CA2504901C - Electrical heating reactor for gas phase reforming - Google Patents
Electrical heating reactor for gas phase reforming Download PDFInfo
- Publication number
- CA2504901C CA2504901C CA2504901A CA2504901A CA2504901C CA 2504901 C CA2504901 C CA 2504901C CA 2504901 A CA2504901 A CA 2504901A CA 2504901 A CA2504901 A CA 2504901A CA 2504901 C CA2504901 C CA 2504901C
- Authority
- CA
- Canada
- Prior art keywords
- gas
- reforming
- electrodes
- reactor
- packing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- 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
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
- B01J8/0207—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly horizontal
- B01J8/0221—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly horizontal in a cylindrical shaped bed
-
- 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
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
-
- 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
- B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
- B01J19/2495—Net-type reactors
-
- 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
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
- B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
-
- 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
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/342—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents with the aid of electrical means, electromagnetic or mechanical vibrations, or particle radiations
-
- 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
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
- C01B3/386—Catalytic partial combustion
-
- 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
- B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
- B01J2208/00008—Controlling the process
- B01J2208/00017—Controlling the temperature
- B01J2208/00389—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
- B01J2208/00415—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements electric resistance heaters
-
- 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
- B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
- B01J2208/00008—Controlling the process
- B01J2208/00017—Controlling the temperature
- B01J2208/00477—Controlling the temperature by thermal insulation means
- B01J2208/00495—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
-
- 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
- B01J2219/00002—Chemical plants
- B01J2219/00027—Process aspects
- B01J2219/00029—Batch processes
-
- 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
- B01J2219/00002—Chemical plants
- B01J2219/00027—Process aspects
- B01J2219/00033—Continuous processes
-
- 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
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
-
- 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
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
- B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
-
- 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
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0845—Details relating to the type of discharge
- B01J2219/0847—Glow discharge
-
- 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
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0873—Materials to be treated
- B01J2219/0875—Gas
-
- 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
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
-
- 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
- C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
- C01B2203/0222—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic carbon dioxide 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
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
- C01B2203/0238—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a carbon dioxide 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
- C01B2203/085—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by electric heating
-
- 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
- C01B2203/0861—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by plasma
-
- 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
- C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
- C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
- C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
-
- 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
- C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
- C01B2203/1264—Catalytic pre-treatment of the feed
- C01B2203/127—Catalytic desulfurisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/141—Feedstock
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
RÉACTEUR A CHAUFFAGE ÉLECTRIQUE POUR LE REFORMAGE
EN PHASE GAZEUSE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le champ d'application de cette invention réside dans l'utilisation de l'électricité pour réaliser le reformage notamment de gaz naturels, de gaz organiques, d'hydrocarbures légers ou de biogaz, en vue de leur conversion particulièrement en gaz de synthèse, c'est-à-dire en mélanges à base notamment de monoxyde de carbone, dioxyde de carbone et d'hydrogène pouvant être utilisés, entre autres, pour la production de produits chimiques de base tels que le méthanol et le diméthyléther. La présente invention s'inscrit par ailleurs comme une option favorable à la stabilisation des émissions de gaz à effet de serre (GES), en ce sens que le réacteur électrique de reformage dont fait l'objet ladite invention peut être alimenter notamment par du gaz carbonique (consommation de gaz carbonique).
ART ANTÉRIEUR
Il est connu depuis 1834 que l'on peut'produire un mélange gazeux combustible, appelé gaz de synthèse, composé des molécules simples de monoxyde carbone et d'hydrogène par réaction à haute température du charbon avec de la vapeur d'eau. Ce gaz est utilisé depuis longtemps pour le chauffage ( city gas ) ainsi que pour la synthèse de produits de base dont l'ammoniac et le méthanol, de même que pour la production d'hydrocarbures (réactions de Fischer-Tropsch).
Le gaz de synthèse est toujours utilisé comme intermédiaire chimique, mais il est principalement produit à partir du gaz naturel qui, au fil des ans, se substitua avantageusement au charbon (Fauvarque, X, Le gaz de synthèse : De la synthèse chimique à la production d'électricité , Info Chimie Magazine, n - avril (2001), pp. 84-88). REACTOR WITH ELECTRIC HEATING FOR REFORMING
GAS PHASE
FIELD OF THE INVENTION
The scope of this invention lies in the use of electricity for the reforming of natural gas, gas organic hydrocarbons, light hydrocarbons or biogas, with a view to their conversion particularly in synthesis gas, that is to say in mixtures based in particular carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen that can be used, inter alia, for the production of basic chemicals such as than methanol and dimethyl ether. The present invention is moreover as a favorable option for the stabilization of greenhouse gas emissions.
greenhouse gas (GHG), in that the electrical reforming reactor subject said invention can be fed in particular by carbon dioxide (carbon dioxide consumption).
PRIOR ART
It has been known since 1834 that it is possible to produce a combustible gas mixture, called synthesis gas, composed of simple carbon monoxide molecules and hydrogen by high temperature reaction of coal with steam of water. This gas has been used for a long time for heating (city gas) so for the synthesis of commodities including ammonia and methanol, same as for the production of hydrocarbons (Fischer-Tropsch reactions).
Synthesis gas is still used as a chemical intermediate, but is produced primarily from natural gas, which over the years has substituted advantageously with coal (Fauvarque, X, the synthesis gas: De la chemical synthesis to electricity production, Info Chimie Magazine, n - April (2001), pp. 84-88).
2 En principe, tous les produits hydrocarbonés dérivant des ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel, etc.) ou de la biomasse peuvent être transformés en gaz de synthèse. En général, on utilise le reformage à la vapeur d'eau pour les hydrocarbures légers (points d'ébullition inférieurs à 200 C) tel que l'on en retrouve dans le gaz naturel. Dans le cas des solides carbonés (charbon, biomasse forestière, lignine, etc.) et des hydrocarbures lourds (goudrons, huiles lourdes), on utilise respectivement la technique de gazéification et d'oxydation partielle à l'oxygène ou à l'air (Courty, P., Chaumette, P., Syngas : A
promising Feedstock in the Near Future , Energy Progress, vol. 7, n 1 (1987) 1,0 pp. 23-30).
Le gaz naturel est la matière première la plus utilisée pour la production de gaz de synthèse. Le méthane (CH4), principal constituant du gaz naturel, est une molécule très stable et son utilisation pour la chimie, en dehors de quelques réactions particulières (comme la chloration), passe par sa conversion en gaz de synthèse, laquelle est généralement réalisée par reformage à la vapeur d'eau.
On peut s'attendre dans les années à venir à une croissance de consommation de gaz de synthèse à cause d'une demande accrue de l'industrie chimique d'une part et en raison des perspectives de croissance du marché des carburants synthétiques. Les gaz de synthèse utilisés comme intermédiaires chimiques sont habituellement générés sur le lieu de production d'un produit final donné. La croissance de consommation du gaz de synthèse passe par une utilisation croissante des procédés ou des systèmes de génération de gaz de synthèse.
Une des applications les plus connues du gaz de synthèse réside dans la production du méthanol. Il s'agit d'un produit chimique de base produit à très grand volume. Le méthanol sert principalement à la production de formaldéhyde, lui-même un intermédiaire chimique, et d'acide acétique.. Le méthanol peut être considéré comme un combustible acceptable avec un pouvoir calorifique supérieur (PCS) de 22,7 MJ/kg. En fait, étant liquide à la température ambiante, il présente un grand potentiel d'utilisation en tant que 2 In principle, all hydrocarbon products derived from fossil resources (coal, oil, natural gas, etc.) or biomass can be processed in synthesis gas. In general, steam reforming is used for light hydrocarbons (boiling points below 200 C) as one in found in natural gas. In the case of carbonaceous solids (coal, forest biomass, lignin, etc.) and heavy hydrocarbons (tars, oils the gasification technique and oxidation partial oxygen or air (Courty, P., Chaumette, P., Syngas: A
promising Feedstock in the Near Future, Energy Progress, vol. 7, No. 1 (1987) 1.0 pp. 23-30).
Natural gas is the most used raw material for the production of gas of synthesis. Methane (CH4), the main constituent of natural gas, is a very stable molecule and its use for chemistry, apart from a few particular reactions (such as chlorination), go through its conversion to gas of synthesis, which is generally carried out by steam reforming.
In the coming years we can expect a growth in consumption of synthesis gas because of increased demand from the chemical industry of a share and because of the growth prospects of the fuel market synthetic. Synthesis gases used as chemical intermediates are usually generated at the place of production of a given end product. The consumption growth of synthesis gas requires use growing processes or systems for generating syngas.
One of the most well-known applications of synthesis gas is in the production of methanol. This is a basic chemical product produced at very large volume. Methanol is used primarily for the production of formaldehyde, itself a chemical intermediate, and acetic acid.
methanol can be considered an acceptable fuel with a power Higher Heating Calorific value (PCS) of 22.7 MJ / kg. In fact, being liquid at the ambient temperature, it has great potential for use as
3 carburant synthétique puisqu'on peut facilement le transporter et le stocker (Borgwardt, R.H., Methanol Production from Biomass and Natural Gas as Transportation Fuel , Ind. Eng. Chem. Res, vol. 37 (1998) pp. 3720-3767). Le méthanol peut être utilisé en mélange dans l'essence ou même utilisé
directement comme carburant automobile. Il peut aussi servir de combustible de chauffage. Enfin, le méthanol présente un grand potentiel d'utilisation dans les systèmes énergétiques à piles à combustible, et plus particulièrement dans les piles à combustible à électrolyte polymère (Allard, M., Issues Associated with Widespread Utilization of Methanol , Soc. Automot. Eng. [Spec. Publ.] SP-1505 (2000) pp. 33-36).
Aujourd'hui, le méthanol est surtout fabriqué à partir du gaz naturel. Les sources de gaz naturel sont abondantes. A juste titre, on peut considérer le méthanol comme étant un vecteur de transformation du gaz permettant éventuellement d'amener les vastes réserves de gaz naturel à différents marchés d'utilisation de l'énergie. Dans ce contexte, l'utilisation répandue du méthanol en tant que carburant pourrait permettre l'introduction de manière indirecte du gaz naturel dans le marché du transport.
La production de gaz de synthèse représente près de 60 % des coûts de production du méthanol. Ceci démontre la prépondérance du processus de production du gaz de synthèse dans la fabrication du produit final. Le procédé
traditionnel basé sur le reformage à la vapeur d'eau est connu pour avoir une efficacité énergétique de l'ordre de 64 % selon le PCS du méthane (Allard, M., Issues Associated with Widespread Utilization of Methanol , Soc. Autoinot.
Eng. [Spec. Publ.] SP-1505 (2000) pp. 33-36) avec production conjointe de dioxyde de carbone comme sous-produit. Dans les faits, une partie de la matière première, soit le gaz naturel, est transformé dans le procédé. C'est pour cette raison qu'une partie du carbone initialement présent dans le gaz. naturel se retrouve sous la forme de C02 rejeté dans l'atmosphère. 3 synthetic fuel since it can easily be transported and stored (Borgwardt, RH, Methanol Production from Biomass and Natural Gas as Transportation Fuel, Ind. Eng. Chem. Res, vol. 37 (1998) pp. 3720-3767). The methanol can be used as a mixture in gasoline or even used directly as automotive fuel. It can also be used as fuel for heater. Finally, methanol has great potential for use in the energy systems with fuel cells, and more particularly in Polymer Electrolyte Fuel Cell (Allard, M., Issues Associated with Widespread Utilization of Methanol, Soc. Automot. Eng. [Spec. Publ.] SP-1505 (2000) pp. 33-36).
Today, methanol is mostly made from natural gas. The Natural gas sources are abundant. Rightly, we can consider the methanol as a gas transformation vector allowing eventually bring the vast reserves of natural gas to different markets of use of energy. In this context, the widespread use of methanol as fuel could allow indirect introduction of natural gas in the transport market.
Synthetic gas production accounts for nearly 60% of production of methanol. This demonstrates the preponderance of the process of production of synthesis gas in the manufacture of the final product. The process Traditional steam-based reforming is known to have a energy efficiency of 64% according to the PCS of methane (Allard, M., Associated with Widespread Utilization of Methanol, Soc. Autoinot.
Eng. [Spec. Publ.] SP-1505 (2000) pp. 33-36) with joint production of carbon dioxide as a by-product. In fact, part of the material first, natural gas, is transformed in the process. It's for this part of the carbon initially present in the gas. natural found in the form of CO2 released into the atmosphere.
4 En théorie, on peut produire des mélanges gazeux à base de monoxyde de carbone et d'hydrogène, par un processus d'oxydation partielle du méthane tel qu'illustré par la réaction bien connue suivante :
CH4 + 1/2 O2 - CO + 2 H2 ; OH = -36 kJ/mole (1).
Suivant cette réaction, on obtient un produit gazeux avec un rapport molaire H2 / CO de 2. Cette réaction peut être mise à contribution pour la synthèse du méthanol. La réaction (1) est exothermique : elle libère globalement 36 kJ
d'énergie par mole de méthane converti au lieu d'en requérir. Cette quantité
d'énergie est faible par rapport au pouvoir calorifique du méthane (pouvoir calorifique inférieur (PCI) de près de 800 kJ par mole de méthane).
Toutefois, l'approche qui réside dans le reformage à la vapeur d'eau a été
préférée. A la base, ce reformage se produit selon la réaction:
CH4 + H20(g) -3 CO + 3 H2 ; AH = 206 kJ/molee (2).
