Brevet FR2123433A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne un appareil pour mélanger deux courants de gaz. L'appareil de l'invention est particulièrement utilisable dans des opérations d'oxydation, où un premier courant de gaz ccmprei.ant un ou plusieurs hyarocarbu-5 res doit être mélangé avec un deuxième courant ^e gaz, contenant de l'oxygène. Des exemples de tels procédés sont la préparation d'acétaldéhyde à partir d'éthylène ou d'éthanol, la préparation d'acétaldéhyde et d'acide acétique à partir d'éthane, la préparation d'isopropanol et d'acétone à partir de propane, la prépa-10 ration de méthanol, de formaldéhyde et d'acétaldéhyde à partir de butane, la préparation d'oxyde d'éthylène à partir d'éthylène et la préparation d'anhydride phtalique à partir de naphtalène ou d'ortho-xylène. Dans de tels procédés, les deux courants gazeux sont mélangés dans le rapport désiré et ensuite passés dans un 15 réacteur dans lequel une transformation catalytique ou thermique est effectuée dans des conditions soigneusement contrôlées de façon à produire au maximum le ou les produits désirés et à éviter les pertes en sous-produits, en anhydride carbonique et en eau. 20 II y a lieu de noter que dans l'appareil de mélange, la formation de mélanges détonants oxygène-hydrocarbures doit être évitée, la tendance de mélanges comprenant un ou plusieurs hydrocarbures et de l'oxygène à former des compositions explosives ou inflammables étant bien connue. Par les dispositifs de la 25 technique antérieure, le mélange dés courants gazeux très importants rencontrés dans les procédés industriels était effectué en injectant un gaz, au moyen d'un faisceau de tubes, dans un courant en circulation du deuxième gaz, avec le résultat qu'un écoulement turbulent était réalisé et qu'un mélange complet des deux 30 courants gazeux était effectué dans une chambre de mélangé en aval des tubês. Dans cette chambre de mélange, des compositions locales et temporaires comprises entre les limites explosives pouvaient être obtenues occasionnellement, mais, comme conséquence de la turbulence, la composition du mélange gazeux qui 35 passait finalement au réacteur d'oxydation était à l'extérieur des limites explosives. Il était et il est recommandé qu'un mélange complet soit réalisé aussi rapidement que possible. ' BAD 72 02551 2 2123433 Durant le démarrage, l'arrêt, l'interruption ou une perturbation du procédé d'oxydation, on rencontre des situations où les conditions existantes diffèrent radicalement de celles de la situation normale. Par exemple, le débit du gaz contenant de 5 l'oxygène augmentera ou diminuera progressivement. De plus, il sera normalement important de conditionner le catalyseur dans le réacteur pendant de nombreuses heures et pendant ce temps -le débit et la ccncentration de l'oxygène seront progressivement accrus jusqu'à ce qu'on arrive au débit de régime permanent néces-10 saire pour l'oxydation. Dans de telles conditions de régime irrégulier existant temporairement, le composé organique à oxyder peut avoir tendance à diffuser en retour dans les tubes, avec le résultat que des compositions explosives peuvent se produire. Le procédé utilisé antérieurement pour empêcher cet écoulement de 15 retour de matière organique consistait à maintenir la vitesse du gaz circulant dans les tubes à un niveau assez élevé en introduisant un gaz inerte ou un mélange de gaz inertes, en particulier de l'azote, de l'argon, de l'anhydride carbonique ou des combinaisons de ces gaz. Toutefois, en particulier, durant la 20 période de conditionnement, qui peut durer de quelques heures à quelques jours, des quantités énormes de ces matières inertes sont nécessaires. Il serait avantageux qu'on dispose d'un moyen simple et efficace pour réduire au minimum (1) les risques de com-25 positions explosives et (2) les quantités de gaz inertes de purge. A ce propos, une demande de brevet antérieure de la Demanderesse, offerte à l'examen public en République Fédérale d'Allemagne le 21 Octobre 1971 comme "Offenlegungsschrift" K° 2 115 978 suggère l'utilisation pour effectuer le mélange intime de deux 30 courants gazeux d'un appareil comprenant un corps contenant : a) à une extrémité du corps, une première entrée pour l'introduction d'un premier courant gazeux, b) en aval de la première entrée, une deuxième entrée dans le côté du corps pour l'introduction d'un deuxième cou- 35 rant gazeux, c) une sortie du corps en aval de la deuxième entrée, d) une cloison non perforée située entre la première entrée et la deuxième, BAD ORIGINAL 72 02551 3 2123433 e) au moins une cloison perforée, placée entre la deuxième entrée et la sortie, et, f) un certain nombre de tubes, supportés à une extrémité par la cloison non perforée et à l'autre extrémité par 5 la ou les cloisons perforées et passant à travers ces cloisons. On a maintenant trouvé qu'une dispersion rapide est obtenue et qu'une diffusion en retour du composé organique vers l'entrée d'oxygène ("écoulement de retour") est sensiblement évitée par l'utilisation de l'appareil de mélange de