Brevet FR2161847A1 — publié le 19730713

La présente invention concerne la production de noir de carbone par injection d'une matière de départ hydrocarbonée convenable dans une chambre allongée de réaction ou de combustion contenant des flammes et gaz à température élevée, et plus spécialement un nouvel ensemble d'un brûleur refroidi par eau et d'un dispositif d'injection de la charge de départ destiné à brûler comme combustible un hydrocarbure gazeux ou liquide pour fournir la chaleur nécessaire à la pyrolyse de la charge de départ et former du noir de carbone. La présente invention est un perfectionnement à l'en- semble décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 443 761 et est destinée à réduire au minimum ou à éliminer l'endommagement de l'ajutage d'injection de la charge de départ et de la conduite axiale d'injection d'air qui est dA au surchauffage lorsque la conduite d'introduction de la charge de ddpart et la conduite axiale d'introduction de l'air , selon ce brevet, sont poussées dans le réacteur (pour les raisons qui seront expliquées ci-après). La Demanderesse ne prétend pas que les brûleurs de production de noir de carbone refroidis par eau sont nouveaux. Par exemple, les brevets des Stats-Unis d'Amérique nO 2 659 662, nO 2 895 804, n0 3 003 854 et nO 3 490 869 concernent des bru- leurs de production de noir de carbone refroidis par eau ; cependant, il convient de noter que la conception du brûleur et le mode de refroidissement par eau de la présente invention sont très différente de ceux de tous ces brevets. La présente invention concerne un ensemble d'un brûleur et d'un dispositif d'injection de la charge de départ pour un réacteur de production de noir de carbone comportant une chemise de refroidissement qui entoure la conduite d'air centrale (qui entoure la conduite centrale d'introduction de la charge de départ). Des moyens sont prévus dans la chemise pour rendre turbulent le milieu de refroidissement à mesure qu'il circule dans la partie de la chemise qui est soumise à la combustion et à la chaleur maximales. De préférence, la chemise comporte également un joint de dilatation monté à l'extérieur du réacteur vers ltex- trinité amont de l'ensemble. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ce dessin la figure 1 est une élévation en partie en coupe montrant la forme de réalisation préférée de l'ensemble du brûleur et du dispositif d'injection de la charge de départ; la figure 2 est une vue longitudinale en partie en coupe d'une forme de réacteur convenable de production de noir de carbone comportant l'ensemble préféré d'un brûleur et d'un dispositif d'injection de la charge de départ ; et la figure 3 est une vue longitudinale en partie en coupe montrant une autre forme de réacteur de production de noir de carbone comportant l'ensemble préféré d'un brûleur et d'un dispositif d'injection de la charge de départ. On va décrire tout d'abord l'ensemble 1 d'un brûleur et d'un dispositif d'injection de la charge de départ en se référant à la figure 1. La conduite de la charge de départ est un tube central 2 qui est monté coulissant dans un tube axial 3 et isolé de ce dernier par des presse-garnitures convenables in corporés dans un élément de fermeture 4. L'extrémité aval du tube central 2 comporte un ajutage de pulvérisation convenable 5 qui peut être de n1 importe quelle forme classique disponible dans le commerce. L'extrémité amont du tube axial 3 peut être reliée à un conduit 3a destiné à introduire l'air dans l'espace annulaire compris entre le tube central et le tube axial dans le but d'empêcher la charge de départ de passer dans l'espace annulaire. L'extrémité de l'ajutage 5 se termine sensiblement au me niveau que le tube axial 3. Un conduit 6, le tube axial 3, un élément tubulaire 7 et une plaque terminale 8 définissent une chemise dans laquelle un milieu de refroidissement peut circuler en entrant de préférence par un conduit 9 et en sortant par un conduit 10, mais éventual- lement en entrant par le conduit 10 et en sortant par le conduit 9. L'espace annulaire formé entre un élément tubulaire ou conduit 11 et un conduit 12 constitue un passage pour un