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PYROLYSE D'HYDROCARBURES,
La présente invention se rapporte à un procédé de pyrolyse ou de décomposition thermique d'hydrocarbures en vue de la préparation d'acétylène et/ou d'éthylène, par injection de l'hydrocarbure à pyrolyser dans des gaz chauds, obtenus par combustion d'un gaz ou vapeur combustible et d'un gaz com- burant, introduits sous forme de courants séparés, qui se ren- contrent dans la zone de réaction sous un angle déterminé.
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il est connu de préparer des hydrocarbures gazeux in- saturés, tels que l'acétylène ou des mélanges d'acétylène et d'éthylène, par pyrolyse d'hydrocarbures comme le naphta de pétrole.
Cette pyrolyse peut être effectuée par injection de l'hydrocarbure à pyrolyser dans des gaz chauds provenant de flammes à température élevée, obtenues par combustion d'un gaz combustible avec de l'air ou de l'oxygène.
Cependant, pour obtenir une température de pyrolyse très élevée dans la chambre de pyrolyse et un rendement maximum, il faut tenir compte de certaines dispositions et conditions spéciales, du point de vue mélange, introduction et combustion du gaz combustible et comburant. En effet, à une température de pyrolyse suffisamment élevée, on obtient instantanément de l'acétylène par décomposition thermique de naphta de pétrole.
Néanmoins, cette décomposition peut continuer jusqu'à la for- mation de noir de carbone et de produits goudronneux, à moins que la flamme bien que très intense ne soit très localisée.
D'autre part, pour obtenir une efficacité optimum, il faut que le front des flammes, dans le réacteur de pyrolyse, soit d'une stabilité relativement constante, pour n'importe quel type de brûleur ou dispositif de mélange et qu'on refroi- disse brusquement le gaz de pyrolyse après une courte durée de réaction, à l'endroit où la concentration du produit désiré est maximum.
On peut également constater que la garniture réfrac- taire ou les parois de la chambre de combustion sont parfois rapidement détruites par la chaleur ou par l'intensité des flam- mes, plus particulièrement lorsque la flamme est en contact avec les parois.
Lors de l'injection de deux courants indépendants de comburant et de combustible pour la génération de chaleur dans la chambre de réaction, on ne peut obtenir un rendement thermi- que maximum sans contrôle et réglage précis des débits des deux courants en fonction de leur quantité de mouvement et de leur rapport stceciométrique.
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e:. ti o¯^., on remédie ? ces ine;n- vénients en effectuant la pyrolyse d'hydrocarbures plus satires en hydrocarbures moins saturés, tels que l'acétylène et/ou l'é- thylène, par injection de l'hydrocarbure à pyrolyser dans des gaz chauds provenant de la combustion, d'un gaz combustible avec un gaz comburant en maintenant des flammes courtes et stables, de température élevée, sans pertes thermiques excessives, et non en contact avec les parois de la chambre de combustion, malgré des fluctuations possibles des volumes ou des quantités de mou- vement des gaz introduits et/ou même malgré des variations de la composition des gaz.
L'objet de la présente invention sera expliqué ci-après à l'aide des dessins ci-annexés, qui montrent un mode préféré d'exécution de la présente invention, sans toutefois la limiter.
Dans ces schémas :
La figure 1 est une coupe verticale ou axiale d'un four de pyrolyse suivant la présente invention.
La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne
II - II de la figure 1.
La figure 3 est une vue partielle en coupe verticale ou axiale d'un autre four de pyrolyse.
La figure 4 est une coupe transversale de la figure 3 suivant la ligne IV - IV.
Dans les dessins, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments dans les différentes coupes et montrent un four de pyrolyse conformément à la présente description.
