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La présente invention concerne la fabrication de noir de fumée à partir d'hydrocarbures liquides et plus spécialement un pobcédé et un ap- pareil permettant d'obtenir des noirs de fumée dans un état de division exceptionnel exerçant un effet de renforcement remarquable dans les compo- sitions de caoutchouc.
Les fabricants de noir de fumée essayent sans cesse d'amélio- rer les qualités du noir de fumée et cherchent particulièrement à produire des noirs de fumée ayant un effet de renforcement toujours plus grand sur les compositions de caoutchouc naturel et synthétiques. Le besoin de ces noirs de fumée devient de plus en plus sensible en raison des grands pro- grès réalisés par les industries consommatrices de caoutchouc. C'est par- ticulièrement le cas des pneus d'automobiles qui absorbent de loin la plus grande partie de tout le noir de fumée fabriqué. Les moteurs plus puis- sants, les transmissions automatiques, les grandet vitesses de croisière, etc. imposent un effort beaucoup plus grand aux pneus et déterminent une-. usure plus rapide.
Pour s'adapter à ces conditions de service plus sé- vères, les compositions de caoutchouc entrant dans la fabrication des pneus et d'autres articles devant fournir un travail lourd doivent être amélio- rées et la seule source importante d'amélioration possible est le noir de fumée.
Comme le savent les spécialistes en la matière., la qualité du noir de fumée,qui exprime tout d'abord sa faculté de donner une grande ré- sistance à l'abrasion aux compositions de caoutchouc, peut être améliorée en écourtant la durée de réaction au cours de laquelle le noir de fumée est dissocié de l'hydrocarbure servant de matière première et transformé en particules séparées. C'est ainsi que la réaction doit se produire dans une atmosphère aussi turbulente que possible tout en apportant en même temps assez de chaleur pour effectuer la réaction avec célérité et assez de gaz de dilution pour empêcher les particules de grossir.
Divers procédés ont été mis au point pour créer des conditions' appropriées permettant d'obtenir une forte turbulence et une grande dilution. La principale difficulté des procédés connus est leur manque de souplesse parce que l'élément chauffant doit-être introduit par les parois latérales d'un réacteur sous la forme d'un mélange préalable de gaz et d'air et que le mélange d'air avec l'hydrocarbure servant de matière première ne peut être réglé avec précision.
Un but important de l'invention est de fournir un procédé et un appareil permettant d'obtenir des noirs de fumée donnant aux compositions de caoutchouc une résistance à l'abrasion beaucoup plus élevée que les noirs obtenus par les procédés actuellement connus.
L'invention-a également pour but de fournir : un procédé et un appareil donnant un noir de fumée de qualité supérieure en un temps de réaction extrêmement bref à partir d'ingrédients introduits séparément dans la zone de réaction; un procédé extrêmement adaptable et efficace permettant de régler facilement les diverses caractéristiques d'un noir de fumée de qualité donnée, pour que ce noir de fumée convienne à des conditions variables du travail du caoutchouc; un procédé et un appareil permettant d'obtenir avec un rendement élevé des -noirs de four ayant une résistance supérieure à l'abrasion (noirs SAF); un appareil nouveau et perfectionné dans lequel les ingrédients puissent être facilement mélangés.
Le four de l'invention est caractérisé par un certain nombre d'injecteurs pour ingrédients pouvant être réglés l'un par rapport à l'autre et par rapport aux espaces de réaction du four.
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Considéré dans son ensemble, le -procédé de l'invention consiste à introduire axialement un hydrocarbure normalement non gazeux dans un espace de réaction cylindrique primaire dont le diamètre vaut au moins deux fois la longueur. On introduit simultanément un gaz combustible dans l'espace de réaction sous la forma d'un certain nombre de jets disposés en cercle autour du courant d'hydrocarbure et sans contact avec ce courant.
Le gaz et une proportion peu importante de l'hydrocarbure sont brûlés en faisant circuler de l'air en un courant annulaire relativement mince se déplaçant en spirale autour des jets de gaz. Les produits de réaction passent alors du premier espace de réaction par un espace de réaction secondaire allongé dont le diamètre est sensiblement inférieur à la moitié de celui de l'espace de réaction primaire. Ensuite, les produits de réaction sont arrosés d'eau froide, refroidis et séparés par des procédés connus.
