EP1883603A2 - Dispositif a chambre de reaction dans laquelle sont introduits des fluides reactifs prechauffes pour realiser une reaction a temperature elevee - Google Patents

Dispositif a chambre de reaction dans laquelle sont introduits des fluides reactifs prechauffes pour realiser une reaction a temperature elevee

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Publication number
EP1883603A2
EP1883603A2 EP06726284A EP06726284A EP1883603A2 EP 1883603 A2 EP1883603 A2 EP 1883603A2 EP 06726284 A EP06726284 A EP 06726284A EP 06726284 A EP06726284 A EP 06726284A EP 1883603 A2 EP1883603 A2 EP 1883603A2
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EP
European Patent Office
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reaction chamber
zone
reaction
chamber
water
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06726284A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Didier Grouset
Samuel Lecoq
Christophe Hoguet
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N Ghy SA
Original Assignee
N Ghy SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1883603A2 publication Critical patent/EP1883603A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air
    • C01B3/34—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen; using mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00119—Heat exchange inside a feeding nozzle or nozzle reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a reaction chamber device in which preheated reactive fluids are introduced to perform a high temperature reaction. It is often necessary, for example in self-recuperating burners or for the manufacture of hydrogen in a reforming operation, to preheat reactive fluids. It is also often necessary to achieve, for the same applications, high temperature reactions without heat loss. To achieve this goal, it has already been proposed to provide a reaction chamber surrounded by an annular zone in which the hot products of the reaction circulate in order to preheat the reactants, circulating against the current or cocurrent, in a coil-type exchanger. , to be introduced into the reaction chamber.
  • the invention results from the observation that this realization is complex since the annular zone must channel two fluids (the reaction products and the reagents) which must not mix.
  • the hot products of the reaction must be fed, by high temperature conduits and with changes of direction, towards the annular zone.
  • the invention proposes a reaction chamber device in which reactive fluids are introduced to carry out a reaction at high temperature, this device comprising: a first substantially cylindrical zone surrounding the reaction chamber in which circulates at least one of the reactants to be introduced into the reaction chamber, excluding the products of the reaction, this zone being separated from this reaction chamber so as to recover, at least in part, the heat lost by the reaction chamber. reaction, so as to preheat the reactant (s) circulating in the first zone, the reagent or reagents being in direct contact with the walls of this first zone to perform heat exchange,
  • a second substantially cylindrical zone surrounding the first zone and in which circulates at least one reagent also intended to be introduced into the reaction chamber, excluding the products of the reaction, the separation between the first and the second zone being such that the reactant (s) circulating in the second zone recover (s) from the heat lost by the first zone in order to preheat this reagent or reagents, which is (are) in direct contact with the walls of this zone;
  • second zone the assembly being such that the external wall of the device, which is constituted by the outer wall of the second zone, is at a temperature substantially lower than the temperature of the reaction chamber, the device being, in addition, such that that the reaction chamber has two parts, the first of which is the seat of the reaction and the second is a channel for discharging the products of the reaction, this evacuation channel being of substantially rectilinear configuration in which the products circulate in only one direction, these two parts being such that the heat exchange between the second part of the reaction chamber, the closest to the output of the products of the reaction, and the first area is significantly larger
  • the reliability of the device is important since there is no transverse wall subjected to too much heat flow. In particular, there is no coil or bundle of tubes, or fin immersed in the flow of hot products.
  • the mechanical stresses are minimized, in particular because the temperature is more homogeneous and therefore, on average, lower. Because of this lower temperature, corrosion is minimized. As a result, the service life is increased.
  • the device is for performing a reforming reaction to generate hydrogen from water, hydrocarbon and an oxygenated stream.
  • the water, the hydrocarbon and the oxygenated flux are the reactants whose least one of them is preheated in the first and / or second zone.
  • the oxygenated stream is air, for example at low pressure; the air preferably circulates in the first and second zones.
  • the temperature profile of the fluids in the reaction chamber can be adapted by choosing the characteristics of the wall between this reaction chamber and the first zone.
  • the device comprises a third zone inside the second part of the reaction chamber, this third zone being intended to recover by heat exchange of the heat of this second part of the reaction chamber in order to preheat reagents or fluids circulating in this third zone, the wall separating the reagents or fluids, on the one hand, and the products of the reaction at high temperature, on the other hand, being substantially cylindrical and smooth.
  • the hot flows flow along the walls without encountering obstacles or surfaces orthogonal to the flow which would, if they existed, be weakened because subjected to high temperatures and high thermomechanical stresses by this flow.
  • no coil type exchanger or bundle of exchanger tubes, with or without fins (s) is provided in this hot gas stream.
  • air is circulated in the first and second zones, the preheating of the other reagents being carried out in the third zone.
  • the third zone inside the second part of the reaction chamber comprises : means for circulating water in order to preheat, vaporise and overheat it,
  • a device for the generation of hydrogen by a reforming operation from gaseous hydrocarbon, water and an oxygenated flow, the third zone, to the inside the second part of the reaction chamber, comprises:
  • the reagents are optimally preheated.
  • optimum cooling of the products of the reaction is obtained.
  • the compactness of the device is increased and therefore the hot bonds are reduced, the whole of the chemical reaction, the preheating of the reactants and the cooling of the reaction products being carried out in a single chamber.
  • the device comprises:
  • a hot surface in particular heated by the heat exchange with the reaction chamber, at a temperature sufficient to vaporize the fraction of the unvaporized droplets by mixing with the hot gas, the means for creating droplets projecting these droplets towards the hot surface.
  • the liquid is diesel
  • it is vaporized quickly and avoided coking, that is to say the cracking of the hydrocarbon with the production of soot especially if the hot gas is steam. water.
  • This means can moreover be used independently of the previously described structure of the reforming device (hydrogen generation). In other words, this provision of the invention can be used generally to achieve a mixture of water vapor and hydrocarbon without risk of coking.
  • this arrangement of the invention makes it possible to grant the flow of liquid with the flow of steam. In particular, it is ensured that all the liquid produced is vaporized almost instantaneously.
  • Droplet spraying maximizes the liquid exchange surface with the hot gaseous environment and contributes to the equal result between the instantaneous flow rates of introduced liquid and vaporized liquid.
  • This arrangement can also be used to spray the water, vaporize it and possibly start overheating.
  • the hot gas is constituted by the possibly superheated water vapor which helps to initiate the vaporization of the droplets that arrive, before their impact on the hot surface.
  • a series combination of these spray means devices is used with, first of all, for example a chamber with a water sprayer and a hot surface for the vaporization of the water, and then a a chamber with a hydrocarbon spray for the vaporization of heavy liquid hydrocarbon, with a higher vaporization temperature than water, using superheated steam and a hot surface,
  • a series combination of these spray means devices is used with, first of all, for example a chamber with a water sprayer and a hot surface for the vaporization of the water, and then a a chamber with a hydrocarbon spray for the vaporization of heavy liquid hydrocarbon, with a higher vaporization temperature than water, using superheated steam and a hot surface
  • the parallel combination type it is possible, in the same chamber, to vaporize water and a light liquid hydrocarbon with a boiling point close to that of water, such as ethanol for example, using two sprayers, one for water and the other for hydrocarbon or a single sprayer for the water / hydrocarbon mixture, the vapor
  • a gaseous hydrocarbon is used to assist in spraying water.