Dans ce four, la flamme est produite dans une chambre de réaction par injection par jets séparés des gaz combustible et de comburant, l'un des gaz étant injecté suivant l'axe de l'appareil, tandis que l'autre gaz est injecté de manière à rencontrer le premier dans la chambre de combustion sous un angle de 10 à 60 afin de former une flamme courte et de stabilité voulue. Cette flamme est formée en un point déterminé ou en des points ou emplacements convenablement éloignés des parois ré- fractai res de la chambre de combustion et du distributeur par
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où les gaz sont injectés.
D'après les figures 1 et 2, la chambre de combustion 10 est pourvue d'une garniture réfractaire il, et est délimitée à sa partie sup4rieure par un distributeur 12 refroidi par circula- tion d'un fluide refroidisseur entrant par 14 et sortant par la conduite 15.
Une tuyère d'infection 20 est prévue pour l'injection de l'oxygène (ou de l'air ou autre gaz comburant) dans la chambre de combustion 10 au travers du distributeur 12.
A distance égale de la tuyère d'injection 20, aboutis- sant plusieurs tuyères ou tubes d'admission 21 passant au travers du corps 12, la partie inférieure 22 de ces tuyères étant incli- née radialement vers l'intérieur, de sorte que les jets de gaz combustible venant de la partie inférieure 22 des tuyères 21 se rencontrent et se mélangent aux jets de gaz comburant entrant dans la chambre de combustion 10 par la tuyère 20 sous un angle de # 10 à 60 , de manière à produire une flamme prenant naissance approximativement au point 25 et espacée du distributeur 12 et des parois 11 de la chambre de combustion 10.
Cependant, une fente annulaire continue convenablement , inclinée à l'angle désiré peut remplacer avantageusement la pluralité de passages de gaz individuels aux tuyères 21 - 22 et : donne des résultats satisfaisants.
De plus, il est prévu plusieurs tuyères d'injection ou une fente annulaire 26 pour l'injection dans la chambre de combustion 10 d'un écran continu de vapeur de gaz inerte, sépa- rant entièrement la flamme 25 des parois réfractaires intérieures 11 de la chambre de combustion 10.
Ensuite, les gaz de combustion chauds provenant de la flamme 25 et la vapeur d'eau venant de la fente 26 se réunissent et pénètrent dans l'étranglement constituant la chambre de mélange 27 pour y être mélangé avec l'hydrocarbure à pyrolyser.
L'hydrocarbure à pyrolyser est introduit par 30 dans un collecteur annulaire 31 d'où il est injecté dans la chambre de mélange 27 par plusieurs tuyères d'injection (ou par une fente
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annulaire continue) 32. Le collecteur annulaire 31 et les ori- fices l'injection 32 sont refroidis par circulation d'eau ou au- tre liquide refroidisseur dans une chemise à circulation d'eau 33 pourvue des raccordements d'entrée et de sortie 34 et 35. De même afin d'accroître l'efficacité, on préchauffe de préférence l'hy- drocarbure à pyrolyser avant de l'injecter à vitesse élevée par le collecteur 31 et les orifices 32.
Après avoir été mélangé à la vapeur et aux gaz de com- bustion chauds provenant de la chambre de combustion 10, l'hydro- carbure à pyrolyser arrive dans la chambre de réaction 40, où il est décomposé thermiquement par les gaz de combustion chaude.
La paroi intérieure 49 de la chambre de combustion 40 est refroidie et/ou recouverte d'un écran d'eau formant une paroi d'eau qui évite le dépôt ou l'accumulation de suie eu de goudrons.
Ainsi qu'il apparait sur le dessin, cette paroi liquide en mouve- ment est produite par introduction d'eau par la conduite 42 dans le réservoir annulaire 43 d'où elle s'écoule par débordement par la fente annulaire 44 et coule le long de la paroi de la chambre de réaction 40.
L'hydrocarbure à pyrolyser en mélange avec les gaz de combustion chauds et avec la vapeur produite dans la chambre de combustion 10 est décomposé en passant au travers de la chambre de réaction 40 et on arrête la décomposition à la base de la chambre de réaction 40 en refroidissant brusquement par de l'eau du dispositif de trempe 47. Cette eau est injectée par des ori- fices disposés annulairement ou par une fente 48 reliant le collecteur 49, avec l'entrée d'eau 50. Le produit réaotionnel refroidi et gazeux est évacué de l'appareil par la sortie 51 se trouvant à la base, sous -les ajutages du dispositif de trempe 47.