On a trouvé avantageux d'exécuter le procédé de l'invention en utilisant une huile hydrocarbonée brute. Cette huile a un rapport H/C dans la gamme de 0,75 à 1,25, un poids moléculaire moyen compris entre 225 et 550, un poids spécifique API ne dépassant pas 10, une viscosité supérieure à 30 SSU (Saybolt Seconds Universal) à 210 F (98 C) et un résidu de carbone d'après la méthode de Conradson supérieur à 1,5.- D'autres hydrocarbures normalement non gazeux connus dans la partie peuvent être également employés.
Il ressort de la description d'ensemble du procédé de l'invention que l'air entretenant la combustion rencontre d'abord les jets de gaz et brûle avec eux, de telle sorte que ce n'est que l'air en excès de la quantité nécessaire pour brûler tout le gaz qui peut brûler l'hydrocarbure.
Pour assurer une combustion complète du gaz et établir une turbulence maximum,les jets de gaz doivent être disposés à l'intérieur de l'espace de combustion primaire en un cercle dont le diamètre est supérieur à celui de l'espace de combustion secondaire. De cettè manière, comme on le verra dans la description de l'appareil nouveau de l'invention, faite avec référence aux dessins annexés, le brouillard d'hydrocarbure est entouré d'une masse tourbillonnante de gaz en combustion dont la combustion est pratiquement achevée avant que les gaz passent de l'espace de combustion primaire dans l'espace de combustion secondaire.
Ces caractéristiques de l'invention et d'autres encore seront bien comprises grâce à la description du procédé faite avec référence à l'appareil représenté dans les dessins annexés où :
Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un système de four et de brûleur suivant l'invention, et fig. 2 est une vue d'extrémité du distributeur d'air monté à l'extrémité d'entrée du four.
Le four représenté sur -la fig. 1 comprend deux chambres de combustion cylindriques communicantes 10 et 12 entourées d'une matière réfractaire appropriée 14 enfermée dans une enveloppe d'acier 16. La cambre 10 appelée la chambre de combustion primaire a un diamètre largement supérieur à sa longueur, au moins le double de sa longueur entre les lignes A et B . Communiquant directement avec la chambre 10 par une partie conique, la chambre secondaire 12 a un diamètre inférieur à la moitié de celui de la chambre 10 et une longueur au moins égale à six fois son diamètre.
Un foui, dans lequel la chambre primaire 10 à 22 1/2 pouces (56 om) de diamètre et 8 pouces (20 cm) de longueur et la. chambre secondaire 12 à 8 pouces de diamètre et 5 pieds (1,52 m) de longueur, donne de très bons résultats.
Un carneau 13 est relié à l'extrémité de la chambre 12 et un dispositif de refroidissement par aspersion 15 est monté de la faÇon habiouelle.
L'orifice d'entrée de la chambre 10 peut avoir le même diamètre que cette chambre ou un diamètre légèrement réduit et est rempli en grande partie par un bouchon réfractaire cylindrique 18 d'un diamètre plus grand que celui de la chambre 12, pereé et'un conduit axial 20. Entre les parois
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de l'orifice d'entrée et le bouchon 18, un passage annulaire 22 de section transversale relativement réduite est ménagé. Le bouchon 18 est centré dans l'orifice d'entrée et peut être fixé au four -par un dispositif appro- prié. Sur les dessins, trois supports 24 sont montés à l'extrémité exté - rieure du bouchon et reliés au four par de longues barres d'ancrage 26 fi- letées à leurs extrémités pour permettre leur réglage.
Quelle que soit la structure de support utilisée, il suffit que cette structure soit réglable et que le bouchon 18 puisse être déplacé longitudinalement sur une distance limitée pour modifier le volume de l'espace ouvert de la chambre 10 sui- vant les conditions de travail désirées.
Pour introduire un gaz combustible dans la chambre de combus- tion 10, on utilise un distributeur ou brûleur annulaire:. 28 supporté à l'in- térieur de la chambre par trois tuyaux d'alimentation 30. Ce brûleur qui constitue une des caractéristiques nouvelles de l'invention a un diamètre plus grand que celui du bouchon 18 et peut être introduit dans le four ou retiré du four indépendamment du mouvement du bouchon pour faire varier les conditions de combustion. Un certain nombre d'orifices 32 sont percés dans la paroi extérieure du brûleur et s'ouvrent vers l'aval du four. Le nombre, la grandeur et la direction des orifices 32 peuvent être variés dans uneelar- ge mesure, pour régler les conditions de travail.