combustible hydrocarboné, tel qu'un gaz naturel, qui est introduit par un conduit 13 et entre dans le réacteur par une ouverture 14 pour venir en contact avec l'air comburant comme représenté. Une chicane hélicoSdale 15 est incorporée pour imposer une turbulence au milieu de refroidissement afin d'obtenir un meilleur échange de chaleur et empocher la formation de points chauds dommageables. Cette chicane est conçue de préférence comme représenté afin qu'elle puisse également constituer une entretoise. Bien qu'il soit préférable de placer la chicane 15 entre le conduit 6 et l'élément tubulaire 7, comme représenté, il serait possible de la placer entre le tube axial 3 et l'élément tubulaire 7. Des joints de dilatation 16 et 17 sont incorporés de préférence pour permettre la dilatation et la contraction résultant des variations de température. Un disque circulaire 18 est assujetti aux conduits 11 et 12. Le disque 18 a principalement pour but d'éviter un jaillis- sement de flamme dans les conditions opératoires. Le conduit 6 est monté coulissant dans l'ensemble par un élément de fermeture 19 de façon que tout le sous-ensemble comportant le tube central 2 et la chemise puisse être (et soit normalement) avancé dans le réacteur de manière à pouvoir positionner l'ajutage 5 dans ce dernier en un point prédéterminé en aval du disque 18. Ce réglage de la position de l'ajutage d'injection de la charge de départ dans le réacteur permet de donner une valeur optimale à la qualité principale de renforcement du noir de carbone qui est exprimée par le pouvoir colorant et la résistance à l'usure de roulement, ainsi que d'ajuster les propriétés de structure. Dans certaines limites, le pouvoir colorant et l'indice de résistance à l'usure de roulement sont d'autant plus élevés, et la structure du noir est d'autant moins bonne que la distance d'introduction de l'ajutage dans le réacteur de la figure 2 est plus grande. La chemise destinée au milieu de refroidissement offre une plus grande souplesse de réglage de ces propriétés, étant donné que l'ajutage peut être avancé d'une plus grande distance dans la zone de combustion sans endommager le tube axial 3 et l'ajutage 5 par brûlage. Les figures 2 et 3 montrent la position préférable de l'ensemble du brûleur et du dispositif d'injection de la charge de départ dans l'extrémité amont d'un réacteur tubulaire allongé 20 de production de noir de carbone. De préférence, l'ensem- ble est monté coulissant dans le réacteur de manière à pouvoir faire varier la position de l'ensemble dans ce dernier, de manière à donner une valeur optimale à la combustion dans un réacteur donné d'une forme quelconque et pour une charge totale quelconque du combustible et du gaz contenant de l'oxygène. Bien que la construction particulière du réacteur tubulaire allongé de production de noir de carbone soit peu importante pour la mise en oeuvre de la présente invention, la Demanderesse préfère la construction représentée sur la figure 2 qui est destinée à produire des noirs de carbone de qualité pour bandes de roulement ; toutefois, on pourrait également utiliser la forme de réalisation représentée sur la figure 3 qui est destinée à produire des noirs de qualité pour carcasses. En se référant à la figure 2, l'air préchauffé passe dans l'espace annulaire 21 formé entre une enveloppe 22 et un tube interne 23. Des parties de l'air entrent à l'intérieur du réacteur en passant à travers des ouvertures 24 du dispositif 25 à air comburant. Une partie de l'air comburant entre également dans le réacteur par une ouverture annulaire 26. L'extrémité aval du réacteur peut être de n'importe quelle forme convenable, par exemple comme celle représentée à la figure 1 du brevet des Etats-Unis dtAmérique no 3 256 065 ou celle représentée sur la figure 1 du brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 256 066. L'air comburant préalablement chauffé entre dans le réacteur de la figure 3 comme représenté. L'extrémité aval du réacteur de la figure 3 peut être de n'importe quelle construction commode, par exemple comme celle représentée sur la figure 1 du brevet des Etats-Unis d'Amérique no 2 976 127. Bien qu'on