Cette réaction de reformage est fortement endothermique. La quantité d'énergie impliquée dans la réaction (2) correspond à près de 25 % du pouvoir calorifique inférieur du méthane. Le reformage à lui tout seul produit un gaz avec un rapport molaire H2/CO de 3. C'est la raison pour laquelle, dans une usine de production de méthanol misant sur le reformage, on doit voir à balancer le mélange en augmentant la proportion de CO par rapport à H2. Pour ce faire, on a souvent recours à la réaction suivante, appelée réaction du gaz à l'eau ( Water Gas Shift ), en ajoutant du C02 dans le mélange:
C02 + H2 - CO + H20(g) ; AH = 41,2 kJ/mole (3) En vertu de la réaction (3), le C02 est transformé en CO et il y a consommation d'hydrogène.
WO 2004/041424 In theory, it is possible to produce gaseous mixtures based on monoxide carbon and hydrogen, by a process of partial oxidation of methane such as illustrated by the following well-known reaction:
CH4 + 1/2 O2 - CO + 2 H2; OH = -36 kJ / mole (1).
According to this reaction, a gaseous product with a molar ratio is obtained H2 / CO of 2. This reaction can be put to use for the synthesis of the methanol. The reaction (1) is exothermic: it releases globally 36 kJ
of energy per mole of methane converted instead of requiring it. This quantity energy is low compared to the heating value of methane less than 800 kJ per mole of methane).
However, the approach that resides in steam reforming has been preferred. At the base, this reforming occurs according to the reaction:
CH4 + H2O (g) -3 CO + 3H2; AH = 206 kJ / mol (2).
This reforming reaction is highly endothermic. The amount of energy involved in the reaction (2) corresponds to almost 25% of the power calorific lower methane. Reforming on its own produces a gas with a H2 / CO molar ratio of 3. This is the reason why, in a plant of methanol production relying on reforming, one must see to balance the mixture by increasing the proportion of CO with respect to H2. To do this, we often uses the following reaction, called the reaction of gas to water ( Water Gas Shift), adding C02 to the mixture:
CO 2 + H2 - CO + H 2 O (g); AH = 41.2 kJ / mole (3) Under reaction (3), CO 2 is converted to CO and there is consumption hydrogen.
WO 2004/04142
5 PCT/CA2003/001689 En dépit des inconvénients déjà mentionnés, le reformage à la vapeur d'eau demeure la réaction privilégiée pour la transformation en gaz de synthèse des hydrocarbures légers en général. Ceci pour deux raisons : (i) on élimine le recours à l'oxygène et (ii) on évite la formation de carbone (suie). La formation 5 de carbone libre est connue pour causer de nombreux problèmes de fonctionnement dans les réacteurs, notamment en ce qui concerne l'utilisation de réacteurs catalytiques. Le Tableau 1 présente un résumé des avantages et des inconvénients reliés à chacune des deux approches.
Tableau 1 Comparaison entre les techniques traditionnelles de reformage et l'oxydation partielle Approche Avantages Inconvénients proposée Reformage à la = Procédé sécuritaire = Surplus d'hydrogène - recours à la vapeur d'eau = Conversion réaction'du gaz à l'eau pour poussée en balancer le rapport H2/CO
mélange CO/H2 = Réaction fortement endothermique Oxydation = Réaction = Formation de suie partielle exothermique = Utilisation d'oxygène pur requis = Rapport H2/CO
mieux balancé
On peut envisager le recours aux deux types de reformage suivant une approche intégrée pour la production d'un mélange mieux balancé. Ainsi, on peut mettre à profit l'énergie libérée par l'oxydation partielle pour combler les besoins énergétiques d'un processus de reformage endothermique.
Pour aider au balancement de la composition du gaz de synthèse destiné à la production de méthanol, on a utilisé des réactifs gazeux. Ainsi, pour aider à 5 PCT / CA2003 / 001689 Despite the disadvantages already mentioned, steam reforming remains the preferred reaction for the conversion of synthesis gas to light hydrocarbons in general. This is for two reasons: (i) eliminating the use of oxygen and (ii) avoid formation of carbon (soot). The training 5 free carbon is known to cause many problems of operation in the reactors, particularly with regard to the use of of catalytic reactors. Table 1 summarizes the benefits and disadvantages related to each of the two approaches.
Table 1 Comparison between traditional reforming techniques and partial oxidation Approach Advantages Disadvantages proposed Reformatting = Safe Process = Hydrogen Surplus - Recourse to water vapor = reaction of gas to water for thrust in swing the ratio H2 / CO
CO / H2 mixture = strongly endothermic reaction Oxidation = Reaction = Soot Formation partial exothermic = Use of pure oxygen required = H2 / CO ratio better balanced The use of both types of reforming may be considered integrated for the production of a better balanced mixture. So, we can put take advantage of the energy released by partial oxidation to meet the needs energy from an endothermic reforming process.
To help balance the composition of the synthesis gas intended for production of methanol, gaseous reactants were used. So, to help
6 diminuer le rapport H2 / CO, on peut avoir recours à l'injection de gaz carbonique dans le milieu réactionnel de manière à réaliser la,réaction suivante :
C02 + CH4 - CO + H2; AH = 247 kJ/mole (4) Cette réaction est également endothermique, mais elle peut être mise à
contribution pour balancer le rapport H2 / CO requis pour la production du méthanol. Pour réaliser ceci, on peut ajuster la proportion de C02 et de vapeur d'eau dans l'alimentation d'un processus de reformage suivant le schéma réactionnel suivant :
CH4 + x C02 + y H2O + énergie -3 w CO + z H2 (5) Une telle réaction présente des perspectives d'utilisation fort intéressantes sur le plan environnemental puisqu'elle laisse envisager la mise en place d'un procédé
misant sur une utilisation du gaz carbonique comme matière première, lequel est connu comme étant un des principaux gaz à effet de serre.
Le reformage en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique est un procédé de transformation chimique qui requiert un apport d'énergie. Sur le plan thermodynamique, il faut Une température supérieure à 700 C pour que les réactions (2) et (4) puissent se produire. L'énergie requise peut être fournie par la combustion du gaz naturel lui-même. Dans ce cas, on brûle une partie du gaz naturel dans un compartiment séparé du réacteur et on a recours à un chauffage par contact avec une paroi.
Ainsi, le reformage du gaz naturel est généralement réalisé dans des réacteurs chimiques à tubes contenant un catalyseur. Ces catalyseurs se retrouvent généralement sous forme d'une poudre ou de granules faits de nickel sur support à base d'alumine. Les tubes contenant le catalyseur sont constitués d'un alliage métallique résistant (p. ex. : alliage nickel-chrome) à la corrosion et à la chaleur et sont assemblés suivant un design de type coquille et tube. Le reformage se 6 reduce the H2 / CO ratio, we can use gas injection carbonic acid in the reaction medium so as to carry out the reaction next :
CO2 + CH4 - CO + H2; AH = 247 kJ / mole (4) This reaction is also endothermic, but it can be contribution to balance the H2 / CO ratio required for the production of the methanol. To achieve this, we can adjust the proportion of CO2 and steam of water in the feed of a reforming process according to the scheme following reaction:
CH4 + x CO2 + y H2O + energy -3 w CO + z H2 (5) Such a reaction presents very interesting perspectives of use on the environmental plan since it suggests the establishment of a process relying on the use of carbon dioxide as a raw material, which is known as one of the main greenhouse gases.
Reforming in the presence of water vapor and / or carbon dioxide is a Chemical transformation process that requires a supply of energy. On the thermodynamic plan, it is necessary A temperature higher than 700 C for the Reactions (2) and (4) can occur. The required energy can be provided by the combustion of natural gas itself. In this case, we burn some of the gas in a separate compartment of the reactor and heating is used by contact with a wall.
Thus, the reforming of natural gas is generally carried out in reactors chemical tubes containing a catalyst. These catalysts are found usually in the form of a powder or granules made of nickel on support based on alumina. The tubes containing the catalyst consist of a alloy resistant metal (eg nickel-chromium alloy) to corrosion and heat and are assembled in a shell and tube design. Reforming
7 produit à l'intérieur des tubes garnis de catalyseurs, alors que le chauffage a lieu par l'extérieur des tubes, mais à l'intérieur de la coquille. Typiquement, les conditions de fonctionnement sont pour une température variant de 750 -850 C sous une pression de 30 à 40 atmosphères.
Comme alternative au chauffage indirect par combustion, on peut envisager le recours à un chauffage misant sur l'énergie électrique. Le recours à l'énergie électrique comme source de chaleur au lieu du chauffage par combustion de gaz naturel permet des avantages considérables, notamment en ce qui concerne la facilité de contrôle et la possibilité de concevoir des réacteurs compacts et modulaires. L'électricité est une forme d'énergie facile à contrôler car on peut avoir un contrôle rapide et direct sur le flux d'électrons à utiliser dans un procédé donné. De plus, il est connu qu'avec l'électricité, on peut fournir beaucoup d'énergie thermique à l'intérieur de volumes réduits. L'usage de l'électricité . offre des opportunités d'utilisation de réacteurs compacts, modulaires, très performants et à haute efficacité énergétique.
Un autre point important réside dans l'aspect environnemental. Lorsque l'électricité provient d'une ressource non fossile, on peut considérer la mise en place de procédés de reformage sans émission nette de gaz carbonique. On peut même envisager la mise en place d'un procédé qui soit un consommateur net de C02. Le gaz carbonique est un gaz de combustion que l'on peut récupérer des gaz de cheminée de procédés d'incinération ou de procédés industriels.
Il y a plusieurs façons d'utiliser directement l'électricité en tant que source d'énergie pour la réalisation de réactions thermochimiques comme le reformage.
Il est question ici de procédés spécialement adaptés au traitement de mélanges gazeux à base de méthane et d'autres hydrocarbures en présence de gaz carbonique et/ou de vapeur d'eau. Pour aider à un processus de reformage, l'électricité peut être utilisée pour :
fournir un travail électrochimique par le recours à une force électromotrice (champs électriques) ; 7 produced inside the tubes filled with catalysts, while the heating takes place from outside the tubes, but inside the shell. Typically, operating conditions are for a temperature varying from 750 -850 C under a pressure of 30 to 40 atmospheres.
As an alternative to indirect combustion heating, it is possible to envisage use of heating based on electrical energy. The use of energy electric as a source of heat instead of heating by gas combustion naturalness provides considerable benefits, particularly with regard to ease of control and the ability to design compact reactors and Modular. Electricity is a form of energy that is easy to control because can have a quick and direct control over the flow of electrons to use in a given process. In addition, it is known that with electricity, one can provide a lot of thermal energy inside reduced volumes. The use of electricity. offers opportunities for using compact reactors, modular, high performance and high energy efficiency.
Another important point is the environmental aspect. When electricity comes from a non-fossil resource, we can consider in place of reforming processes without net emission of carbon dioxide. We can even consider setting up a process that is a net consumer of C02. Carbon dioxide is a combustion gas that can be recovered from flue gas from incineration processes or industrial processes.
There are many ways to directly use electricity as a source of energy for carrying out thermochemical reactions such as reforming.
It is a question of processes specially adapted to the treatment of mixtures gas with methane and other hydrocarbons in the presence of gas carbonic acid and / or water vapor. To help a reforming process, electricity can be used to:
to provide electrochemical work by the use of force electromotive (electric fields);
8 - ioniser des gaz, ce qui permet la génération d'espèces chimiques telles que des radicaux libres et des ions qui sont connus pour avoir un effet catalytique sur des réactions chimiques ;
- fournir de la chaleur par effet Joule ; et - induire des courants électriques dans un matériau.
Parmi les principaux types de réacteurs à utilisation directe de l'électricité, on retrouve les réacteurs électrochimiques (électrolyse à haute température), à
plasma thermique, à plasma froid et à chauffage ohmique.
Réacteur électrochimique Le reformage du gaz naturel peut être réalisé à l'aide d'un processus électrochimique misant sur l'utilisation d'un électrolyte à conduction d'anions oxygène (O-). La conduction ionique de ces électrolytes s'effectue par un mécanisme de sauts de lacunes d'oxygène qui sont positivement chargées. On peut donc mettre à contribution ce type de matériau pour réaliser le pompage électrochimique d'atomes d'oxygène en vue de réaliser l'oxydation partielle d'un hydrocarbure. Avec cette approche, de l'air peut être injecté directement dans le compartiment cathodique des cellules électrolytiques. Sous l'action d'un champ électrique et d'un gradient de potentiel chimique, on peut faire en sorte qu'il y ait un flux d'oxygène traversant l'électrolyte solide (sous forme d'anions) pour se retrouver finalement dans le compartiment anodique en vue de le faire réagir avec le méthane (ou le gaz naturel).
Le matériau conducteur d'ions oxygène le plus connu est l'oxyde de zircone stabilisé à l'yttrium. Ce produit est déjà commercialisé pour la fabrication de sondes à oxygène. De plus, il est déjà utilisé pour la construction de prototypes de piles a combustible de type SOFC ( Solid Oxide Fuel Cell ). En général, des températures élevées de l'ordre de 600 à 1 000 C sont requises pour que le matériau soit suffisamment conducteur ('e > 0,05'n -lcm 1). 8 - ionize gases, which allows the generation of chemical species such that free radicals and ions that are known to have an effect catalytic on chemical reactions;
- provide heat by Joule effect; and induce electric currents in a material.
Among the main types of reactors with direct use of electricity, we electrochemical reactors (high temperature electrolysis), thermal plasma, cold plasma and ohmic heating.
Electrochemical reactor Natural gas reforming can be achieved through a process electrochemical relying on the use of a conductive electrolyte anion oxygen (O-). The ionic conduction of these electrolytes is carried out by a mechanism of leaps of oxygen vacancies that are positively charged. We can therefore use this type of material to perform pumping electrochemical oxygen atoms to achieve partial oxidation of a hydrocarbon. With this approach, air can be injected directly in the cathode compartment of the electrolytic cells. Under the action a electric field and a chemical potential gradient one can do in kind that there is a flow of oxygen passing through the solid electrolyte (in the form of of anions) to finally end up in the anode compartment in order to make it react with methane (or natural gas).