  • the device comprises an annular space, for example in one of the zones, comprising means for ensuring a helical circulation of fluids intended to be introduced into the reaction chamber. in order to homogenize the temperature of the walls and the fluid flowing in this annular space, these helical circulation means being furthermore arranged to perform a spacer function between the walls of this annular space.
  • the annular space constitutes a heat exchange space arranged so that the pitch of the helical circulation is such that heat exchange is optimized.
  • the device comprises:
  • an injector for generating the droplets of a fluid intended to be introduced into the reaction chamber, of small size and of high speed for rapid vaporization, the injector being dimensioned for a flow rate substantially greater than the flow rate necessary for introduction in the reaction chamber, and
  • this injector means for operating this injector intermittently and at a high frequency in order to obtain the low flow rate desired for introduction into the reaction chamber and the desired quality of the droplets.
  • the reaction chamber comprises orifices for the quasi-tangential arrival of the oxygenated flow to create a film in the vicinity of the wall of a combustion portion (26) of the combustion chamber, this film forming a vortex or vortex thereby creating a depression in the vicinity of the axis of the combustion chamber that sucks hydrocarbon fuel vapors and ensures the stabilization of combustion near the axis and at the bottom of the combustion portion of the combustion chamber reaction.
  • the device comprises an injector delivering water and hydrocarbons into the combustion chamber against the flow of the products of the reaction so as to carry out a rapid mixing of the water vapor and the hydrocarbons with the hot gases to propagate the reforming reaction.
  • the reagent supplying means comprise means for one part of the reagents to move towards the bottom of the combustion chamber and the other part to go directly to the reaction chamber.
  • Figure 1 shows a device according to one invention.
  • a hydrogen generating device (or reformer) will now be described with reference to FIG.
  • the device described below runs on diesel, water and air.
  • Variants of this device can operate from other hydrocarbons including petroleum cuts such as diesel, naphtha, kerosene, gasoline, liquefied petroleum gas, alcohols, or natural gas and still biofuels such as biogas, vegetable oils or their esters, ethanol or methanol.
  • Other variants of this device can operate using, instead of air, an oxygenated stream such as pure oxygen or a mixture of air and oxygen.
  • This device produces a mixture of H 2 and CO, also containing CO 2 and H 2 O, which is introduced into another device (not shown) which still produces hydrogen by the action of H 2 O on CO for turn into CO 2 .
  • the reforming operation that provides CO + H 2 is an endothermic reaction, i.e., a reaction to which heat must be provided.
  • an exothermic reaction is used which consists of the combustion of a fraction of the flow of the hydrocarbon with an oxygenated flow.
  • a fraction of the hydrocarbon is a fuel for providing heat and the hydrocarbon fraction is the main reagent that will supply the hydrogen. It is therefore understood that the burned hydrocarbon fraction must be minimized to maximize the reformed hydrocarbon fraction.
  • the reforming gases are produced at high temperature and the heat they contain is recovered to preheat the incoming fluids in the reaction chamber, or reagents, namely water, hydrocarbon and oxygenated stream.
  • the reforming reaction is carried out with hot reactants, which makes it possible to reduce the burned hydrocarbon fraction.
  • the invention provides a device for minimizing thermal losses to the external environment and thus improving the efficiency of the hydrogen generator.
  • the invention also makes it possible, by assembling the various operations in the same enclosure, to limit or eliminate the connections of hot fluids or reactants between the various modules or stages of the hydrogen generation process (preheating of the water, evaporation, overheating , preheating of the oxygenated flow, preheating of the hydrocarbon, chemical reaction, cooling of the reforming gases, etc.), this which reduces thermal losses and thermomechanical problems of hot connections between several speakers, including pressure vessels.
  • the oxygenated flow is oxygen in the air, preferably at low pressure, for example at a pressure between atmospheric pressure and 6 bar.
  • this device can operate at pressures of 1 to 100 bar.
  • the device shown in the figure comprises a central portion constituting the reaction chamber 12. This chamber is surrounded by a first zone or annular space 14 in which circulates air at a temperature of 400 to 900 0 C which recovers the heat lost by the reaction chamber 12.
  • This annular zone 14 itself is surrounded by a second annular zone 16 in which low-pressure air also circulates at a temperature of 25 to 400 ° C., which recovers the heat lost by the zone 14.
  • the air is first introduced into the outer zone 16 through an opening 18.
  • a communication 20 is established between the zones 14 and 16. This communication is located at one end of these zones, as opposed to the entrance 18. Thus, it is after having circulated in the zone 16 that the air is introduced into the zone 14.
  • the wall 22 between the zones 14 and 16 is constituted by an insulating wall or by a wall packed on a calculated thickness of a material chosen for its low thermal conductivity.
  • the annular zone 16 is surrounded by an external insulator 17.
  • the orifices 24 open in the same plane perpendicular to the axis 30 of the device whose general shape is cylindrical. These preheated air injection orifices 24 are at the end of pipes (not shown) which do not have a radial direction but a direction close to a direction tangential to the circumference of the combustion part 26.
  • a nozzle 34 for the introduction of diesel fuel at the start of the device. Also for start-up, there is provided, in a channel opening at the end of the combustion part 26, a retractable spark plug 36.
  • the preheating and the introduction of the other reagents take place in an area 40 at the end of the reaction chamber 12 which is opposite to the part 26 of combustion. More specifically, the reaction chamber 12 comprises a first portion 42 in which the reactions take place and a second portion 44 in which the reaction products are evacuated.
  • the first part 42 is itself composed of the combustion part 26 and the reforming part 28 itself.
  • the preheating zone 40 is located inside the part 44 of the chamber 12 which is intended for the evacuation of the gases from the reaction.
  • the zone 40 for introducing and preheating the water and the hydrocarbon is extended by a rod 50 penetrating into the reaction chamber, in particular in its portion 28 of reforming, and ends with an injector 52 delivering reactants in the combustion chamber 26 as well as in the reforming chamber 28.
  • the injector 52 thus comprises, on the one hand, at least one axial outlet 54 which injects the gaseous mixture water and hydrocarbon to the combustion chamber and, on the other hand, radial or oblique outlets which open directly into the reforming portion 28 of the chamber 12.
  • the injector 52 is in an area 58 of smaller section than that of the portion 28 of the reaction chamber 12.
  • the gas velocities are greater than in the other sections.
  • the zone 40 for preheating and injecting water and hydrocarbon comprises two chambers 62 and 64 in series.
  • the chamber 62 furthest from the rod 50, receives by an injector 66 water droplets which are projected towards a concave face 68 of a wall 70 heated by the heat provided by the reaction products.