ait représenté et décrit l'invention comme comportant un dispositif destiné à utiliser un combustible gazeux, il est évident pour les spécialistes que l'on pourrait avoir recours à des combustibles différents et/ou d'autres dispositifs pour introduire le combustible. Par exemple, on pourrait utiliser l'ensemble d'un brûleur à combustible liquide et d'un dispositif d'injection de la charge de départ décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique no 59 961 du 31 juillet 1970 déposée par Burton F. LATHAM et William B. CRULL, en combinaison avec le sous-ensemble chemisé de la présente invention. Lorsque le sous-ensemble (tube central 2 plus chemise) est tiré en arrière dans le brûleur comme représenté sur la figure 1, le refroidissement par eau n'est pas indispensable. Lorsque le sous-ensemble est poussé dans le réacteur, la circulation de l'eau de refroidissement devient de plus en plus importante et le volume d'eau nécessaire augmente. Exemple 1. Le tableau I ci-après donne des conditions opératoires particulières qui ont été utilisées d'une manière satisfaisante pour des opérations de longue durée dans une installation pilote en utilisant l'ensemble du brûleur et du dispositif d'injection de la charge de départ représentée sur la figure 1 dans un réacteur correspondant sensiblement à celui représenté sur la figure 2. Le milieu de refroidissement utilisé est lteau, qui passe par un radiateur d'automobile afin de la refroidir pour la mettre en circulation dans la chemise. Onfitilise un gaz naturel comme combustible à des taux air/gaz d'environ 14,5 et des débits totaux de l'air comburant d'environ 4248 m3/h. La charge de départ est une huile classique pour la production de noir de carbone comprenant un goudron hautement aromatique. TABLEAU I Essai 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Qualité HAF HAF HAF HAF-HS HAF-HS SAF SAF SAF ISAF ISAF Longueur d'avance1, cm 55,9 91,4 106,7 40,6 86,4 73,7 101,6 106,7 50,8 101,6 Température de l'agent de refroidissement, C - - - 43 88 58 85 - 42 90 à l'entrée à la sortie 57 96 119 60 93 61 107 116 48 95 Débit de l'agent de refroidissement, l/mn 45,4 45,8 42 - - - 45,4 45,4 - Pression de l'agent de refroidissement, bars 2,24 2,66 3,43 2,45 4,76 4,9 2,31 2,66 - 4,9 Température ambiante, C 13 22 21 30 37 35 11 13 7 33 Indice d'iode 89 85 68 91 90 140,1 146 114 116,3 122,0 Absorption de phtalate de dibutyle 123,8 122,4 122,3 153,9 121,3 113,4 116 116,6 125,4 113,0 1Distance comprise entre le disque 18 et l'extrémité de l'ajutage 5. Exemple 2 Les tableaux II et III ci-après indiquent les effets de la longueur d'avance sur diverses propriétés de noir de carbone pendant les opérations effectuées dans une installation pilote en utilisant de 11 eau en circulation comme agent de refroidissement de la même manière que dans l'exemple 1.On utilise un gaz naturel comme combustible à un rapport air/gaz d'environ 15:1 et un débit total de l'air comburant de 4248 m3/h. La charge de départ est une huile classique pour la production de noir de carbone comprenant un goudron hautement aromatique ayant une densité de 1,059 TABLEAU II RAF-HS Essai n 1028 Â B C D Longueur d'avance, cm 127 96,5 66 35,6 Température de l'agent de refroidissement, C A entrée 83 60 70 61 Â la sortie 93 66 74 63 Débit de circulation de l'agent de refroidissement,l/mn 147,6 147,6 147,6 147,6 Pression d'admission du fluide de refroidissement, bars 5,18 5,04 5,04 5,11 Température ambiante, OC 35 30 33 39 Débit de l'huile d'alimentation, l'mn à 150C 840 871 875 869 additif de la charge de départ, parties par million de potassium (pour contrôler l'absorption de néant néant 2 5 phtalate de dibutyle) Indice d'iode 89,5 90,5 88,5 89,5 Absorption de phtalate de 118,2 121,2 121,2 121,1 Remarque : Dans les essais A et 3, on a pulvérisé de 11 eau sur le radiateur pour améliorer le refroidissement de l'eau provenant de la chemise avant sa remise en circulation. TABLEAU III ISAF-EM Essai n 1029 A B C D Longueur d'avance, cm 127 96,5 66 35,6 Température de l'agent de refroidissement, C 85 67 71 52 A l'entrée A la sortie 94 75 75 55 Débit de circulation de l'agent de refroidissement, l/mn 147,6 