The most well known oxygen ion conductive material is zirconia stabilized with yttrium. This product is already on the market for manufacturing of oxygen probes. Moreover, it is already used for the construction of prototypes fuel cells type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). In general, high temperatures of the order of 600 to 1000 C are required for the material is sufficiently conductive ('e>0,05'n -lcm 1).
9 L'utilisation d'un réacteur électrochimique à électrolyte céramique, est mentionnée dans les travaux de Stoukides (Stoukides, M., Chiang, P.H., Alqahtany, H., Nonoxidative Methane Coupling and Synthesis Gas Production in Solid Electrolyte Cells , Symposium on Natural Gas Upgrading II, San Francisco, April 5-10 (1992), ACS, The Division of Petroleum Chemistry Preprints, vol. 37, n 1, pp. 261-268) qui a expérimenté l'oxydation partielle du méthane avec l'ajout de vapeur d'eau (permettant la prévention de la formation de carbone) en utilisant, entre autres, des électrodes de fer. Ces travaux sur le gaz de synthèse ont démontré que dans certaines conditions, le pompage électrochimique de l'oxygène permet la conversion du gaz naturel en un mélange de monoxyde carbone et d'hydrogène.
La publication internationale PCT n WO 00/17418 (Pham, A.Q., Wallman, P.H., Glass, R.S., Natural Gas-Assisted Steam Electrolyzer , Publication PCT
n WO 00/17418 (2000)) propose une approche différente misant sur l'utilisation d'un électrolyte à transport d'anions oxygène. Cette approche combine l'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau et l'oxydation partielle d'un hydrocarbure. Le procédé permet de diminuer d'au moins 65 % la consommation d'électricité par rapport aux électrolyseurs traditionnels. La réaction globale est équivalente à celle du reformage à la vapeur d'eau.
Suivant ce processus, il y a production d'hydrogène du côté de la cathode et il y a production de mélanges CO / H2 du côté de l'anode.
Le concept d'oxydation partielle au moyen d'un flux contrôlé d'oxygène traversant la paroi d'un électrolyte céramique à conduction d'oxygène anionique est déjà connu, mais il reste beaucoup à faire pour optimiser les performances de ces membranes céramiques. Il faut en particulier porter une attention à leur tenue mécanique dans des conditions sévères de température ainsi qu'à leur résistance chimique. Un savoir-faire a été développé depuis quelques années sur les piles à combustible à électrolytes solides (SOFC) et de nombreuses équipes travaillent sur le sujet. A l'heure actuelle, de telles membranes ne sont pas encore disponibles pour des applications nécessitant de grandes surfaces comme cela serait requis pour la production de gaz de synthèse.
Le réacteur à plasma d'arc 5 On entend par plasma d'arc, un arc électrique à courant continu ou alternatif établi entre deux électrodes au travers duquel on fait circuler un gaz (appelé
gaz plasmagène). Celui-ci s'accélère et produit un jet de gaz contenant de la matière ionisée. Le plasma d'arc traditionnel fait partie des plasmas thermiques et peut être utilisé pour fins de chauffage surtout dans des applications nécessitant de 9 The use of an electrochemical reactor with ceramic electrolyte is mentioned in the works of Stukides (Stukides, M., Chiang, PH, Alqahtany, H. Nonoxidative Methane Coupling and Synthesis Gas Production in Solid Electrolyte Cells, Symposium on Natural Gas Upgrading II, San Francisco, April 5-10 (1992), ACS, The Division of Petroleum Chemistry Preprints, vol. 37, No. 1, pp. 261-268) who experimented with partial oxidation of methane with the addition of water vapor (allowing prevention of training of carbon) using, inter alia, iron electrodes. These works on the synthesis gas have shown that under certain conditions, pumping electrochemical oxygen allows the conversion of natural gas into a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
PCT International Publication No. WO 00/17418 (Pham, AQ, Wallman, PH, Glass, RS, Natural Gas-Assisted Steam Electrolyzer, PCT Publication WO 00/17418 (2000)) proposes a different approach based on the use of an oxygen transport electrolyte. This approach combines high temperature electrolysis of water vapor and oxidation partial of a hydrocarbon. The method makes it possible to reduce by at least 65% the electricity consumption compared to traditional electrolysers. The overall reaction is equivalent to that of steam reforming.
next this process, there is hydrogen production on the cathode side and there is production of CO / H2 mixtures on the anode side.
The concept of partial oxidation by means of a controlled flow of oxygen passing through the wall of an oxygen conducting ceramic electrolyte anionic is already known, but much remains to be done to optimize performance of these ceramic membranes. In particular, attention must be paid to their mechanical strength under severe temperature conditions and their chemical resistance. A know-how has been developed in recent years sure Solid Electrolyte Fuel Cells (SOFC) and many teams work on the subject. At present, such membranes are not still available for applications requiring large areas like this would be required for the production of syngas.
The arc plasma reactor Arc plasma means a DC electric arc or alternative between two electrodes through which a gas is circulated (called gas plasma). It accelerates and produces a jet of gas containing material ionized. Traditional arc plasma is part of thermal plasmas and can be used for heating purposes especially in applications requiring of
10 hautes densités de puissance. Le jet en question est caractérisé par un niveau de température très élevé (supérieur à 3 000 K). Il en résulte que nous disposons d'une source de chaleur radiante pouvant être mise à contribution pour le chauffage rapide de différents produits, incluant des mélanges gazeux. Le plasma d'arc peut être utilisé pour le chauffage direct et la dissociation de réactifs de départ tels que le méthane et de la vapeur d'eau. A noter que la présence de matière ionisée et l'émission de radiation ultraviolette que l'on retrouve dans un plasma, peut contribuer à catalyser plusieurs réactions chimiques. L'usage d'un plasma d'arc dans des réacteurs compacts destinés à la production décentralisée (systèmes énergétiques chez un utilisateur) est proposée par Bromberg (Bromberg, L., Cohn, D.R., Rabinovich, A., Plasma Reformer-fuel Cell System for Decentralized Power Applications , Int. J.
Hydrogene Energy, vol. 22, n 1 (1997) pp. 83-94).
Dans la lignée des procédés industriels, mentionnons le procédé Hüls qui a déjà
été utilisé à grande échelle depuis 1940 pour la production d'acétylène à
partir d'hydrocarbures légers avec des réacteurs d'une puissance de 8 à 10 MW. En se basant sur cette longue expérience, le procédé Hüls a été adapté pour réaliser le reformage du gaz naturel en présence de C02 ou de vapeur d'eau. On trouvera dans la publication de Kaske, G., et al. (Kaske, G., Kerker, L., Müller, R., Hydrogen Production by the Hüls Plasma-Reforming Process , Hydrogen Energy Progr. VI, vol. 1 (1986) pp. 185-190), une description de l'utilisation de la technologie Hüls pour la production de gaz de synthèse. Le réacteur réside 10 high power densities. The jet in question is characterized by a level of very high temperature (above 3,000 K). As a result we have of a source of radiant heat which can be put to use for the rapid heating of different products, including gas mixtures. The arc plasma can be used for direct heating and dissociation of starting reagents such as methane and water vapor. Note that the presence of ionized material and the emission of ultraviolet radiation that one found in a plasma, can help catalyze several reactions chemical. The use of arc plasma in compact reactors intended for decentralized generation (energy systems in a user) is proposed by Bromberg (Bromberg, L., Cohn, DR, Rabinovich, A., Plasma Reformer-Fuel Cell System for Decentralized Power Applications, Int. J.
Hydrogen Energy, vol. 22, No. 1 (1997) pp. 83-94).
In the tradition of industrial processes, there is the Hüls process which has already been used on a large scale since 1940 for the production of acetylene go light hydrocarbons with reactors with a power of 8 to 10 MW. By getting Based on this long experience, the Hüls process has been adapted to achieve the reforming natural gas in the presence of CO2 or water vapor. We will find in the publication of Kaske, G., et al. (Kaske, G., Kerker, L., Müller, R., Hydrogen Production by the Plasma Hull-Reforming Process, Hydrogen Energy Progr. VI, vol. 1 (1986) pp. 185-190), a description of the use of Hüls technology for synthesis gas production. The reactor resides
11 dans l'utilisation de deux électrodes tubulaires refroidies à l'eau, le tube d'anode étant relié à la masse. Les réactifs gazeux sont injectés tangentiellement et ce mouvement du gaz fait en sorte que l'arc électrique est forcé de glisser dans le sens du flux gazeux. De cette façon, on a une influence contrôlée sur le mouvement et la position des points de frappe de l'arc dans les électrodes, ce qui stabilise l'arc. Si le débit de gaz change, la longueur de l'arc et le voltage sont modifiés ce qui influence la puissance générée lorsque le courant est maintenu constant.
Les avantages d'un procédé de reformage par plasma réside dans ce qui suit :
- on s'exempte de l'utilisation de catalyseurs ;
- le procédé de reformage peut se faire avec un faible rapport H2O / carbone, ce qui évite le chauffage inutile de vapeur d'eau pour réaliser le reformage ;
- l'enlèvement du soufre n'est pas nécessaire (le soufre est connu pour empoisonner les catalyseurs de reformage conventionnels à base de nickel) ; et - le procédé est modulaire et offre la possibilité de petites unités flexibles.
Cependant, le principal inconvénient d'une telle approche réside dans le coût d'investissement et le recours à la transformation du courant électrique.
Le réacteur à arc glissant Un procédé à arc électrique comme générateur d'espèces actives pour catalyser le reformage en particulier est proposé par Czernichowski (Czemichowski, P., Czernichowski, A., Conversion of Hydrocarbons Assisted by Gliding Electric Arcs in the Presence of Water Vapor and/or Carbon Dioxide , Brevet des États-Unis n 5.993.761 (1999) ; Lesueur, H., Czernichowski, A., Chapelle, J., Electrically Assisted Partial Oxidation of Methane , Int. J. Hydrogen Energy, vol. 19, n 2 (1994) pp. 139-144 ; Fridman, A., Nester, S., Kennedy, L.A., Saveliev, A., Mutaf-Yardimci, O., Gliding Arc Gas Discharge , Progess in Energy and Combustion Science, vol. 25, n 2 (1999) pp. 211-231). Suivant 11 in the use of two tubular electrodes cooled with water, the tube anode being connected to the mass. The gaseous reactants are injected tangentially and this gas movement makes sure that the electric arc is forced to slide in the direction of the gas flow. In this way, we have a controlled influence on the movement and position of the arc strike points in the electrodes, this who stabilizes the arc. If the flow of gas changes, the length of the arc and the voltage are modified which influences the power generated when the current is maintained constant.
The advantages of a plasma reforming process lie in the following:
- it empires the use of catalysts;
the reforming process can be carried out with a low ratio H2O / carbon, which avoids unnecessary heating of water vapor for to carry out the reforming;
- removal of sulfur is not necessary (sulfur is known to poison conventional reforming catalysts based on nickel); and - the process is modular and offers the possibility of small units Flexible.
However, the main disadvantage of such an approach lies in the cost investment and the use of electrical power transformation.
The sliding arc reactor An electric arc process as a generator of active species to catalyze reforming in particular is proposed by Czernichowski (Czemichowski, P., Czernichowski, A., Conversion of Hydrocarbons Assisted by Gliding Electric Arcs in the Presence of Water Vapor and / or Carbon Dioxide, US Patent United States 5,993,761 (1999); Lesueur, H., Czernichowski, A., Chapel, J., Electrically Assisted Partial Oxidation of Methane, Int. J. Hydrogen Energy, flight. 19, No. 2 (1994) pp. 139-144; Fridman, A., Nester, S., Kennedy, LA, Saveliev, A., Mutaf-Yardimci, O., Gliding Gas Arc Discharge, Progess in Energy and Combustion Science, vol. 25, No. 2 (1999) pp. 211-231). next
12 cette approche, des décharges électriques produisent des espèces chimiques actives (électrons, ions, atomes, radicaux libres, molécules excitées) de même que des photons qui peuvent fortement catalyser la conversion directe.
Czernichowski propose l'utilisation de gliding arc formé d'arcs électriques glissant le long de deux électrodes divergentes l'une par rapport à l'autre, entre lesquelles circule un gaz à grande vitesse (> 10 m/s). L'arc glissant part à
proximité de l'endroit entre les deux électrodes où la distance est la plus faible, et s'étend en glissant progressivement le long des électrodes dans la direction de l'écoulement jusqu'à ce qu'il s'éteigne ; au même moment, une nouvelle décharge se forme à l'endroit initial. Le cheminement de la décharge est déterminé par la géométrie des électrodes, les conditions de débit, et les caractéristiques de l'électricité alimentée. Ce déplacement de points de décharge sur des électrodes non refroidies prévient l'établissement d'un arc permanent et la corrosion résultante.
Fridman et al. (Fridman, A., Nester, S., Kennedy, L.A., Saveliev, A., Mutaf-Yardimci, O., Gliding Arc Gas Discharge , Progess in Energy and Combustion Science, vol. 25, n 2 (1999) pp, 211-231), présentent une discussion théorique sur l'utilisation d'un gliding arc . On y mentionne les principes de fonctionnement et les applications proposées pour la technologie.
Czernichowski présente une revue de l'état de l'art concernant l'utilisation des plasmas et des arcs électriques pour réaliser du reformage (Czernichowski, P., Czernichowski, A., Device with Plasma from Mobile Electric Dischages and its Application to Convert Carbon Matter , Publication PCT n WO 00/13786 (2000)). La publication internationale PCT n WO 00/13786 précitée traite d'une nouvelle génération de réacteur à arcs glissants appelé G1idArc-II. Dans le nouveau concept, l'une des électrodes est mobile et est actionnée par un mouvement mécanique.
Une des particularités intéressantes de la technologie du gliding arc est le fait que les électrodes peuvent être fabriquées en acier ordinaire. Un autre' avantage relié à la technologie est la possibilité d'alimenter un tel réacteur avec 12 this approach, electric shocks produce chemical species (electrons, ions, atoms, free radicals, excited molecules) as well as than photons that can strongly catalyze direct conversion.
