Brevet FR2487697A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne un appareil pour réaction catalytique comportant un brûleur perfectionné. Le reforming catalytique à la vapeur ou autre réaction similaire est souvent mis en oeuvre dans une pluralité de tubes allongés remplis de catalyseur disposés dans un four, la chaleur pour la réaction étant fournie par un brûleur disposé dans le four au-dessus des tubes de réaction. Un tel appareil est décrit dans le brevet US No. 4 098 588 Un aspect important pour obtenir un système à haut rendement en énergie est le chauffage uniforme de tous les tubes. Dans le brevet US No. 4 098 588 ceci est partiellement obtenu au moyen d'un arrangement de brûleur comprenant un système distributeur deconbustible pour le brûleur, un système distributeur d'air, et un grand nombre de buses de brûleur. Les buses de brûleur comprennent chacune des tubes pour combustible cylindrique orienté verticalement, chaque sortie de tube pouraobustib1e étant entourée par une sortie pour l'air en communication avec le système de distribution d'air. Le corbustiblepour le four pénètre dans le système de distribution du oofbi-ustible et passe dans la cavité de combustion au-dessus des tubes de réaction par l'intermédiaire des tubes pour le combustible qui sont répartis de façon convenable sur la section tranversale du four. L'air pénètre dans le système distri- buteur d'air, et à partir de celui-ci pénètre dans la cavité de combustion par l'intermédiaire des sorties annulai- res pour l'air entourant chaque tube pour le combustible. Le combustible et l'air se mélangent à la sortie de chaque buse de brûleur et brûlent dans la cavité de combustion. On a trouvé que cet arrangement n'était pas entièrement satisfaisant parce que la grande plaque de feuille métal- lique maintenant les buses a tendance à se distordre à cause des gradients thermiques ayant Pour effet un désaligne- ment des buses et une distorsion du profil de température dans la cavité de combustion. D'autres brevets représentatifs de brûleur conçus pour introduire du combustible et de l'air dans les cavi- tés de combustion a plus d'un endroit ou sous forme d'une pluralité de cônes concentriques de combustible et d'air -2- sont les brevets US numéros 2 526 748, 2 559 589, 2 578 422, 3 308 869, 3 684 186, 2 526 748, 2 559 589, 2 578 422, 3 308 869, 3 684 186, 3 706 520, 3 729 285, 4 095 929, et 4 099 908. Aucun de ces brevets ne concerne des tubes de réaction catalytique chauffés uniformémentdisposés dans un four. Un but de la présente invention est un appareil de réaction catalytique perfectionné et plus précisément un appareil de réaction catalytique comprenant un système de brûleur perfectionné pour répartir uniformément la cha- leur vers une pluralité de tubes de réaction disposés dans un four. Selon la présente invention, un brûleur disposé dans un four de réaction catalytique au-dessus d'une pluralité de tubes de réaction orientés verticalement dans le four comprend un système annulaire primaire de sortie de l'air et du combustible construit et arrangé de telle façon que l'air et le combustible sortant de celui-ci sont dirigés vers les sommets des tubes de réaction adjacents à la paroi du four, un système annulaire secondaire de sortie de l'air et du combustible disposé radialement à l'inté- rieur et concentriquement par rapport au système primaire annulaire de sortie de l'air et de combustible construit et arrangé pour diriger l'air et le combustible sortant de celui-ci sensiblement horizontalement, le brû- leur comprenant également un premier système de chicane disposé radialement vers l'extérieur par xEçportaisystème secondaire de sortie de l'air et du combustible pour dévier sedement une partie du mélange de combustible et d'air se déplaçant horizontalement depuis le système de sortie secondaire vers le bas sur les sommets des tubes de réaction les plus proches du centre du four, et un second système de chicane disposé radialement vers l'extérieur par rapport ?5 au premier système de chicane et construit et arrangé pour dévier une partie du mélange de combustible et d'air se déplaçant horizontalement /vers le bas vers les sommets des tubes de réaction disposés entre ces tubes adjacents à la paroi du four et ces tubes les plus proches du centre du four. 2487 97 -3- Un appareil de réaction selon la présente invention a été capable de produire un profil de température radialement au travers du four de réaction cylindrique au voisinage des sommets des tubes de réaction qui est très uniforme et qui n'est pas susceptible de former les points chauds associés à la pluralité desbuses de brûleur orientées verticalement dans le brevet US No. 4 098 588 mentionné ci-dessus. