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"Procédé de fabrication du noir de carbone **
La présente invention concerne la fabrication du no de carbone à partir d'huiles du pétrole, ou de type d'hydre carbures tel qu'une huile de schiste, du goudron de houille, etc..
Dans la technique de fabrication du noir de carbone, on sait généralement qu'on obtient une qualité supérieure en craquant rapidement un hydrocarbure finement divisé à une température relativement élevée dans une atmosphère turbu- lente dans laquelle la vitesse de transmission de chaleur à. l'hydrocarbure est très rapide.
On sait également que lorsqu'on a recours à de l'air préalablement chauffé, on
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obtient un rendement supérieur en raison du fait qu'une plus faible proportion de l'hydrocarbure brûle pour chauffer les gaz et l'hydrocarbure restant à la température de craquage. La. vitesse des gaz est très élevée, dans certains cas elle est supérieure à la vitesse du son; et les tempé- ratures élevées qui entrent en ligne de compte (en particulier dans le cas de réacteurs destinés à produire du noir de carbone présentant une faible dimension (particulaire) diminuent très fortement la durée en service de la matière réfractaire coûteuse du four ou réacteur.
La présente invention se propose entre autres de fournir - un procédé et appareil de fabrication du noir de carbone de bonne qualité à un prix de fabrication fortement réduit; - un appareil permettant d'atteindre les buts cidessus, qui est relativement simple et peu coûteux à installer, à faire fonctionner et à entrienir. Plus particulièrement, la présente invention envisage de fournir un four cylindrique ou réacteur qui élimine le revêtement ou chemise réfractaire habituel et qui fournit les avantages suivants.!:
1.
Etant donné qu'il est fabriqué à peu près entièrement en métal et ne comporte aucune paroi ou chemise réfractaire susceptible d'être moulée en briques réfractaires lourdes, le réacteur de la présente invention est relativement léger et facile à déplacer; et son prix est même inférieur (par exemple, de 10 à 25 % seulement du prix des réacteurs réfractaires ayant la même capacité de production).
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2. Le réacteur métallique de la présente invention fournit une paroi de chemise, de l'air de combustion se déplaçant à travers la chemise (avant la combustion) qui .refroidit la paroi interne et la maintient au-dessous de son point de fusion et d'écaillage. En même temps, l'air de refroidissement (en vue de la combustion ultérieure) est préalablement chauffé, en permettant ainsi des débita d'alimentation en huile supérieurs et en assurant des ren- dements supérieurs.
3. On peut obtenir un maximum de chauffage préala- ble avec un minimum de surface de contact étant donné qu'on n'a recours à aucun refroidissement avant l'échange de chaleur ; et un maximum de différence de température e,st possible. Ceci est également favorisé par une circulation à contre-courant.
4. L'utilisation d'un refroidissement par air des gaz effluents chauds diminue fortement la quantité d'eau de refroidissement nécessaire, ce qui : (a) diminue les conditions de dimension du systàm collecteur du noir de carbone; (b) diminue la dimension du ventilateur d'aspiration induit et les besoins de puissance ; (c) abaisse le point de rosée des gaz effluents et diminue le taux de corrosion de l'équipement de traitement des gaz effluents.
5. L'air préalablement chauffé aide à stabiliser et à augmenter le taux de combustion et de craquage.
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D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexée dans lesquels : la figure 1 est une élévation fragmentaire, en partie en coupe, représentant une forme d'un appareil sui- vant la présente invention; la figure 2 est une vue d'un agencement d'un élé- ment de l'appareil de la figure 1 qu'on décrit plus loin en détail; la figure 3 est une coupe fragmentaire à plus grande échelle suivant la ligne 3-3 de la figure 1; la figure 4 est une élévation fragmentaire, en partie en coupe, et représentant plus en détail le brûleur de l'appareil de la figure 1; la figure 5 est une vue de façon générale analogue à celle de la figure 1, et représentant une variante de ' l'invention;
la figure 6 est une vue détaillée fragmentaire k plus grande échelle suivant la ligne 6-6 de la figure 5; la figure 7 est une autre vue qui est généralement analogue à celle de la figure 1, et représente une autre variante ; la figure 6 est une vue d'un agencement d'un élément de l'appareil de la figure 7; et les figures 9,10 et 11 sont des coupes suivant les lignes 9-9, 10-10, et 11-11, respectivement, de la figure 7 la figure 12 est une vue d'un appareil qui est généralement analogue à ceux représentés sur la figure 1 et la figure 7, représentant une autre variante présentant ' certaines particularités qui apparaissent sur chacune de ces deux autres figures.