l'invention, 10 qui comprend une zone de mélange contenant : a) à une extrémité de la zone, une entrée pour l'introduction du deuxième courant gazeux, b) en aval de l'entrée, une zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique, 15 c) en aval de la zone de stabilisation de la vites se du gaz et de la pression statique, au moins un moyen d'injection pour injecter le premier courant gazeux dans" le deuxième courant gazeux, et, d) une sortie pour le premier et le deuxième cou-20 rants gazeux mélangés résultants en aval du dernier moyen d'injection situé dans la zone de mélange. Quand on utilise un tel appareil, un gaz est injecté dans un autre gaz en circulation à un certain nombre de points le long d'un conduit uniforme sensiblement cylindrique 25 pour le gaz, par plusieurs orifices situés sur la surface en aval d'au moins un moyen d'injection. Les moyens d'injection sont montés coaxialement sur une certaine longueur du conduit à gaz en amont de laquelle les distributions des pressions statiques et des vitesses deviennent sensiblement uniformes. Dans un 30 mode de réalisation préféré, ces conditions d'uniformité peuvent être obtenues à une distance relativement courte, à savoir 3 à 11 diamètres de conduit en aval d'un coude à 90° qui a un rapport du rayon au diamètre approximativement égal à l'unité* Dans d'autres modes de réalisation préférés, on utilise au moins 35 deux moyens d'injection de forme annulaire, le courant de gaz vers chacun de ces moyens d'injection étant réglable indépendamment, et le diamètre de chaque moyen d'injection de forme annulaire en aval du premier étant inférieur au diamètre de celui situé immédiatement en amont. 72 02551 2123433 Plus la différence de vitesse est grande entre le premier courant gazeux et le deuxième, plus rapide sera le transfert de quantité de mouvement et de masse le long du tuyau et donc plus courte sera la distance de mélange nécessaire. Si on 5 peut s'attendre raisonnablement à une variation du débit du premier gaz, la "buse de mélange doit avoir des dimensions convenables pour la plus petite différence de vitesse entre les deux courants. Le cas extrême est celui où les deux vitesses sont égales et où la diffusion de matière dépend seulement de la tur-10 bulence de la zone. Toutefois, même si le débit du premier courant varie, on peut obtenir une différence notable de vitesse entre les deux courants de gaz si on peut faire varier le nombre d'orifices ou de buses d'injection. L'injection multiple exige une réalisation soigneu-15 se des moyens d'injection pour assurer un débit presque égal de la matière injectée par toutes les buses ou tous les orifices. Cette condition ne peut être obtenue que par des équilibres appropriés des pressions et des vitesses des deux courants de gaz. Pour un moyen d'injection qui est immergé dans un fluide stati-20 que, cette condition peut être obtenue sans trop de difficulté. Toutefois, quand le deuxième fluide circule, des problèmes supplémentaires de mécanique des fluides se posent, en raison de la configuration de la zone dans laquelle le deuxième fluide circule, ou en raison de la configuration du moyen d'injection, qui 25 modifie les distributions des vitesses et des pressions statique s. Dans l'appareil de mélange de la présente invention, le problème supplémentaire de mécanique des fluides causé par le mouvement du deuxième fluide est réduit au minimum. On 30 arrive à ce résultat tout d'abord en prévoyant une zone de stabilisation des vitesses et des pressions statiques du gaz en amont du moyen d'injection, à partir de laquelle le deuxième gaz circule avec des distributions uniformes des vitesses et des pressions, et en deuxième lieu en réalisant le moyen d'injection 35 de manière qu'il introduise les mêmes changements dans la distribution des vitesses et des pressions autour de chaque orifice ou de chaque buse du même moyen d'injection, assurant ainsi que la pression statique et la vitesse au voisinage de chaque orifice 72 02551 2123433 soient presque les mêmes. On atteint ce but en injectant un premier courant gazeux par des orifices multiples situés dans au moins un moyen d'injection monté coaxialement sur une certaine longueur de conduit à gaz, en amont de laquelle les distributions 5 des vitesses et des pressions statiques sont uniformes. la pression à l'extérieur de l'orifice est importante parce qu'elle a une influence sur le débit du fluide à partir du moyen d'injection. La relation entre le débit et les pressions est donnée couramment par l'équation (I) 1Q y q = CoAo \J 2gc(Pj-P0) / d (I) dans laquelle, pour un moyen d'injection de forme annulaire : 15 Ao = surface de l'orifice q = débit du gaz secondaire par un orifice Co = coefficient de l'orifice P^ = pression statique dans le moyen d'injection près de l'orifice 20 PQ = pression juste à l'extérieur de l'orifice d = densité du gaz Une distribution uniforme du fluide déchargé du collecteur annulaire ne peut être obtenue que par des équilibres 25 appropriés des pressions et des vitesses. Si la variation de PQ est très petite par rapport à