147,6 147,6 147,6 Pression d'admission de l'agent de refroidisse- 5,25 5,11 5,11 5,11 ment. bars Température ambiante, C 36 36 32 30 Débit de l'huile d'alimentation, l/mn à 150C 691 738 718 678 Additif de la charge de départ, ppm de potassium néant 5,0 2,4 15,0 Indice d'iode 119,5 123.5 124,5 123,5 Absorption de phtalate de 112,6 115,3 116,4 114,2 dibutyle Remarque Dans les essais A et 3, on a pulvérisé de l'eau sur le radiateur pour améliorer le refroidissement de 11 eau provenant de la chemise avant sa remise en circulation. Exemple 3 Le tableau Iv ci-après donne les conditions opératoires qui ont été utilisées pour la production industrielle de noir de carbone du type EAF en utilisant l'ensemble du brûleur et du dispositif d'injection de la charge de départ de la figure 1 dans un réacteur sensiblement analogue à celui représenté sur la figure 2. On utilise l'eau comme milieu de refroidissement à des pressions comprises entre 3,15 et 3,85 bars, une température d'admission comprise entre 490C et 520C et des températures de sortie comprises entre 600C et 630C. On utilise un échangeur de chaleur pour refroidir l'eau et la remettre en circulation dans la chemise.On utilise un gaz naturel comme combustible à un rapport air/gaz d'environ 15 et à un débit de l'air comburant d'environ 5100 m3/h. La charge de départ est une huile classique pour production de noir de carbone et comprend un goudron hautement aromatique. TABLEAU IV Essai nO 1 2 3 4 5 6 7 Longueur d'avance, cm 61 71 81 91 102 112 122 Débit de l'huile d'ali- 1177 1151 1143 1120 1120 1101 1094 mentation, l/h Indice d'iode du noir non aggloméré 83 83 85 85 82,5 95 85 Sans refroidissement par eau, l'ajutage 5 et l'extrémité du tube axial 3 sont endommagés par brûlage en quelques heures ou m8me en quelques minutes si la longueur d'avance est supérieure à 50 cm environ. En utilisant la chemise refroidie par eau, les opérations peuvent entre prolongées d'une façon presque indéfinie en utilisant les longueurs d'avance indiquées sur les Tableaux ci-dessus. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées,et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. REVENDI CBTIONS 1. Ensemble d'un brûleur et d'un dispositif d'injection d'une charge de part disposé concentriquement dans l'extrémité amont d'un réacteur allongé sensiblement tubulaire- de production de noir de carbone, ledit ensemble comportant un tube central pour introduire la charge de départ dans le réacteur, un dispositif définissant la partie externe de l'ensemble pour introduire un combustible dans le réacteur selon une configuration entourant l'ensemble au voisinage de l'extrémité aval du tube central et un dispositif pour introduire de l'air comburant dans le réacteur, ensemble caractérisé en ce qu'il comporte une chemise circulaire à double paroi entourant le tube central, l'extrémité aval de la chemise étant fermée hermétiquement et isolée du réacteur en un point situé sensiblement au niveau de ltestrémite aval du tube central un élément tubulaire introduit dans la chemise jusqu'en un point situé juste en amont de 11 extrémité fermée de la chemise ; un conduit pour introduire un agent de refroidissement dans la partie externe de la chemise entre l'élément tubulaire et la paroi externe de cette dernière ou l'évacuer de ladite partie ; un conduit pour évacuer le milieu de refroidissement de la partie:interne dela chemise ou l'introduire dans ladite partie ; et un dispositif provoquant une turbulence inséré dans ladite chemise pour soumettre le milieu de refroidissement à une turbulence. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-ensemble du tube central et de la chemise est monté coulissant dans l'ensemble. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif provoquant une turbulence comporte une chicane hélicoTdale insérée dans la partie externe de la chemise, ladite chicane étant conçue et dimensionnée de manière à constituer en outre une entretoise pour l'élément tubulaire dans la chemise. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chemise comporte encore un joint de dilatation monté à ltexterieur du réacteur sur l'extrémité amont de la chemise.