BE1028638B1 - Réacteur à gaz plasma - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réacteur à plasma comprenant: un espace réacteur, une entrée axiale de gaz adaptée à l'écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiale pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace réacteur, un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiales par rapport à ladite direction axiale, des moyens de génération de plasma appropriés pour ioniser un milieu gazeux à l'intérieur dudit espace de réacteur, et un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie. L'invention concerne en outre un réacteur à plusieurs étages. L'invention concerne également l'utilisation dudit réacteur à plasma.
Description
RÉACTEUR À GAZ PLASMA DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un réacteur approprié pour des réactions chimiques ainsi que pour la création d'un plasma dans au moins une partie du réacteur. En particulier, le réacteur convient aux réactifs gazeux à haute pression.
CONTEXTE Il existe un certain nombre de procédés et également de systèmes de décomposition d'hydrocarbures en une partie carbone et en hydrogène. Les méthodes traditionnelles de production d'hydrogène à partir d'hydrocarbures dans un procédé industriel concernent le reformage à la vapeur d'hydrocarbures. Souvent, de l'air ou de l'oxygène est ajouté au mélange vapeur-hydrocarbure en cas de déficit. Les procédés sont inefficaces car des parties substantielles des hydrocarbures qui devaient être convertis ont été utilisées comme sources d'énergie pour le procédé, obtenant ainsi un faible facteur d'utilisation. De plus, le rendement a été encore réduit en raison du fait que le processus de combustion n'était pas complet, provoquant ainsi la production de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone, ainsi que des oxydes d'azote en présence d'azote. Ces gaz résiduaires issus des procédés ne pourront pas être utilisés à d’autres fins que comme gaz combustible, avec pour conséquence la libération de gaz environnementaux polluants. De plus, la séparation de l'hydrogène gazeux et des sous-produits gazeux peut être difficile et entraîner un coût supplémentaire. La pyrolyse thermique conventionnelle des hydrocarbures naturels est une réaction d'équilibre activée thermiquement à des températures allant de 1 200 à 2 000 K. Cette méthode présente des performances énergétiques et de conversion limitées. — Certains utilisent un catalyseur pour opérer à une température plus basse (v 1000 K) toujours avec des rendements limités et conduisant à d'autres problèmes tels que la désactivation du catalyseur en raison du dépôt de carbone. La régénération d'un tel catalyseur désactivé consomme de l'énergie et produit souvent une grande quantité de CO2.
En ce qui concerne le facteur d'utilisation de la charge hydrocarbonée, la pyrolyse au plasma s'est avérée beaucoup plus efficace et un certain nombre d'expériences ont été réalisées avec l'utilisation de torches à plasma. Comme mentionné dans l'introduction, cependant, cela n'a entraîné aucune production industrielle continue en raison d'un faible rendement thermique, de faibles pressions d'entrée de méthane nécessaires pour obtenir un plasma stable, de faibles pressions de sortie d'hydrogène nécessitant plusieurs étages de compresseurs et une grande quantité d'énergie pour stocker et transporter l'hydrogène d'une manière applicable industriellement. Le document EP O 675 925 décrit un procédé et un dispositif de décomposition pyrolytique d'hydrocarbures en une partie carbone et hydrogène. Un problème avec cet appareil est l'utilisation d'un récipient de réaction standard. Pendant le fonctionnement, de grandes sections de cette cuve de réaction n'atteignent pas des conditions appropriées pour la décomposition ou la réaction. Par conséquent, l'efficacité du réacteur est assez faible. De plus, le réacteur fonctionne à des pressions trop basses pour être applicable à une grande échelle industrielle.
Le document US2003 / 0024806 décrit un réacteur à tourbillon à plasma. Cependant, ce réacteur à tourbillon à plasma est conçu pour les déchets municipaux comme source de carbone plutôt que comme hydrocarbures gazeux. De plus, le réacteur a une petite zone de plasma réactif dans l'espace du réacteur. Par conséquent, une grande partie du réacteur n'est pas utilisée au maximum. L'efficacité de la réaction thermique et plasma est faible. La présente invention vise à résoudre au moins certains des problèmes et inconvénients mentionnés ci-dessus. Le but de l'invention est de fournir un procédé qui élimine ces inconvénients. La présente invention vise à résoudre au moins l'un des inconvénients mentionnés ci-dessus. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention et ses modes de réalisation servent à fournir une solution à un ou plusieurs des inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, la présente invention concerne un réacteur à plasma selon la revendication 1. La conception du réacteur vise à améliorer: - la superposition d'un plasma puissant et d'un gaz réactif pour obtenir à la fois une densité de puissance élevée et une bonne superposition plasma / gaz,
- une meilleure utilisation du plasma thermique, permettant l'utilisation de sources concentrées qui sont généralement associées à des pertes radiatives élevées et à une énergie fatale importante ainsi qu'à des coûts de matériaux coûteux en raison des températures très élevées, - permettre l'utilisation d'un gaz (industriel) à haute pression, tel que 20 bars et plus dans un système de réacteur à plasma. Les conceptions GLIDARC peuvent fonctionner à des pressions jusqu'à un maximum de 10 bar; les torches à plasma thermique fonctionnent généralement à la pression atmosphérique ou en dessous, - permettre l'utilisation de matériaux moins chers en évitant les effets thermiques et chimiques sur la cuve du réacteur, - permettre un fonctionnement sûr et sécurisé malgré des températures élevées, des plasma et des espèces ioniques hautement réactifs et éventuellement des tensions élevées en fonction des moyens de génération de plasma, - permettre une simple conversion ascendante d'un réacteur à un étage à des réacteurs à plusieurs étages pour augmenter facilement le débit du réacteur sans nécessiter une nouvelle conception.
Des modes de réalisation préférés du dispositif sont représentés dans l'une quelconque des revendications 2 à 11.
Un mode de réalisation préféré spécifique concerne une invention selon la revendication 3. De tels réacteurs à plasma ont un grand chevauchement entre le plasma et le gaz réactif. De plus, le réacteur favorise la conversion de la pression de gaz d'entrée à une température élevée à l'intérieur du réacteur par dissipation cinétique. Ceci est le résultat de la géométrie plane du réacteur. Par conséquent, l'efficacité de la réaction au plasma ainsi que l'efficacité thermique sont considérablement améliorées.
Dans un deuxième aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma à plusieurs étages selon la revendication 12.
Dans un troisième aspect, l'invention concerne l'utilisation d'un réacteur à plasma selon la revendication 13. Dans un mode de réalisation préféré du deuxième aspect, l'invention concerne l'utilisation d'un réacteur à plasma selon la revendication 14 pour la plasmalyse hybride du méthane en hydrogène. .