la chute de pression aux orifices 011 peut obtenir un débit uniforme du fluide déchargé en donnant des dimensions appropriées au diamètre du tube du moyen d'injection, à la surface 30 totale des orifices et à la distance entre orifices. La pression P-^ du fluide à l'intérieur du moyen d'injection varie en raison du frottement sur les parois et en raison des variations de la quantité de mouvement du fluide. Le frottement sur les parois a tendance à faire baisser la pression, tandis que la diminution 35 de vitesses à l'intérieur du moyen d'injection, quand des portions successives du courant quittent le moyen d'injection, augmente la pression du fluide dans le moyen d'injection. Si le rapport entre le diamètre du tube du moyen d'injection et la sur 72 02551 2123433 face totale d'écoulement par les orifices est tel que l'énergie cinétique du courant d'entrée dans le moyen d'injection de forme annulaire et la perte par frottement dans le moyen d'injection soient toutes deux inférieures à 10 $ de la chute de pression au 5 passage des orifices, alors les inégalités de distribution de l'écoulement sont inférieure^ à 5 %, ce qui s'est révélé acceptable. Si le premier courant varie sur une large plage de débits, le moyen d'injection peut être conçu de manière à distri-10 buer uniformément le premier courant de gaz à tous les débits seulement si de très grandes vitesses ou de forte chutes de pression peuvent être tolérées aux forts débits. On peut éviter cette difficulté en prévoyant un procédé pour faire varier le nombre total d'orifices ou de buses, et on atteint ce résultat dans l'ap-15 pareil de mélange de la présente invention en incluant au moins deux moyens d'injection, auxquels on fait arriver indépendamment le premier courant gazeux. De préférence, les moyens d'injection sont de forme annulaire, ont la même forme générale, et ont des dimensions dif-20 férentes et des surfaces différentes de passage par les orifices. Ainsi, dans des conditions de faible débit, seule la surface de passage par les orifices qui est nécessaire pour fournir le débit désiré du premier gaz est utilisée. Par cette réduction ou cet accroissement sélectifs de la surface de passage par les orifices 25 on peut obliger les moyens d'injection restant eh service à fonctionner au voisinage de leurs conditions nominales. Ceci assure le maintien d'une différence sensible de vitesse entre le premier courant gazeux et le deuxième, tout en évitant en même temps la nécessité d'un gaz inerte de purge introduit en même temps pour 30 empêcher un écoulement en retour du deuxième courant gazeux dans les moyens d'injection et dans leur système de collecteurs. Une difficulté avec cet arrangement est que le courant gazeux secondaire reviendra en arrière dans les moyens d'injection qui ont été désactivés. Si le mélange est inflammable 35 dans certaines combinaisons de pourcentages, un état dangereux peut exister. On peut empêcher cela en purgeant un moyen d'injection une fois qu'il a été mis hors service avec un bouchon d'un gaz inerte pour évacuer le premier gaz présent et ensuite en le 72 02551 2123433 purgeant de nouveau avec un "bouchon du gaz inerte avant de remettre en service le moyen d'injection pour évacuer le deuxième gaz. Le débit du gaz de purfce doit être suffisant pour empêcher un écoulement en retour du deuxième courant gazeux dans le moyen 5 d'injection durant la purge. La durée de la purge doit aussi être assez longue pour purger complètement le moyen d'injection. Un volume total de gaz de purge équivalent à plusieurs volumes du moyen d'injection est généralement suffisant à cet effet. Un écoulement dans un tuyau avec des distributions 10 uniformes des vitesses et des pressions statiques est difficile à obtenir à moins d'utiliser des dispositifs spéciaux d'introduction et de redressement de l'écoulement. Les uns et les autres exigent des techniques spéciales de conception et de fabrication. Toutefois, des inégalités de distribution de quelques unités pour 15 cent dans la vitesse et de petites variations dans la distribution de-s pressions statiques peuvent être tolérées, au prix de la plus forte chute de pression aux orifices nécessaire pour assurer un débit uniforme par tous les orifices et du plus fort débit de gaz inerte nécessaire pour la purge quand on interrompt 20 le fonctionnement d'un moyen d'injection. On peut obtenir de telles conditions par utilisation d'une zone de stabilisation des vitesses du gaz et des pressions statiques. Des procédés classiques existent pour porter à son maximum l'uniformité de la vitesse du gaz et de la pression statique. En général, ces procédés comprennent une modification temporaire de l'écoulement du gaz, après quoi on le laisse passer sans perturbation dans un conduit sensiblement cylindrique. L'écoulement du gaz est modifié par l'une des deux techniques générales suivantes : (1) augmentation de sa vitesse, comme en réduisant, dans la direction d'écoulement "50 J la surface de section du conduit dans lequel le gaz circule, par exemple dans une zone de transition convergente, ou (2) addition d'une résistance à l'écoulement, par exemple en plaçant au moins un déflecteur ou une cloison perforée, par exemple un tamis ou un nid d'abeille dans le passage d'écoulement du gaz. La longueur du conduit cylindrique en aval du moyen de modification de l'écoulement dépend principalement de la mesure dans laquelle l'écoulement du gaz a été modifié. En général, des longueurs de conduit variant de 3 à 20 diamètres de la zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique sont suffisantes. 