Autour du bouchon 18, à l'extérieur du four, se trouve un dis- tributeur d'air 34 comportant deux tuyaux diamètralement opposés 36 reliés tangentiellement au distributeur. Le nombre de tuyaux d'entrée peut varier et il suffit que l'air soit introduit dans le distributeur tangentiellement pour animer le courant d'air d'un mouvement tournant. Le distributeur 34 -est relié à l'orifice d'entrée de la chambre 10 par une courte section tubulaire 38 fixée à la paroi d'entrée et au bouchon 18 avec une étanchéité suffisante pour empêcher les fuites d'air. Une plaque 39 s'adapte exactement autour de l'enveloppe 40 du bouchon 18.
Un injecteur 42 pour l'huile hydrocarbonée servant de matière première pénètre dans le four par le conduit axial 20 du bouchon 18. Cet injecteur comporte un tuyau unique muni à son extrémité de sortie d'un ajutage d'un modèle approprié et relié de préférence à une chambre de pulvérisation 44 pour deux fluides. Ces injecteurs dans lesquels l'huile est pulvérisée par un gaz comme l'air ou par un gaz combustible étant bien connus; on ne les décrira pas davantage.
Il est pratiquement essentiel que l'huile brute décrite ci-dessus soit introduite dans le réacteur dans un gaz de pulvérisation parce que le procédé de l'invention ne peut donner les meilleure résultats lorsqu'on utilise la seule pulvérisation sous pression de l'huile. Cependant, lorsqu'on utilise des huiles plus légères ou des vapeurs, le pulvérisateur peut être supprimé.
La position de l'injecteur d'huile 42 et du brûleur à gaz 28 est assez critique. L'ajutage de l'injecteur d'hydrocarbure doit s'étendre au moins jusqu'au plan de la face aval du bouchon 18 et ne peut dépasser cette face de plus d'un pouce (2,5 cm) environ . Le brûleur à gaz 28 peut être ra@ené en arrière jusqu'à la ligne A, mais dépassa de préférence le bouchon 18 comme sur le dessin. Le brûleur ne peut être placé dans l'orifice d'entrée 22 en donnant satisfaction, à cause des vibrations du four qui se produisent lorsque le gaz et l'air sont pré-mélangés dans cet orifice. Sortant de cet orifice, le mélange brûle à une allure explosive au moment où il atteint la chambre de réaction chaude, ce qui est à éviter.
Le procédé .est mis en oeuvre dans l'appareil décrit ci-dessus, comme suit. L'hydrocarbure de départ est pulvérisé dans la chambre 10. Le gaz combustible sort du brûleur circulaire 28 en un certain nombre de jets.
L'air introduit par l'orifice d'entrée 22 brûle le gaz et fournit la plus grande partie de la chaleur pour dissocier l'hydrocarbure liquide en noir
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de fumée. Comme on introduit un peu plus d'air qu'il n'en faut pour brûler tout le gaz, une partie de l'hydrocarbure est également brûlée.
La combustion dans la chambre primaire 10 est extrêmement turbulente en raison de la forme particulière de la chambre, du tourbillonnement rapide de l'air de combustion et du fait que les produits de combustion sont chassés par un orifice de sorte de section transversale réduite.
Par conséquent, la combustion est extrêmement efficace et presque achevée avant que les produits ne passent dans la chambre de diamètre réduit 12.
On obtient ainsi du noir de fumée formé de très petites particules et possédant d'autres propriétés intéressantes, comme le montre l'exemple ci-dessous, qui font que le noir de fumée exerce un effet, de renforcement considérable dans les compositions de caoutchouc.
On voit donc que le nouvel appareil de l'invention peut s'adapter à des conditions très variées et es-c d'une construction relativement simple. Un grand nombre de. réglages de ses éléments peuvent être effectués rapidement et facilement pour obtenir la combinaison la plus efficace des conditions de réaction et fabriquer des types déterminés de noir de fumée à partir de types particuliers de matières premières. Au lieu d'introduire le gaz et l'air par les parois du réacteur, ces matières sont introduites par l'extrémité d'entrée du four. En outre, le point où l'air et le gaz de combustion entrent en réaction peut être varié avec la plus grande facilité pour obtenir une fabrication optimum.