Czernichowski proposes the use of gliding arc formed of electric arcs sliding along two divergent electrodes with respect to each other, enter which circulates a gas at high speed (> 10 m / s). The sliding bow goes to near the place between the two electrodes where the distance is the most low, and extends by sliding progressively along the electrodes in the direction of the flow until it goes out; at the same time, a new discharge is formed at the original place. The path of the discharge is determined by the geometry of the electrodes, the flow conditions, and the characteristics of the electricity supplied. This displacement of points of discharge on uncooled electrodes prevents the establishment of an arc permanent and resulting corrosion.
Fridman et al. (Fridman, A., Nester, S., Kennedy, LA, Saveliev, A., Mutaf-Yardimci, O., Gliding Gas Arc Discharge, Progess in Energy and Combustion Science, Vol. 25, No. 2 (1999) pp, 211-231), show a theoretical discussion on the use of a gliding arc. It mentions the operating principles and proposed applications for the technology.
Czernichowski presents a review of the state of the art regarding the use of the plasmas and electric arcs for reforming (Czernichowski, P., Czernichowski, A., Device with Plasma from Mobile Electric Disc.
its Application to Convert Carbon Matter, PCT Publication No. WO 00/13786 (2000)). The above-mentioned PCT International Publication No. WO 00/13786 a new generation of slid-arc reactor called G1idArc-II. In the new concept, one of the electrodes is mobile and is powered by a mechanical movement.
One of the interesting features of the gliding arc technology is the that the electrodes can be made of ordinary steel. Another' advantage related to technology is the ability to power such a reactor with
13 une grande gamme de compositions de gaz. La technologie du gliding arc peut être utilisée pour réaliser du reformage en présence de C02 et/ou de vapeur d'eau. Elle peut également être utilisée pour réaliser l'oxydation partielle à
l'oxygène (ou l'air enrichi en oxygène). Étant donné que l'oxydation partielle ne requiert pas d'énergie thermique en tant que tel, l'électricité est alors essentiellement utilisée pour aider à accélérer le processus thermochimique par voie de catalyse par la génération d'espèces actives.
La technologie du gliding arc se présente comme une technique simple et qui a été expérimentée avec succès en laboratoire. Cependant, cette technologie implique le recours à une électronique de puissance pour la transformation du courant en vue d'obtenir les conditions requises pour le déploiement d'arcs électriques, tout en s'assurant qu'il n'y ait pas de perturbations sur le réseau d'alimentation.
Le réacteur à plasma froid Les plasmas thermiques peuvent concentrer de grandes quantités de puissance dans des volumes restreints mais une grande quantité d'énergie est nécessaire pour pouvoir chauffer les gaz à des températures très élevées. Une approche alternative à l'utilisation des plasmas thermiques est l'utilisation de plasmas froids, c'est-à-dire un plasma généré dans des conditions hors d'équilibre thermique, lequel produit des espèces ionisées sans échauffement significatif.
Parmi les technologies, mentionnons quelques-unes des approches expérimentées en laboratoire : décharges couronne, pulsations électriques et plasmas à micro-ondes. L'utilisation des plasmas froids générés par décharges couronne dans le reformage de mélanges composés de gaz combustibles (hydrocarbures ou alcools) en présence d'oxygène et/ou de vapeur d'eau est décrite dans la demande de brevet de la République Française n 2.757.499 (Etievant, C., Roshd, M., Générateur d'hydrogène , Demande de brevet de la République Française n 2.757.499 (1996)). 13 a wide range of gas compositions. The gliding arc technology can be used for reforming in the presence of CO 2 and / or steam of water. It can also be used to achieve partial oxidation at oxygen (or air enriched with oxygen). Since partial oxidation does not require thermal energy as such, electricity is then basically used to help speed up the thermochemical process by catalytic pathway by the generation of active species.
The gliding arc technology is a simple technique and which has been successfully tested in the laboratory. However, this technology involves the use of power electronics for the transformation of the current to obtain the conditions required for the deployment of arcs while ensuring that there are no disturbances on the network Power.
The cold plasma reactor Thermal plasmas can concentrate large amounts of power in small volumes but a large amount of energy is needed to be able to heat the gases at very high temperatures. An approach alternative to the use of thermal plasmas is the use of plasmas cold, that is to say a plasma generated in out-of-equilibrium conditions thermal, which produces ionized species without significant heating.
Some of the technologies include some of the approaches experimented in the laboratory: corona discharges, electrical pulsations and microwave plasmas. The use of cold plasmas generated by landfills crown in the reforming of mixtures composed of combustible gases (hydrocarbons or alcohols) in the presence of oxygen and / or water vapor is described in the patent application of the French Republic No. 2,757,499 (Etient, C., Roshd, M., Hydrogen Generator, Patent Application of the French Republic No. 2,757,499 (1996)).
14 Le réacteur à chauffage ohmique Le réacteur à chauffage ohmique mise sur l'utilisation de l'électricité
essentiellement comme source de chaleur générée par conduction directe ou par induction. Comme le passage d'un courant au travers d'une résistance génère de la chaleur, une telle résistance peut prendre la forme d'un lit de particules chauffé au travers duquel circule le gaz à traiter.
Une application connue du chauffage ohmique par conduction directe est l'utilisation d'un lit fluidisé de granules de coke chauffées par effet Joule pour la synthèse d'acide cyanhydrique (HCN) à partir du méthane (CH4) ou du propane (C3H8) mélangé à de l'ammoniac (NH3) (Shine, N.B., Fluohmic Process for Hydrogen Cyanide , Chem. Eng. Progress, vol. 67, n 2 (1971) pp. 52-57).
Le concept de garnissage chauffé par induction est évoqué dans le brevet des États-Unis n 5.362.468 pour une application de pyrolyse (Coulon, M., Boucher, J., Process for Pyrolysis of Fluid Effluents and Corresponding Apparatus et Brevet des États-Unis n 5.362.468 (1994)). Ce procédé vise le traitement de composés organiques halogénés liquides. On le présente ici en tant que concept misant sur le chauffage ohmique d'un garnissage, concept pouvant s'appliquer au traitement de gaz. Dans ce procédé, les effluents à traiter sont chauffés par contact avec un empilement d'éléments solides offrant une surface volumique de contact d'au moins 10 m2/m3. Ces éléments sont utilisés typiquement sous la forme de billes de 10 à 150 mm de diamètre et sont chauffés par induction électromagnétique ou par conduction électrique. Les éléments en question peuvent être constitués d'un matériau conducteur électriquement recouvert d'un matériau réfractaire. Parmi les matériaux conducteurs, on peut retrouver le graphite et des carbures céramiques conducteurs. Pour les matériaux réfractaires, on mentionne le graphite, des métaux réfractaires, des oxydes céramiques, des carbures, des borures de métaux, etc.
A la base, le chauffage ohmique par conduction directe se présente comme la façon la plus simple d'utiliser l'énergie électrique dans le cas où on a recours au courant alternatif à la fréquence normalisée du réseau d'alimentation électrique (60 Hz en Amérique du Nord, 50 Hz en Europe).
Le réacteur de petite taille et réacteur compact 5 Tel que le révèle l'étude de l'art antérieur, il existe plusieurs types de systèmes de reformage, qu'il s'agisse de reformage catalytique ou non catalytique à la vapeur d'eau ( Steam Reforming , SR), par oxydation partielle (POX), par réaction auto-thermique (ATR) ou par une combinaison de ces techniques. Les procédés traditionnels de production d'hydrogène par reformage ou oxydation 10 partielle sont des procédés à grande échelle implantés depuis longtemps dans l'industrie pétrochimique. Avec l'engouement récent des piles à combustible pour usage résidentiel et automobile, on assiste à un investissement important de l'effort sur le développement, l'essai et la commercialisation de nouveaux reformeurs de plus en plus compacts. La lutte pour s'accaparer une part du 14 The ohmic heating reactor The ohmic heating reactor relies on the use of electricity essentially as a source of heat generated by direct conduction or by induction. As the passage of a current through a resistor generates heat, such resistance can take the form of a bed of particles heated through which circulates the gas to be treated.
A known application of ohmic heating by direct conduction is the use of a fluidized bed of Joule-heated coke pellets for the hydrocyanic acid (HCN) synthesis from methane (CH4) or propane (C3H8) mixed with ammonia (NH3) (Shine, NB, Fluohmic Process for Cyanide Hydrogen, Chem. Eng. Progress, vol. 67, No. 2 (1971) pp. 52-57).
The concept of induction-heated packing is mentioned in the patent of United States No. 5,362,468 for a pyrolysis application (Coulon, M., Boucher, J., Process for Pyrolysis of Fluid Effluents and Corresponding Apparatus and U.S. Patent No. 5,362,468 (1994)). This process aims at the treatment of liquid halogenated organic compounds. It is presented here as a concept relying on the ohmic heating of a lining, concept that can be applied gas treatment. In this process, the effluents to be treated are heated by contact with a stack of solid elements providing a surface area contact area of at least 10 m2 / m3. These elements are typically used under the shaped balls of 10 to 150 mm in diameter and are heated by induction electromagnetic or by electrical conduction. The elements in question may be made of an electrically conductive material covered with a refractory material. Among the conductive materials, we can find the graphite and conductive ceramic carbides. For materials refractory, mention is made of graphite, refractory metals, oxides ceramics, carbides, borides of metals, etc.
At the base, ohmic heating by direct conduction is presented as the easiest way to use electrical energy in case we have use of alternating current at the standard frequency of the supply network electric (60 Hz in North America, 50 Hz in Europe).
The small reactor and compact reactor As the study of the prior art reveals, there are several types of systems of reforming, whether it is catalytic or non-catalytic reforming at the water vapor (Steam Reforming, SR), by partial oxidation (POX), by auto-thermal reaction (ATR) or a combination of these techniques. The traditional processes for the production of hydrogen by reforming or oxidation 10 partial are large scale processes long established in the petrochemical industry. With the recent craze of fuel cells for residential and automotive use, there is a significant investment of the effort on the development, testing and commercialization of new reformers more and more compact. The fight to grab a share of the
15 marché est très intense. Les éléments brevetées par les firmes actuelles concernant les reformeurs dits compacts visant le marché résidentiel ou de transport sont subtils. Ils abordent surtout les méthodes de traitement (séquence des écoulements, agencement des pièces, modes d'injection) ou les matériaux comme les catalyseurs de pointe susceptibles d'accroître les performances des petites unités de reformage. Les références citées ci-après donnent un aperçu des principaux éléments revendiqués en matière de compacité des réacteurs classiques de reformage.
Le reformeur UOBTM est un générateur d'hydrogène de petite à moyenne capacité d'hydrogène (10 à 800 m3/h) couplé à un purificateur d'hydrogène, et destiné à être installé sur un site fixe. Cette technologie peut être utilisée en amont de toutes applications de faible capacité utilisant l'hydrogène pur comme réactif ou combustible (métallurgie, industrie du verre, hydrogénation, électronique, chimie, etc.). Le brevet de base de la technologie UOBTM
( Under Oxidized Burner ) réfère à un dispositif visant à convertir un combustible en hydrogène dans un brûleur non catalytique, lequel sera éventuellement mélangé à une autre partie de combustible afin de réduire les 15 market is very intense. Elements patented by current firms concerning so-called compact reformers targeting the residential or transport are subtle. They mainly address treatment methods (sequence flow, arrangement of parts, injection modes) or materials such as advanced catalysts that can increase the performance of small reforming units. The references cited below give an overview of the main elements claimed in compactness of reactors conventional reforming.
The UOBTM reformer is a small to medium hydrogen generator hydrogen capacity (10 to 800 m3 / h) coupled to a hydrogen purifier, and intended to be installed on a fixed site. This technology can be used in upstream of all low capacity applications using pure hydrogen as reagent or fuel (metallurgy, glass industry, hydrogenation, electronics, chemistry, etc.). The basic patent of UOBTM technology (Under Oxidized Burner) refers to a device aimed at converting a hydrogen fuel in a non-catalytic burner, which will be possibly mixed with another part of the fuel to reduce the
16 émission d'oxydes d'azote des moteurs à gaz' (Greiner, L., Moard, D.M., Emissions Reduction Systems for Internai Combustion Engines , Brevet des États-Unis n 5.207.185 (1993)). Les brevets qui suivent concernent des améliorations de la technologie en question : Moard, D., Greiner, L., Apparatus and Method for Decreasing Nitrogen Oxide Emissions from Internai Combustion Power Sources , Brevet des États-Unis n 5.299.536 (1994) ; Greiner, L., Moard, D.M., Bhatt, B., Underoxidized Burner Utilizing Improved Injectors , Brevet des États-Unis n 5.546.701 (1996) ; Greiner, L., Moard, D.M., Bhatt, B., Shift Reactor for Use with an Underoxidized Burner , Brevet des États-Unis n 5.728.183 (1998) ; Greiner, L., Woods, R., Reduced Carbon from Under Oxidized Burner , Brevet des États-Unis n 6.089.859 (2000).
Pour sa part, le brevet, délivré aux États-Unis sous le numéro US-B1-6.207.122 traite d'un procédé combinant l'oxydation partielle (POX) et le reformage à la vapeur d'eau (SR), permettant de former ce que l'on appelle un processus auto-thermique (ATR) (Clawson, L.G., Mitchell, W.L., Bentley, J.M., Thijssen, J.H.J., Method for Converting Hydrocarbon Fuel into Hydrogene Gas and Carbon dioxide , Brevet des États-Unis n 6.207.122 B I (2001)).
Chacun de ces processus est réalisé dans des tubes concentriques respectifs.
Les deux effluents sont dirigés et mélangés dans une zone de reformage catalytique pour produire de l'hydrogène.