72 02551 2123433 Dans une variante préférée, on obtient la stabilité de la vitesse du gaz et de la pression statique en soumettant l'écoulement du deuxième gaz à une résistance à l'écoulement, qui comprend son passage par un coude, de manière que sa direction 5 d'écoulement soit changée de 5 à 180 degrés. Dans un mode de réalisation spécialement préféré, la direction d'écoulement est changée de 90 degrés environ. Dans la pratique, ceci peut, être réalisé par utilisation d'un coude à 90° environ, dans lequel le rapport du rayon au diamètre du coude à angle droit est approxi-10 mativeinent de 1:1, mais peut varier de 1:1 à 20:1. Par rapport du rayon au diamètre, on veut dire le rapport-du rayon de courbure du coude au diamètre intérieur du coude. la position optimale du moyen d'injection en aval du coude à angle droit est déterminée par deux facteurs. Une con-15 sidération est l'établissement de profils uniformes de vitesse et de pression statique avant l'injection du premier courant gazeux dans le deuxième. Ce facteur détermine la distance minimale entre le coude et le premier moyen d'injection en aval de ce coude. Généralement, on a trouvé qu'une portion droite du conduit d1une 20 longueur d'au moins 3 diamètres du conduit permet l'établissement de conditions sensiblement uniformes d'écoulement dans le deuxième courant gazeux en circulation. Cette distance n'est pas absolument rigide et peut varier avec des facteurs comme le rapport du rayon au diamètre du coude et le nombre de Reynolds (HRe) 25 associé au deuxième courant gazeux. la distance maximale en aval du moyen d'injection dépendra du diamètre extérieur du conduit de gaz et de la juxtaposition du dispositif de mélange à l'équipement associé, le premier moyen d'injection doit généralement être situé à pas plus 30 de 11 diamètres du conduit de gaz en aval du coude à angle droit. On a trouvé que la position optimale pour le moyen d'injection se trouve entre 5 et 7 diamètres du conduit de gaz en aval du coude à angle droit. la portion de l'appareil de mélange dans laquelle 35 les moyens d'injection sont situés aura généralement le même diamètre que le conduit cylindrique immédiatement en amont. 72 02551 2123433 Si on peut s'attendre à ce que le processus chimique se produise en aval de l'appareil de mélange dans des conditions de régime relativement permanent, il surfit qu'un seul moyen d'injection soit présent dans le conduit de fcaz. En géné-5 ral, toutefois, ces conaitions idéales n'existeront pas, car les convertisseurs chimiques rencontrent des périodes de perturbations, et doivent tou.jcurs être arrêtés pour inspection périodique et entretien, et il faut ensuite les remettre en marche. Dans de telles conditions variables, il sera nécessaire de faire va-10 rier le débit des corps en ré ction gazeux. Dans l'appareil de mélange de la présente invention, il est donc préférable d'avoir au moins deux moyens d'injection dans le conduit de gaz, moyens d'injection qui ont des dimensions différentes et des surfaces différentes d'orifices. Les dimensions de ces moyens d'injection 15 dépendront, tout d'abord, de la capacité de production prévue normalement pour le réacteur et, en deuxième lieu, des variations normalement prévues dans la production, c'est-à-dire depuis un débit nul aes _;az à mélanger jusqu'à un débit correspondant à la capacité complète de prouuction. 20 Quand il y a plus d'un moyen d'injection dans l'ap pareil de mélange de la présente invention, il est avantageux que chaque moyen d'injection successif en aval soit plus petit que celui situé immédiatement en amont. Pour un moyen d'injection de forme annulaire, on arrive à ce résultat en utilisant des anneaux 25 ayant des diamètres de plus en plus petits et éventuellement en construisant chaque ".oyen d'injection de forme annulaire successif à partir d'un tube de diamètre plus petit. En utilisant des moyens d'injection de plus en plus petits en aval du premier, les profils de pression statique et de vitesse des gaz qu'on 30 mélange, présentent un minimum de mauvaise distribution. Le préférence, la distance entre deux moyens d'injection quelconques est supérieure à 6 diamètres du tube annulaire. Cet espacement permet de faire disparaître toutes perturbations se produisant dans les profils de pression statique et de vitesse quand les 35 gaz qu'on mélange traversent le moyen d'injection situé en amont. En utilisant des moyens d'injection multiples et un système de distribution approprié, on rend réglable indépendamment le débit du premier gaz introduit dans chaque moyen