  • Part of the water droplets evaporates when in contact with the surface 68. This creates water vapor that flows along the surface 68, heats up and creates a warm atmosphere, at a temperature of 100 at 160 ° C., contributing to the vaporization of another part of the droplets, as soon as they are ejected, before their impact against the face 68.
  • the volumes 62 and 64 are sufficiently small for the steam to evacuate immediately and the water vapor thus produced is introduced into an annular zone 74 between the wall 70 and an outer wall 72 of the zone 40. This wall 72 is in contact with the products of the reaction.
  • This annular zone 74 is in connection with the second chamber 64 through an opening 76.
  • an injector 78 for the introduction of diesel fuel.
  • the chamber 64 ends, like the chamber 62, by a concave face 80 of a wall 82 also heated.
  • the diesel droplets introduced by the injector 78 are largely vaporized by contact and mixing with the water vapor and the gas oil droplets not yet vaporized evaporate by contact with the heated face 80.
  • the mixture of water vapor and diesel fuel is discharged at a temperature of the order of 350 to 500 0 C to another annular zone 84 between the wall 82 and the wall 72 where it is superheated at a temperature of 600 to 800 0 C to be then introduced into the rod 50 at the end of which is the injector 52.
  • reaction gases undergo cooling because they yield their heat to air through walls 110 and 112 and to water vapor and diesel in zone 40 through wall 72. Without further cooling, the outgoing gases have a temperature of the order of 600 to 85O 0 C. It is also possible to provide additional cooling, for example by water spray in an annular zone 92 near the outlet. In this case, the exit temperature of the reforming gases can be adjusted between 300 and 45O 0 C.
  • the water which is introduced by the injector 66 arrives in the form of pulses.
  • an injector is sized to provide determined droplet sizes for a given flow rate and pressure. If only one type of injector is available and this injector is sized for the nominal flow rate, it can not be operated satisfactorily at a reduced flow rate. If, for example, the reduced flow rate is 30% of the nominal flow, then the pressure will not be that of the order of 10% of the nominal pressure and the droplets will have an average size 10 times greater than the rated speed. Under these conditions, the evaporation time of these droplets will be approximately 100 times greater.
  • the injector is operated at its nominal flow rate and at its pressure.
  • nominal in the form of periodic pulses, that is to say for only a fraction of each period.
  • the repetition frequency of the pulses must be relatively high, of the order of a few tens to a few hundreds of Hertz, to avoid disrupting the operation of the device because it must be fed constantly droplets.
  • the frequency of the pulses is of the order of 250 Hz.
  • a pulsed fluid supply is effected by means of a valve (not shown) with a low response time which is periodically open and closed.
  • pulses transmitted from a valve to an injector can be damped if the pipe is deformable or elastic and / or the liquid is compressible. If the pressure variation slots over time did not show stiff edges at the injector, droplets of large dimensions would be obtained when the pressure is too low. It is therefore preferable to limit the volume between the valve and the injector and to provide pipes with rigid walls. The same device can be used for injecting and spraying low flow water in zone 92.
  • the walls 110 separating the first portion 42 of the chamber 12 from the first annular zone 14 are insulating so that the reforming reaction is carried out as adiabatically as possible.
  • the wall 112 of the chamber 12 in the second portion 44 for evacuating the reforming product has heat conduction properties to allow efficient heating of the air in the annular zone 14.
  • the walls 110 and 112 are coated on the side of the chamber 12 of refractory ceramic so that these walls are protected against the effect of hot reforming gases.
  • the refractory ceramic of the wall 110 is insulating while the refractory ceramic of the wall 112 is heat conducting.
  • these walls 110 and 112 are metallic.
  • a thermal protection 120 for example made of refractory ceramic, is provided at the end of the zone 40.
  • the wall 72 is metallic. Its temperature is of the order of 600 to 800 ° C. Without the layer 120, this wall 72 would be brought to a temperature of between 900 and 1400 ° C.
  • the rod 50 is also made of ceramic so as to withstand the high temperatures of the reaction chamber.
  • Each of the various annular zones 14, 16, 74 and 84 comprises a rib arranged in a helix having the reference 130 in the annular zone 14.
  • This helical rib 130 is integral with the exchange wall 140 that constitutes the outer metal part of the walls 110. and 112.
  • the helical ribs make it possible to increase heat exchange. Indeed, it is known that the heat exchange is more effective than the hydraulic diameter is small.
  • the hydraulic diameter is equal to 4S / P, S being the passage section of the gas, and P the perimeter corresponding to this section S.
  • the passage section is delimited by the two walls of each annular zone and the pitch of the propeller . Thus, a proper choice of distance between walls and pitch of the propeller can minimize the hydraulic diameter.
  • the helical rib increases the rate of passage of gases, which further improves the heat exchange in the annular zone where the rib.
  • the exchange wall 140 is almost at the temperature prevailing in the annular space 14.
  • the exchange coefficient on the side of the reaction chamber which is devoid of helical rib, is lower.
  • the wall is brought to a temperature close to that of the circulating fluid on the side where the heat exchange coefficients are the highest.
  • the helical ribs also have the advantage of allowing a better circumferential homogenization of the temperature around the axis 30 because the gases do not circulate in a single generator but circulate all around this axis. As a result, there is no deformation that would be due to circumferential temperature differences or circumferential flow differences.
  • the helical ribs constitute spacers between the cylindrical walls, for example between the walls 80 and 72 for the annular zone 84 of the third zone 40. The rigidity is thus increased and the distance between the facing walls is kept constant and thus still avoids the axial or circumferential deformations and the circumferential heterogeneities of temperature and flow that would result.
  • the helical ribs can be made from a round profile (solid or hollow) with a diameter greater than the annular space.
  • This round profile is welded to one of the walls and the opposite portion is truncated, for example by machining so that the profile can be housed in the annular space.
  • Tight machining and welding of the profile to the walls would introduce strong thermomechanical stresses. The machining is thus such that it leaves a sufficient clearance between the truncated crown of the rib and the opposite wall (to which the profile is not welded) to absorb the differential thermal expansions. This game induces a leakage flow for the gas.
  • the laminar nature of the flow in this very small space also contributes significantly to the heating of the gas, which limits the negative effect of this part of the flow whose path is not helical.
  • the helical rib is made by machining the wall in which a helical groove is formed. The channel is then closed by point-to-point welding of the complementary wall.
  • the embodiment in which the wall is machined is more particularly advantageous for rib heights of 0.5 to 1.5 mm whereas a realization using a profile is preferable for rib heights of 1.5. at 4 mm.
  • two spray chambers 62 and 64 are provided, one for water and the other for hydrocarbon.
  • only one vaporization chamber is provided.
  • This arrangement is useful in the case where the hydrocarbon is of the liquid type with an evaporation temperature close to that of water, which is the case for example for ethanol.
  • the mixture of water and ethanol is sprayed into the same chamber and the assembly evaporates and overheats and is then led to the cane 50.
  • This arrangement can also be used in the case where the fuel or the hydrocarbon would be of gaseous type such as methane or propane.
  • gaseous fuel it is possible to use the gaseous fuel to spray the water into fine droplets and the fuel gas and the water are thus simultaneously obtained by the injector 66.