La conversion du méthane en hydrogène se fait actuellement industriellement par reformage à la vapeur, formant un mélange d'hydrogène, de CO et de CO2. La plasmalyse hybride du méthane en hydrogène et noir de carbone permet avantageusement une séparation aisée entre l'hydrogène et le noir de carbone. Aucun CO ou CO2 n'est produit et plus d'hydrogène est produit par unité de méthane. Ceci est écologiquement souhaitable pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. De plus, la quantité d'énergie thermique (définie par l'enthalpie de réaction standard) nécessaire pour dissocier le CH4 en H2 et C est considérablement inférieure par unité de H2 que le méthane de reformage à la vapeur ainsi que l'électrolyse de l'eau.
Une température élevée est nécessaire pour obtenir un équilibre réactionnel souhaitable (décalé vers les produits dissociés); mais la réaction de dissociation elle- même absorbe une assez petite quantité d'énergie de l'environnement par rapport au reformage à la vapeur ou à la dissociation de l'eau (par exemple l'électrolyse).
DESCRIPTION DES FIGURES La numérotation suivante fait référence à: 1 Source de gaz haute pression 2 Entrée de gaz axiale 3 Fentes d'injection radiale 4 Disque d'expansion de gaz amont (en option) 5 Illustration de l'expansion possible des gaz dans l'espace du réacteur 6 Disque d'expansion de gaz aval 7 Conteneur de réacteur cylindrique 8 Source d'onde 9 Guide d'ondes et dispositif d'adaptation d'impédance adapté pour ajuster et diriger les ondes. 10 Noyau interne du disque d'expansion de gaz amont (électrode) 11 Gaine externe ou revêtement du disque d'expansion de gaz amont (diélectrique) 12 Noyau interne du disque d'expansion de gaz aval (électrode) 13 Gaine externe ou revêtement du disque d'expansion de gaz aval (diélectrique) 14 Illustration du plasma hybride à arc glissant 15 15.1 et 15.11 est la paire d'électrodes entre lesquelles le plasma hybride à arc glissant est généré 16 Échangeur de chaleur
17 Frigorigène liquide 18 Vapeur de frigorigène 19 Source ponctuelle évanescente. 5 La figure 1 montre une vue de côté en coupe et une vue de dessus en coupe d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma selon la présente invention. La figure 2 montre une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma à un ou plusieurs étages selon la présente invention. La figure 3 montre une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec génération de plasma ondulé.
La figure 4A montre une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec génération de plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD).
La figure 4B montre une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de — réalisation d'un réacteur à plasma avec génération de plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD).
La figure 4C montre une vue latérale en coupe d'un disque d'expansion de gaz en aval et d'un disque d'expansion de gaz en amont appropriés pour la génération de plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD).
La figure 5A montre une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec des moyens de génération de plasma à arc glissant.
La figure 5B montre une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec des moyens de génération de plasma à arc — glissant pendant le fonctionnement.
La figure 5C montre une vue latérale en coupe d'un disque d'expansion de gaz en aval approprié pour la génération de plasma à arc glissant.
La figure 5D montre une vue de côté en coupe transversale d'un autre disque d'expansion de gaz aval et d'un disque d'expansion de gaz amont appropriés pour la generation de plasma d'arc glissant.
La figure 6A montre une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma sans aubes.
La figure 6B montre une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec des aubes.
La figure 7A montre un graphique représentant le rapport des forces dissipatives aux forces d'inertie du gaz en expansion dans l'espace du réacteur en fonction de la largeur H entre un disque d'expansion amont et un disque d'expansion aval (m).
La figure 7B montre un graphique représentant le rapport des forces dissipatives aux forces d'inertie du gaz en expansion dans l'espace du réacteur en fonction de la vitesse du gaz (m / s). La figure 8 montre une vue latérale en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma dans lequel le disque d'expansion amont est un cylindre creux selon la présente invention. La figure 9 montre une vue latérale en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma dans lequel le disque d'expansion amont est un cylindre creux et le disque d'expansion aval est pourvu d'un échangeur de chaleur planaire selon la présente invention. La figure 10A montre une vue latérale en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma ayant de multiples sources ponctuelles de micro-ondes (12). La figure 10B montre une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma ayant de multiples sources ponctuelles de micro-ondes (12). La figure 10C montre une représentation schématique de la densité de puissance pour une génération de plasma par micro-ondes mono-source ou multi-source. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La présente invention concerne un réacteur adapté aux réactions chimiques ainsi qu'à la création d'un plasma dans au moins une partie du réacteur. Sauf définition contraire, tous les termes utilisés pour divulguer l'invention, y compris les termes techniques et scientifiques, ont la signification telle qu'elle est communément comprise par l'homme du métier auquel appartient cette invention. Au moyen de conseils supplémentaires, des définitions de termes sont incluses pour mieux apprécier l'enseignement de la présente invention. Tels qu'utilisés ici, les termes suivants ont les significations suivantes: « A», «un» et «le», tels qu'utilisés ici, se réfèrent à la fois aux référents au singulier et au pluriel à moins que le contexte n'indique clairement le contraire. A titre d'exemple, «un compartiment» désigne un ou plusieurs compartiments.
«Comprendre», «comprenant» et «comprend» et «composé de» tels qu'utilisés ici sont synonymes de «inclure», «y compris», «comprend» ou <contenir»,
«contenant», «contient» et sont inclusifs ou termes ouverts qui spécifient la présence de ce qui suit, par exemple composant et n'excluent ni n'empêchent la présence de composants, caractéristiques, éléments, éléments, étapes supplémentaires, non mentionnés, connus dans l'art ou décrits dans celui-ci.
En outre, les termes premier, deuxième, troisième et similaires dans la description et dans les revendications, sont utilisés pour distinguer des éléments similaires et pas nécessairement pour décrire un ordre séquentiel ou chronologique, sauf indication contraire. Il faut comprendre que les termes ainsi utilisés sont interchangeables dans des circonstances appropriées et que les modes de réalisation de l'invention décrits ici sont capables de fonctionner dans d'autres séquences que celles décrites ou illustrées ici. La récitation des plages numériques par points de terminaison comprend tous les nombres et fractions inclus dans cette plage, ainsi que les points de terminaison indiqués. Alors que les termes «un ou plusieurs» ou «au moins un», comme un ou plusieurs ou au moins un membre (s) d'un groupe de membres, sont clairs en soi, au moyen d'autres exemples, le terme englobe entre autres une référence à l'un quelconque desdits membres, ou à deux ou plusieurs desdits membres, tels que, par exemple, tout 23, 24, 25, 26 ou 27 etc. desdits membres, et jusqu'à tous lesdits membres. Un «plasma thermique» tel qu'utilisé ici se réfère à un plasma dans lequel la température des électrons, la température des ions et la température du gaz est quasiment identique. De préférence, la température absolue des électrons Te, des ions Ti et du gaz Ts s'écarte au plus de 20%, plus préférablement la température absolue entre les ions Ti et les électrons Te s'écarte au plus de 15%, plus préférablement la température absolue entre les ions et les électrons s'écarte au plus de 10%, plus préférablement la température absolue entre les ions et les électrons s'écarte au plus de 5%, de manière préférée entre toutes la température absolue entre les ions et les électrons s'écarte au plus de 1%. Un «plasma non thermique» ou «plasma froid» tel qu'utilisé ici se réfère à un plasma qui n'est pas à l'équilibre thermodynamique, puisque la température des électrons Te est bien plus élevée que la température des espèces lourdes (ions et espèces — neutres). La température des électrons Te est bien plus élevée que la température des ions Ti et du gaz.