d'inBAD ORIGINAL 72 02551 2123433 jection. Les conditions existant dans le réacteur chimique en aval et/ou dans l'effluent le ce réacteur peuvent être contrôlées, par exemple par des instruments appropriés de mesure de la température, :.;e la pression et de la composition, des signaux 5 de correction appropriés étant transmis pour commander des valves dans des canalisations par lesquelles le premier gaz passe pour arriver aux divers moyens d'injection. Le' système de distribution contiendra ordinairement des valves grâce auxquelles on peut faire arriver un gaz inerte ou de purge, par exemple de l'azote, 10 de l'argon, de l'anhydride carbonique ou leurs mélanges, à chaque moyen d'injection quand on le met en service ou quand on arrête son fonctionnement. Les valves commandant le débit du gaz de purge sont réglées aussi par les conditions opératoires en aval. 15 Quand l'appareil de mélange de la présente inven tion est utilisé conjointement avec un procédé d'oxydation en aval, le gaz contenant de l'oxygène peut être de l'oxygène d'un degré industriel de pureté, de l'air ou de l'oxygène en mélange avec un gaz inerte. De préférence, le gaz contenant de l'oxygène 20 constitue le premier courant gazeux, tandis que la matière organique en réaction constitue le deuxième courant gazeux. La figure 1 des dessins annexés est une vue partiellement schématique d'un mode de réalisation préféré -de l'appareil de mélange de la présente- invention. L'appareil comprend 25 un collecteur d'admission 4 pour le deuxième courant de gaz 2 : un coude à 50° désigné par la référence 5 ; une portion de conduit de gaz 6, qui a une longueur comprise entre 3 et 20 fois son diamètre, dans laquelle des profils uniformes de pression statique et de vitesse s'établissent dans le deuxième gaz ; une 30 zone de mélange 7 dans laquelle, à des fins d'illustration, sont situés trois moyens d'injection de forme annulaire 8, 9 et 10. Comme représenté sur la figure 1, la zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique comprend le coude 5 et la portion de conduit 6. Le premier gaz circulant dans les cana-35 lisations 12, 13 et/ou 14 d'alimentation des moyens d'injection passe par les brides d'admission 38 (maintenues en place par les buses 39 de fixation des injecteurs) et les canalisations 37 d'admission dans les moyens d'injection aux moyens d'injection SAO ORIGINAL 72 02551 „ 2123433 8, 9 et 10, respectivement. Les moyens d'injection 8, 9 et 10 sont fixés dans la chambre de mélange 7 par la combinaison des canalisations 37 d'admission dans les moyens d'injection et de barres de centrage 34, 35 et 36, respectivement. Généralement, 5 il est souhaitable que le deuxième gaz circulant dans la portion 6 de conduit, avant l'injection du premier courant gazeux, soit en écoulement turbulent, c'est-à-dire qu'il ait un nombre g de Reynolds d'au moins 2100 et de préférence supérieur à 1 x 10 « Dans la variante dans laquelle l'appareil de mé-10 lange de la présente invention est utilisé conjointement avec un convertisseur chimique en aval, l'opération globale est la suivante. Les gaz mélangés quittant la zone de mélange 7 passent par le tuyau 25 à une zone de réaction 26, dans laquelle une transformation thermique ou catalytique appropriée quelconque est ef-15 fectuée. Le produit de réaction quitte la zone de réaction 26 par la canalisation 27. Une petite quantité de produit de réaction passe par une canalisation à échantillons 28 pour arriver à un système 29 de détections des échantillons, qui peut consister en une combinaison appropriée quelconque d'éléments déterminant la 20 température, la pression et/ou la composition. Les signaux de sortie du système 29 de détection des échantillons passent par un câble de transmission 30 à un pupitre 31 de commande de réglage. Suivant les conditions existant dans la zone de réaction 26, ou la température, la pression et la composition du produit 25 cle réaction circulant dans la canalisation 27, le pupitre de commande de réglage 31 règle le débit d'arrivée du gaz primaire 1 et du gaz de purge 3 aux moyens d'injection de forme annulaire 8, 9 et 10. Pour commander le débit du premier gaz vers les 30 moyens d'injection 8, 9 et 10 dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, un signal est envoyé à partir du pupitre 31 de commande de réglage par les lignes 32 pour commander les valves 15, 16 et/ou 17» Le premier gaz 1, circulant dans le collecteur 11, est conduit vers les canalisations 12, 13 et 14 35 d'alimentation des moyens d'injection et vers les moyens d'injection 8, 9 et 10 par le fonctionnement des valves de commande 15, 16 et/ou 17, respectivement. 