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Abstract

L'invention est relative à un dispositif à chambre de réaction (12) dans laquelle sont introduits des fluides réactifs pour réaliser une réaction à température élevée. Ce dispositif comprend une première zone (14) sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction dans laquelle circule au moins l'un des réactifs à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de cette chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction et de façon à préchauffer le, ou les, réactif (s) circulant dans la première zone, le ou les réactifs étant en contact direct avec les parois de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques, et une seconde zone (16) sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule au moins un réactif destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, la séparation entre la première et la seconde zone étant telle que le, ou les, réactif (s) s circulant dans la seconde zone récupère (nt) de la chaleur de la première zone afin de préchauffer ce réactif ou ces réactifs, qui est (sont) en contact direct avec les parois de cette seconde zone.

Description

DISPOSITIF A CHAMBRE DE REACTION
DANS LAQUELLE SONT INTRODUITS DES FLUIDES REACTIFS PRECHAUFFES POUR REALISER UNE REACTION A TEMPERATURE ELEVEE
L' invention est relative à un dispositif à chambre de réaction dans lequel sont introduits des fluides réactifs préchauffés pour réaliser une réaction à température élevée. On a souvent besoin, par exemple dans des brûleurs auto-récupérateurs ou pour la fabrication d'hydrogène dans une opération de reformage, de préchauffer des fluides réactifs. On a aussi souvent besoin de réaliser, pour les mêmes applications, des réactions à température élevée sans perte thermique. Pour atteindre ce but, on a déjà proposé de réaliser une chambre de réaction entourée par une zone annulaire dans laquelle circulent les produits chauds de la réaction afin de préchauffer les réactifs, circulant à contre courant ou co- courant, dans un échangeur de type serpentin, devant être introduits dans la chambre de réaction.
L' invention résulte de la constatation que cette réalisation est complexe puisque la zone annulaire doit canaliser deux fluides (les produits de la réaction et les réactifs) qui ne doivent pas se mélanger. En outre, les produits chauds de la réaction doivent être amenés, par des conduits à température élevée et avec des changements de direction, vers la zone annulaire. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose un dispositif à chambre de réaction dans laquelle sont introduits des fluides réactifs pour réaliser une réaction à température élevée, ce dispositif comprenant : - une première zone sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction dans laquelle circule au moins l'un des réactifs à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de cette chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction, de façon à préchauffer le, ou les, réactif (s) circulant dans la première zone, le ou les réactifs étant en contact direct avec les parois de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques,
- une seconde zone sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule au moins un réactif destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, la séparation entre la première et la seconde zone étant telle que le, ou les, réactif (s) s circulant dans la seconde zone récupère (nt) de la chaleur perdue par la première zone afin de préchauffer ce réactif ou ces réactifs, qui est (sont) en contact direct avec les parois de cette seconde zone, l'ensemble étant tel que la paroi externe du dispositif, qui est constituée par la paroi externe de la seconde zone, soit à une température sensiblement inférieure à la température de la chambre de réaction, le dispositif étant, en outre, tel que la chambre de réaction comporte deux parties dont la première est le siège de la réaction et la seconde constitue un canal d' évacuation des produits de la réaction, ce canal d'évacuation étant de configuration sensiblement rectiligne dans lequel les produits ne circulent que dans un seul sens, ces deux parties étant telles que l'échange thermique entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus proche de la sortie des produits de la réaction, et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la première zone.
Ainsi, dans chacune des deux zones annulaires entourant la chambre de réaction, on ne fera circuler qu'un seul type de fluide : un réactif ou un mélange de réactifs. Il n'est donc pas nécessaire d'organiser une circulation séparée des deux fluides (réactifs et produits de la réaction) , ce qui simplifie considérablement la réalisation mécanique de ces zones annulaires. En outre, il n'est pas nécessaire de réaliser des canalisations soumises à des contraintes thermomécaniques importantes pour changer les directions d'écoulement et conduire les produits chauds de la réaction vers la zone annulaire.
En outre, avec les première et seconde zones, on obtient une bonne isolation par rapport à l'extérieur de la chambre de réaction à température élevée.
Etant donné que le canal d'évacuation des produits de la réaction est de configuration sensiblement rectiligne et que les produits ne circulent que dans un seul sens, il n'y a pas d'obstacle à l'évacuation et ainsi, l'évacuation s'effectue plus rapidement et plus simplement.
Du fait de la configuration du dispositif, la réalisation est aisée et peu onéreuse.
De plus, la fiabilité du dispositif est importante puisqu'il n'existe pas de paroi transversale soumise à un flux de chaleur trop important. En particulier, il n'existe pas de serpentin ou de faisceau de tubes, ni d'ailette immergée dans l'écoulement des produits chauds. Ainsi, les contraintes mécaniques sont minimisées, en particulier parce que la température est plus homogène et donc, en moyenne, plus basse. Du fait de cette température plus basse, la corrosion est minimisée. En conséquence, la durée de vie est augmentée.
Dans une réalisation, le dispositif est destiné à effectuer une réaction de reformage pour générer de l'hydrogène à partir d'eau, d'hydrocarbure et d'un flux oxygéné. L'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné sont les réactifs dont au moins l'un d'entre eux est préchauffé dans la première et/ou la seconde zone.
Selon une réalisation, le flux oxygéné est de l'air, par exemple à basse pression ; l'air circule de préférence dans la première et la seconde zones .
De façon générale, on peut adapter le profil de températures des fluides dans la chambre de réaction en choisissant les caractéristiques de la paroi entre cette chambre de réaction et la première zone. Dans une réalisation, le dispositif comporte une troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer par échange thermique de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse.
Ainsi, les flux chauds s'écoulent le long des parois sans rencontrer d'obstacles ou de surfaces orthogonales à l'écoulement qui seraient, s'ils existaient, fragilisés car soumis à des hautes températures et des contraintes thermomécaniques élevées par ce flux. En particulier, on ne prévoit pas d'échangeur de type serpentin ou faisceau de tubes d' échangeurs, avec ou sans ailette (s) dans ce flux de gaz chauds .
Dans une réalisation, destinée au reformage pour la génération d'hydrogène, on fait circuler de l'air dans les première et seconde zones, le préchauffage des autres réactifs étant effectué dans la troisième zone.
Dans une réalisation, destinée à la génération d'hydrogène par une opération de reformage à partir d'hydrocarbure liquide, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction comporte : - des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer,
- des moyens pour vaporiser l'hydrocarbure liquide et le mélanger avec la vapeur d' eau, et - des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.
Dans une variante, qui présente les mêmes avantages, on prévoit un dispositif destiné à la génération d' hydrogène par une opération de reformage à partir d'hydrocarbure gazeux, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, comporte :
- des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer,
- des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec la vapeur d'eau, et
- des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d' eau et d' hydrocarbure .