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En se référant plus particulièrement aux dessins, le numéro de référence 2 désigne un carter ou onveloppe métallique allongé qui comprend la chemise externe de l'appareil de la présente invention, dans lequel est dis- posé concentriquement un tube métallique interne allongé 4.
A titre d'exemple particulier, le carter ou enve- loppe externe 2 peut avoir la forme d'une conduite en acier classique de 45 cm (diamètre interne), le -tube in- terne 4 présentant un diamètre interne de 20 cm.
En se référant à l'extrémité de gauche de la figure 1, l'extrémité adjacente du tube interne 4 se termine à peu de distance de l'extrémité correspondante de l'enve- loppe .externe 2, en fournissant ainsi une chambre cylin- drique non obstruée 5, dont le rôle sera décrit plus loin.
L'air atmosphérique pénètre par un orifice d'admis- sion d'air tangentiel 6 ménagé à l'extrémité de droite de l'enveloppe externe 2 (en observant la figure 1) pour être mis en circulation entre elle et le tube interne 4 dans des buts qu'on verra plus loin.. Cet orifice d'admission 'air tangentiel 6 peut avoir la forme d'une fente rectan- gulaire de 7,5 cm sur 30 cm
En se référant encore à la figure 1, la surface externe du tube interne 4 est munie d'ailettes hélicoïdale.. d'échange de chaleur qui, dans la forme de réalisation re- présentée à titre d'exemple, peuvent avoir une hauteur de 25 mm, un pas de 30 cm, et être espacées de 6 mm les unes des autres.
Entre les bords externes radiaux des ailettes hélicoidales 7 et la sur--Face interne de l'enveloppe exter- ne 2 est disposée une série de quatre aubes 10,11, 12
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et 13 ayant une forme hélicoïdal* et faisant tourner l'air, ces dernières étant espacées de 90 les unes des autres en partant du voisinage de l'orifice d'admission d'air tangentiel 6, de sorte que l'écoule-ment d'air d'admission est divisé en quatre quadrants. Dans l'exemple représenté et décrit, ces aubes hélicoïdales 10, 11, 12 et 13 pré- sentent un pas de 30 cm (analogue à celui des aubes héli- coidales sus-mentionnées) de sorte que l'air d'admission fait un tour complet dans l'espace compris entre l'envelop- pe externe 2 et le tube interne 4 tous les 30 cm de lon- gueur de ces derniers.
En fait, les aubes.10, 11,12 et 13 constituent des prolongements des ailettes hélicoïdales 7, en rem- plissant l'espace compris. entre elles et la surface interne de l'enveloppe externe 2.
L'appareil décrit en particulier ci-dessus convient particulièrement pour fabriquer du noir de carbone dont-la dimension particulaire est comprise dans la même gamme que les noirs HAF et ISAF produits de façon courante. A mesure que l'air pénètre dans l'ouverture d'admission d'air tan- gentielle 6, un mouvement hélicoïdal lui est communiqué par le passage hélicoïdal sus-mentionné délimité par les ailettes hélicoïdales 7 et les quatre aubes hélicoïdales 10, 11, 12 et 13.