72 02551 2123433 Quand les conditions dans la zone de réaction 26 commandent, ou quand la température, la pression et/ou la composition du produit de réaction circulant dans la canalisation 27 exigent l'activa-tion ou la désactivation d'un ou plusieurs moyens d'injection, 5 un signal approprié est envoyé à partir du pupitre de commande de réglage 31 par les lignes 33 des valves de commande aux valves de commande 19» 20 et/ou 21. lors d'une telle activation ou désactivation, le gaz de purge 3S circulant dans le collecteur 18, est conduit par les valves de commande 19, 20 et/ou 21, les ca-10 nalisations d'alimentation en gaz de purge 22, 23 et/ou 24, et les canalisations d'alimentation 12, 13 et/ou 14 des moyens d'injection aux moyens d'injection 8, 9 et/ou 10, respectivement. Le procédé particulier de réglage du débit du premier gaz et du gaz de purge vers les moyens d'injection 8, 9 et 15 10 représenté sur la figure 1 n'est pas critique et d'autres schémas de réglage seront évidents pour l'homme de l'art. La figure 2 est une vue partielle à plus grande échelle, en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, d'un mode de réalisation des moyens d'injection. Les moyens d'injection 8, 20 9 et 10 sont disposés coaxialement dans la zone de mélange 7. Des barres de centrage 34s en même temps que la canalisation 37 d'admission dans les moyens d'injection, fixent le moyen d'injection 10 dans la chambre de mélange 7. Des barres de centrage similaires et des canalisations similaires d'admission dans les 25 moyens d'injection, non représentées, fixent de manière similaire les moyens d'injection 9 et 8, respectivement, en amont du moyen d'injection 10, dans la zone de mélange 7. Sur la surface aval des moyens d'injection 8, 9 et 10, se trouvent plusieurs orifices 40 distribués uniformément, par lesquels le premier gaz est in-30 jecté dans le deuxième gaz. Le nombre et la disposition de ces orifices sur un moyen d'injection individuel quelconque dépendront de l'importance et de la variation de l'importance de la transformation chimique effectuée dans la zone de réaction chimique en aval. Le premier gaz, dans des conditions de régime rela-35 tivement permanent, et le gaz de purge, dans des conditions de démarrage et d'arrêt du convertisseur chimique en aval, arrivent par la canalisation 14 d'alimentation du moyen d'injection, la bride d'admission 38 (maintenue en place par la buse 39 de mon 72 02551 ■ 13 ' 2123433 tage de l'injecteur) et la canalisation 37 d*admission dans le moyen d!injection au moyen d'injection 10. les moyens d'injections 9 et 6 sont fixés d'une manière similaire dans la chambre d.e mélange 7. 5 EXEiJLS le fonctionnement d'un appareil de mélange en canalisation selon la présente invention est examiné dans un système de circulation qui consiste en un compresseur d'air pour faire arriver l'air, des connexions appropriés pour faire passer 10 en dérivation un peu de l'air délivré par le compresseur, un débitraètre à diaphragme pour mesurer le débit d'air, un coude de 15>2 cm de diamètre, la chambre de mélange contenant au moins un moyen d'injection de forme annulaire, et un diffuseur. La chambre de mélange est fabriquée à partir d'un seul tuyau en 15 résine acrylique coulé d'un diamètre intérieur de 15,2 cm, qui est coupé en plusieurs tronçons plus courts. Les tronçons sont interchangeables pour convenir au type de mesure nécessaire. Le diamètre intérieur des tronçons varie seulement de quelques dix-millièmes du diamètre moyen (quelques millièmes de cm). 20 Le compresseur est capable de délivrer 53,6 m3 normaux d'air par minute, correspondant à une vitesse dans le tronçon d'essai de 49 m/s ou à un nombre de Reynolds (NRe) dans le tronçon d'essai d'environ 5 x 10"*. On fait varier la vitesse dans le tronçon d'essai en faisant passer en dérivation une par-25 tie de l'air. On obtient les distributions des vitesses et des pressions statiquos sur le diamètre du tronçon d'essai, à diverses distances en aval du coude au moyen de sondes à déplacement latéral pour mesure de la pression de choc et.de la pression sta-30 tique. Les déplacements latéraux sont effectués dans un plan vertical et dans le plan horizontal et à 45° par rapport à la verticale à des intervalles de deux diamètres du tuyau en aval du coude. La sonde utilisée a un trou pour mesure de la pression de choc de 0,16 cm de diamètre et quatre trous pour mesure de la 35 pression statique de 0,064 cm de diamètre. Les moyens d'injection de forme annulaire utilisés pour l'essai sont montés coaxialement dans le tuyau, en aval du coude, là où les mesures indiquent que les distributions des BAD origine 72 02551 h 2123433 vitesses et des pressions statiques sont uniformes. On utilise des tubes en cuivre de deux grosseurs et on prépare un tota^/de quatre moyens d'injection de forme annulaire. Les dimensions des moyens d'injection de forme annulaire sont indiquées dans le 5 . Tableau I : TABLEAU I Dimensions des moyens d'injection de forme annulaire 10 Identi- Diamètre des Diamètre diamètre des Nombre fication anneaux du tube orifices u'orifi- (centre-cen- extérieur (cm) ces ire) (cm) (cm) A 10,2 1,9 0,2 8 15 B 1 10,2 1,5 0,3 12 B 2 10,2 1,3 0,16 4 0 4,4 1,3 0,17 4 Les profils de vitesse et de pression statique sont 20 mesurés dans divers plans et à diverses distances en aval du coude à une vitesse moyenne de l'air de 15,2 m/s ou = 1,6 x 10^. Le courant s'écarte de la paroi intérieure du coude, comme indiqué par la vitesse bien plus petite près de la