Avec cette réalisation, du fait de la disposition de la troisième zone, les réactifs sont préchauffés de manière optimale. En outre, on obtient un refroidissement optimum des produits de la réaction. Enfin, on augmente la compacité du dispositif et donc, on diminue les liaisons chaudes, l'ensemble de la réaction chimique, du préchauffage des réactifs et du refroidissement des produits de la réaction étant réalisé dans une seule enceinte.
Dans une réalisation, le dispositif comprend :
- des moyens pour créer de fines gouttelettes de liquide d'un composant devant être introduit sous forme gazeuse dans la chambre de réaction, - des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec un gaz chaud destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, la température du gaz chaud permettant la vaporisation d'au moins d'une fraction des gouttelettes, et
- une surface chaude, notamment chauffée par l'échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec le gaz chaud, les moyens de création de gouttelettes projetant ces gouttelettes vers la surface chaude . Par exemple, si le liquide est du gazole, on vaporise rapidement ce dernier et on évite la cokéfaction, c'est-à-dire le craquage de l'hydrocarbure avec la production de suie surtout si le gaz chaud est de la vapeur d'eau. Ce moyen peut d'ailleurs être utilisé indépendamment de la structure, précédemment décrite, du dispositif de reformage (génération d'hydrogène) . En d'autres termes, cette disposition de l'invention peut être utilisée de façon générale pour réaliser un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure sans risque de cokéfaction.
En outre, cette disposition de l'invention permet d'accorder le débit de liquide avec le débit de vapeur. En particulier, on s'assure que l'intégralité du liquide produit est vaporisée de façon quasi instantanée.
La pulvérisation en gouttelettes permet de maximiser la surface d'échange du liquide avec l'environnement gazeux chaud et contribue au résultat d'égalité entre les débits instantanés de liquide introduit et de liquide vaporisé.
Cette disposition peut également être utilisée pour pulvériser l'eau, la vaporiser et, éventuellement, commencer sa surchauffe. Le gaz chaud est constitué par la vapeur d'eau éventuellement surchauffée qui contribue à initier la vaporisation des gouttelettes qui arrivent, avant leur impact sur la surface chaude.
Dans une réalisation, on utilise une combinaison en série de ces dispositifs à moyens de pulvérisation avec, tout d'abord, par exemple une chambre avec un pulvérisateur d'eau et une surface chaude pour la vaporisation de l'eau et, ensuite, une chambre avec un pulvérisateur d' hydrocarbure pour la vaporisation d'hydrocarbure liquide lourd, à température de vaporisation plus élevée que l'eau, à l'aide de la vapeur d'eau surchauffée et d'une surface chaude, Dans une autre réalisation, du type combinaison en parallèle, on peut, dans la même chambre, réaliser la vaporisation de l'eau et d'un hydrocarbure liquide léger, de température d'ébullition proche de celle de l'eau, tel que l'éthanol par exemple, en utilisant deux pulvérisateurs, l'un pour l'eau et l'autre pour l'hydrocarbure ou bien un seul pulvérisateur pour le mélange eau/hydrocarbure, la vaporisation s'effectuant sur la même surface chaude.
Dans une autre réalisation, on utilise un hydrocarbure gazeux pour aider à la pulvérisation de l'eau.
Dans une réalisation, qui peut être aussi utilisée indépendamment des dispositions précédemment décrites, le dispositif comprend un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens pour assurer une circulation hélicoïdale de fluides destinés à être introduits dans la chambre de réaction afin d'homogénéiser la température des parois et du fluide circulant dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d' entretoise entre les parois de cet espace annulaire.
De préférence, l'espace annulaire constitue un espace d' échanges thermiques agencé pour que le pas de la circulation hélicoïdale soit tel que les échanges thermiques soient optimisés. Dans une réalisation, pouvant être utilisée indépendamment des dispositions précédemment décrites, le dispositif comprend :
- un injecteur pour générer les gouttelettes d'un fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction, de petite taille et de grande vitesse pour une vaporisation rapide, 1' injecteur étant dimensionné pour un débit sensiblement supérieur au débit nécessaire à l'introduction dans la chambre de réaction, et
- des moyens pour faire fonctionner cet injecteur de façon intermittente et à fréquence élevée afin d'obtenir le faible débit désiré pour l'introduction dans la chambre de réaction et la qualité désirée des gouttelettes.
Dans une réalisation, la chambre de réaction comporte des orifices pour l'arrivée quasi tangentielle du flux oxygéné afin de créer un film au voisinage de la paroi d'une partie de combustion (26) de la chambre de combustion, ce film formant un tourbillon ou vortex créant ainsi une dépression au voisinage de l'axe de la chambre de combustion qui aspire des vapeurs combustibles d'hydrocarbure et assure la stabilisation de la combustion à proximité de l'axe et au fond de la partie de combustion de la chambre de réaction.
Selon une réalisation, le dispositif comporte un injecteur délivrant de l'eau et des hydrocarbures dans la chambre de combustion à contre-courant du flux des produits de la réaction de façon à effectuer un mélange rapide de la vapeur d' eau et des hydrocarbures avec les gaz chauds afin de propager la réaction de reformage.
Selon une réalisation, les moyens d'alimentation en réactifs comportent des moyens pour qu'une partie des réactifs se dirige vers le fond de la chambre de combustion et l'autre partie se dirige directement vers la chambre de réaction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels : la figure 1 représente un dispositif conforme à 1' invention.
On va maintenant décrire en relation avec la figure 1 un mode de réalisation d'un dispositif générateur d'hydrogène (ou reformeur) . Le dispositif décrit ci-dessous fonctionne à partir de gazole, d'eau et d'air. Des variantes de ce dispositif peuvent fonctionner à partir d' autres hydrocarbures notamment des coupes pétrolières telles que du gazole, le naphta, le kérosène, l'essence, le gaz de pétrole liquéfié, des alcools, ou du gaz naturel et encore des bio combustibles tels que les biogaz, les huiles végétales ou leurs esters, l'éthanol ou le méthanol. D'autres variantes de ce dispositif peuvent fonctionner en utilisant, à la place de l'air, un flux oxygéné tel que l'oxygène pur ou un mélange d'air et d'oxygène. Ce dispositif produit un mélange de H2 et de CO, contenant également CO2 et H2O, qui est introduit dans un autre dispositif (non montré) qui produit encore de l'hydrogène par action de H2O sur le CO pour le transformer en CO2.
L' opération de reformage qui fournit CO + H2 est une réaction endothermique, c'est-à-dire une réaction à laquelle il faut apporter de la chaleur. A cet effet, on utilise une réaction exothermique qui est constituée par la combustion d'une fraction du flux de l'hydrocarbure avec un flux oxygéné. Ainsi, une fraction de l'hydrocarbure constitue un combustible pour apporter de la chaleur et la fraction complémentaire de l'hydrocarbure constitue le réactif principal qui va fournir l'hydrogène. On comprend donc qu'il faut minimiser la fraction d'hydrocarbure brûlé pour maximiser la fraction d'hydrocarbure reformé. Les gaz de reformage sont produits à haute température et la chaleur qu' ils contiennent est récupérée pour préchauffer les fluides entrants dans la chambre de réaction, ou réactifs, à savoir l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné. Ainsi, la réaction de reformage est effectuée avec des réactifs chauds, ce qui permet de diminuer la fraction d'hydrocarbure brûlé.