Ce mouvement hélicoïdal d'air, en se déplaçant à grande vitesse sur les bords aigus des ailettes hélicoïdales 7, donne lieu à une circulation fortement turbulente qui a tendance à diminuer l'épaisseur de la pellicule d'air'et à augmenter la transmission de chaleur à partir des ailettes. Il est évident que les ailettes de transmission de chaleur ne sont pas limitées à l'agencement
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hélicoïdal, et d'autres variantes efficaces sont écrites ci-après. On peut avoir recours à tout moyen commode pour fixer les ailettes de transmission de chaleur hélicoïdale 7 et les aubes hélicoïdales 10, 11, 12 et 13 faisant tour- ner l'air, par exemple par soudage.
L'air de combustion, après avoir passé le long du passage hélicoïdal compris entre l'enveloppe externe 2 et le tube interne 4 pénètre dans la chambre cylindrique 5.
On remarquera que la figure 1 est divisée en trois sections de droite µ gauche qui sont identifiées par B, C et D. La section B montre le c8té externe de l'enveloppe externe 2 ; la section C le côte externe du tube interne 4 avec les ailettes hélicoïdales 7, et les aubes de forme hélicoïdale faisant tourner l'air 10, 11, 12 et 13; et la section est une coupe à travers le tube interne 4 et l'enveloppe externe 2 ainsi que certains autres éléments qu'on décrira ci-après.
Dans la pratique de fabrication du noir de carbone on sait que la plupart des particules abrasives du produit de noir de carbone sont habituellement des particules de coke dur. On sait encore que ces particules de coke sont formées par des gouttelettes d'huile ou autres hydrocar- bures venant au contact des parois du réacteur avant que l'hydrocarbure soit entièrement craqué en noir de carbone et en hydrogène. Les gouttelettes d'huile forment en heurtant les parois du réacteur des dépôt* de coke qui se désagrègent et contribuent à la teneur en particules abrasives du noir de carbone.
Les dispositifs d'élimina- tion des particules abrasives représentés sur les dessins et qu'on décrira ci-après'sont conçus de façon à diriger
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une portion de l'air de la chemise sous forme d'un anneau à une vitesse relativement élevée le long de la surface interne du tuba à ailettes, et ceci aide à empêcher les gouttelettes d'huile non craquée de heurter la surface interne du tube à ailettes.
Dans la chambre cylindrique 5 est disposé un dis- positif d'élimination de particules abrasives, désigné de façon générale en 20, en forme de tronc de cône métallique dont la plus petite extrémité est reliée de façon appro- priée à l'extrémité adjacente du tube interne 4, par exemple par soudage.
Le dispositif d'élimination des particules abra- sives 20 peut être fabriqué en un métal approprié, par exemple en acier inoxydable N 309 (calibre 22); le corps principal de ce dernier est muni d'une série de rangées de volets 22. Sur la figure 1, ces volets 22 sont représentés comme étant disposés en deux rangées et s'étendant sensi- blement perpendiculairement à la circulation hélicoldale de l'air se déplaçant entre l'enveloppe externe 2 et le tube interne 4; et ils peuvent avoir avantageusement une longueur de 5 cm et une largeur de 6,25 mm, pour une installation ayant la dimension démérite de façon générale plus haut.
Sur la figure 3, on a représenté un agencement du dispositif éliminateur de particules abrsives de la figure 1.
Chacun des volet? 22 peut être formé en le décou- pant le long des traits pleins 23, et en le rabattant à un angle de 45 le long des pointillés 24, après quoi on peut donner à la feuille la forme d'un tronc de cône. La façon dont les volets 22 amènent l'air à l'intérieur du collecteur de particules abrasives 20 est représentée par
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la flèche 30 sur la figure 2.
Dans le compartiment cylindrique 5, et en aligne- ment axial avec le dispositif éliminateur de particules abrasives 20, est disposé horizontalement un écran ther- inique 32 qui peut être avantageusement fabriqué en acier inoxydable M 309 (calibre la). Cet écran thermique 32 a généralement la forme d'une cuvette de façon à fournir un bord annulaire qui est concentrique à l'enveloppe externe 2, ainsi qu'une paroi d'extrémité externe qui présente une ouverture centrale réglable; et il est supporté de façon appropriée par la fermeture adjacente 33 de l'enveloppe externe. Cet écran thermique 32 sert à protéger la ferme- ture d'extrémité antérieure 33 de l'appareil du rayonnement de flamme.