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, réfé- rence est faite aux dessins o: La figure 1 est une vue en coupe verticale prise le long de ligne 1-1 de la figure 2, d'un appareil de réaction selon la présente invention. la figure 2 est une vue en coupe prise le long de la ligne 2-2 dans la figure 1. Considérant, comme exemple de mode de réalisation selon l'invention, l'appareil 10 de réaction catalytique des figures 1 et 2. Dans ce mode de réalisation, l'appareil est conçu dans un but de reforming à la vapeur d'un combustible d'hydrocarbure en présence d'un catalyseur convenable dans le but de produire de l'hydrogène. L'appareil 10 comprend un four 12 comportant un brûleur 14. La paroi 22 du four comporte une surface interne 20 et comprend une partie de paroi 23 cylindrique, verticale, une partie de paroi supérieure 24 et un fond horizontal (non représenté) en- dessous des tubes 16. Disposée dans le four 12 se trouve. une pluralité de tubes 16 de réaction disposés près l'un de l'autre et répartis sensiblement uniformément dans un espace fermé 18 défini par la surface interne 20 de la paroi 22 du four. Le brûleur 14 est déposé dans la partie de paroi supérieure 24 et le four 12 au-dessus des extrémités supérieu- res 26 des tubes de réaction 16 définit-une cavité de combustion 28 entre ceux-ci. Différents modèles de tubes de réaction différents et leur arrangement dans un four du type décrit ici sont décrits dans le brevet US No. 4 098 58e ou dans plusieurs autres brevets US teb que les brevets US 4 098 589 et 4 098 587. Le brûleur comprenrd un système de distribution d'air 30 généralement cylindrique défini par une paroi supérieure 32 horizontale et une paroi latérale 34 cylindri- 2487U97 -4- que. Disposé dans le système de distribution d'air 30 se trouve un système de distribution de combustible 36 annulai- re défini par une paroi supérieure 38, une paroi latérale 40 interne cylindrique et une Paroi latérale 42 externe cylindrique. Une entrée 44 tubulaire d'air intersecte avec la paroi latérale 34 et amène de l'air dans le système de distribution d'air 30. Une entrée 46 tubulaire de combusti- bleau travers de la paroi 34, intersecte avec la paroi latérale 42 cylindrique et amène un combustible gazeux dans le système de distribution 36 du combustible. L'extrémité inférieure 48 de la paroi latérale 34 s'évase radialement vers l'extérieur et vers le bas pour former une paroi conique 50 qui se termine par une lèvre 52 déflectrice à l'intérieur de la cavité de combustion 28. L'extrémité inférieure 54 de la paroi latérale 42 externe du système de distribution de combustible s'évase également radialement vers l'extérieur et vers le bas formant une seconde paroi conique 56 comportant une extrémité externe 58. La première paroi conique 50 et la seconde paroi conique 56 définissent un passage primaire 60 annulaire pour l'air et une sortie 62 annulaire pour l'air primaire. L'extrémité inférieur 63 de la paroi latérale 40 inter- ne du système de distribution 36 du combustible s'évase radialement vers l'extérieur et légèrement vers le bas pour former une troisième paroi 64 conique comprenant une extrémité externe 66. La troisième paroi 64 conique et la paroi 66 définissent un passage 68 pour le combustible primaire qui se termine en une sortie 70 annulaire pour le combustible primaire mais adjacente à la sortie 62 annulaire primaire nour l'air. Une pluralité d'ailettesde support 72 écartéesautour de la périphérie de sortie 62, 70 annulai- re de l'air et du combustible communiquent une rigidité à la structure et maintiennent un écartement adéquat entre les parois. Un tube 74 cylindrique central concentrique avec la paroi cylindrique 40 est fermé à son extrémité supérieure 76 et est ouvert à son extrémité inférieure 78. Le tube 78 s'évase radialement vers l'extérieur à partir de son extrémité inférieure 78 jusqu'à atteindre une orientation 2487e97 sensiblementhDrizontale à son bord externe 80. Ce tube 74 définit un passage 81 secondaire du combustible. Plusieurs tubes 82 (dont deux sont représentés dans la figure 1) intersectent avec le système de distribution 36 du combustible et le passage 81 secondaire du combustible pour amener le combustible vers ce passage. Une plaque 83 circulaire orientée horizontalement est centrée sur l'axe du tube 74, est écartée en-dessous du bord 80 et a un diamètre externe qui est approximativement identique au diamètre du bord 80. Le bord de la plaque 83 forme une sortie 84 secondaire annulaire du combustible avec le bord 80. Une paroi 86 conique dirigée radialement vers l'intérieur et vers le bas se fond en douceur à son extrémité supérieure 88 avec l'extrémité inférieure 63 de la paroi cylindrique 40 et ses parois sont écartées radia- lement vers l'extérieur à partir de la paroi du tube 74 pour former un passage 92 de