paroi intérieure pour les profils de vitesse dans le plan vertical .et -à une dis-25 tance d'environ 2 diamètres de tuyau en aval du coude. Des mesures effectuées par déplacement latéral dans un plan vertical juste à la sortie du coude indiquent un écoulement inverse près de la paroi. Les profils de vitesse et de pression pour les qua-30 tre plans entre 5 et 11 diamètres du tuyau en aval du coude sont assez uniformes. Les pourcentages maximaux d'écart par rapport à la vitesse moyenne à 5 et 7 diamètres du tuyau sont d'environ 5 °/o et environ 2 c;'c, respectivement, dans la partie centrale du tuyau. Les écarts correspondants par rapport à la pression stati-35 que moyenne sont d'environ 5,6 x 10~^ kg/cm2 et environ 3,5 x 10"^ kg/cm2, respectivement. La vitesse du fluide près de la paroi est réduite en raison du frottement sur la paroi. La couche limite s'épaissit et empiète progressivement sur le courant uniforme à mesure que le courant descend dans le tuyau. Gomme le flux mas- BA° On/GINAL ' 72 02551 15 2123433 sique total reste constant, l'écoulement dans la partie centrale s'accélère pour compenser l'écoulement plus lent près de la paroi . Des mesures transversales de la vitesse et-de la 5 pression statique sont effectuées aussi à des vitesses d'air moyennes de 34 m/s et de 46 m/s, correspondant à des nombres de 5 * 5 Reynolds de 3,5 x 10 et de 4,8 x 10 , respectivement, les profils dans le premier cas sont sensiblement similaires à ceux ob- 5 tenus avec = 1,6 x 10 . Ici encore, les distributions de vi- 10 tesse et de pression statique sont assez uniformes entre 5 et 11 maximaux diamètres de tuyau en aval du coude, les pourcentages/d'écart par rapport à la moyenne sont de nouveau d'environ 5 $ et environ 2 à 5 et à 7 diamètres de tuyau en aval du coude, respectivement. Les écarts correspondants par rapport aux pressions stati-15 ques moyennes sont d'environ 2,1 x 10"^ kg/cm2 et environ 1,4 x 10-4 kg/cm2, respectivement. 5 Pour = 4,8 x 10 , des profils de vitesse et de pression statique sont obtenus à 5 et 7 diamètres de tuyau en aval du coude, les profils sont assez uniformes et sont similai-20 res aux profils correspondants obtenus aux mêmes endroits avec les nombres de Reynolds plus petits, les pourcentages maximaux d'écart par rapport à la vitesse moyenne sont de nouveau d'environ 5 i° et environ 2 respectivement, les écarts par rapport aux pressions moyennes sont d'environ 3,5 x 10~4 kg/cm2 et sn-25 viron 1,4 x 10~4 kg/cm2, respectivement. La distribution des contre-pressions aux orifices . pour les moyens d'injection de forme annulaire A et B 1 est indiquée dans le Tableau II. Les injecteurs annulaires sont placés à 5 diamètres de tuyau en aval du coude. Les coefficients de 30 pression de base calculés d'après les mesures sont donnés dans le même tableau et sont en bonne concordance avec les coefficients de pression de base obtenus expérimentalement d'après la documentation technique publiée pour un cylindre avec les mêmes nombres de Reynolds. Les différences dans la contre-pression aux 35 orifices pour un anneau particulier sont très petites et sont dues très probablement à une mauvaise distribution des vitesses et des pressions statiques dans le courant libre. 72 02551 16 2123433 La quantité du premier gaz nécessaire pour empêcher un écoulement en retour du deuxième gaz dans les moyens d'injection peut être estimée d'après les mesures de contre-pression. Toutefois, on mesure indépendamment cette quantité en 5 injectant de l'hélium par les moyens d'injection et en déterminant le débit minimal nécessaire pour assurer un écoulement positif par tous les orifices des moyens d'injection. On effectue cette détermination en prélevant des échantillons du mélange de gaz près des orifices et en mesurant la concentration au moyen 10 d'un analyseur de conductivité calorifique. On obtient un profil de concentrations en déplaçant une sonde de prélèvement d'échantillons coaxialement par rapport au diamètre du moyen d'injection près de l'orifice. Le débit mesuré expérimentalement du premier gaz nécessaire pour empêcher un écoulement en retour du 15 deuxième gaz dans les moyens d'injection de forme annulaire est indiqué dans le Tableau II pour deux vitesses différentes du gaz secondaire. TABLEAU II - RESULTATS OBTENUS AVEO LES MOYENS D'INJECTION DE FORME ANNULAIRE Moyens d'injection de forme annulaire A (8 orifices) B 1 (4 orifices) Vitesse de l'air dans le tronçon d'essai 15,2 m/sec. 34 m/sec. Ai', m/sec. 20 m/sec. 30 m/sec. Nombre de Reynolds basé sur le diamètre du type du moyen d'injection, Re^ 2 x 104 4,4 x 104 6,2 x 104 1,8 x 104 2,6 x 104 Orifice N°. Profil des contre-pressions, kg/cm2 1 2 3 4 5 6 7 8 0.00211 0.00216 0.00219 0.00204 0.00206 0.00206 0.002C6 0.00200 0.0079 0.0086 0.0081 0.0081 0.0080 0.0080 0.0081 0.0081 0.0148 0.0148 0.0150 0.0150 0.0150 0.0146 0.0150 0.0148 0.00370 0.00374 0.00376 0.00356 0.00703 0.00739 0.00710 0.00710 Différences maximales Différences calculées d'après les distributions des vitesse et des pressions statiques 0.000183 5 0.000253 0.00070 0.00106 0.00042 0.00176 0.000204 0.00042 0.00035 0.00093 Coefficient moyen de contre-pression Coefficient de contre-pressioï cylindre (documentation technique publiée, mesuré) 1.44 1 » 1 5 1.2 1.05. 