D'autres brevets présentent des systèmes de reformage à la vapeur sur catalyseur, à titre d'exemple les documents suivants : Primdahl, I.I., High Temperature Steam Reforming , Brevet des États-Unis .n 5.554.351 (1996) ;
Rostrop-Nielsen, J., Christensen, P.S., Hansen, V.L., Synthesis Gas Production by Steam Reforming Using Catalyzed Hardware , Brevet des États-Unis n 5.932.141 (1999) ; Stahl, H.O., Reforming Furnace with Internal Recirculation , Brevet des États-Unis n 6.136.279 (2000). 16 emission of nitrogen oxides from gas engines' (Greiner, L., Moard, DM, Emissions Reduction Systems for Internai Combustion Engines, Patents United States No. 5,207,185 (1993)). The following patents concern improvements in the technology in question: Moard, D., Greiner, L., Apparatus and Method for Decreasing Nitrogen Oxide Emissions from Internai Combustion Power Sources, United States Patent No. 5,299,536 (1994); Greiner, L., Moard, DM, Bhatt, B., Underoxidized Burner Utilizing Improved Injectors, U.S. Patent No. 5,546,701 (1996); Greiner, L., Moard, DM, Bhatt, B., Shift Reactor for Use with an Underoxidized Burner, U.S. Patent No. 5,728,183 (1998); Greiner, L., Woods, R., Reduced Carbon from Under Oxidized Burner, US Patent No. 6.089.859 (2000).
For its part, the patent, issued in the United States under the number US-B1-6.207.122 deals with a process combining partial oxidation (POX) and steam reforming (SR), to form what is called a auto-thermal process (ATR) (Clawson, LG, Mitchell, WL, Bentley, JM, Thijssen, JHJ, Method for Converting Hydrocarbon Fuel into Hydrogen Gas and Carbon dioxide, U.S. Patent No. 6,207,122 BI (2001)).
Each of these processes is performed in respective concentric tubes.
The two effluents are directed and mixed in a catalytic reforming zone to produce hydrogen.
Other patents show steam reforming systems on example, the following documents: Primdahl, II, High Temperature Steam Reforming, U.S. Patent No. 5,554,351 (1996);
Rostrop-Nielsen, J., Christensen, PS, Hansen, VL, Synthesis Gas Production by Steam Reforming Using Catalyzed Hardware, US Patent United States 5,932,141 (1999); Stahl, HO, Reforming Furnace with Internal Recirculation, U.S. Patent No. 6,136,279 (2000).
17 Par ailleurs, les brevets suivants concernent des processus auto-thermiques avec catalyseurs : Christensen, T.S., Process for Soot-Free Preparation of Hydrogen and Carbon Monoxide Containing Synthesis Gas , Brevet des États-Unis n 5.492.649 (1996) ; Primdahl, I.I., Process for the Preparation of Hydrogen and Carbon Monoxide Rich Gas , Brevet des États-Unis n 5.958.297 (1999) ;
Christensen, P.S., Christensen, T.S., Primdahl,' I.I., Process for the Autothermal Steam Reforming of a Hydrocarbon Feedstock , Brevet des États-Unis n 6.143.202 (2000) ; Dybkjaer, I., Process and Reactor System for Preparation of Synthesis Gas , Brevet des États-Unis n 6.224.789 B1 (2001).
Enfin, les brevets ci-après mentionnés réfèrent à des appareils intégrant la séparation d'hydrogène :
= Edlund, D.J., Pledger, W.A., Steam Reformer with Internai Hydrogen Purification , Brevet des États-Unis n 5.997.594 (1999) : dispositif compact de reformage catalytique à la vapeur comportant un système de séparation et de purification interne de l'hydrogène, en plus d'un système intégré de chauffage par les gaz résiduels après séparation de l'hydrogène ;
= Edlund, D.J., Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method for Producing the Saine , Brevet des États-Unis n 6.152.995 (2000) : méthode pour la préparation de membranes métalliques perméables à l'hydrogène ;
= Edlund, D.J., Hydrogen Producing Fuel Processing System , Brevet des États-Unis n 6.221.117 B I (2001) : brevet d'amélioration du brevet des États-Unis n 5.997.594;
= Verrill, C.L., Chaney, L.J., Kneidel, K.E., Mcllroy, R.A., Privette, R.M., Compact Multi-Fuel Steam Reformer , Brevet des États-Unis n 5.938.800 (1999) : modèle compact de reformeur catalytique à la vapeur d'eau avec séparation interne de l'hydrogène et récupération de l'énergie des gaz non totalement convertis. 17 In addition, the following patents relate to auto-thermal processes with Catalysts: Christensen, TS, Process for Soot-Free Preparation of Hydrogen and Carbon Monoxide Containing Synthesis Gas, US Patent 5,492,649 (1996); Primdahl, II, Process for the Preparation of Hydrogen and Carbon Monoxide Rich Gas, U.S. Patent No. 5,958,297 (1999);
Christensen, PS, Christensen, TS, Primdahl, 'II, Process for the Autothermal Steam Reforming of a Hydrocarbon Feedstock, US Patent United States No. 6,143,202 (2000); Dybkjaer, I., Process and Reactor System for Preparation of Synthesis Gas, U.S. Patent No. 6,224,789 B1 (2001).
Finally, the patents mentioned below refer to appliances incorporating the hydrogen separation:
= Edlund, DJ, Pledger, WA, Steam Reformer with Internal Hydrogen Purification, United States Patent No. 5,997,594 (1999): Device compact steam catalytic reformer comprising a system of separation and internal purification of hydrogen, in addition to a system integrated heating by residual gases after separation of hydrogen;
= Edlund, DJ, Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method Producing the Healthy, U.S. Patent No. 6,152,995 (2000): Method for the preparation of metal membranes permeable to hydrogen;
= Edlund, DJ, Hydrogen Production Fuel Processing System, Patent United States No. 6,221,117 BI (2001): patent for improving the patent of United States No. 5,997,594;
= Verrill, CL, Chaney, LJ, Kneidel, KE, Mcllroy, RA, Privette, RM, Compact Multi-Fuel Steam Reformer, US Patent n 5.938.800 (1999): compact model of a catalytic steam reformer of water with internal separation of hydrogen and recovery of energy gas not completely converted.
18 Problème technique à résoudre Dans les applications de reformage, les catalyseurs utilisés sont à base de métaux et sont généralement préparés par imprégnation de très petites quantité
de métal à la surface d'un support poreux à très grande surface. Souvent les catalyseurs sont fixés sur un support d'alumine (A1203), de silice (Si02), de zircone (Zr02), d'oxydes d'alcalino-terreux (MgO, CaO), ou d'un mélange de ceux-ci. Parmi les catalyseurs les plus connus, mentionnons le platine et le nickel. Les meilleurs catalyseurs connus pour réaliser le reformage sont des matériaux coûteux. Il est souhaitable d'utiliser ces métaux sous une forme hautement dispersée sur un support inerte de manière à exposer aux réactifs une plus large fraction possible des atomes de ce catalyseur.
Ainsi, le recours à des réacteurs chauffés électriquement et misant sur l'utilisation de catalyseurs traditionnels, n'apparaît pas comme une solution économique. Or, l'électricité est une source noble d'énergie et son utilisation en tant que source d'énergie doit présenter des avantages économiques indéniables.
A l'heure actuelle, nous ne connaissons pas de dispositifs de reformage d'hydrocarbures basés sur un principe de chauffage ohmique et n'impliquant pas l'usage de catalyseurs traditionnels.
Les pourcentages de gaz sont tous en volume.
La présente invention se veut une toute nouvelle approche pour la production de gaz de synthèse à partir d'hydrocarbures légers comme on en retrouve dans le gaz naturel ou le biogaz. Le biogaz est un mélange de gaz combustible produit lors de la fermentation de diverses matières organiques. Il se compose généralement en volume de 35 à 70 % de méthane, de 35 à 60 % de gaz carbonique, de 0 à 3 % d'hydrogène, de ,O à 1 % d'oxygène, de 0 à 3 % d'azote, de 0 à 5 % de gaz divers (hydrogène sulfuré, ammoniac, etc.) et de vapeur d'eau.
L'invention vise notamment à : 18 Technical problem to solve In reforming applications, the catalysts used are based on metals and are usually prepared by impregnation of very small quantities of metal on the surface of a very large porous support. Often catalysts are attached to a support of alumina (Al 2 O 3), silica (SiO 2), zirconia (ZrO 2), alkaline earth oxides (MgO, CaO), or a mixture of them. Among the most well-known catalysts are platinum and nickel. The best known catalysts for reforming are expensive materials. It is desirable to use these metals in a form highly dispersed on an inert carrier so as to expose the reagents a largest possible fraction of the atoms of this catalyst.
Thus, the use of electrically heated reactors the use of traditional catalysts, does not appear as a solution economic. Electricity is a noble source of energy and its use in as a source of energy must have economic benefits undeniable.
At present, we do not know reforming devices of hydrocarbons based on an ohmic heating principle and not involving the use of traditional catalysts.
The gas percentages are all by volume.
The present invention is a completely new approach to production of synthesis gas from light hydrocarbons as found in the natural gas or biogas. Biogas is a mixture of combustible gas produced during fermentation of various organic materials. It consists usually in volume of 35 to 70% of methane, 35 to 60% of gas carbonic acid, 0 to 3% hydrogen, 0 to 1% oxygen, 0 to 3% nitrogen, from 0 to 5% of various gases (hydrogen sulphide, ammonia, etc.) and steam of water.
The invention aims in particular at:
19 = diminuer substantiellement les coûts de conversion des gaz à reformer en introduisant l'utilisation de matériaux simples, facilement disponibles sur le marché et très peu coûteux ;
= éliminer les problèmes reliés à l'utilisation de catalyseurs traditionnels ;
= rendre optionnelle la désulfuration préalable des réactifs ; et = mettre en place des réacteurs modulaires, compacts, à haut rendement et très souples d'usage.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les Figures la à lh illustrent les résultats des simulations 1 à 8 respectivement, lesquelles proviennent de calculs cinétiques reliés au reformage du méthane.
La Figure la donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 1 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 1 mole; une température de 1.000 K, une pression de 1 atmosphère et sans catalyseur.
La Figure lb donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 2 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 1 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure 1 c donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 3 pour un rapport CH4/H20/C02 de 1 mole / 1 mole / 0,333 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure l d donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 4 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 2 moles;
une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure 1 e donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 5 pour un rapport CH4/H20/02 de 1 mole / 2 moles / 0,25 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure lf donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 6 pour un rapport CH4/H2O/CO2 de 1 mole / 2 moles / 0,333 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure l g donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 7 pour un rapport CH4/H20/02 de 1 mole / 2 moles / 0,5 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure lh donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du méthane selon la simulation 8 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 3 moles; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure 2 montre un réacteur de reformage selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel les électrodes sont sous forme de disques creux perforés.
La Figure 3 montre une vue de face typique d'une électrode avec orifices et protubérances.
La Figure 4 montre un réacteur avec électrodes sous forme de disques pleins.
La Figure 5 illustre le cas de l'injection tangentielle et l'injection radiale des gaz dans un réacteur selon un mode de réalisation de l'invention.
La Figure 6 présente un arrangement d'électrodes connectées en parallèle.
La Figure 7 représente un arrangement d'électrodes connectées en mode triphasé (vue de dessus d'une coupe dans un cylindre).
La Figure 8 illustre l'arrangement général du réacteur de laboratoire, dans laquelle TC signifie thermocouple.
La Figure 9 montre une photographie des électrodes de sortie (à gauche) et d'entrée (à droite) du réacteur de laboratoire, dans laquelle la longueur de référence est le pouce.
La Figure 10 présente le schéma du banc d'essai utilisant le réacteur de laboratoire; dans cette figure P signifie mesure de pression, R signifie régulateur, T signifie mesure de température, TC signifie thermocouple, Ts signifie température à la sortie du réacteur, Te signifie température à l'entrée du réacteur, Tm signifie température au milieu de la chambre de réaction. F1 représente un compteur de gaz.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet un réacteur électrique pour le reformage, en présence d'un gaz oxydant, d'un gaz comprenant au moins un hydrocarbure, éventuellement substitué, et/ou au moins un composé organique, éventuellement substitué, comportant des atomes de carbone et d'hydrogène ainsi qu'au moins un hétéroatome. Ce réacteur comporte comme éléments structurels:
- une enceinte isolée thermiquement;
- une chambre de réaction munie d'au moins deux électrodes et située à
l'intérieur de l'enceinte, ladite chambre de réaction comprenant au moins un matériau de garnissage conducteur, le garnissage en question étant isolé électriquement de la paroi métallique de l'enceinte de manière à
éviter tout court-circuit;
- au moins une alimentation en gaz à reformer;
- au moins une alimentation en gaz oxydant, distincte ou non de l'alimentation en gaz à reformer;
- au moins une sortie pour les gaz issus du reformage; et - une source électrique permettant la mise sous tension des électrodes et résultant dans la génération d'un flux électronique dans le garnissage conducteur entre les électrodes et dans le chauffage dudit garnissage.
Un autre aspect de l'invention vise un procédé pour le reformage d'un gaz comprenant au moins un hydrocarbure éventuellement substitué, et/ou au moins un composé organique éventuellement substitué qui comporte des atomes de carbone et d'hydrogène et au moins un hétéroatome, consistant à mettre en contact le gaz à
reformer avec un gaz oxydant dans une chambre de réaction, caractérisé en ce que :
- la chambre de réaction contient un matériau de garnissage conducteur électrique formant en tout ou en partie un catalyseur de reformage, le matériau étant placé entre des électrodes;
- les électrodes sont mises sous tension pour produire un courant électrique continu ou alternatif générant un flux électronique dans le garnissage.