Un «plasma hybride» tel qu'utilisé ici se réfère à une superposition d'un plasma thermique et non thermique. De préférence, un plasma hybride présente des zones qui forment un plasma hybride, à savoir des zones dans lesquelles les ions et les électrons sont à l'équilibre thermodynamique et des zones qui forment un plasma non thermique, à savoir les électrons sont à une température sensiblement plus élevée que les ions et les espèces neutres. La «plasmalyse hybride» telle qu'utilisée ici se réfère à la décomposition de substances sous l'influence d'un plasma hybride. Elle comporte en outre la recombinaison possible d'espèces ionisées en produits finaux qui ne sont généralement pas ionisés. Sauf définition contraire, tous les termes utilisés pour divulguer l'invention, y compris les termes techniques et scientifiques, ont la signification telle qu'elle est communément comprise par l'homme du métier auquel appartient cette invention. Au moyen d'indications supplémentaires, des définitions des termes utilisés dans la description sont incluses pour mieux apprécier l'enseignement de la présente invention. Les termes ou définitions utilisés ici sont fournis uniquement pour aider à la compréhension de l'invention.
Une référence tout au long de cette description à "un mode de réalisation" ou "un mode de réalisation" signifie qu'une caractéristique, structure ou caractéristique particulière décrite en relation avec le mode de réalisation est incluse dans au moins un mode de réalisation de la présente invention. Ainsi, les apparitions des expressions «dans un mode de réalisation» ou «dans un mode de réalisation» à divers endroits tout au long de cette description ne se réfèrent pas nécessairement toutes au même mode de réalisation, mais le peuvent. En outre, les caractéristiques, structures ou caractéristiques particulières peuvent être combinées de toute manière appropriée, comme cela apparaîtra à l'homme du métier à partir de cette divulgation, dans un ou plusieurs modes de réalisation. En outre, bien que certains modes de réalisation décrits ici incluent certaines mais pas d'autres caractéristiques incluses dans d'autres modes de réalisation, des combinaisons de caractéristiques de différents modes de réalisation sont censées être dans la portée de l'invention, et forment des modes de réalisation différents, comme le comprendra l'homme du métier. Par exemple, dans les revendications suivantes, n'importe lequel des modes de réalisation revendiqués peut être utilisé dans n'importe quelle combinaison.
Dans un premier aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - des moyens de génération de plasma adaptés pour ioniser un milieu gazeux à l'intérieur dudit espace de réacteur, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit réacteur à plasma comprend en outre un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale.
Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la largeur H entre le disque — d'expansion de gaz aval et le disque d'expansion de gaz amont est inférieure à 100 cm, plus préférablement inférieure à 75 cm, plus préférablement inférieure à 50 cm, plus préférablement inférieure à 25,00 cm. , plus préférablement inférieur à 20,00 cm, plus préférablement inférieur à 10,00 cm, plus préférablement inférieur à 8,00 cm, plus préférablement inférieur à 6,00 cm, plus préférablement inférieur à 5,00 cm, plus préférablement inférieur à 4,00 cm, plus préférablement inférieur à 3,00 cm, plus préférablement inférieure à 2,00 cm, plus préférablement inférieure à 1,00 cm, plus préférablement inférieure à 0,80 cm, plus préférablement inférieure à 0,60 cm, plus préférablement inférieure à 0,50 cm, plus préférablement inférieure à 0,40 cm, plus préférablement inférieure à 0,30 cm, plus de préférence inférieure à 0,25 cm, plus préférablement inférieure à 0,20 cm.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit disque d'expansion de gaz amont est pourvu de moyens d'échange thermique.
Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, ledit disque d'expansion de gaz aval est pourvu de — moyens d'échange de chaleur.
Dans un mode de réalisation plus préféré, à la fois le disque d'expansion de gaz amont et le disque d'expansion de gaz aval sont pourvus de moyens d'échange de chaleur.
Des moyens d'échange de chaleur sont connus dans l'art. Dans un mode de réalisation préféré, les disques d'expansion de gaz sont pourvus de passages de fluide creux. Ces passages de fluide peuvent être utilisés pour chauffer un fluide, tel que de l'eau. Le refroidissement est avantageux car la gestion thermique de l'espace du réacteur permet de maintenir sa durabilité et de réduire les coûts de production. De plus, la récupération de chaleur améliore l'efficacité thermique du réacteur à plasma et réduit ses coûts d'exploitation. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le disque d'injection amont est un cylindre creux. Plus préférablement, ledit cylindre creux est pourvu d'une entrée tangentielle de gaz de préchauffage. Le cylindre creux est en outre pourvu d'une sortie axiale de gaz de préchauffage, qui est en communication fluidique avec l'entrée axiale de gaz du premier mode de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation préféré est montré sur la figure 8. Un gaz réactif sous pression (1) est fourni tangentiellement à la partie externe du cylindre creux qui le double sous la forme d'un disque d'expansion de gaz amont (4), où il forme un vortex et est préchauffé par des effets d'échange de chaleur avec le réacteur à plasma. À partir du cylindre creux, le gaz pré-chauffé s'écoule radialement vers le centre à travers un premier ensemble de fentes radiales (3') dans l'entrée axiale de gaz. À partir de l'entrée axiale de gaz, le gaz pré-chauffé s'écoule dans une direction radiale à travers les fentes d'injection radiales (3') dans l'espace de réacteur. Dans un mode de réalisation plus préféré, le cylindre creux est pourvu d'aubes appropriées pour amorcer ou améliorer un écoulement de type vortex et / ou favoriser la turbulence et / ou améliorer l'échange de chaleur. Cette configuration permet au gaz réactif d'être préchauffé avant qu'il soit fourni à l'entrée axiale de gaz et injecté radialement dans l'espace de réacteur. Plus préférablement, le gaz réactif peut être préchauffé en fournissant un gaz sous haute pression dans ledit cylindre creux, moyennant quoi des effets de frottement et des vortex amorcent un écoulement de type vortex global et convertissent la pression en chaleur. De la chaleur additionnelle est fournie par des effets d'échange de chaleur avec le réacteur à plasma. Lorsque de multiples courants de gaz sont utilisés, ceci améliore également le mélange des flux gazeux. Cette conception fournit de manière avantageuse une auto-régulation thermique, une réduction de la difficulté du fonctionnement et une amélioration de la sécurité du réacteur à plasma.