Les figures 3 et 4 illustrent des dispositifs d'une capacité plus grande, pour la mise en pratique. suivant la pré- sente invention.
Ce dispositif comporte une chambre de combustion 55 entourée d'une paroi réfractaire 56 et est pourvu d'un distri- buteur 57 à sa partie supérieure.
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Le distributeur 57 est équipé de plusieurs injecteurs
60 ppur l'injection j'un gaz comburant dans la chambre de com- bustion 55.
Ces injecteurs 60 sont disposés à distance égale sur un cercle dont le centre se trouve sur l'axe longitudinal de la cham- bre de combustion 55 pour l'injection d'un jet de gaz comburant parallèlement à l'axe de la chambre de combustion 55.
Entourant chacun des injecteurs 60 (qui peuvent être remplacés avantageusement par une fente annulaire), on trouve une pluralité de passages d'admission de combustible 61, dont la partie inférieure 62 est inclinée radialement vers l'intérieur par rapport aux différents injecteurs 60, de sorte que les jets de gaz combustible entrant dans la chambre de combustion 55 par les différents injecteurs de combutible 61, se rencontrent et se mélangent avec les jets de gaz comburant entrant par les injec- teurs 60 sous un angle d'environ 10 à 60 pour donner des flammes individuelles 65, formant une couronne de flammes à une distance déterminée du distributeur 57.
On refroidit le distributeur 57 par circulation d'un agent de refroidissement dans le canal annulaire 66, ce fluide entrant par 67 et sortant par 68. Dans le dispositif représenté, on introduit de la vapeur par les orifices d'entrée de vapeur 70 dans la canalisation annulaire 71 et on ¯'¯'injecte le long de la face intérieure de la paroi 56 de la chambre de combustion 55, cette injection se faisant par la fente 72. Dans la chambre de combustion 55, cette vapeur se mélange aux gaz de combustion chauds.
L'hydrocarbure à pyrolyser et préchauffé est introduit à vitesse élevée par la conduite 75 dans une canalisation annu- laire 76. De là, il passe dans la zone de mélange par une série d'orifices d'injection 77 pour être mélangé avec les gaz de com- bustion chauds et à la vapeur venant de la chambre de combustion 55.
Comme dans le dispositif décrit précédemment, une che- mise à circulation de fluide refroidisseur 78 est prévue pour la canalisation annulaire 76, le liquide refroidisseur entrant en 79
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etsortanten 80. Apres avoir été mélangé aux gaz de combustion chauds et à la vapeur, l'hydrocarbure à pyrolyser passe au tra- vers de la chambre de réaction 85, dont les parois 86 sont pour- vues d'un écran d'eau obtenu par injection d'eau dans la chambre de combustion par l'intermédiaire de la conduite 88, la canali- sation 87 et des fentes 89.
Ces gaz refroidis brusquement après achèvement de la réaction dans la partie inférieure de la chambre de réaction 85 (non représentée) par un jet transversal d'eau froide et les pro- duits gazeux sont recueillis suivant un procédé connu.
A titre d'exemple complémentaire, des résultats satis- faisants ont été plus spécialement obtenus en utilisant le dispo- sitif des figures 1 et 2 par injection de 10,2 Nm3 d'oxygène par heure (pureté + 97,5 %) et avec une vitesse d'environ 39,7 m/sec. par l'injecteur 20, d'un diamètre d'environ 10 mm. tandis qu'on injecte 12,C Nm3/h. de gaz de fours à coke à une vitesse de 84.5 m/sec. par les injecteurs de combustible 21, d'un diamètre inté- rieur de 2. 6 mm. placés à intervalles réguliers autour de l'in- jecteur 20.