DÉFINITION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Le terme reformage tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est relatif à une réaction thermochimique de conversion d'un hydrocarbure ou d'une molécule organique en gaz de synthèse, lequel est un mélange gazeux notamment à
base d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone.
22a Le terme gaz tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est avantageusement relatif à un composé ou à un mélange de composés qui se présentent à l'état gazeux à une pression de préférence avoisinante la pression atmosphérique et à une température inférieure à 200 Celsius.
Le terme hydrocarbure tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est relatif à une ou plusieurs molécules contenant uniquement des atomes de carbone et d'hydrogène.
Le terme composé organique tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est relatif à une ou plusieurs molécules dont les éléments constitutifs de la structure moléculaire sont le carbone et l'hydrogène, ainsi qu'un ou plusieurs hétéroatomes tels que l'oxygène et l'azote.
L'indice de porosité tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est relatif à la proportion du volume en vrac d'un matériau qui n'est pas occupé
par la partie solide dudit matériau en vrac. L'espace vacant entre les particules '1 1 solides, tes cavités à la surface et à l'intérieur des particules ainsi que le volume des ouvertures et des trous présents ü travers le matériau contribue à la porosité.
Un premier objet de le présente invention est constitué par un réacteur électrique pour le reformage, en présence d'un gaz oxydant, d'un gaz comprenant au moins un hydrocarbure, éventuellement substitué, et/ou au moins un composé organique, éventuellement substitué, comportant des atomes de carbone et d'hydrogène ainsi qu'au moins un hétéroatome.
1 o Ce réacteur comporte ;
= une enceinte, de préférence isolée thermiduement, et plus préférentiellement encore isolée thermiquemtrtt par l'intérieur ;
une chambre de réaction munie d'au moins deux électrodes et située à
l'intérieur de l'enceinte, ladite chambre de réaction comprenant au moins un matériau de garnissage conducteur et définissant en tout ou en partie un catalyseur de réfonnage, le garnissage en question étant iso]é
électriquement de la paroi métallique de l'enceinte de manière à éviter tout court-circuit ;
- au moins une alimentation en gaz à reformer ;
- au moins une alimentation en gal oxydant, distincte ou non de l'alimentation on gaz, à reformer ;
au moins une sortie pour les gaz issus du reformage ; et une source électrique permettant la mise sous tension des électrodes et résultant dans la génération d'un flux électronique dans le garnissage conducteur entre les électrodes ; et éYentuellemetst - au mains un apport de chaleur dans le garnissage. Avantageusement l'apport de chaleur, qui peut provenir de l'extérieur ou de l'intérieur du garnissage, peut âtre effectué par tous moyens appropriés et de préférence peut résulter de la génération du flux électronique dans le garnissage.
Une sous-famille particulièrement intéressante de réacteurs selon l'invention est constituée par ceux présentant au moins une des caractéristiques suivantes ;
une chambre de réaction qui est de forme parallélépipédique au cylindrique;
au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue le port d'entrée du gaz à reformer.
(Mââ
CA 02504901 2005-05-04 ,' 1=r - au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue un conduit d'alimentation en gaz à reformer et en gaz oxydant;
au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue la sortie des gaz résultant du reformage i - au moins deux des électrodes sont situées face à face.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du réacteur de l'invention, ce dernier, comprend au moins deux électrodes métalliques constituées chacune d'une tubulure et d'un disque creux perforé, ledit disque est situé à
l'extrémité
du tube débouchant dans la chambre de réaction et il est en contact avec le garnissage de la chambre de réaction pour assurer l'alimentation en courant électrique du garnissage et son échauffement par effet Joule.
Le matériau de garnissage conducteur est choisi de préférence dans le groupe constitué par les éléments du groupe VIII de la classification périodique (numérotation CAS) et les alliages contenant au moins un desdits éléments, de préférence la garnissage est choisi dans le groupe constitué par les matériaux comportant au moins 8Q % d'un ou de plusieurs desdits éléments du groupe VIII, plus préférentiellement encore dans le groupe constitué par le fer, le nickel, le cobalt, et les alliages contenant au moins 80 % d'un ou de plusieurs de cMs éléments, plus avantageusement encore le garnissage est â base de fer ou d'un de ses alliages et de préférence il est choisi dans le groupe constitué par les aciers au carbone. Avantageusement le matériau de garnissage conducteur définit on tout ou en partie un catalyseur de la réaction de reformage précédemment définie.
Une sous-famille particulièrement intéressante de réacteurs est constituée pat les réacteurs dans lesquels le matériau possède à l'état dense une résistivité
électrique, mesurée à 20 C qui est de préférence comprise entre 50 x 10.9 et 2.000 x 10'9 ohm-m, plus préférentiellement comprise entre 60 x 10"9 et 500 x 10's ohm-in, et plus avantageusement encore comprise entre 90 x 10-9 et 200 x 10'9 ohm-m, ~- titre d'exemple, le remplissage est constitué d'éléments du matériau ~5 conducteur sous une forme choisie dans le groupe constitué par les pailles, les fibres, les limailles, les frittés, les billes, les clous, les fils, les filaments, les laines, les tiges, les boulons, les écrous, les rondelles, les copeaux, les poudres, les grains, les granules, et les plaques perforées.
5 Le matériau de remplissage peut également être constitué, en tout ou en partie, par des plaques perforées et le pourcentage surfacique des ouvertures dans la plaque est compris entre 5 et 40 %, et plus préférentiellement encore entre 10 et 19 = substantially reduce the conversion costs of the gases to be reformed into introducing the use of simple, easily available materials on the market and very inexpensive;
= eliminate problems related to the use of traditional catalysts;
= make optional the preliminary desulfurization of the reagents; and = set up modular, compact, high efficiency reactors and very flexible of use.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figures la to lh illustrate the results of simulations 1 to 8 respectively, which come from kinetic calculations related to methane reforming.
Figure la gives the results of the kinetic calculations related to the reforming of the methane according to simulation 1 for a CH4 / H2O ratio of 1 mole / 1 mole; a temperature of 1,000 K, a pressure of 1 atmosphere and without catalyst.
Figure lb gives the results of the kinetic calculations related to the reforming of the methane according to simulation 2 for a CH4 / H2O ratio of 1 mole / 1 mole; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure 1c gives the results of kinetic calculations related to reforming of methane according to simulation 3 for a CH4 / H2O / CO2 ratio of 1 mole / 1 mole / 0.333 mole; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure ld gives the results of kinetic calculations related to reforming of methane according to simulation 4 for a CH4 / H2O ratio of 1 mole / 2 moles;
a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure 1e gives the results of kinetic calculations related to reforming of methane according to simulation 5 for a ratio CH4 / H2O / 02 of 1 mole / 2 moles / 0.25 moles; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure lf gives the results of the kinetic calculations related to the reforming of the methane according to simulation 6 for a CH4 / H2O / CO2 ratio of 1 mole / 2 moles / 0.333 moles; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure lg gives the results of kinetic calculations related to reforming of methane according to simulation 7 for a ratio CH4 / H2O / 02 of 1 mole / 2 moles / 0.5 moles; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure lh gives the results of the kinetic calculations related to the reforming of the methane according to simulation 8 for a CH4 / H2O ratio of 1 mole / 3 moles; a temperature of 1,000 K and a pressure of 1 atmosphere.
Figure 2 shows a reforming reactor according to an embodiment of the invention, wherein the electrodes are in the form of hollow discs perforated.
Figure 3 shows a typical front view of an electrode with orifices and protuberances.
Figure 4 shows a reactor with electrodes in the form of solid discs.
Figure 5 illustrates the case of tangential injection and radial injection of the gas in a reactor according to one embodiment of the invention.
Figure 6 shows an arrangement of electrodes connected in parallel.
Figure 7 shows an arrangement of electrodes connected in three-phase (top view of a cut in a cylinder).
Figure 8 illustrates the general arrangement of the laboratory reactor, in which TC stands for thermocouple.
Figure 9 shows a photograph of the output electrodes (left) and inlet (right) of the laboratory reactor, in which the length of reference is the thumb.
Figure 10 shows the scheme of the test bench using the reactor of laboratory; in this figure P means pressure measurement, R means regulator, T means temperature measurement, TC means thermocouple, Ts means temperature at the outlet of the reactor, Te means temperature at the inlet of the reactor reactor, Tm means temperature in the middle of the reaction chamber. F1 represents a gas meter.
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric reactor for reforming, in presence of an oxidizing gas, a gas comprising at least one hydrocarbon, optionally substituted, and / or at least one organic compound, optionally substituted, containing carbon and hydrogen atoms and at least a heteroatom. This reactor comprises as structural elements:
- a thermally insulated enclosure;
a reaction chamber provided with at least two electrodes and located at inside the enclosure, said reaction chamber comprising at least a conductive lining material, the lining in question being electrically isolated from the metal wall of the enclosure so as to avoid any short circuit;
at least one gas supply to be reformed;
at least one supply of oxidizing gas, distinct or otherwise from the feed in gas to reform;
at least one exit for the gases resulting from reforming; and an electrical source enabling the electrodes to be energized and resulting in the generation of an electronic flux in the lining conductor between the electrodes and in heating said lining.
Another aspect of the invention is a process for reforming a gas comprising at least one optionally substituted hydrocarbon, and / or at least one a optionally substituted organic compound having carbon atoms and hydrogen and at least one heteroatom, comprising contacting the gas to reforming with an oxidizing gas in a reaction chamber, characterized in that than :
the reaction chamber contains a conductive packing material forming part or all of a reforming catalyst, the material being placed between electrodes;
the electrodes are energized to produce an electric current continuous or alternating generating an electronic flux in the lining.
GENERAL DEFINITION OF THE INVENTION
The term reforming as used in the context of this invention is relating to a thermochemical reaction of conversion of a hydrocarbon or a organic molecule in synthesis gas, which is a gas mixture in particular at base of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.
22a The term gas as used in the context of the present invention is advantageously relating to a compound or a mixture of compounds which present in the gaseous state at a pressure preferably neighboring the pressure atmospheric temperature and at a temperature below 200 Celsius.
The term hydrocarbon as used in the context of this invention is relating to one or more molecules containing only carbon and hydrogen.
The term organic compound as used in the context of this invention relates to one or more molecules whose elements constituents of the molecular structure are carbon and hydrogen as well as one or many heteroatoms such as oxygen and nitrogen.
The porosity index as used in the context of this invention is relating to the proportion of bulk volume of a material that is not occupied over there solid portion of said bulk material. The vacant space between the particles '1 1 solids, your cavities on the surface and inside the particles as well as the volume openings and holes present through the material contributes to the porosity.
A first object of the present invention is constituted by a reactor for the reforming, in the presence of an oxidizing gas, of a gas comprising at least one hydrocarbon, optionally substituted, and / or at least an organic compound, optionally substituted, having carbon and hydrogen as well as at least one heteroatom.
1 o This reactor comprises;
= an enclosure, preferably thermally insulated, and more preferentially still thermally insulated from the inside;
a reaction chamber provided with at least two electrodes and located at inside the enclosure, said reaction chamber comprising at least a conductive packing material and defining in whole or in part a refitting catalyst, the lining in question being insulated electrically from the metal wall of the enclosure so as to avoid any short circuit;
at least one gas supply to be reformed;
at least one supply of oxidizing gal, whether or not distinct from food or gas, to reform;
at least one exit for reforming gases; and an electrical source for energizing the electrodes and resulting in the generation of an electronic flux in the lining conductor between the electrodes; and éYentuellemetst - at the hands a supply of heat in the lining. advantageously heat input, which can come from outside or inside the filling can be carried out by any appropriate means and preference may result from the generation of the electronic flow in the packing.
A particularly interesting subfamily of reactors according to the invention is consisting of those having at least one of the following characteristics;
a reaction chamber which is parallelepipedal in shape cylindrical;
at least one of the electrodes is of the hollow type and constitutes the port of the gas to be reformed.
(MAA
CA 02504901 2005-05-04, '1 = r at least one of the electrodes is of the hollow type and constitutes a gas supply duct for reforming and oxidizing gas;
at least one of the electrodes is of the hollow type and constitutes the outlet gases resulting from reforming i at least two of the electrodes are located opposite one another.
According to another advantageous embodiment of the reactor of the invention, this last, comprises at least two metal electrodes each tubing and perforated hollow disc, said disc is located at the end of the tube opening into the reaction chamber and is in contact with the packing the reaction chamber to supply the power supply electric filling and heating Joule effect.
The conductive packing material is preferably selected from the group constituted by the elements of group VIII of the Periodic Table (CAS numbering) and alloys containing at least one of those elements, preferably the lining is selected from the group consisting of the materials having at least 80% of one or more of said Group VIII elements, more preferably still in the group consisting of iron, nickel, the cobalt, and alloys containing at least 80% of one or more cMs elements, more advantageously still the lining is iron-based or a of its alloys and preferably it is selected from the group consisting of the carbon steels. Advantageously the conductive packing material defines all or part of a catalyst of the reforming reaction previously defined.
A particularly interesting subfamily of reactors is incorporated the reactors in which the material has in the dense state a resistivity electric current, measured at 20 C which is preferably between 50 x 10.9 and 2.000 x 10'9 ohm-m, more preferably between 60 x 10 -9 and 500 x 10's ohm-in, and more advantageously still between 90 x 10-9 and 200 x 10'9 ohm-m, For example, the filling consists of elements of the material ~ 5 driver in a form selected from the group consisting of straws, the fibers, filings, sintered, balls, nails, threads, filaments, wool, rods, bolts, nuts, washers, chips, powders, grains, granules, and perforated plates.
The filling material may also be constituted, in whole or in part, by perforated plates and the surface percentage of the openings in the plate is between 5 and 40%, and even more preferably between 10 and
20%.
10 De façon très économique, le matériau de garnissage est de la laine d'acier doux, par exemple une laine d'acier doux commercialisée sous la marque BullDog et fabriquée par Thamesville Metal Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada).