Dans un mode de réalisation plus préféré, le disque d'expansion de gaz aval et le disque d'expansion de gaz amont sont adaptés aux zones de plasma thermique
(dissociation) et aux zones d'échange thermique élevé (trempe, recombinaison, condensation). De préférence, les zones de plasma thermique sont adaptées à un échange thermique limité; y compris des matériaux et / ou des revêtements à conductivité thermique limitée. De préférence, les zones d'échange thermique élevé conviennent pour un échange thermique élevé. Particulièrement des matériaux adaptés à la conductivité thermique; mais aussi des moyens d'échange de chaleur. De préférence, la zone de plasma thermique est radialement plus proche de l'entrée axiale de gaz que la zone d'échange thermique élevé.
Dans un mode de réalisation préféré, le fonctionnement de ces zones à échange de chaleur élevé est commutable, à savoir le fonctionnement entre la trempe et le refroidissement plus lent peut être commuté au besoin. De manière avantageuse, cela permet un réglage de précision de la sélectivité des réactions de recombinaison. Dans un mode de réalisation particulier, les zones à échange de chaleur élevé peuvent être permutées entre les modes refroidissement (lent) et trempe. Ceci peut par exemple permettre de produire soit des formes solides de carbone (noir de carbone amorphe ou formes cristallisées (telles que le graphène ou le graphite)) avec un fonctionnement à refroidissement contrôlé (refroidissement lent plus rapide - à savoir via des échangeurs gaz - liquide) soit, au contraire, des formes carbonées non solides telles que des hydrocarbures de type C2-C5 (par exemple acétylène) dans un fonctionnement de type trempe (vitesse de refroidissement très rapide via un échangeur gaz - vapeur de refroidissement) à partir d'un hydrocarbure de départ (de préférence du méthane).
Un mode de fonctionnement commutable pour régler la sélectivité des réactions peut être obtenu dans divers procédés. En particulier, le disque d'expansion vers le haut et / ou vers le bas peut servir d'échangeur de chaleur. La figure 9 montre une conception de réacteur préférée dans laquelle le disque d'expansion vers le bas est pourvu d'un échangeur de chaleur planaire. L'échangeur de chaleur planaire (16) est — pourvu d'un frigorigène, de préférence un liquide froid pouvant s'évaporer (17), plus préférablement de l'eau. Le frigorigène liquide (17) s'évapore sur l'échangeur de chaleur planaire (16), et la vapeur (18) générée est régénérée pour une réutilisation de la chaleur. Un tel échangeur de chaleur planaire peut fonctionner en mode par évaporation avec de fines gouttelettes de frigorigène pour obtenir une trempe très efficace. L'échangeur de chaleur planaire peut fonctionner en mode liquide / liquide ou par évaporation aux débits inférieurs pour obtenir un refroidissement lent. De préférence, l'échangeur de chaleur planaire fonctionne en mode liquide / liquide. En outre, l'écoulement et la température du frigorigène peuvent être adaptés pour commuter entre des modes trempe et refroidissement lent. Dans un mode de réalisation préféré, l'énergie thermique capturée par le frigorigène est utilisée. Par exemple, la chaleur peut être utilisée directement, elle peut être utilisée en tant qu'échange de chaleur ou pour produire de l'électricité ou pourrait être utilisée en aval pour préchauffer une chambre de réacteur catalytique additionnelle. Un autre mode de réalisation approprié pour un fonctionnement commutable utilise un refroidissement adiabatique. Le présent espace de réacteur se dilate lorsque le plasma se déplace radialement à travers le réacteur, résultant en des courants de gaz divergents. Par conséquent, un refroidissement adiabatique est obtenu.
Dans un autre mode de réalisation approprié pour un fonctionnement commutable, des fluides additionnels (dans le cas de liquides, de préférence des aérosols) peuvent être injectés dans l'espace de réacteur, en particulier dans la zone de plasma ou entre la zone de plasma et la zone de recombinaison. Il est clair que l'injection de fluides ou d'aérosols n'est pas restreinte à la trempe, mais peut également être utilisée pour obtenir d'autres effets souhaitables, tels qu'une dissociation des aérosols, et former des espèces réactives ou juste des gaz tels que de l'hydrogène ou de l'azote dans une post-décharge de plasma. Ceci peut en outre augmenter la puissance du plasma — généré. En variante, un inertage du réacteur peut être obtenu avec par exemple un gaz d'argon ou d'azote. Ceci est bénéfique pour améliorer la sécurité du réacteur lorsque des composés solides explosifs dans l'air sont produits et transportés dans des procédés en aval.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les fentes d'injection radiales sont pourvues d'aubes s'étendant radialement. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, les aubes sont des aubes fixes. C'est-à-dire que les aubes ne tournent pas, ne se règlent pas et ne bougent pas pendant le fonctionnement du réacteur à plasma. Différents types d'aubes sont connus dans la technique et — appropriés pour une utilisation dans le cadre de la présente invention, comprenant mais sans s'y limiter: les aubes linéaires, les aubes de profil aérodynamique, les aubes détachées. Le but desdites aubes est de diriger le flux d'air en expansion dans une direction souhaitée grâce à l'effet Young-Coanda. En particulier, les aubes conviennent pour produire une expansion vortex à l'intérieur de l'espace cylindrique du réacteur. Ceci est avantageux pour améliorer le mélange gaz-plasma, en particulier le micromélange et augmenter le temps de séjour ou le temps de contact des gaz dans la zone de plasma à l'intérieur de l'espace du réacteur pour améliorer l'efficacité de la conversion physico-chimique.
Le moyen de génération de plasma tel que décrit ici est de préférence choisi dans la liste de: une source d'onde, une décharge de barrière diélectrique, un arc de glissement ou une combinaison de ceux-ci. Chacun de ces modes de réalisation sera décrit plus en détail.
Dans un mode de réalisation particulier, l'invention concerne un réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention, dans lequel le moyen de génération de plasma est une source d'ondes. Un plasma peut être formé à partir d'un ou plusieurs gaz de traitement ou d'un mélange gazeux en appliquant un champ électrique à partir d'une alimentation électrique, chauffant ainsi le mélange. Les sources d'ondes appropriées comprennent les ondes de fréquence moyenne, les ondes de radiofréquence (RF) ou les micro-ondes; et peut être couplé de manière inductive ou capacitive. Ces techniques sont connues dans l'art. Le réacteur à plasma selon la présente invention peut être utilisé avec des sources d'ondes à la fois en mode pulsé et en mode continu. Dans un mode de réalisation préféré, le moyen de génération de plasma est une source hyperfréquence.