L' invention fournit un dispositif permettant de minimiser les pertes thermiques vers l'environnement extérieur et donc d' améliorer le rendement du générateur d' hydrogène.
L'invention permet aussi, en rassemblant les différentes opérations dans une même enceinte, de limiter ou supprimer les connexions de fluides ou réactifs chauds entre les différents modules ou étapes du procédé de génération d'hydrogène (préchauffage de l'eau, évaporation, surchauffe, préchauffage du flux oxygéné, préchauffage de l'hydrocarbure, réaction chimique, refroidissement des gaz de reformage, ...) , ce qui diminue les pertes thermiques et les problèmes thermomécaniques des liaisons chaudes entre plusieurs enceintes, notamment des enceintes sous pression.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le flux oxygéné est l'oxygène de l'air, de préférence à basse pression, par exemple à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 6 bars . Cependant, des variantes de ce dispositif peuvent fonctionner à des pressions de 1 à 100 bars.
Le dispositif représenté sur la figure comporte une partie centrale constituant la chambre de réaction 12. Cette chambre est entourée par une première zone ou espace annulaire 14 dans lequel circule de l'air à une température de 400 à 9000C qui récupère la chaleur perdue par la chambre de réaction 12.
Cette zone annulaire 14 est elle même entourée par une seconde zone annulaire 16 dans laquelle circule également de l'air à basse pression à une température de 25 à 4000C, qui récupère la chaleur perdue par la zone 14.
On fait pénétrer l'air tout d'abord dans la zone externe 16 par une ouverture 18. Une communication 20 est éta- blie entre les zones 14 et 16. Cette communication se trouve à une extrémité de ces zones, à l'opposé de l'entrée 18. Ainsi, c'est après avoir circulé dans la zone 16 que l'air est introduit dans la zone 14.
La paroi 22 entre les zones 14 et 16 est constituée par une paroi isolante ou par une paroi garnie sur une épaisseur calculée d'une matière choisie pour sa faible conductivité thermique. La zone annulaire 16 est entourée par un isolant externe 17.
L'air ainsi préchauffé dans les zones annulaires 16 puis 14 pénètre par des orifices 24 dans la partie de combustion 26 de la chambre 12. La plus grande partie de la chaleur perdue par la chambre de réaction est récupérée par l'air introduit dans cette chambre de réaction. Ainsi, dans la réalisation présentée ici, moins de 2% de la chaleur développée dans la chambre de réaction est perdue dans l'environnement. Les orifices 24 débouchent dans un même plan perpendiculaire à l'axe 30 du dispositif dont la forme générale est cylindrique. Ces orifices 24 d'injection d'air préchauffé se trouvent à l'extrémité de canalisations (non montrées) qui n'ont pas une direction radiale mais une direction proche d'une direction tangentielle à la circonférence de la partie de combustion 26.
L'arrivée quasi tangentielle de l'air crée un film au voisinage de la paroi 32 de la chambre de combustion 26. Dans ces conditions, l'air injecté forme un tourbillon ou vortex qui crée ainsi une dépression au voisinage de l'axe qui aspire les vapeurs combustibles et assure la stabilisation de la combustion à un niveau de température de 1600 à 20000C, à proximité de l'axe 30 et au fond de la partie de combustion 26 de la chambre 12.
A l'extrémité de la partie de combustion, on prévoit aussi un gicleur 34 pour l'introduction du gazole au démarrage du dispositif. Egalement pour le démarrage, on prévoit, dans un canal débouchant à l'extrémité de la partie de combustion 26, une bougie escamotable 36.
Le préchauffage et l'introduction des autres réactifs (eau et hydrocarbure) , après les périodes de démarrage, s'effectuent dans une zone 40 se trouvant à l'extrémité de la chambre 12 de réaction qui est à l'opposé de la partie 26 de combustion. De façon plus précise, la chambre de réaction 12 comporte une première partie 42 dans laquelle s'effectuent les réactions et une seconde partie 44 dans laquelle les produits de la réaction sont évacués . La première partie 42 est elle même composée de la partie de combustion 26 et de la partie de reformage 28 proprement dit. Ainsi, la zone 40 de préchauffage se trouve à l'intérieur de la partie 44 de la chambre 12 qui est destinée à l'évacuation des gaz de la réaction.
La zone 40 d'introduction et de préchauffage de l'eau et de l'hydrocarbure est prolongée par une canne 50 pénétrant dans la chambre de réaction, notamment dans sa partie 28 de reformage, et se termine par un injecteur 52 délivrant des réactifs dans la chambre de combustion 26 ainsi que dans la chambre de reformage 28. L' injecteur 52 comporte ainsi, d'une part, au moins une sortie axiale 54 qui injecte le mélange gazeux d'eau et d'hydrocarbure vers la chambre de combustion et, d'autre part, des sorties radiales ou obliques qui débouchent directement dans la partie de reformage 28 de la chambre 12.
L' injecteur 52 se trouve dans une zone 58 de plus faible section que celle de la partie 28 de la chambre de réaction 12. Ainsi, dans cette zone 58, les vitesses des gaz sont plus importantes que dans les autres sections . Il en résulte que le mélange des réactifs injectés par les orifices 56 avec les gaz de combustion chauds s'effectue rapidement pour que la réaction de reformage soit, dans la partie 28, rapide et à des niveaux de température de l'ordre de 1000 à 14000C.
La zone 40 de préchauffage et d'injection de l'eau et de l'hydrocarbure comporte deux chambres 62 et 64 en série. La chambre 62, la plus éloignée de la canne 50, reçoit par un injecteur 66 des gouttelettes d'eau qui sont projetées vers une face concave 68 d'une paroi 70 chauffée par la chaleur apportée par les produits de la réaction. Une partie des gouttelettes d'eau s'évapore lors du contact avec la surface 68. On crée ainsi de la vapeur d'eau qui circule le long de la surface 68, s'échauffe et crée une ambiance chaude, à une température de 100 à 16O0C, contribuant à la vaporisation d'une autre partie des gouttelettes, dès leur éjection, avant leur impact contre la face 68.
Les volumes 62 et 64 sont suffisamment faibles pour que la vapeur s' évacue de façon immédiate et la vapeur d' eau ainsi produite est introduite dans une zone annulaire 74 entre la paroi 70 et une paroi externe 72 de la zone 40. Une face de cette paroi 72 est en contact avec les produits de la réaction. On continue donc ainsi, par la circulation dans la zone annulaire 74, à surchauffer la vapeur d'eau à des températures de 400 à 700°C. Cette zone annulaire 74 est en liaison avec la seconde chambre 64 par une ouverture 76. En outre, dans la chambre 64, débouche un injecteur 78 pour l'introduction de gazole. La chambre 64 se termine, comme la chambre 62, par une face concave 80 d'une paroi 82 également chauffée. Dans cette chambre 64, les gouttelettes de gazole introduites par l' injecteur 78 sont en grande partie vaporisées par contact et mélange avec la vapeur d'eau et les gouttelettes de gazole non encore vaporisées s'évaporent par contact avec la face 80 chauffée. Le mélange de vapeur d'eau et de gazole est évacué à une température de l'ordre de 350 à 5000C vers une autre zone annulaire 84 entre la paroi 82 et la paroi 72 où elle est surchauffée à une température de 600 à 8000C pour être ensuite introduit dans la canne 50 à l'extrémité de laquelle se trouve 1' injecteur 52.