l'air annulaire secondaire entr'eux. L'extrémité inférieure 94 de la paroi 86 s'éva- se radialement vers l'extérieur de sorte que son bord externe 98 est adjacent mais écarté du bord externe 80 de la paroi 74, formant ainsi une sortie 100 secondaire annu- laire de l'air. Une pluralité d'ailettes 102 de support écartées circonférentiellement communiquent une rigidité à la structure et maintiennent l'écartement convenable entre la plaque 83 et les bords externes 80, 98 des parois 78, 94 respectivement. Une chicane annulaire 104 interrompue comprend une pluralité de segments arqués 106 s'étendant sensiblement verticalement depuis la paroi 64. Les segments sont fixés à celle -ci au moyen de chevilles 108 et sont uniformément écartés sur la circonférence d'un cercle qui est radialement à l'extérieur et concentriquePar rapporttsorties secondaires de l'air et du combustible. Les segments 106 ne sont pas suffisamment grands pour former un anneau complet. Donc, il existe des espaces 109 dans la chicane entre les segments adjacents. Dans ce mode de réalisation les espaces consti- tuent environ les deux tiers de la circonférence du cercle. Une chicane 110 annulaire complète est concentrique par rapport à la chicane annulaire 104 interrompue et est 2487 97 -6- écartée radialement vers l'extérieur à partir de celle-ci approximativement au même endroit vertical. La chicane 110 forme une paroi cylindrique solide disposée verticalement, et est réalisée à partir de six segments 111 arqués qui sont liés l'un à l'autre et butent l'un contre l'autre et qui sont fixés à paroi 64 au moyen de chevilles 112. En fonctionnement, l'air pénètre dans le système de distribution 30 d'air via l'entrée d'air tubulaire 44 et 7) est divisée entre le passage 60 primaire de l'air et le passage 92 secondaire de l'air. LesdébiIs d'air sont déterminés par les chutes de pression atravers de ces passages. La chute de pression dans le passage annulaire primaire de l'air est fixée par l'espace annulaire 114 entre la paroi 42 et une plaque de chicane annulaire ou limitateur 116 du débit. Similairement, la chute de pression dans le passage 92 secondaire de l'air est fixée par l'espace annulaire 118 entre la paroi 74 et la plaque de chicane annulaire ou limitateur 120 du débit. Un combustible gazeux pour le brûleur est amené vers le système distribu- teur 36 du combustible via l'entrée 46 tubulaire du combus- tible. Une partie du combustible passe au travers du passage 68 primaire du combustible alors que le reste passe au tra- vers des tubes 82 dans les passages 81 secondaires du combus- tible. Les proportions du combustible sont contrôlées par les chutes de pression au travers des passages 36, 81 et sont fixées par les aires de surface ouvertes des plaques perforées ou limitateurs de débit 122, 124 s'étendant au travers des passages 36, 41 primaires et secondaires respec- tivement du combustible. L'air primaire du passage 60 et le combustible primaire du passage 68 senmélangent et s'ailuint lorsqu'i1É sortent des sorties 62, 70 annulaires de l'air et du combustible respec- tivement. Plus précisément, l'air primaire et le combustible primaire sont déchargés dans la cavité de combustion sous forme de rideaux annulaires ou coniques, la combustion du combustible et de l'air de primairesse produisant à leur interface 3600 autour des sorties primaires d'air et de combustible. Le mélange de combustion est dirigé, par la lèvre déflectrice 52, vers les extrémités supérieures -7- 26 des tubes 16 adjacents à la paroi 20 du four. De manière similaire, l'air secondaire et le combustible secondaire sont déchargés sensiblement ou centralement depuis les sorties annulaires 100, *84 respectivement, sous forme de rideaux annulaires adjacents, la combustion du combustible et de l'air secondaire se produisant à leur interface 3600 autour des sorties annulaires. Dans ce cas cependant, une partie du mélange de combustible -air en combustion heurte les segments 106 de la chicane 104; et cette partie est déviée vers le bas vers l'extrémité supérieure 26 des tubes 16 les plus proches du centre du four 12. Le mélange combustible-air en combustion qui passe au travers des espaces 109 entre les segments 106 heurtent la chicane annulaire 110, qui est un anneau complet; et cette partie du mélange combustible-aire en combustion est déviée vers le bas jusqu'aux extrémités supérieures 26 des tubes 16 qui sont disposées entre les tubes adjacents à la paroi 20 du four et les tubes les plus proches du centre du four. Pour l'appareil de réaction de ce mode de réalisation, qui comprend trente-sept tubes 16 de réacteui comprenant chacun un diamètre externe d'environ 25,4 cm disposésdans un four 12 ayant un diamètre de paroi interne d'environ 249 cm, la variation maximum de