Dans un mode de réalisation préféré, le moyen de génération de plasma est une source d'ondes avec un guide d'ondes et un dispositif d'adaptation d'impédance. Dans un mode de réalisation plus préféré, plusieurs sources d'ondes et des dispositifs de guide d'ondes et d'adaptation d'impédance sont utilisés. De préférence, ces multiples guides d'ondes et dispositifs d'adaptation d'impédance sont montés radialement par rapport au réacteur. Les micro-ondes sont une source ponctuelle puissante. Le guide d'ondes et le boîtier d'adaptation d'impédance peuvent être utilisés pour injecter de l'énergie là où cela est nécessaire sans nécessiter d'électrodes dans le réacteur. L'interférence constructive peut être utilisée pour obtenir des zones de plasma avec une dissociation moléculaire élevée. Des interférences destructives peuvent être — utilisées pour réduire la densité de puissance dans d'autres zones.
Les ondes créées par la source d'onde sont de préférence des ondes planes. Les ondes créées par la source d'ondes sont de préférence des ondes stationnaires. Les ondes stationnaires sont bien adaptées pour créer des zones de densité de puissance maximale et minimale en raison des interférences. Cela est particulièrement vrai lorsque plusieurs sources d'ondes sont utilisées. Les ondes stationnaires sont plus faciles à contrôler en ce qui concerne les interférences; en particulier lors de la prise en compte de l'injection avant / réflexion arrière. Ceci est avantageux pour générer des zones de forte dissociation et des zones qui permettent une recombinaison efficace; améliorant ainsi l'efficacité énergétique du réacteur.
Dans un mode de réalisation particulier du premier aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie, - au moins une source d'ondes et - au moins un guide d'ondes et une boîte d'adaptation d'impédance configurés pour créer des ondes planes au moins partiellement à l'intérieur de l'espace du réacteur.
Dans un autre mode de réalisation particulier, l'invention concerne un réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention, dans lequel le moyen de génération de plasma est une décharge à barrière diélectrique (DBD). Dans un mode de réalisation préféré, le réacteur à plasma comprend à la fois un disque d'expansion de gaz en — amont et un disque d'expansion de gaz en aval ayant un coeur ou électrode interne électriquement conducteur et un revêtement diélectrique externe, approprié pour générer un plasma DBD. Le plasma DBD est généré en connectant une première électrode à un générateur haute tension (modes CA et CC pulsé) et en mettant à la masse la seconde électrode. Des matériaux appropriés pour les électrodes peuvent être choisis parmi, mais sans s'y limiter, l'acier inoxydable, les alliages métalliques réfractifs et les carbures conducteurs. Des matériaux appropriés pour un revêtement diélectrique peuvent être choisis parmi, mais sans s'y limiter, AI203, SiO2 et ZrO2. Avantageusement, la puissance est répartie de manière homogène entre les électrodes. Ceci conduit à un grand chevauchement avec le gaz en expansion entre — lesdites électrodes. De plus il permet de désigner une première zone à plasma froid, adaptée à la dissociation des réactifs et une seconde zone sans plasma, adaptée à la condensation et à la recombinaison. Ces zones sont étroitement contrôlées par la géométrie des disques d'expansion de gaz amont et aval. De plus, le chevauchement entre la distribution d'énergie et le gaz en expansion est important en raison de la conception du réacteur.
Dans un mode de réalisation particulier du premier aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel le disque d'expansion de gaz amont et le disque d'expansion de gaz aval comprennent un noyau interne conducteur et un noyau externe revêtement diélectrique, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'invention concerne un réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention, dans lequel le moyen de génération de plasma est une génération de plasma à arc glissant. Un plasma hybride à arc glissant est généré entre une paire d'électrodes. De préférence, plusieurs paires d'électrodes (c'est-à-dire un nombre pair d'électrodes) sont utilisées. Dans un mode de réalisation préféré, ces électrodes sont prévues sur un disque d'expansion de gaz en aval ou un disque d'expansion de gaz en amont. Dans un mode de réalisation, les paires d'électrodes peuvent être prévues sur un disque d'expansion de gaz en aval. Dans un autre mode de réalisation, les paires d'électrodes peuvent être prévues sur un disque d'expansion de gaz amont. Dans un autre mode de réalisation, la première électrode des paires d'électrodes peut être prévue sur un disque d'expansion de gaz en amont et la seconde électrode des paires d'électrodes peut être prévue sur le disque d'expansion de gaz en aval. De préférence, les électrodes sont en forme de fil — etorientées radialement. Plus préférablement, les électrodes ont un diamètre de 0,05 mm à 2,00 mm, mieux encore de 0,10 mm à 1,00 mm. Le nombre de paires d'électrodes, leur géométrie (localisation dans le réacteur, longueur …) la puissance électrique (tension et courant) détermine la densité de puissance au sein du gaz en expansion. Les électrodes sont faites de matériaux résistants à la température et conducteurs. De tels matériaux peuvent être choisis parmi, mais sans s'y limiter, l'acier inoxydable, les alliages métalliques à haute température de fusion, les conducteurs et les céramiques (c'est-à-dire le carbone). La gestion de la distribution électrique et du rapport tension / courant est essentielle. Ceci peut être réalisé en connectant des paires d'électrodes en parallèle (courant élevé divisé entre toutes les paires d'électrodes) et en série (chutes de courant et de tension uniques à chaque paire d'électrodes).
Les réacteurs à arc glissant peuvent fonctionner avec diverses sources de tension, y compris, mais sans s'y limiter, les courants CC, CC pulsé, CA monophasé, triphasé et multiphasé. Les courants peuvent être pulsés, par exemple en courant continu pulsé pour augmenter la puissance de crête, avec une haute fréquence correspondant de préférence à l'impédance de l'arc. Dans un autre mode de réalisation particulier du premier aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma comprenant: —- un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel au moins une paire d'électrodes a été déposée sur ledit disque d'expansion de gaz aval, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
Dans un autre mode de réalisation particulier du premier aspect, l'invention concerne un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur,
- au moins une paire d'électrodes comprenant une première et une seconde électrode, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel la première électrode est déposée sur ledit disque d'expansion de gaz aval, - un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel la deuxième électrode est déposée sur ledit disque d'expansion de gaz amont, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
Dans un deuxième aspect, la présente invention concerne un réacteur à plasma à plusieurs étages comprenant au moins une cellule de réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention.
De préférence, le réacteur à plasma à plusieurs étages comprend un empilement de réacteurs à plasma selon le premier aspect de l'invention.
Dans un mode de réalisation préféré, ledit réacteur à plasma à plusieurs étages utilise une seule entrée de gaz commune.
Le réacteur plan selon la présente — invention peut avantageusement être empilé autour d'une seule entrée de gaz commune.