Selon un autre mode avantageux permettant d'accroître l'efficacité du réacteur, 15 le matériau de garnissage est préalablement traité pour en accroître au moins une des caractéristiques suivantes - la surface spécifique - la pureté ; et - l'activité chimique.
20 Ce traitement préalable peut être un traitement à l'acide minérale et/ou thermique.
Selon deux autres variantes spécifiques :
- le garnissage conducteur est constitué de fibres ayant un diamètre 25 caractéristique compris entre 25 m et 5 mm, plus préférentiellement encore entre 40 m et 2,5 mm, et plus préférentiellement encore 50 m et 1 mm, ainsi qu'une longueur supérieure à 10 fois son diamètre caractéristique, plus préférentiellement supérieure à 20 fois son diamètre caractéristique et plus avantageusement encore supérieure à 50 fois son diamètre caractéristique; ou bien - le garnissage conducteur définissant un milieu poreux présente une surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par m3 de la chambre de réaction, de préférence de plus de 1.000 m2/m3, plus préférentiellement encore de plus de 2.000 m2/m3.
Une variante particulièrement intéressante est constituée par les réacteurs dans lesquels le garnissage est constitué de billes et/ou de fils à base d'au moins un élément du groupe VIII ou d'au moins un oxyde métallique, de préférence à base de fer ou d'acier.
Il est à noter que le conduit d'alimentation du gaz à reformer peut être positionné à différents endroits du réacteur, il peut par exemple être positionné
perpendiculairement à la direction du flux électronique créé entre les électrodes.
Selon deux autres variantes de positionnement :
- lorsque la chambre de réaction est de forme cylindrique, au moins un des conduits d'alimentation en mélange gazeux, constitué du gaz à reformer et/ou du gaz oxydant, est positionné tangentiellement à la paroi cylindrique de la chambre de réaction; ou bien - au moins une des sorties des gaz obtenus par reformage est positionnée dans la chambre de réaction à l'opposée de l'alimentation en gaz.
La source électrique alimentant les réacteurs de l'invention est constituée par un transformateur de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type courant alternatif (AC) ou d'un redresseur de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type courant continu (DC), laquelle source électrique est d'une puissance calculée selon les besoins énergétiques des réactions de reformage concernées, lesquelles obéissent aux lois de la thermodynamique, et ladite source électrique devant ' fournir une intensité de courant minimum calculée par l'équation suivante :
Iminimum - %= F
dans laquelle : Iminimum est le courant minimum à appliquer, exprimé en Ampères ;
1 est un paramètre qui dépend de la géométrie du réacteur, du type de garnissage, des conditions de fonctionnement et du gaz à reformer; et F est le débit molaire du gaz à reformer, exprimé en mole de gaz à reformer / seconde.
La paramètre X est établi expérimentalement en faisant varier le courant à
l'aide d'une source à intensité variable (AC ou DC) et aussi en faisant varier le débit de gaz à reformer. X dépend des caractéristiques géométriques du réacteur considéré, de la géométrie et de la nature du garnissage, et enfin des conditions de fonctionnement du réacteur (compositions et débits des gaz alimentés, température et pression de réaction). Typiquement la valeur de a, est supérieure à
C/mole.
15 Il est à noter que le courant à alimenter dans le garnissage peut être produit par induction électromagnétique en ce sens que l'on peut réaliser une transformation de courant par l'usage d'inducteurs localisés autour de la chambre de réaction.
Ainsi, le garnissage lui-même peut être confondu avec une électrode.
Le garnissage conducteur présente un indice de porosité de préférence compris entre 0,50 et 0,98, plus préférentiellement comprise entre 0,55 et 0,95, et plus préférentiellement encore entre 0,60 et 0,90.
Par ailleurs, le temps de séjour des réactifs (gaz à reformer) est de préférence supérieur à 0,1 seconde, plus préférentiellement supérieur à 1 seconde, et plus préférentiellement encore supérieur à 3 secondes.
Selon une autre variante, le garnissage de la chambre de réaction est constitué
d'une laine faite de fils d'acier mélangés avec des matériaux de forme sphérique tels des billes faites d'acier.
Par ailleurs, une variante particulièrement intéressante est constituée par les réacteurs, dans lequel la chambre de réaction contient, en plus du garnissage conducteur, des matériaux non conducteurs et/ou semi-conducteurs et/ou isolant électriquement, tels que les céramiques et l'alumine, ces derniers sont alors adéquatement disposés dans la chambre de réaction de manière à ajuster la résistance électrique globale du garnissage.
A titre d'exemple illustratif d'électrodes particulièrement adaptées pour être présentes seules ou à plusieurs exemplaires dans les réacteurs de l'invention, on peut mentionner les électrodes de type perforées présentant un diamètre d'ouverture de plus de 25 micromètres, les trous étant plus préférentiellement répartis uniformément suivant une densité d'au plus 100.000 ouvertures par cm2 de surface d'électrode.
On peut dimensionner les trous de façon à ce que la perte de charge due au passage du gaz au travers de l'électrode ou des électrodes n'excède pas 0,1 atmosphère.
Selon un mode préférentiel, les ouvertures sont réparties sur la surface de l'électrode perforée de façon à assurer une diffusion uniforme des gaz au.travers de la chambre de réaction et ou la taille des ouvertures augmentent dans le sens radial de l'électrode ou des électrodes perforée(s).
Selon une variante particulièrement efficace, au moins une des électrodes est telle que sa face exposée au garnissage est munie de protubérances et/ou de saillies, lesquelles sont de préférence de forme conique et , plus préférentiellement encore sous forme d'aiguille.
Les protubérances et/ou les saillies peuvent être dimensionnées de façon que leur densité d'espacement corresponde, dans un mode préférentiel, à plus de 0,5 unité par cm2 d'électrode.
La longueur des protubérances et/ou des saillies peut quant à elle varier entre 0,001 et 0,1 fois le la longueur du garnissage de la chambre de réaction, et la largeur de ces protubérances et/ou de ces saillies peut varier entre 0,001 et 0,1 fois le diamètre du disque de l'électrode.
A titre illustratif, les saillies sont de forme conique, les cônes correspondant étant de préférence dimensionnés de façon à ce que le rapport hauteur du cône sur diamètre du cône est d'au moins 1, plus avantageusement encore ce rapport est supérieur à 5 et plus préférentiellement encore ledit rapport est supérieur à, 10.
De façon avantageuse, les réacteurs de la présente invention peuvent être dimensionnés de façon à rentrer dans la catégorie précédemment mentionnée des réacteurs dits "compacts", "transportables" ou "portables".
Un deuxième objet de la présente invention est constitué par un procédé
électrique pour le reformage de gaz consistant à faire réagir le gaz à
reformer en présence d'au moins un gaz oxydant, dans un réacteur électrique de reformage selon le premier objet de la présente invention.
Selon un mode avantageux de réalisation, le procédé comprend au moins les étapes suivantes de :
a) préparation, à l'intérieur ou à l'extérieur du réacteur de reformage, d'un mélange du gaz à reformer et du gaz oxydant ;
b) mise en contact du mélange obtenu dans l'étape a) avec le garnissage de la chambre de réaction, de préférence par passage dans une électrode creuse ;
c) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des électrodes de la chambre de réaction ;
d) chauffage du garnissage dudit réacteur par le flux électronique à une température permettant la transformation catalytique dudit mélange gazeux ; et e) récupération du mélange de gaz issu du reformage, de préférence par passage dans une autre électrode creuse.
Avantageusement, les étapes c) et d) sont réalisées avant l'étape b) et la chambre 5 de réaction est préchauffée avant l'alimentation en gaz à reformer et en gaz oxydant, à une température comprise entre 300 C et 1.500 C, sous atmosphère inerte tel que l'azote, par la réalisation préalable de l'étape c).
Le procédé électrique de l'invention est avantageusement utilisé pour le 10 reformage de gaz constitué d'au moins un des composés du groupe constitué
par les hydrocarbures de C1 à C12, éventuellement substitués notamment par les groupements suivants : alcool, acide carboxylique, cétone, époxy, éther, peroxyde, amino, nitro, cyanure, diazo, azoture, oxime, et halogénures tels que fluoro, bromo, chloro, et iodo, lesquels hydrocarbures sont ramifiés, non 15 ramifiés, linéaires, cycliques, saturés, insaturés, aliphatiques, benzéniques et aromatiques, et présentent avantageusement un point d'ébullition inférieur à
200 C, plus préférentiellement un point d'ébullition inférieur à 150 C, et plus préférentiellement encore un point d'ébullition inférieur à 100 C.
20 Les hydrocarbures sont choisis de préférence dans le groupe constitué par :
le méthane, l'éthane, le propane, le butane, le pentane, l'hexane, l'heptane, l'octane, le nonane, le décane, l'undécane, le dodécane, chacun de ces composés et sous forme linéaire ou ramifié, et les mélanges d'au moins deux de ces composés.
25 Le procédé donne de très bon résultats lorsqu'on l'utilise pour le reformage des gaz naturels, en particulier pour le reformage de gaz contenant initialement du soufre et ayant déjà subi au préalable un traitement pour enlever le soufre, de préférence de manière à réduire avantageusement la teneur en soufre en deçà de 0,4 %, plus avantageusement en deçà de 0,1 %, et plus avantageusement encore 30 en deçà de 0,01 %, les pourcentages étant exprimés en volume.
Lors du traitement de gaz naturel contenant du soufre, une partie ou la totalité du garnissage réagit avec le soufre présent dans le gaz à reformer et la partie du garnissage ainsi utilisée est nommée garnissage sacrificiel.
Parmi les gaz susceptibles d'être reformer par le procédé de l'invention, ori mentionne également les biogaz provenant notamment de la fermentation anaérobique de diverses matières organiques. Ces biogaz sont avantageusement constitués en volume de 35 à 70 % de méthane, de 35 à 60 % de gaz carbonique, de 0 à 3 % d'hydrogène, de 0 à 1 % d'oxygène, de 0 à 3 % d'azote, de 0 à 5 %
de gaz divers tels que l'hydrogène sulfuré, l'ammoniac et de vapeur d'eau.
A titre d'exemple préférentiel, le gaz à reformer est un gaz naturel constitué
de 70 à 99 % de méthane, accompagné de 0 à 10 % d'éthylène, de 0 à 25 %
d'éthane, de 0 à 10 % de propane, de 0 à 8 % de butane, de 0 à 5 %
d'hydrogène, de 0 à 2 % de, monoxyde de carbone, de 0 à 2 % d'oxygène, de 0 à
15 % d'azote, de 0 à 10 % de dioxyde de carbone, de 0 à 2 % d'eau, de 0 à 3 %
d'un ou plusieurs hydrocarbures de C5 à C12 et des traces d'autres gaz..
Pour la mise en oeuvre avantageuse du procédé, le gaz oxydant est constitué
d'au moins un gaz choisi dans le groupe constitué par le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, l'eau, l'oxygène, les oxydes d'azote tel que NO, N20, N205, NO2, NO3, N203, et par les mélanges d'au moins deux de ces composants, de préférence les mélanges de dioxyde de carbone et d'eau.
Selon une autre variante, le gaz à reformer est constitué d'au moins un des composés du groupe constitué par les composés organiques de structure moléculaire dont les éléments constitutifs sont le carbone et l'hydrogène, ainsi qu'un ou plusieurs hétéroatomes tels que l'oxygène et l'azote, pouvant comprendre avantageusement un ou plusieurs groupements fonctionnels choisis dans le groupe constitué par les alcools, les éthers, les éther-oxydes, les phénols, les aldéhydes, les cétones, les acides, les amines, les amides, les nitriles, les esters, les oxydes, les oximes et présentant de préférence un point d'ébullition inférieur à 200 C, plus préférentiellement un point d'ébullition inférieur à
150 C, et plus préférentiellement encore un point d'ébullition inférieur à
100 C.
De préférence, les composés 'organiques sont du méthanol et/ou de l'éthanol.
Selon une autre variante avantageuse, le gaz à reformer peut également contenir un ou plusieurs des gaz du groupe constitué par l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, la vapeur d'eau, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, et les gaz inertes du groupe VIIIA de la classification périodique (numérotation CAS), ou les mélanges d'au moins deux de ces derniers.
Des résultats particulièrement intéressants au niveau du reformage sont obtenus lors que le mélange de gaz alimenté dans la chambre de réaction contient moins de 5 % en volume d'oxygène.
A titre illustratif, le mélange du gaz à reformer et du gaz oxydant est constitué
de 25 à 60 % de méthane, de 0 à 75 % de vapeur d'eau et de 0 à 75 % de dioxyde de 'carbone, de préférence de 30 à 60 % de méthane, de 15 à 60 % de vapeur d'eau, et de 10 à 60 % de dioxyde de carbone, et plus préférentiellement encore de 35 à 50 % de méthane, de 20 à 60 % de vapeur d'eau et de 10 à 50 %
de dioxyde de carbone.
Selon un autre mode préférentiel, le mélange de gaz à reformer et de gaz oxydant est constitué, dans un mode préférentiel, d'environ 36,0 % de méthane, et le gaz oxydant est constitué d'environ 49,0 % d'eau et d'environ 12 % de dioxyde de carbone.
Les paramètres de l'alimentation en gaz sont choisis de façon à ce que le rapport molaire atomique carbone / oxygène dans le mélange de gaz alimenté dans la chambre de réaction est compris entre 0,2 et 1,0, de préférence ce rapport est compris entre 0,5 et 1,0, et plus préférentiellement encore ledit rapport est compris entre 0,65 et 1,0.
L'étape c) est réalisée par utilisation d'un courant alternatif (AC) ou continu (DC) modulé en fonction du niveau de température à maintenir dans le réacteur, de préférence en continu en évitant les arrêts et en appliquant que des changements modérés à l'intensité du courant.
