rapport à l'air sont obtenues au moyen de gaz naturel et d'air lorsque ces gaz sont reformés à l'aide d'un catalyseur de nickel avec ou sans vapeur.
Un tel gaz peut être mélangé avec un gaz disponible de haut pouvoir calo- rifique ou du gaz naturel pour produire un gaz ayant une puissance calori- fique de 530 B.t.u. par pied cube, qui peut remplacer avantageusement du gaz de chauffage obtenu par des procédés conventionnels.
* Toutefois, on peut utiliser avec succès. tout catalyseur appro- prié. Si l'on emploie un catalyseur d'alumine ou de carbure de silicium dans un procédé similaire, on obtient un produit gazeux contenant une pro- portion plus élevée de non saturés et une proportion plus faible d'hydro- gène, attendu qu'une partie de l'hydrogène produit est consommée par les réactions de combustion. Lorsqu'on utilise du nickel, la vapeur se formant dans la réaction de combustion et dans la combustion de l'hydrogène pour former de l'eau réagit catalytiquement avec le méthane pour former de l'o- xyde de carbone et de l'hydrogène additionnel.
L'emploi de vapeur avec l'air et l'hydrocarbure donne lieu à un produit gazeux à forte teneur en hydrogène.
On a décrit ci-dessus un procédé continu suivant l'invention.
Lorsque l'on opère par intermittence sans aucune combustion si- multanée suivant la présente invention, le four des Figs. 1 à 5 est chauffé initialement aux températures du fonctionnement, comme c'est décrit ci-des- sus.
Ensuite, on ouvre les vannes 58, 53 et 101, on ferme la vanne 33 et on effectue une modification endothermique en faisant circuler du pro- pane dans le conduit 59, la vanne 58, le conduit 57, le compteur 56, les conduits 55 et 50 et le conduit 48 pour l'amener dans le mélangeur 14 où il est mélangé à de la vapeur amenée par le conduit 54, la vanne 53, le conduit 52, le compteur 51 et les conduits 49 et 48 dans le mélangeur 14.
Le mélange passe par le conduit 13, la vanne 12, le conduit 102, la van- ne 101, les conduits 35 et 31 et la chambre 7 dans les carneaux 4 de l'em- pilage 3 où il est préchauffé et où la modification endothermique est amor- cée. La modification endothermique est achevée dans la chambre 8, la cha- leur nécessaire étant empruntée aux parties les plus chaudes de l'empilage 3, adjacentes à la chambre 8 et aux parois de la chambre 8. Les gaz mo- difiés sont refroidis brusquement par leur passage dans les carneaux de l'empilage 2 et sont alors envoyés par la chambre 6, les conduits 10 et 15, la vanne 16, les conduits 17, 18, la vanne 19, les conduits 21 et 27, la vanne 28 et les conduits 29 et 30 dans le poste d'emmagasinage.
La modification endothermique décrite ci-dessus se poursuit aus- si longtemps que la chaleur nécessaire à son entretien reste dans la premiè- re masse récupératrice (1/2 à 3 minutes).
Ensuite, la position des vannes 12,16 et 19 est renversée auto- matiquement en même temps qu'on ferme les vannes 58 et 53 et qu'on ouvre les vannes 64 et 45 et la phase de chauffage est amorcée. Le gaz de chauf- fage circulant dans le conduit 65, la vanne 64, le conduit 63, le compteur 62, les conduits 61, 50 et 48 se mélange dans le mélangeur 14 avec l'air arrivant par le conduit 47, la vanne 45, le conduit 42,1e compteur 40 et les conduits 39 et 80 dans le mélangeur 14. Le mélange combustible est amené par le conduit 13, la vanne 12, les conduits 11 et 10 et la chambre 6 dans les carneaux 4 de l'empilage 2 où il est préchauffé aux températures d'ignition.
Le mélange en ignition brûle complètement dans la chambre 8 et les gaz de combustion sont envoyés ensuite à la cheminée par les car- neaux de l'empilage 3, la chambre 7, les conduits 31 et 35, la vanne 101, les conduits 102 et 76, la vanne 16, les conduits 17 et 18, la vanne 19 et le conduit 20. La phase de chauffage se poursuit jusqu'à ce que la chaleur dissipée par la phase précédente des modifications endothermiques
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ait été remplacée; à ce moment on ferme les vannes 64 et 45-et on ouvre les vannes 53 et 58 en même temps qu'on renverse la position des vannes 12,16 et 19, après quoi la phase de modification endothermique se répète.