En se référant en particulier à la figure 4, le brûleur de l'appareil de l'invention est représenté comme comprenant un tube 40 qui s'étend à travers un presse- étoupe 41 disposé au centre de la fermeture d'extrémité 33, à travers l'ouverture centrale ménagée dans l'écran ther- mique 32, et axialement dans le compartiment cylindrique 5 de l'enveloppe externe 2.
Un tube 42 est disposé concentrique-ment dans le tube 40 et s'étend à égale distance dans le compartiment cylindrique 5, les extrémités des tubes étant soudées à une plaque ou disque 44, disposé verticalement et percé au centre.
Comme représenté, le diamètre de la plaque ou disque 44 est beaucoup plus grand que le diamètre externe du tube 40 ; le diamètre de son ouverture centrale correspond sensiblement au diamètre interne du tube 42.
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Immédiatement derrière la plaque ou disque 44, le tube 40 présente une série d'ouvertures régulièrement espacées 45. L'extrémité externe du tube 42 s'étend au-delà du tube 40; et l'espace compris entre eux est hermétiquement fermé par une plaque de fermeture 47..
L'extrémité externe du tube 42 est reliée à un raccord en T,. 49 qui par l'intermédiaire d'une courte sec- tion de tube 50, communique avec un coté d'une vanne 51, l'autre côté de la vanne portant un presse-étoupe 52.
Une conduite d'admission 54 communique avec la chambre délimitée par les tubes 40 et 42 et le disque 44 et la plaque de fermeture 47; et par son intermédiaire les gaz de combustion sont admis à la série d'ouvertures 45.
Une conduite d'huile 56 est disposée dans le tube 40 et est centrée par des pièces d'écartement 57 et se termine par une tête de pulvérisation 58 dont l'extrémité externe vient au niveau de la face externe du disque 44.
Cette conduite d'huile 56 s'étend successivement à travers le raccord en T 49, une courte section de tube 50, la vanne 51 et le presse-étoupe 52, et est reliée à une source d'huile appropriée qui constitue la matière de charge de noir de carbone.
On admet axialement de l'air à l'intérieur du tube (interne 42) par l'intermédiaire du branchement du raccord en T 49 ; et il pénètre dans la zone de combustion du four cu réacteur sur le coté aval du disque 44 où il forme un courant concentré sur la pulvérisation d'huile (matière de charge) sortant de la tête de pulvérisation 58 pour diriger la, pulvérisation vers le centre du dispositif 20 éliminateur de particules abrasives et du tube interne 4.
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De préférence, la fermeture d'extrémité 33 de l'enveloppe externe 2 est construite de façon à être ra- pidement amovible de sorte que le brûleur entier peut être facilement retiré pour être réparé, etc..
De plus, l'installation de la conduite d'huile 56 de la façon décrite permet d'enlever et de réparer la tête de pulvérisation 58 pendant que le gaz est en train de brûler sur la charge de chauffage. C'est-à-dire que la conduite d'huile 56 est retirée jusqu'à ce que la tête de pulvérisation 58 se trouve à l'extérieur de la vanne 51, qui est alors fermée pour empêcher l'air axial de s'échapper, après quoi la tête de pulvérisation et le presse-étoupe 52 sont enlevés.
Un tube de regard en verre 60 peut être prévu dans la fermeture d'extrémité 33, ce dernier é tant en ali- gnement avec une fente de regard 61 ménagée dans la paroi d'extrémité peroée au centre de l'écran thermique 32 de façon à permettre d'observer l'extrémité du brûleur et l'ouverture d'entrée du dispositif 20 éliminateur des particules abrasives. De plus, la fermeture d'extrémité 33 de l'enveloppe externe peut présenter une paire d'en- sembles de verre de regard, un pour fournir une vue obli que de l'extrémité du brûleur, et l'autre pour permettre d'observer axialement le tube interne 4 comme représenté en 63.