température radialement au travers du four aux extrémités supérieures 26 des tubes 16 est admises comme ne dépassant pas 380C. Un certain ajustement du profil de température pour le mode de réalisation particulier représenté peut être obtenu en modifiant les chutes de pression autravers des passages pour le combustible et l'air par un modèle convenable des plaques 116, 120 de chicanes et de plaques perforées 122, 24. Un ajustement supplémentaire peut être obtenu en détermi- nant l'aire de surface appropriée de l'espace à aire de seg- ment pour la chicane annulaire 104 interrompue, ou en dis- posant des fentes dans la chicane annulaire externe 110 pour permettre à une partie du mélange de combustible et d'air secondaire en combustion de passer au travers. Les tempéra- tures les plus proches de la paroi du four peuvent être quelque peu ajustées en modifiant la pente du déflecteur 52.. Fondamentalement, le but consiste à faire diverger une propor- vp- -8- tion convenable de l'énergie totale vers diverses aires de la chambre de combustion en fonction du nombre de tubes dans cette aire, mais en tenant compte d'autres facteurs, tels que la chaleur radiante supplémentaire reçue par les tubes les plus proches de la paroi du four. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils de réaction catalytique qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. É487V97 _ 9 7 Revendications: 1. Appareil de réaction catalytique comprenant: A) un four (12) comportant une paroi verticale cylindri- que (23) et une paroi supérieure (24) ainsi qu'un fond en communication avec cette paroi verticale et définissant un es- pace fermé dans ce four; B) une pluralité de tubes de réaction verticaux (16) dis- posés très près l'un de l'autre et sensiblement uniformément dans cet endroit fermé et adaptés pour comporter du cataly- seur à l'intérieur, ces tubes comprenant chacun une extrémité supérieure (26), ces extrémités supérieures (26) étant écar- tées en-dessous de cette paroi supérieure (24) de ce four (12) en définissant une cavité de combustion (28) dans cet espace fermé au-dessus de ces extrémités supérieures (26) des tubes (16); et C) un système de brûleur (14) disposé dans ce four (12) au-dessus de ces extrémités supérieures (26) des tubes (16), caractérisé en ce qu'il comprend: a) des sorties annulaires primaires d'air (62) et de combustible (70) disposées radialement à l'intérieur à par- tir de cette paroi cylindrique (23) et construites et arran- gées pour permettre la sortie de l'air et du combustible dans la cavité de combustion (28) sous forme de rideaux an- nulaires concentriques adjacents, comprenant un dispositif pour diriger l'air de sortie et le combustible vers les ex- trémités des tubes (16) adjacents à cette paroi cylindrique (23); b) une sortie secondaire annulaire de l'air (100) et du combustible (84) disposéeradialement à l'intérieur et concen- trique par rapport à ces sorties primaires d'air (62) et de combustible (70) construite et arrangée pour permettre la sortie de l'air et du combustible sensiblement horizontale- ment à partir de celle-ci dans cette chambre de combustion (28) sous forme de rideaux annulaires adjacents concentri- ques; c) une première chicane annulaire (106) concentrique par rapport à cette:sortie secondaire de l'air (100) et de combustible (84) et disposée radialement à l'extérieur à partir de celle-ci pour dévier une première partie de ce 2487i97 - 10 - combustible et de l'air depuis cette sortie secondaire (84; 100) vers le bas vers ces extrémités (26) des tubes (16) les plus proches du centre de ce four, cette première chicane (104) comprenant des espaces (109) permettant à une seconde partie du combustible et de l'air provenant de la sortie secondaire (84; 100) de passer horizontalement au travers de celle-ci; et d) une seconde chicane annubire (110) concentrique et dis- posée radialement à l'extérieur par rapport à cette première chicane annulaire (104) et construite et arrangée pour dévier au moins une partie de la seconde partie du combustible et de l'air vers le bas vers ces extrémités (26) destubes (16) qui sont disposés entre ces extrémités (26) destubes (16) adja- cents à cette paroi cylindrique (23) et ces extrémités (26) destubes (16) les plus proches du centre du four (12). 2. Appareil de réaction catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette seconde chicance annulaire (110) est un anneau solide pour dévier la totalité de cette seconde partie du mélange combustible-air vers le bas. 3. Appareil de réaction catalytique selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette première chicane annulaire (104) comprend des segments arqués (106) écartés l'un de l'autre sur une circonférence d'un cercle en définissant ces espaces (109) entre eux.