Ces phases de chauffage et de modification se répètent continuellement, le sens de circulation du gaz pendant la modification étant inverse de celui du courant de gaz pendant le chauffage.
Si on le désire, les vannes 12,16 et 19 peuvent être enclenchées entre elles pour leur commande, de telle manière que la direction du courant de gaz dans le four pendant chaque phase de chauffage est la même que pendant la phase de modification précédente, le courant pendant les différentes phases successives se faisant dans des sens opposés.
Cette opération est effectuée en exécutant la phase de modification initiale comme c'est décrit ci-dessus, après quoi on ferme les vannes 53 et 58 et on ouvre les vannes 64 et 45 en même temps qu'on renverse la position de la vanne 19, pour amorcer la première phase de chauffage. On ne renverse pas la position des vannes 12 et 16. Toutefois, lorsque la phase de chauffage est terminée, on ferme les vannes 64 et 45 et on ouvre les vannes 58 et 53 en même temps qu'on renverse la position des vannes, 12, 16 et 19, ce qui a pour effet de renverser la direction du courant de gaz dans le four en même temps que s'amorce la seconde phase de modification. Après cette phase'de modification, on ferme les vannes 53 et 58 et, on ouvre les vannes 64 et 45 en même temps qu'on renverse la position de la vanne 19 pour amorcer la seconde phase de chauffage.
Toutefois, on ne renverse pas la position des vannes 12 et 16 avant que la troisième phase de modification ne soit commencée. Ces phases intermittentes sont répétées continuellement comme c'est décrit, le renversement du sens de circulation des gaz dans le four n'étant effectué que lors d'une phase de modification sur deux, ou lors d'une phase de chauffage sur deux.
On peut faire fonctionner le four par intermittence en coopération avec des chambres de mélange 75 et 103, comme il a été décrit à propos du fonctionnement continu avec référence aux Figs. 3, 4,7 et 8. Pendant les phases de chauffage du fonctionnement intermittent, l'un des constituants du mélange de chauffage gaz-air peut être introduit d'une manière continue dans la chambre 75 ou la chambre 103 suivant le sens du courant de gaz dans le four, tandis que l'autre constituant circule dans les carneaux des masses récupératrices, comme c'est décrit.
En fermant la vanne 60 et en ouvrant la vanne 66 (Figs. 3, 4, 7 et 8) on introduit le gaz de chauffage par la vanne 68 dans la chambre 103, où il est mélangé avec de l'air préchauffé venant du conduit 47 et passant par la vanne 80, le mélangeur 14, la vanne 12, le conducteur 31, la chambre 7 et les carneaux de l'empilage 3 pour se rendre dans la chambre 103. Lorsqu'on renverse le sens du courant d'air en renversant la position des vannes 12 et 16, la position de la vanne 68 est renversée de telle sorte que les gaz de chauffage pénètrent dans la chambre 75.
En fermant les vannes 66 et 81 et en ouvrant les vannes 60, 82, 64 et 78, on introduit de l'air dans la chambre 103 par la vanne 68, tandis que le gaz de chauffage arrive par le mélangeur 14, la vanne 12, la chambre 7 et les carneaux 4 de l'empilage 3 dans la chambre 103. Le courant d'air est dirigé dans la chambre 75 lorsque la position de la valve 68 est renversée en même temps qu'on renverse la position des vannes 12 et 16, qui dirigent le courant de gaz par la vanne 12, la chambre 6 et les carneaux 4 de l'empilage 2 dans la chambre 75.
En utilisant convenablement les vannes et les conduits (non représentés) on peut lors du fonctionnement intermittent envoyer la vapeur directement dans'les chambres 103 ou 75 pendant les phases de modification, tandis qu'on fait circuler l'hydrocarbure dans le four suivant son parcours régulier, ou bien envoyer l'hydrocarbure pendant les phases de modification dans les chambres 103 ou 75 par la vanne 78, tandis qu'on fait circuler la
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vapeur dans le four suivant son parcours régulier.
Des produits gazeux, riches en oxygène, peuvent être obtenus par un fonctionnement intermittent, aussi bien que le benzène, hydrogène seul, les insaturés tels que les oléfines, l'hydrazine et le noir de fumée.