Le gaz de fours à coke est injecté par les injecteurs de gaz combustible 21 et la partie inclinée 22, disposés de ma- nière à ce que le jet de gaz combustible rencontre le jet d'oxy- gène sortant de l'injecteur 20 sousun angle d'environ 25 . On obtient de cette manière une flamme verticale relativement courte à une température d'environ 3000 C dont l'axe longitudinal coin- cide avec l'axe de la chambre de combustion 10.
Par le dispositif d'injection 26, on injecte
10,5 kg/h. de vapeur d'eau surchauffée à environ 800 C.
On injecte un naphta, distillant entre 43 et 138 C, dans les gaz de combustion chauds qui ont été formés au cours de l'opération précédente. Le naphta est préchauffé à environ
600 C avant l'injection dans l'entrée 30 avec une vitesse (cal- culé aux orifices 32) d'environ 58 m. /sec., puis on le mélange à de la vapeur d'eau, dans la proportion de 24,0 kg/h, de naphta pour 7,2 kg/h. de vapeur d'eau.
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La. pyrolyse lu naphta j'effectue dans la :.a.' re de réaction 40 avec une durée de contact de 0,0018 sec. comptée à partir de la sortie des orifices 30 jusqu'au refroidissement brusqua par pulvérisation d'eau en 47, ce qui permet d'obtenir 47,1 Nm3/h. de gaz (contenant 8,7 d'acétylène et 15,2 Nm3/h. d'éthylène).
Sur base de ces données, la production calculée sur le naphta est respectivement de 19,8 % et 39,7 % poids pour l'acétylène et l'éthylène, soit une production totale de 59,5 de matière utilisable. On n'a observé aucune détérioration ap- préciable du revêtement réfractaire 11 au carbure de silicium de la chambre de combustion 10 et de la chambre de mélange 27, même après un temps de fonctionnement en continu considérablement long. De plus, on n'a constaté aucun dépôt ou accumulation de suie ou de matière goudronneuse sur les parois intérieures de la chambre de réaction 40.
Ainsi qu'on le constate par ce qui précède, le gaz de combustion comme le gaz comburant peut être injecté suivant la présente invention par les injecteurs axiaux ou par les injec- teurs inclinés, en donnant les résultats mentionnés ci-dessus, notamment une flamme stable, courte et dirigée axialement en dépit de la vitesse d'injection élevée des gaz.
On a obtenu des résultats satisfaisants en maintenant la vitesse des deux jets de gaz à la sortie des injecteurs entre 10 et 200 m./sec.
De même, avec le dispositif donnant une multitude de jets de gaz séparés et inclinés entourant un jet de .gaz primaire (qu'il s'agisse de la disposition 20 - 22 des figures 1 et 2 ou de la disposition 60 - 62 des figures 3 et 4), on maintient une flamme stable et courte sans aucune perturbation ou inclinaison de la flamme, même avec une différence sensible entre les quan- tités de mouvement de ces gaz.
En conséquence, parmi les avantages pouvant être obtenus par la présente invention, on notera que la modification ou le remplacement des distributeurs 12 ou 57 (ou la modification ou remplacement des injecteurs et leur emplacement) n'est pas
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nécessaire, même si le rapport entre le gaz de combustion et le gaz carburant, ou entre le volume des gaz de combustion et com- burant ou leur nature changent de temps à sutre, de sorte que, avec un dispositif conçu suivant la présente invention, des modi- fications d'ordre commercial de ce genre peuvent être effectuées semé dans un appareil semblable et tout en continuant d'obtenir une efficacité optimum et convenable en comparaison par exemple,
avec d'autres dispositifs connus dort la dimension des orifices et les débits doivent être modifiés fondamentalement pour diffé- rents combustibles ou différentes conditions de fonctionnement.
De plus, d'après la présente invention, on maintient les flammes quelque peu espacées de la face des distributeurs 12 ou 57, ainsi que de la paroi intérieure des chambres de combustion 10 ou 55, assurant une longévité accrue.