Bien qu'on ne l'ait ni représenté ni décrit, il est évident que le tube interne 2 est muni de l'orifice de pulvérisation radial habituel par lequel une conduite d'eau s'étend qui se termine au voisinage de l'axe de la chambre réactionnelle et porte une tête de pulvérisa- tion à partir de laquelle la pulvérisation de ¯¯¯¯¯¯¯¯
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refroidissement néoessaire est fournie afin d'arrêter l'action de craquai.
Le noir de carbone produit dans le réacteur est enlevé à partir des gaz effluents au moyen de l'un ou l'autre des dispositif s collecteurs qui sont bien connus en pratique ; les gaz effluents sont évacués dans l'atmosphère.
Sur la figure 7, on a représenté une variante de la présente invention qui comporte urne circulation longitu- dinale de l'air d'admission entre l'enveloppe externe 2 et le tube interne 4. Suivant cette forme de réalisation, la surface externe du tube interne 4 présente une série d'ailettes 70 3'étendant longitudinalement et radialement relativement étroites, et quatre aubes 74 s'étendant longitudinalement et radialement, qui ont tendance à di- riger en droite ligne l'air s'écoulant entre l'enveloppe externe 2 et le tube interne 4. Ces aubes 74 sont espacées de 90 environ les unes des autres, et forment en fait des prolongements jusqu'à la surface interne de l'enveloppe externe 2 des ailettes 70 s'étendant longitudinalement et radialement disposées sur la périphérie du tube interne qui occupent les mêmes positions du quadrant.
Les ailettes 70 s'étendent sur toute la longueur du tube interne 4, les aubes 74 dirigeant l'écoulement de l'air en droite ligne¯ayant la môme étendue que ces der- nières, excepté pour la zone du tube interne qui reçoit l'air à partir de l'ouverture d'admission d'air tangen- tielle 6.
Cette construction et cet agencement des éléments @ à l'air de la chemise de circular autour de l'espace
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annulaire compris entre l'enveloppe externe 2 et le tube interne 4, puis de se répartir également entre les quatre aubes 74 espacées équi-angulairement, dirigeant l'écoule- ment de l'air en ligne droite. Deux types d'aubes de déviation de l'air 80 et 81 sont représentés sur les fi- gures 10 et 11 et sont utilisés de façon alternée tous les 30 cm sur toute la longueur du tube interne 4. L'aube de déviation 80 (figure 10) dévie la couche froide de l'air se déplaçant le long de la surface interne de l'enveloppe externe 2 vers le centre. L'aube de déviation suivante 81 (figure 11) amène alors l'air plus froid vers le bas entre les ailettes 7.
En fait, ces ailettes provoquent le dépla- cement de l'air suivant un trajet en zig-zag entre l'en- veloppe externe 2 et le tube interne 4 en maintenant la température de l'air plus uniforme et en aidant ainsi à maintenir le tube interne 4 à une température inférieure.
Les aubes de déviation 80 et 81 sont soudées entre les aubes 74 dirigeant l'écoulement de l'air en ligne droite pour être facilement montées dans l'enveloppe externe 2.
Sur la figure 12, on a représenté un appareil utilisant les aubes 70 s'étendant radialement et longitu dinalement sur toute la longueur du tube interne 4, com sur la figure 7, mais présentant une ou plusieurs aubes hélicoïdales faisant tourner l'air comme sur la figure 1, de façon qu'il en résulte une circulation hélicoïdale turbulente de l'air.
On doit noter qu'une des difficultés en utilisant un réacteur-du type à échangeur de chaleur est due à-la . pellicule de gaz re?.ativement épaissu qui -existe sur le côté froid de la paroi d'échange de chaleur en comparaison
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du côté chaud. On sait de façon générale que la résistance principale de la transmission de chaleur des gaz chauds aux gaz froids à travers une mince paroi métallique massive n'est pas provoquée par le métal, mais par les pellicules de gaz de chaque côté de la paroi.