Le fonctionnement à des pressions sub-atmosphériques et super- atmosphériques peut être réalisé d'une manière similaire à celle décrite à propos du fonctionnement continu, en utilisant la pompe 24 ou en élevant la pression de la matière première pendant la phase d'altération.
Lorsque le fonctionnement se fait suivant un cycle intermittent de chauffage et de cracking, on peut produire de l'acétylène au moyen de mé- thane ou d'hydrocarbures supérieurs et une dilution de vapeur,avec des ren- dements de 35% ou plus élevés.
En utilisant du propane et de la vapeur avec un catalyseur au nickel dans la chambre 8 au cours du procédé intermittent ci-dessus décrit, on obtient un produit gazeux pratiquement exempt de délayant inerte et ayant un poids spécifique de 0,38 et un pouvoir calorifique de 380 B.t.u. par pied cube . Un tel gaz donne de très bons résultats en mélange avec du propane pour produire un gaz de chauffage qui peut remplacer le gaz na- turel. En outre, un tel produit gazeux est obtenu suivant le procédé qui fait l'objet de cette invention avec un rendement thermique dépassant 95% au lieu des rendements thermiques d'approximativement 50% obtenus dans les procédés antérieurs.
La présente invention peut aussi être réalisée par un procédé intermittent où une partie de la chaleur de la modification thermique est fournie par la combustion simultanée de la matière originale et le restant par la phase de chauffage intermittente.- Ce mode de fonctionnement est exécuté de la manière décrite précédemment à propos du fonctionnement inter- mittent.où toute la chaleur est fournie pendant une phase de chauffage, sauf celle résultant de la phase de modification, la vanne 44 étant ouverte pour permettre de mélanger de l'air au gaz dans le mélangeur 14. Dans ce cas, on emploie un compteur 41 qui ne permet à l'oxygène de pénétrer dans le mélangeur 14 qu'à une plus faible quantité que pendant le fonctionnement continu.
Une quantité suffisante d'air est fournie pour dissiper seulement 10 à 20% environ de l'hydrocarbure.
Lorsqu'on utilise un mélange préparé de 60 volumes de propane et 40 volumes d'air suivant ce procédé intermittent à combustion partiel- le, on obtient un produit gazeux présentant un pouvoir calorifique de 1009 B.t.u. par pied cube et une densité de 0,75 par rapport à l'air. Ce gaz peut être facilement employé au lieu de gaz naturel pour le chauffage do- mestique ou industriel. Il est impossible d'obtenir des gaz de chauffage d'une densité aussi faible, par les procédés conventionnels de reformation des gaz.
Lorsqu'il est fait emploi d'un mélange préparé de 45 volumes de gaz naturel et 55 volumes d'air et d'une pression de 1/2 atmosphère, et que les durées de séjour sont de 0,05 seconde dans chaque masse et de 0,01 seconde dans la zone de réaction, on obtient un produit gazeux riche en a- cétylène sans contamination par le carbone.
Lorsqu'on emploie le gaz naturel, l'air et la vapeur dans un rapport de 1,0 0,78 : 0,35 et un catalyseur au nickel dans la zone de réaction, on obtient un gaz de chauffage d'un rendement thermique de 98 % ayant un pouvoir calorifique de 359 B.t.u. par pied cube et un poids spé- cifique de 0,5. Ce gaz pourrait être mélangé avec du gaz naturel ou du propane pour donner lieu à une matière pouvant être un succédané satsfai- sant des gaz préparés. ,'
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Bien que les procédés suivant l'invention aient été décrits en détails avec référence aux fours récupérateurs nouveaux à réfractaires décrits précédemment et qui conviennent particulièrement à leur réalisation, ces nouveaux procédés peuvent être mis en pratique dans d'autres types d'appareils appropriés.
Le procédé suivant l'invention permet en premier lieu de produire catalytiquement ou non catalytiquement diverses réactions endothermiques des gaz avec récupération, d'une manière extrêmement efficace et d'obtenir le produit désiré avec des rendements plus élevés d'une manière plus simple que par tout autre procédé connu de la technique antérieure.
Bien qu'une tentative ait été faite ici pour expliquer le prin- cipe théorique sur lequel on peut baser les résultats inattendus obtenus par la présente invention, celle-ci n'est pas limitée à cette théorie.
Il est évident que diverses modifications peuvent être apportées aux différentes parties de l'appareil décrit et aux diverses opérations du procédé considéré, en dehors de celles énumérées ci-dessus, sans s'écarter de la présente invention.