Cela permet une mise à l'échelle pratique et facile.
La mise à l'échelle peut en outre être utilisée de manière modulaire si cela est souhaité.
En outre, le réacteur à plasma à plusieurs étages dans son ensemble n’a pas la forme plane d’un étage unique et peut être conçu pour mieux s'adapter à un espace disponible ou à des — contraintes de conception; tout en conservant les avantages d'une efficacité de réaction thermique et plasma améliorée associée à la forme plane d'un étage unique.
Dans un troisième aspect, la présente invention concerne l'utilisation d'un réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention ou d'un réacteur à plusieurs étages selon le deuxième aspect de la présente invention.
Dans un mode de réalisation préféré du troisième aspect, le réacteur à plasma est utilisé pour des réactions de dissociation thermique des gaz.
Des exemples appropriés comprennent, mais sans s'y limiter, la dissociation thermique d'hydrocarbures, H2S, — H2Se et ainsi de suite.
Dans un autre mode de réalisation préféré du troisième aspect, le réacteur à plasma est utilisé pour des réactions chimiques gazeuses.
Dans un mode de réalisation plus préféré, la réaction peut être utilisée pour permettre des réactions de type Sabatier en l'absence de catalyseur; c'est-à-dire reformer du CO2 et de l'hydrogène en hydrocarbures et / ou reformer de l'azote gazeux et de l'hydrogène gazeux en ammoniac.
Dans un mode de réalisation préféré, la présente invention concerne l'utilisation d'un réacteur à plasma selon le premier aspect de l'invention ou d'un réacteur à plusieurs étages selon le deuxième aspect de la présente invention pour la plasmalyse hybride d'hydrocarbures, de préférence de méthane, en hydrogène et carbone noir.
La décomposition par plasma pyrolytique d'hydrocarbures, tels que le méthane, en noir de carbone et en hydrogène est connue.
Cependant, de nombreux problèmes avec cette technologie demeurent.
Par conséquent, l'hydrogène gris à l'échelle industrielle est généralement produit avec du CO2 important comme sous-produit par reformage à la vapeur d'hydrocarbures plutôt que par plasmalyse hybride d'hydrocarbures.
En particulier, les réacteurs à plasma connus dans la technique nécessitent de faibles pressions d'entrée d'hydrocarbures et fournissent de l'hydrogène à une faible pression de sortie, dont aucun ne convient pour une application industrielle.
De plus, le rendement thermique des réacteurs est généralement faible.
En général, le rendement est faible car les conditions appropriées pour la décomposition des hydrocarbures et la formation d'hydrogène et de noir de carbone ne se produisent que dans un petit segment de l'espace du réacteur.
Le réacteur à plasma de la présente invention surmonte ou améliore plusieurs de ces problèmes.
Cependant, il est évident que l'invention n'est pas limitée à cette application.
Le réacteur selon l'invention peut être utilisé dans toutes sortes de réactions à haute température, en particulier les réactions plasma et les réactions gazeuses.
Les réactions gazeuses ainsi que le «gaz réactif» tels que décrits ici se réfèrent à des mélanges de gaz homogènes ainsi qu'à des dispersions dans lesquelles le milieu continu est un gaz.
En particulier, des dispersions liquide-gaz (aérosols) et des dispersions solide-gaz (aérosols solides) peuvent également être employées dans la présente invention, aussi bien en tant que gaz réactif qu'intermédiaire formé à tout étage du réacteur.
De tels intermédiaires peuvent être formés en raison des réactions — chimiques et au plasma qui se produisent dans le réacteur à plasma, mais peuvent également être formés par dispersion intentionnelle de solides ou de liquides en tout point dans l'espace du réacteur.
L'invention est décrite plus en détail par les exemples non limitatifs suivants qui illustrent davantage l'invention, et ne sont pas destinés à, ni ne doivent être interprétés comme limitant la portée de l'invention.
La présente invention sera maintenant décrite plus en détail, en référence à des exemples non limitatifs. EXEMPLES ET / OU DESCRIPTION DES FIGURES Dans le but de mieux illustrer les propriétés de l'invention, ce qui suit présente, à titre d'exemple et ne limitant en aucune façon d'autres applications potentielles, une description d'un certain nombre d'applications préférées du procédé d'examen de l'état du coulis utilisé dans une connexion mécanique basé sur l'invention, dans lequel: Une vue de côté en coupe et une vue de dessus en coupe d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma est représentée sur la figure 1. Le réservoir à haute pression 1 alimente l'entrée de gaz axiale 2 avec des réactifs gazeux ou vaporisés. La pression dans l'entrée axiale de gaz peut aller jusqu'à 20-50 bar. Ceci est avantageux car des pressions plus élevées permettent un débit de gaz plus élevé. De plus, les gaz industriels sont généralement stockés et transférés à haute pression. Il est avantageux d'utiliser au moins l'énergie potentielle du gaz sous pression.
— Le gaz sous pression pénètre dans l'espace du réacteur à travers les fentes d'injection radiales 3. Le courant de gaz en expansion 5 se dilate radialement à l'intérieur de l'espace du réacteur. Le disque d'expansion de gaz en aval 6 supporte l'expansion du film de gaz en raison de l'effet Young-Coanda. Le diamètre de ce disque peut être ajusté pour atteindre une pression et une vitesse radiale souhaitées du gaz en expansion. Il peut également être utilisé pour affiner la distribution de puissance du plasma dans le réacteur. Le disque d'expansion de gaz en amont facultatif aide également à façonner le courant d'expansion de gaz et à ajuster la pression du gaz et la vitesse radiale. Les propriétés du gaz peuvent en outre être ajustées par variation du diamètre du disque d'expansion de gaz amont ainsi que de la largeur H entre les disques d'expansion de gaz amont et aval. L'espace du réacteur est entouré d'un caisson externe 7 de la chambre du réacteur, pourvu de moyens de sortie de gaz (non aspirés).
La figure 2 montre une illustration d'une vue latérale en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma à un ou plusieurs étages selon la présente invention.
Plusieurs étages du réacteur à plasma peuvent être empilés autour d'une entrée de gaz axiale étendue.
La figure 3 montre un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec génération de plasma ondulé.
Une source d'ondes ou magnétron 8 est utilisée pour générer des ondes.
Ces ondes sont guidées et ajustées avec un guide d'ondes et une boîte d'adaptation d'impédance 9. De multiples magnétrons et guides d'ondes et boîtes d'impédance peuvent être utilisés, de préférence dans un agencement radial, pour obtenir des transferts de puissance élevés à travers les ondes vers le gaz s'étendant.
De plus, le guide d'ondes et le boîtier d'adaptation d'impédance peuvent être configurés pour des zones d'interférence constructive afin d'obtenir des zones dans l'espace du réacteur avec une puissance d'entrée élevée.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le plasma est généré par une série de multiples sources d'ondes, en particulier des sources ponctuelles évanescentes (19). Les figures 10A, 110B et 10C montrent une représentation schématique d'un tel mode de réalisation préféré.