A l'extrémité de la chambre 12 à l'opposé de la partie de combustion 26, on prévoit une sortie 90 pour les gaz de réaction. Ces gaz de réaction ou de reformage subissent un refroidissement car ils cèdent leur chaleur à l'air à travers des parois 110 et 112 et à la vapeur d'eau et au gazole dans la zone 40 à travers la paroi 72. Sans autre refroidissement, les gaz sortants ont une température de l'ordre de 600 à 85O0C. On peut également prévoir un refroidissement supplémentaire, par exemple par de l'eau pulvérisée dans une zone annulaire 92 proche de la sortie. Dans ce cas, la température de sortie des gaz de reformage peut être ajustée entre 300 et 45O0C.
Dans une réalisation, l'eau qui est introduite par 1' injecteur 66 arrive sous forme d'impulsions.
En effet, un injecteur est dimensionné pour fournir des tailles de gouttelettes déterminées pour un débit et une pression déterminés. Si on ne dispose que d'un seul type d' injecteur et que cet injecteur est dimensionné pour le débit nominal, on ne peut pas le faire fonctionner de façon satisfaisante à un débit réduit. En effet, si par exemple, le débit réduit est 30% du débit nominal, alors la pression ne sera que de l'ordre de 10% de la pression nominale et les gouttelettes auront en moyenne une taille 10 fois plus importante qu'au régime nominal. Dans ces conditions, le temps d' évaporation de ces gouttelettes sera environ 100 fois plus important .
C'est pourquoi, comme il n'est pratiquement pas possible de faire fonctionner le dispositif avec un injecteur fonctionnant à une faible fraction de son débit nominal, selon l'invention, on fait fonctionner l' injecteur à son débit nominal et à sa pression nominale mais sous forme d'impulsions périodiques, c'est-à-dire pendant seulement une fraction de chaque période. La fréquence de répétition des impulsions doit être relativement élevée, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de Hertz, pour ne pas perturber le fonctionnement du dispositif car celui-ci doit être alimenté constamment en gouttelettes . Dans un exemple, la fréquence des impulsions est de l'ordre de 250 Hz.
Par ailleurs, une arrivée de fluide sous forme d'impulsions s'effectue à l'aide d'une vanne (non montrée) à faible temps de réponse qui est périodiquement ouverte et fermée. Cependant, des impulsions transmises depuis une vanne vers un injecteur peuvent être amorties si la conduite est déformable ou élastique et/ou si le liquide est compressible. Si les créneaux de variation de pression avec le temps ne présentaient pas des fronts raides au niveau de l' injecteur, on obtiendrait des gouttelettes de dimensions trop importantes lorsque la pression est trop faible. Il est donc préférable de limiter le volume entre la vanne et l' injecteur et de prévoir des canalisations aux parois rigides . Le même dispositif peut être utilisé pour l'injection et la pulvérisation de l'eau à faible débit dans la zone 92.
Les parois 110 séparant la première partie 42 de la chambre 12 de la première zone annulaire 14 sont isolantes afin que la réaction de reformage s'effectue autant que possible de façon adiabatique. Par contre, la paroi 112 de la chambre 12 dans la seconde partie 44 d'évacuation du produit de reformage présente des propriétés de conduction de la chaleur afin de permettre un chauffage efficace de l'air dans la zone annulaire 14. Les parois 110 et 112 sont revêtues, du côté de la chambre 12, de céramique réfractaire afin que ces parois soient protégées contre l'effet des gaz de reformage chauds. La céramique réfractaire de la paroi 110 est isolante tandis que la céramique réfractaire de la paroi 112 est conductrice de la chaleur. Du côté externe, ces parois 110 et 112 sont métalliques .
Dans une réalisation, afin que la paroi 72 de la zone 40 ne soit pas chauffée de façon excessive, on prévoit une protection thermique 120, par exemple en céramique réfractaire, à l'extrémité de la zone 40. En effet, la paroi 72 est métallique. Sa température est de l'ordre de 600 à 8000C. Sans la couche 120, cette paroi 72 serait portée à une température comprise entre 900 et 1 4000C.
La canne 50 est également réalisée en céramique de façon à résister aux températures élevées de la chambre de réaction.
Chacune des diverses zones annulaires 14, 16, 74 et 84 comporte une nervure arrangée en hélice ayant la référence 130 dans la zone annulaire 14. Cette nervure hélicoïdale 130 est solidaire de la paroi d'échange 140 que constitue la partie métallique externe des parois 110 et 112.
Les nervures hélicoïdales permettent d'augmenter les échanges thermiques. En effet, on sait que les échanges thermiques sont d'autant plus efficaces que le diamètre hydraulique est petit. Le diamètre hydraulique est égal à 4S/P, S étant la section de passage du gaz, et P le périmètre correspondant à cette section S. La section de passage est délimitée par les deux parois de chaque zone annulaire et le pas de l'hélice. Ainsi, un choix convenable de la distance entre les parois et du pas de l'hélice permet de minimiser le diamètre hydraulique.
En outre, la nervure hélicoïdale permet d'augmenter la vitesse de passage des gaz, ce qui améliore encore l'échange thermique dans la zone annulaire où se trouve la nervure.
Ainsi, la paroi d'échange 140 est quasiment à la température régnant dans l'espace annulaire 14. En effet, le coefficient d'échange du côté de la chambre de réaction, qui est dépourvue de nervure hélicoïdale, est moins élevé. Autrement dit, la paroi est portée à une température proche de celle du fluide circulant du côté où les coefficients d' échange thermique sont les plus élevés .
Les nervures hélicoïdales présentent aussi l'avantage de permettre une meilleure homogénéisation circonférentielle de la température autour de l'axe 30 car les gaz ne circulent pas selon une seule génératrice mais circulent tout autour de cet axe. Il en résulte qu'il n'y pas de déformation qui serait due à des différences de température circonférentielle ou des différences de débit circonférentiel . Enfin, les nervures hélicoïdales constituent des entretoises entre les parois cylindriques, par exemple entre les parois 80 et 72 pour la zone annulaire 84 de la troisième zone 40. On augmente ainsi la rigidité et on maintient constante la distance entre les parois en regard et on évite donc encore les déformations axiales ou circonférentielles et les hétérogénéités circonférentielles de température et de débit qui en résulteraient.