En considé- rant un simple tube métallique à paroi mince sans ailettes, et en supposant que l'épaisseur de la pellicule de gaz est la même à la fois sur le côté chaud et sur le côté froid du tube, la température de la paroi métallique serait alors sensiblement intermédiaire de la température du gaz chaud et de la température du gaz froid. Dans le cas de la construction particulière décrite ci-dessus, les cal- culs de transmission de chaleur des pellicules révèlent que la pellicule réelle se trouvant sur le côté externe du tube à ailettes 4 est quatre à six fois plus épaisse que celle se trouvant sur le côté interne du tube à ai- lettes en raison de la plus haute température et de la plus grande vitesse des gaz dans ce dernier.
Cette pellicule épaisse sur le côté externe du tube à ailettes est analo- gue à. une couche d'isolation et assure des températures de paroi métallique qui ne sont que de 149 à 204 C. au- dessous des températures des gaz chauds. Par conséquent, la pellicule épaisse du côté externe est le principal facteur qui régit la vitesse de transmission de chaleur.
Une augmentation suffisante de la vitesse des gaz sur le côté froid pour diminuer l'épaisseur de la pellicule à celle se trouvant sur le côté chaud provoquerait des chutes de pression excessives. Ainsi, l'utilisation d'un tube lisse sans ailettes nécessiterait un métal ou alliage possédant des caractéristiques de température très élevées,
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et également un très long tube pour obtenir un chauffage préalable de l'air appréciable.
L'utilisation d'un tube à ailettes 4, comme re- présenté sur les figures 7 et 12, avec des ailettes ra- diales s'étendant longitudinalement 70 comme décrit plus haut, augmente la surface de contact externe jusqu'à quatorze fois la surface interne. Naturellement, il s'en- suit qu'en raison de cette plus grande surface, on peut obtenir un taux de transmission de chaleur beaucoup plus élevé à travers la pellicule de gaz froid plus épaisse.
Les ailettes 70 conduisent rapidement la chaleur à l'écart de la paroi chaude en maintenant sa température plus voisine de la température de l'air plus froid. Le résultat de l'utilisation d'un tel cube à ailettes est qu'on peut obtenir un bien meilleur chauffage préalable de l'air avec la même longueur de tube, ainsi qu'une température de paroi bien inférieure. Dans un tel tube à ailettes, comme représenté et décrit ci-dessus, on peut utiliser un acier doux ou inoxydable pour venir en contact avec les gaz combustibles sans fusion ou écaillage à une tem- pérature élevée excessive.
Lorsque le réacteur représenté sur la figure 12 traite 2830 mètres cubes à l'heure d'air de combustion, et que la charge de gaz est réglée de façon que la température régnant dans la chambre de com- bustion 10 soit comprise entre 1316 et 1427 C., le chauf- fage préalable de l'air doit être compris alors entre 427 et 538 0.; et l'augmentation du rendement due au chauffage préalable est comprise entre 10 et 15 %.
Sur la figure 5, on a représenté l'agencement à circulation d'air longitudinale de la figure 7, mais en
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ajoutant le dispositif 20 éliminateur de particules abra- sives et l'écran thermique 52. L'agencement de ce disposi- tif particulier éliminateur de particules abrasives est représenté sur la :figure 6. On remarquera que l'agencement des volets des figures 5 et 8 est le même que celui des figures 1 et 2, excepté que les volets 22& sont agencés en des anneaux concentriques perpendiculairement au sens on- gitudinal du mouvement de l'air.
En pratique, il est généralement admis que le choc de la matière de charge contre les parois du réacteur de noir de carbone est la cause principale de la formation de coke et de particules abrasives. Far conséquent, le but du dispositif 20 éliminateur de particules abrasives est d'introduire une couche annulaire froide d'air autour du cote interne de l'extrémité d'admission du tuhe interne 4 pour aider à la maintenir froid et à. empêcher les goute- lettes d'huile de le heurter avant qu'elles soient com- plètement craquées.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, et est susceptible de recevoir diverses variantes rentrant dans le cadre et l'esprit de l'invention.