Celui-ci permet d'obtenir une augmentation de la densité de puissance du plasma à proximité de la région amont du réacteur par utilisation d'une source ponctuelle évanescente.
La distance entre les multiples sources d'ondes ajuste la densité de puissance.
De préférence, un plasma toroïdal ayant une densité d'énergie relativement uniforme est créé.
En particulier, l'utilisation d'antennes permettant la génération d'un plasma maintenu par des micro-ondes permet la création d'une zone de plasma toroïdal pouvant être créée autour du point d'injection de gaz.
Ces sources à densité élevée fournissent des concentrations élevées d'espèces réactives et d'électrons.
Ces espèces sont les vecteurs énergétiques du plasma qui permettent la dissociation des molécules, qui a toujours lieu via des processus collisionnels impliquant des électrons.
En général, la production d'espèces excitées est plus efficace dans le cas continu que dans le cas à haute fréquence lorsque la densité électronique est constante.
Toutefois, si l'on souhaite évaluer l'efficacité des différents plasmas d'un point de vue pratique, il est important de considérer la production d'espèces à densité de puissance absorbée constante.
La — modélisation de la densité des états excités en fonction de l'énergie d'excitation pour une densité de puissance constante montre que le cas continu n'est jamais le plus favorable mais qu'il est préférable de travailler à des fréquences plus élevées.
Par ailleurs, les réactions de dissociation ont des sections transversales maximales pour les électrons de faible énergie.
Si nous considérons l'influence de la fréquence d'excitation du champ électrique sur les densités et les distributions d'énergie à l'intérieur du plasma, il apparaît que lorsque la fréquence augmente, la densité électronique augmente et l'énergie moyenne des électrons diminue. Le choix de la fréquence des micro-ondes est donc justifié ici dans l'utilisation de ce type de plasma pour la dissociation des molécules d'hydrocarbure.
Bien que les sources de plasma à micro-ondes soient bien connues pour leurs performances en termes de création de densités élevées des espèces réactives, elles ont souvent été considérées comme étant difficiles à obtenir dans les systèmes industriels où d'importants volumes de plasma sont requis. En conséquence, pour créer un volume important de plasma, il est important de franchir la densité critique qui limite la propagation des ondes. La densité critique est la densité des espèces chargées dans un plasma au-delà de laquelle l'onde est réfléchie. Ceci limite la propagation longue portée de l'onde d'excitation et limite par conséquent la propagation du plasma lui-même. Le plasma a un effet auto-protecteur. Pour surmonter cette limitation, il est nécessaire de répartir les sources de plasma de manière intelligente pour générer une zone annulaire de plasma uniforme ayant une teneur énergétique élevée.
Un schéma d'un mode de réalisation préféré est montré sur la figure 10B. Dans ce mode de réalisation, les antennes (12) sont agencées autour de la circonférence d'un cercle pour créer un tore de plasma qui permet au gaz de quitter la buse (3) pour être traité uniformément avec un plasma à micro-ondes de densité élevée pour augmenter au maximum la conversion.
Tel que montré schématiquement sur la figure 10C, en agençant les antennes à une inter-distance égale mais bien choisie, il est ainsi possible de générer un puissant plasma de symétrie axiale situé à une distance R du centre du réacteur. La distance optimale créera une densité de puissance résultante optimale le long de l'axe par chevauchement des ondes évanescentes provenant de chaque antenne. Ceci permettra la création du tore de plasma uniforme réparti sur le cercle reliant le centre des antennes.
Les figures 4A, 4B et 4C illustrent un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec génération de plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD). DBD nécessite deux électrodes revêtues d'un matériau diélectrique.
Dans un mode de réalisation préféré, les électrodes sont les disques d'expansion de gaz amont et aval tels qu'illustrés sur la figure 4C.
Le noyau du disque d'expansion de gaz amont 10 et du disque d'expansion de gaz aval 12 est constitué d'un matériau conducteur tel que de l'acier inoxydable, des alliages métalliques réfractifs, des carbures conducteurs et des oxydes métalliques conducteurs.
La surface externe du disque d'expansion de gaz amont et du disque d'expansion de gaz aval sont gainés ou revêtus d'un matériau diélectrique tel que AI203, SiO2 ou ZrO2. En appliquant un générateur haute tension à une électrode 10 ou 12 et en mettant à la masse l'autre électrode, une décharge de barrière diélectrique est créée.
Cette configuration est avantageuse car la puissance du plasma est générée de manière homogène à l'intérieur de l'espace intermédiaire entre les disques d'expansion de gaz vers le bas et vers le haut.
De plus, il y a un chevauchement parfait avec la couche de gaz en expansion.
En limitant la longueur des disques d'expansion de gaz ou des noyaux d'électrodes à l'intérieur des disques d'expansion de gaz, une première zone de dissociation de plasma bien contrôlée peut être créée dans l'espace du réacteur suivie d'une seconde zone de condensation et de recombinaison.
Par exemple, le méthane peut être dissocié en — hydrogène atomique, carbone et leurs ions dans la zone de dissociation et par conséquent condensé pour former de l'hydrogène gazeux H2 et des nanopoudres de carbone dans la zone de condensation.
Les figures 5A et 5B illustrent un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec des moyens de génération de plasma à arc glissant.
Un plasma hybride à arc glissant est généré entre une paire d'électrodes 15.I et 15.II.
Un arc électrique peut être allumé à l'intérieur de la couche de gaz dans l'espace du réacteur, de préférence à proximité des fentes d'injection de gaz.
Cela crée une zone de plasma thermique qui favorise une forte dissociation du gaz réactif (zone de dissociation). Au fur et à mesure que le gaz se dilate radialement, la densité de puissance diminue en créant des zones avec un plasma plus froid et / ou sans plasma permettant le processus de condensation.
Le disque d'expansion de gaz aval et le disque d'expansion de gaz amont facultatif peuvent avantageusement être utilisés pour maintenir les électrodes 15.1 et 15.II.