Les nervures hélicoïdales peuvent être réalisées à partir d'un profil rond (plein ou creux) d'un diamètre supérieur à l'espace annulaire. Ce profil rond est soudé à l'une des parois et la partie opposée est tronquée, par exemple par usinage pour que le profil puisse être logé dans l'espace annulaire. Il faut cependant prendre en compte les dilatations thermiques différentielles entre les deux parois . Un usinage serré et un soudage du profil aux parois introduiraient des contraintes thermomécaniques fortes. L'usinage est donc tel qu'il laisse un jeu suffisant entre le sommet tronqué de la nervure et la paroi opposée (à laquelle n' est pas soudé le profil) pour absorber les dilatations thermiques différentielles. Ce jeu induit un écoulement de fuite pour le gaz. Mais le caractère laminaire de l'écoulement dans cet espace très réduit contribue aussi significativement à l'échauffement du gaz, ce qui limite l'effet négatif de cette partie de l'écoulement dont le parcours n'est pas hélicoïdal. En variante, la nervure hélicoïdale est réalisée par l'usinage de la paroi dans laquelle on forme donc une rainure hélicoïdale. Le canal est alors fermé par soudage point par point de la paroi complémentaire.
La réalisation dans laquelle on usine la paroi est plus particulièrement avantageuse pour des hauteurs de nervures de 0,5 à 1,5 mm alors qu'une réalisation à l'aide d'un profil est préférable pour des hauteurs de nervures de 1,5 à 4 mm.
Dans la réalisation décrite en relation avec la figure 1, on prévoit deux chambres 62 et 64 de vaporisation, l'une pour l'eau et l'autre pour l'hydrocarbure.
En variante (non montrée) , on prévoit une seule chambre de vaporisation. Cette disposition est utile dans le cas où l'hydrocarbure serait de type liquide avec une température d' évaporation proche de celle de l'eau, ce qui est le cas par exemple pour l'éthanol. Dans ce cas, on projette le mélange d'eau et d'éthanol dans la même chambre et l'ensemble s'évapore et se surchauffe et est ensuite conduit vers la canne 50.
Cette disposition peut aussi être utilisée dans le cas où le combustible ou l'hydrocarbure serait de type gazeux tel que du méthane ou du propane. Dans ce cas, on peut utiliser le combustible gazeux pour pulvériser l'eau en fines gouttelettes et on fait donc arriver simultanément le gaz combustible et l'eau par l'injecteur 66.

Claims

REVENDIC-VTIONS
1. Dispositif à chambre de réaction (12) dans laquelle sont introduits des fluides réactifs pour réaliser une réaction à température élevée, ce dispositif comprenant :
- une première zone (14) sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction dans laquelle circule au moins l'un des réactifs à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de cette chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction et de façon à préchauffer le, ou les, réactif (s) circulant dans la première zone, le ou les réactifs étant en contact direct avec les parois de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques, une seconde zone (16) sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule au moins un réactif destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, la séparation entre la première et la seconde zone étant telle que le, ou les, réactif (s) s circulant dans la seconde zone récupère (nt) de la chaleur de la première zone afin de préchauffer ce réactif ou ces réactifs, qui est (sont) en contact direct avec les parois de cette seconde zone, l'ensemble étant tel que la paroi externe du dispositif, qui est constituée par la paroi externe de la seconde zone, soit à une température sensiblement inférieure à la température de la chambre de réaction, le dispositif étant, en outre, tel que la chambre de réaction comporte deux parties dont la première (42, 28) est le siège de la réaction et la seconde (44) constitue un canal d'évacuation des produits de la réaction, ce canal d'évacuation étant de configuration sensiblement rectiligne dans lequel les produits ne circulent que dans un seul sens, ces deux parties étant telles que l'échange thermique entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus proche de la sortie des produits de la réaction, et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la première zone.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la réaction est une réaction de reformage pour générer de l'hydrogène à partir d'eau, d'hydrocarbure et d'un flux oxygéné ; l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné étant les réactifs dont au moins l'un d'entre eux est préchauffé dans la première et/ou la seconde zone.
3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel seul le flux oxygéné circule dans les première et seconde zones et comporte de l'air, notamment à basse pression.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant une troisième zone (40) à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse.
5. Dispositif selon la revendication 4 destiné à la génération d'hydrogène par une opération de reformage, à partir d'hydrocarbure liquide, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction comportant des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, des moyens pour vaporiser l'hydrocarbure liquide et le mélanger avec la vapeur d'eau et des moyens qui, par circulation dans cette troisième zone et échange thermique avec la chambre de réaction, permettent de surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d' hydrocarbure .
6. Dispositif selon la revendication _4 destiné à la génération d' hydrogène par une opération de reformage à partir d'hydrocarbure gazeux, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, comportant des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec la vapeur d'eau et des moyens qui, par circulation dans cette troisième zone et échange thermique avec la chambre de réaction, permettent de surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d' hydrocarbure .
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant :
- des moyens pour créer de fines gouttelettes de liquide d'un composant devant être introduit sous forme gazeuse dans la chambre de réaction,
- des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec un gaz chaud destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, la température du gaz chaud permettant la vaporisation d'au moins une fraction des gouttelettes, et
- une surface chaude, notamment chauffée par échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec le gaz chaud,
- les moyens de création de gouttelettes projetant ces gouttelettes vers la surface chaude.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens (130) pour assurer une circulation hélicoïdale de fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction afin d'homogénéiser la température dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d' entretoise entre les parois de cet espace annulaire et une fonction d' échange thermique dans la zone annulaire où se trouvent les moyens de circulation hélicoïdale .
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant un injecteur pour générer des gouttelettes d'un fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction, de petite taille et de grande vitesse pour une vaporisation rapide, l'injecteur étant dimensionné pour un débit sensiblement supérieur au débit nécessaire à l'introduction dans la chambre de réaction, et des moyens pour faire fonctionner cet injecteur de façon intermittente et à fréquence élevée afin d'obtenir le faible débit désiré pour l'introduction dans la chambre de réaction et la qualité désirée des gouttelettes .
10. Dispositif selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la chambre de réaction comporte des orifices (24) pour l'arrivée quasi tangentielle du flux oxygéné afin de créer un film au voisinage de la paroi (32) d'une partie de combustion (26) de la chambre de combustion (12), ce film formant un tourbillon ou vortex créant ainsi une dépression au voisinage de l'axe de la chambre de combustion qui aspire des vapeurs combustibles d'hydrocarbure et assure la stabilisation de la combustion à proximité de l'axe (30) et au fond de la partie de combustion (26) de la chambre de réaction (12) .
11. Dispositif selon la revendication 10 comportant un injecteur (52) délivrant de l'eau et des hydrocarbures dans la chambre de combustion (26) à contre-courant du flux des produits de la réaction de façon à effectuer un mélange rapide de la vapeur d' eau et des hydrocarbures avec les gaz chauds afin de propager la réaction de reformage.
12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel les moyens d' alimentation en réactifs comportent des moyens pour qu'une partie des réactifs se dirige vers le fond de la chambre de combustion et l'autre se dirige vers la chambre de réaction.
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