Par exemple, le brûleur à gaz 28 peut être ramené vers l'orifice d'entrée pour qu'une combustion complète du gaz se soit produite avant que les gaz entrent en contact avec l'hydrocarbure pulvérisé. D'autre part et suivant un procédé préféré., le brûleur à gaz peut dépasser l'extrémité du bouchon 18, comme sur le dessin pour assurer une combustion maximum immédiatement autour du brouillard d'hydrocarbure liquide.
L'exemple ci-dessous illustre le fonctionnement du procédé de l'invention dans un four ayant les dimensions indiquées ci-dessus et donne les caractéristiques du produit obtenu.
Hydrocarbure.
EMI4.1
<tb>
<tb>
Vitesse <SEP> d'écoulement <SEP> en <SEP> litres/heure <SEP> 115
<tb> Température <SEP> de <SEP> préchauffage <SEP> en <SEP> C <SEP> 260
<tb> Air <SEP> de <SEP> pulvérisation <SEP> en <SEP> m3/1 <SEP> d'huile <SEP> 0,53
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> brûleur <SEP> en <SEP> m3/h <SEP> 56
<tb> Combustion <SEP> théorique <SEP> en <SEP> % <SEP> 55;8
<tb> Rendement <SEP> en <SEP> g/cm3 <SEP> d'huile <SEP> 0.29
<tb> Nigromètre <SEP> 83;
<SEP> 9 <SEP>
<tb> Teinte <SEP> 242
<tb> Surface <SEP> en <SEP> m2/g <SEP> 147
<tb>
Propriétés du caoutchouc. % SAF
EMI4.2
<tb>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> 106
<tb> Module <SEP> d'élastieité <SEP> à <SEP> 300% <SEP> 104
<tb> à <SEP> 400% <SEP> 102
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> 1-'abrasion <SEP> 110
<tb> Retrait <SEP> à <SEP> l'extrusion <SEP> 96
<tb>
On voit donc que le procédé nouveau de l'invention permet d'obtenir des qualités exceptionnelles de noir de fumée beaucoup plus facilement et simplement que les procédés déjà connus. L'invention procure en outre un appareil simple et facilement adaptable pour la production de
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ces noirs de fumée exceptionnels.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication de noir de fumée caractérisé en ce qu'on introduit axialement un courant d'un hydrocarbure normalement non gazeux dans une zone de réaction cylindrique ayant un diamètre au moins égal au double de sa longueur, on introduit simultanément dans cette zone un gaz combustible sous la forme d'un certain nombre de jets disposés en cercle autour du courant d'hydrocarbure et sans contact avec ce courant, on fait passer de l'air en un courant annulaire relativement mince animé d'un mouvement de rotation en hélice dans cette zone de réaction au voisinage de sa périphérie et plus loin que les jets de gaz combustible, en quantité plus que suffisante pour la combustion théoriquement complète du gaz combustible, mais insuffisante pour briller tout l'hydrocarbure,
on brûle le gaz et une partie de l'hydrocarbure dans des conditions de tourbillonnement dissociant ainsi l'hydrocarbure non brûlé en noir de fumée et en produits de réaction gazeux, on fait passer les produits de réaction par une zone de réaction cylindrique secondaire d'un diamètre inférieur à celui de la première zone et d'une longueur sensiblement supérieure à celle de la première zone,on refroidit les produits de réaction et on en sépare le noir de fumée.
2. Procédé de fabrication de noir de fumée caractérisé en ce qu'on établit une masse turbulente de flammes et de produits de combustion chauds dans une zone de réaction cylindrique primaire dont le diamètre est au moins égal au double de sa longueur en y introduisant par un passage' annulaire réduit un courant d'air tourbillonnant en spirale et on introduit dans ce courant d'air sorti du passage annulaire un certain nombre de jets d'un gaz combustible jaillissant en cercle dans ce courant d'air, la quantité d'air ainsi introduite étant plus que suffisante pour la combustion théoriquement complète du gaz, on introduit simultanément dans la zone de réaction primaire un courant axial d'un hydrocarbure normalement non gazeux, on commence la conversion par la pyrolyse de l'hydrocarbure en noir de fumée, et en gaz,
on fait passer les produits de réaction de la zone primaire par une zone de réaction cylindrique secondaire d'un diamètre inférieur et d'une plus grande longueur que la zone primaire, ce qui a pour effet de compléter la conversion de l'hydrocarbure, on arrête la réaction par refroidissement et on sépare le noir de fumée des gaz.
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