La figure 5C illustre un mode de réalisation de moyens de génération de plasma à arc glissant dans lequel les deux électrodes 15.I et 15.II sont positionnées sur un disque d'expansion de gaz en amont 4. Dans un autre mode de réalisation, les deux électrodes 15.1 et 15.11 peuvent être positionnées en aval. disque d'expansion de gaz
6. La figure 5D illustre un mode de réalisation d'un moyen de génération de plasma à arc glissant dans lequel une première électrode 15.1 est positionnée sur le disque d'expansion de gaz amont 4 et une seconde électrode 15.11 est positionnée sur le disque d'expansion de gaz aval. Les électrodes sont constituées d'un matériau conducteur qui peut résister à des températures élevées, tel qu'un fil d'acier inoxydable, divers alliages à haute température de fusion, des céramiques électriquement conductrices, etc. Des techniques de dépôt appropriées sont connues dans l'art. Les électrodes sont de préférence en forme de fil et positionnées dans une direction radiale. Les électrodes ont de préférence une épaisseur comprise entre 0,05 et 2 mm, plus préférentiellement entre 0,1 et 1 mm. Une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma sans aubes est représentée sur la figure 6A. une vue de dessus en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un réacteur à plasma avec des aubes est représentée sur la figure 6B. Des aubes statiques, de préférence fixées à proximité des fentes d'injection de gaz sur le côté de l'espace du réacteur peuvent être utilisées pour ajuster l'angle d'injection et l'écoulement des réactifs gazeux dans l'espace du réacteur par effet Young-Coanda. En particulier, des vortex ou des turbulences peuvent être créés. Cela peut améliorer le mélange du gaz et du plasma dans le réacteur. Un écoulement vortex a un trajet d'écoulement significativement augmenté à l'intérieur du réacteur, qui est associé à une plus grande réduction de la vitesse du gaz à l'intérieur dudit réacteur. Ceci est avantageux pour permettre à l'entrée de gaz axiale de fonctionner à des pressions plus élevées. Un graphique montrant le rapport des forces dissipatives aux forces d'inertie PP / PK [-] dans l'espace du réacteur en fonction de la largeur H [m] entre un disque d'expansion en amont et un disque d'expansion en aval est montré sur la figure 7A.
Il s'ensuit que la dissipation cinétique est élevée pour les faibles largeurs H. En particulier lorsque H est inférieur à 0,01 cm, les forces cinétiques sont plus importantes que les forces d'inertie. Ce graphique suppose une vitesse maximale du gaz vmax de 340 m/s et un rayon de réacteur L de 0,5 m.
Un graphique représentant le rapport des forces dissipatives aux forces d'inertie PP / PK [-] du gaz en expansion dans l'espace du réacteur en fonction de la vitesse du gaz (m / s) est montré sur la figure 7B. Ce graphique montre le cas de la largeur H
[m] entre un disque d'expansion amont et un disque d'expansion aval de 1 cm et 0,25 cm respectivement.
À des vitesses de gaz suffisamment faibles, une largeur H de 1 cm est suffisante pour une dissipation cinétique élevée.
A des vitesses de gaz élevées, une dissipation cinétique élevée par rapport aux forces d'inertie peut être maintenue à une largeur H de 0,25 cm.
La présente invention n'est en aucun cas limitée aux modes de réalisation décrits dans les exemples et / ou représentés sur les figures.
Au contraire, les procédés selon la présente invention peuvent être réalisés de nombreuses manières différentes sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (15)
1. Réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - des moyens de génération de plasma adaptés pour ioniser un milieu gazeux à l'intérieur dudit espace de réacteur, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
2. Réacteur à plasma selon la revendication 1, dans lequel ledit réacteur à plasma comprend en outre un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement à partir de l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale.
3. Réacteur à plasma selon la revendication 2, dans lequel la largeur H entre le disque d'expansion de gaz aval et le disque d'expansion de gaz amont est inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm, plus préférentiellement inférieure à 1 cm.
4. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit réacteur à plasma comprend en outre un disque d'expansion de gaz amont creux, dans lequel ledit disque d'expansion de gaz amont est de préférence un cylindre creux, dans lequel ledit disque d'expansion de gaz amont creux est pourvu d'une entrée tangentielle de gaz de préchauffage et d'une sortie axiale de gaz de préchauffage, dans lequel ladite sortie axiale de gaz de préchauffage est en communication fluidique avec l'entrée axiale de gaz.
5. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit disque d'expansion de gaz aval est pourvu de moyens d'échange de chaleur.
6. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les fentes d'injection radiales sont pourvues d'aubes s'étendant radialement.
7. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de génération de plasma est choisi dans la liste de: une source d'onde, une décharge à barrière diélectrique (DBD), un arc de glissement ou une combinaison de ceux-ci.
8. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un réacteur à plasma comprenant : - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - Un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie, - au moins une source d'ondes et - au moins un guide d'ondes et une boîte d'adaptation d'impédance configurés pour créer des ondes planes au moins partiellement à l'intérieur de l'espace du réacteur.
9. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, - un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel le disque d'expansion de gaz amont et le disque d'expansion de gaz aval comprennent un noyau interne conducteur et un noyau externe revêtement diélectrique, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
10.Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel au moins une paire d'électrodes a été déposée sur ledit disque d'expansion de gaz aval, et - un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
11.Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un réacteur à plasma comprenant: - un espace réacteur, - une entrée axiale de gaz adaptée à un écoulement de fluide dans une direction axiale, ladite entrée axiale comprenant des fentes d'injection radiales pour décharger un jet de mélange gazeux dans ledit espace de réacteur, - au moins une paire d'électrodes comprenant une première et une seconde électrode, - un disque d'expansion de gaz aval, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en aval desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel la première électrode est déposée sur ledit disque d'expansion de gaz aval, - un disque d'expansion de gaz amont, qui s'étend radialement depuis l'entrée coaxiale et est situé en amont desdites fentes d'injection radiale par rapport à ladite direction axiale, dans lequel la deuxième électrode est déposée sur ledit disque d'expansion de gaz amont, et - Un conteneur de réacteur cylindrique, coaxial à ladite entrée de gaz, englobant ledit espace de réacteur, ledit conteneur de réacteur comprenant des moyens de sortie.
12.Réacteur à plasma selon la revendication 4 précédente, dans lequel ledit moyen d'échange de chaleur est approprié pour un mode de refroidissement liquide-liquide et un mode de refroidissement par évaporation; et dans lequel ledit moyen d'échange de chaleur est approprié pour commuter entre un mode de refroidissement liquide-liquide et un mode de refroidissement par évaporation.
13. Réacteur à plasma à plusieurs étages comprenant un empilement de réacteurs à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 précédentes.
14. Utilisation d'un réacteur à plasma ou d'un réacteur à plasma à plusieurs étages selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
15.Utilisation d'un réacteur à plasma ou réacteur à plasma à plusieurs étages selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour la plasmalyse hybride du méthane en hydrogène.
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0675925A1 (fr) * | 1992-12-23 | 1995-10-11 | Kvaerner Engineering A/S | Procede et dispositif de decomposition pyrolytique d'hydrocarbures |
| WO2008138117A1 (fr) * | 2007-05-11 | 2008-11-20 | Plasco Energy Group Inc. | Système de reformulation de gaz comprenant des moyens d'optimisation de l'efficacité de conversion d'un gaz |
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| Date | Code | Title | Description |
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| FG | Patent granted |
Effective date: 20221028 |