1.2 1.42 1.24 1.2 Débit mesuré du courant gazeur primaire, en m3 normaux par minute, pour empêcher un écoulement en retour du gaz secon? daire . 0.0017 0.0027 - - ro o ro ui ui i—* ro ro 4> U-J LnI 72 Q2551 18 2123433 Quand deux moyens d'injection de forme annulaire sont montés près l'un de l'autre, la contre-pression moyenne aux orifices pour l'injecteur aval est inférieur à la contre-pression moyenne aux orifices pour l'injecteur amont. Pour les moyens 5 d'injection B 1 et C, montés à 2,5, 5,1, 7,6 et 10,2 cm de distance, et avec le moyen d'injection B 1 en amont du moyen d'injection C, la contre-pression moyenne aux orifices pour le moyen C est inférieur à la contre-pression moyenne aux orifices pour le moyen B 1. Les différences sont de 0,00035, 0,00021, 0,00028 et 10 0,00028 kg/cm2,respectivement. Ces essais correspondent à un écoulement d'air pour lequel lîRe = 1,6 x 10^ c'est-à-dire le nombre de Reynolds "basé sur le diamètre du tube du moyen d'injection, est égal à 1,3 x 104). Les différences sont dues à la réduction de 15 pression statique due au frottement après le premier anneau. En admettant le mène coefficient de résistance que dans le cas de l'écoulement autour d'un cylindre (qui est de 1,2 pour Re^ = 1,3 x 104), la chute de pression statique est d'environ 0,00019 kg/cm2 plus 0,000046 kg/cm2 par mètre pour le frottement sur le 20 tuyau. Ceci est voisin des valeurs mesurées. La. plus forte différence de pression peut être due à l'effet de blocage qui augmente la vitesse effective dans la région ou se trouvent les injecteurs annulaires. On constate que l'e_fet est plus prononcé quand les deux anneaux sont très voisins l'un de l'autre. L 72 02551 19 2123433 REVENDICATIONS 1 - Un appareil de mélange pour disperser rapidement un premier courant gazeux dans un deuxième courant gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend une zone de mélange contenant : a) à une extrémité de la zone, une entrée pour 5 l'introduction du deuxième courant gazeux, b) en aval de l'entrée, une zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique, c) en aval de la zone de stabilisation de la vitesse et de la pression statique, au moins un moyen d'injection 10 pour injecter le premier courant gazeux dans le deuxième courant gazeux, et, d) une sortie pour le premier et le deuxième courants gazeux mélangés résultants en aval du dernier moyen d'injection situé dans la zone de mélange. 15 2) Un appareil selon la revendication 1, caracté risé en ce que la zone.de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique comprend un moyen pour augmenter la vitesse du deuxième courant gazeux. 3) Un appareil selon la revendication 2, caracté- 20 risé en ce que la zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique comprend une résistance à l'écoulement du deuxième courant gazeux, en aval duquel se trouve un conduit sensiblement cylindrique, ayant une longueur comprise entre 3 et 20 diamètres du conduit. 25 4) Un appareil selon la revendication 3, caracté risé en ce que la résistance à l'écoulement comprend un coude. 5> Un appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coude a un rapport du diamètre au rayon compris entre 1 pour 1 et 20 pour 1 et effectue un changement d'environ 30 90 degrés dans la direction d'écoulement du deuxième courant de gaz. 6) Un appareil selon l'une des revendications 3 à 5» caractérisé en ce qUe la longueur du conduit sensiblement cylindrique en aval du coude est comprise entre 3 et 11 diamètres 35 du conduit. 7) Un appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux moyens d'injection sont centrés dans la zone de mélange en aval de la zone de stabilisation de la vitesse du gaz et de la pression statique et 72 02551 20 2123433 comprend des tubes annulaires creux dont chacun comporte : a) xme seule entrée pour le aurant gazeux primaire et, t>) plusieurs orifices distribués uniformément sur 5 sa surface aval pour injecter le premier courant gazeux dans le deuxième courant gazeux. 8) Un appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distance entre deux moyens d'injection quelconques est d'au moins 6 diamètres de tube annulaire» 10 9) Un appareil selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le diamètre de 10) Un appareil selon l'une des revendications 7 à 15 9, caractérisé en ce que le débit du premier courant gazeux vers chaque moyen d'injection est réglable indépendamment. 11) Un procédé pour mélange intimement deux courants de gaz9 caractérisé par l'utilisation d'un appareil selon l'une des revendications précédentes. 20 12) Un procédé selon la revendication 11, caracté risé en ce que le premier courant gazeux comprend un gaz contenant de 1*oxygène et le deuxième courant gazeux comprend un hydro carbure. 13) Un procédé selon la revendication 12, caracté-25 risé en ce que l'hydrocarbure compris dans le deuxième courant gazeux est de. l'éthylène.