Selon une variante préférentielle, les étapes b), c) et d) sont réalisées à un niveau de température se situant entre 300 et 1.500 C, de préférence dans une gamme se situant entre 600 et 1.000 C, et plus préférentiellement encore dans une gamme se situant entre 700 et 900 C.
Dans les étapes b), c) et d), la pression dans la chambre de réaction est avantageusement supérieure à 0,001 atmosphère et elle est de préférence comprise entre 0,1 et 50 atmosphères, plus préférentiellement encore elle est comprise entre 0,5 et 20 atmosphères.
Le profil de pression est quant à lui avantageusement maintenu constant dans la chambre de réaction pendant le reformage.
Le procédé de l'invention peut être réalisé en continu, de préférence lorsque l'on utilise un matériau de garnissage à longue durée de vie et en discontinu, de préférence pendant une période d'au moins 30 minutes, lorsque l'on utilise un matériau à faible durée de vie, c'est-à-dire qui se consomme rapidement au cours du procédé de reformage. Le garnissage est alors remplacé ou régénéré entre deux périodes de mise en oeuvre.
Il a été par ailleurs constaté que la réaction de reformage apparaît catalysée par des micro-arcs sautant entre les particules du garnissage ou par des sites activés par l'accumulation de charges à la surface des particules du garnissage et/ou par le passage de courant électrique.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le garnissage conducteur est choisi de façon à présenter un indice de porosité comprise entre 0,50 et 0,98, plus préférentiellement comprise entre 0,55 et 0,95, et plus préférentiellement encore entre 0,60 et 0,90.
Le temps de séjour des réactifs est de préférence supérieur à 0,1 seconde, plus préférentiellement supérieur à 1 seconde, et plus avantageusement encore supérieur à 3 secondes.
Selon un autre mode préférentiel le procédé est mis en oeuvre avec un réacteur électrique dans lequel pour au moins une des électrodes, les perforations sont réparties uniformément avec une densité correspondant à au plus 100.000 ouvertures par cm2 de surface d'électrode et lesdites ouvertures sont telles que la perte de charge due au passage du gaz au travers de l'électrode ou des électrodes n'excède pas 0,1 atmosphère.
A titre illustratif de mise en oeuvre préférentiel, on peut mentionner le procédé
électrique pour le reformage d'hydrocarbures et/ou de composés organiques, consistant à faire réagir ces derniers en présence d'un, gaz oxydant (de préférence en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique et/ou autres gaz), dans une chambre de réaction contenant :
1) un garnissage conducteur à base de métaux définissant un milieu poreux présentant une surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par m3 de la chambre de réaction, ce garnissage servant à la fois de médium de chauffage et de milieu de catalyse ; et 2) deux électrodes métalliques constituées chacune d'une tubulure et d'un disque creux perforé en contact avec le garnissage pour réaliser l'alimentation du courant électrique requis pour le chauffage de ce garnissage par effet Joule et pour aider à la catalyse par mouvements d'électrons ;
comprenant les étapes suivantes :
a) de mélange des hydrocarbures et/ou les composés organiques et le gaz oxydant;
b) d'introduction du mélange de l'étape a) dans la chambre de réaction par injection dans une des électrodes ;
5 c) de mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) d'application d'un flux électronique par la mise sous tension des électrodes de la chambre de réaction ;
e) de chauffage du garnissage par le flux électronique et produire un mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse, par 10 l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et f) d'évacuation et de récupération du gaz du réacteur par passage dans l'autre électrode.
15 Avantageusement, ces paramètres du procédé sont appliqués pour le reformage du méthane, consistant à faire réagir ce dernier en présence de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dans une chambre de réaction d'un volume disponible de 322 cm3 contenant :
1) un garnissage conducteur constitué de 50 g de laine d'acier, par exemple 20 d'une laine d'acier de type BullDog fabriquée par Thamesville Metal Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada) définissant un milieu poreux, lequel milieu est constitué d'une alternance de couches de 1 cm d'épaisseur de ladite laine d'acier adéquatement compactées; et 2) deux électrodes métalliques fabriquées en acier au carbone constituées 25 chacune d'une tubulure d'une longueur d'environ 30,48 cm et d'un disque creux d'un diamètre d'environ 6,35 cm, lequel disque est perforé, muni de saillis de manière à assurer un.bon contact avec le garnissage ;
comprenant les étapes suivantes :
a) mélange les réactifs gazeux, lesquels sont le méthane, le dioxyde de 30 carbone et la vapeur d'eau, suivant des concentrations respectives d'environ 39 %, 12 % et 49,0 %;
b) introduction du mélange de l'étape a) dans la chambre de réaction par injection dans l'électrode d'entrée ;
c) mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique par la mise sous tension des électrodes de la chambre de réaction, lequel flux est obtenu par un courant électrique continu d'une intensité d'environ 150 ampères ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique à une température d'environ 780 C et production d'un mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse, par l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et f) évacuation et récupération de gaz du réacteur par passage dans l'électrode de sortie, lequel gaz est constitué d'hydrogène, de monoxyde de carbone, d'oxygène, de méthane et de dioxyde de carbone, suivant des concentrations respectives d'environ 69 %, 28 %, 0,4 %, 1,7 % et 0,9 %, établies sur une base anhydre et normalisée.
Un autre exemple particulièrement intéressant est constitué par un procédé
électrique pour le reformage d'hydrocarbures et/ou de composés organiques, consistant à faire réagir ces derniers en présence d'un gaz oxydant (de préférence en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique et/ou autres gaz), dans une chambre de réaction contenant :
1) un garnissage conducteur à base de métaux définissant un milieu poreux présentant une surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par m3 de la chambre de réaction, ce garnissage servant alors à la fois de moyen de chauffage et de milieu de catalyse ; et 2) deux électrodes métalliques constituées chacune d'un disque plein en contact avec le garnissage pour réaliser l'alimentation du courant électrique requis pour le chauffage de ce garnissage par effet Joule et pour aider à la catalyse par mouvements d'électrons ;
comprenant les étapes suivantes :
a) mélange des hydrocarbures et/ou les composés organiques et le gaz oxydant ;
b) introduction dans la chambre de réaction du mélange de l'étape a) par injection au niveau des ouvertures radiales ou tangentielles de la chambre de réaction ;
c) mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des électrodes de la chambre de réaction ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique et production d'un mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse par l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et f) évacuation et récupération du gaz du réacteur par écoulement axial, tangentiel ou radial à l'aide d'ouvertures axiales, radiales ou tangentielles.
A titre d'exemple avantageux, l'utilisation du procédé de l'invention pour le reformage du méthane consiste à faire réagir ce dernier en présence de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dans une chambre de réaction d'un volume disponible de 26,5 litres contenant :
1) un garnissage conducteur constitué de filaments d'acier définissant un milieu poreux, lequel milieu est constitué de filaments dont chacun est d'une longueur d'environ 1 cm et d'un diamètre d'environ 0,5 mm ; et 2) deux électrodes métalliques fabriquées en acier au carbone constituées chacune d'une tige d'une longueur d'environ 50 cm et d'un disque d'un diamètre d'environ 15 cm, lequel disque est muni de saillis de manière à
assurer un bon contact avec'le garnissage ;
comprenant les étapes suivantes :
a) mélange des réactifs gazeux, lesquels sont le méthane, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, suivant des concentrations respectives d'environ 53 %, 17 % et 30,0 %;
b) introduction dans la chambre de réaction du mélange de l'étape a) par injection au niveau des ouvertures radiales ou tangentielles présentes dans la chambre de réaction;
c) mise en contact du mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des électrodes de la chambre de réaction, lequel flux est obtenu par un courant électrique continu d'une intensité d'environ 500 ampères ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique à une température d'environ 780 C et production d'un mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse, par l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant- étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et f) évacuation et récupération du gaz du réacteur par passage dans les ouvertures radiales de sortie, lesquelles sont situées à la fin de la chambre de réaction, et lequel gaz est constitué d'hydrogène, de monoxyde de carbone, d'oxygène, de méthane et de dioxyde de carbone, suivant des concentrations respectives d'environ 69 %, 28 %, 0,4 %, 1,7 % et 0,9 %, établies sur une base anhydre et normalisée.
Dans ces modes avantageux précédemment mentionnés, le temps de séjour des réactifs est de préférence supérieur à 0,1 seconde, plus préférentiellement supérieur à 1 seconde, et plus avantageusement encore supérieur à 3 secondes.
Un troisième objet de la présente invention est constitué par l'utilisation d'un ou plusieurs réacteurs électriques pour:
(i) la production de gaz de synthèse servant notamment à la fabrication de méthanol, et préférentiellement pour les implantations présentant une consommation électrique de 1 à
5 MW;
(ii) la valorisation en énergie et/ou en produits chimiques du biogaz généré par les lieux d'enfouissement sanitaire ;
(iii) la production d'hydrogène pour des applications de combustibles reliés au transport routier, à titre d'exemple pour l'alimentation des automobiles et des autobus ; et (iv) la production d'hydrogène pour des applications dites portables ou stationnaires, à titre d'exemple pour l'alimentation des piles à combustible destinées aux résidences et aux véhicules routiers.
Le procédé électrique de l'invention peut avantageusement être utilisé pour :
(i) la production de gaz de synthèse servant notamment à la fabrication de méthanol, et préférentiellement pour les implantations présentant une consommation électrique de 1 à
5 MW;
(ii) la valorisation en énergie et/ou en produits chimiques du biogaz généré par les lieux d'enfouissement sanitaire ;
(iii) la production d'hydrogène pour des applications de combustibles reliés au transport routier, à titre d'exemple pour l'alimentation les automobiles et les autobus ; et (iv) la production d'hydrogène pour des, applications dites portables ou stationnaires, à titre d'exemple pour l'alimentation des piles . à combustible destinées aux résidences et aux véhicules routiers.
Une utilisation particulièrement intéressante du procédé est, trouvée dans la désulfuration des gaz contenant du soufre.
THÉORIE EXPLICATIVE DE LA PRÉSENTE INVENTION
Cette section présente un modèle de fonctionnement de l'invention. Elle montre qu'un matériau aussi commun que le fer peut avoir un effet catalytique sur les réactions de reformage, que -ce matériau n'a pas besoin d'être sous la forme traditionnelle des catalyseurs commerciaux, et on peut l'utiliser de façon surprenante sous une forme à géométrie simple permettant son utilisation comme moyen pour réaliser un chauffage ohmique. Il a été découvert que ce matériau, sous une forme poreuse, est propice à la fois pour le chauffage des réactifs et pour la catalyse des réactions de reformage.
Cinétique de réaction Les métaux du groupe VIII du tableau périodique (numérotation CAS) présentent une bonne activité catalytique pour les, réactions impliquant la formation d'hydrogène et le craquage d'hydrocarbures, ces réactions semblent 10 expliquer en partie par la contribution dans la formation de liens chimiques de leurs orbitales d partiellement remplies. Le fer, le cobalt, le nickel, le ruthénium et l'osmium sont les métaux les plus actifs du groupe en question.
Ces métaux sont connus comme étant facilement oxydables en présence d'eau ou d'oxygène et facilement réduits par la suite en présence d'hydrocarbures ou 15 d'autres gaz réducteurs. Le métal permet d'arracher à l'eau (et aussi au C02) des atomes d'oxygène pour ensuite les relayer à des hydrocarbures tout en formant des oxydes métalliques qui sont facilement réduits aux conditions de synthèse. C'est ce qui permet de catalyser des réactions de reformage. Dans l'industrie, le nickel est de loin le catalyseur connu le plus utilisé pour réaliser le 20 reformage du gaz naturel.
Le palladium, l'iridium et le platine, également du groupe VIII, absorbent facilement le CO mais permettent difficilement son largage. Quant aux métaux Zn, AI et Cu des groupes IB, IIB et IIIB, ceux-ci sont modérément actifs.
Le métal le moins coûteux et le plus facilement disponible connu est le fer.
Il est électriquement conducteur mais offre une certaine résistance électrique nécessaire au chauffage ohmique, accentuée par la structure granulaire du lit catalytique qu'il forme. Le comportement cinétique du fer dans des réactions de reformage à la vapeur d'eau et/ou au C02 a été calculé à partir d'un modèle mathématique que nous avons élaboré dans le but de faire des prédictions sur l'activité catalytique de certains métaux en suivant l'état d'oxydation du catalyseur, en fonction du temps, dans les conditions de reformage. Ce modèle, s'est avéré cohérent au regard des lois de la thermodynamique, et il permet également de simuler la formation de molécules à liens multiples carbone-carbone susceptibles de constituer des précurseurs de formation de carbone solide (suie, charbon, hydrocarbures lourds, etc.).
Pour quantifier le comportement cinétique d'un métal, le modèle de Eley-Rideal a été utilisé. Celui-ci suggère qu'une réaction pourrait se produire directement suite à une collision d'une espèce gazeuse sur une molécule ou un fragment de molécule adsorbé (identifié par un astérisque * ) c'est-à-dire :
A + *B - produits (6) dont la vitesse de réaction (rj) est décrite par la forme d'équation suivante :
rr = kj PA OB (7) où PA est la pression partielle de l'espèce A dans la phase gazeuse, OB est la proportion de sites actifs couverts par la molécule ou le fragment B, et kk est la vitesse spécifique de réaction.
Les résultats de la simulation indiquent que l'équilibre thermodynamique peut être atteint en 3 à 6 secondes dans le cas du reformage du méthane en présence de vapeur d'eau ou de mélange de vapeur d'eau et de C02, même avec une très petite quantité de fer. Bien que le temps de réaction soit beaucoup plus grand que ce que les catalyseurs généralement utilisés permettent de réaliser (0,2 à
0,02 seconde), on peut toutefois envisager le fer comme matériau bon marché
permettant la catalyse de réactions de reformage.
Les paragraphes suivants présentent les faits saillants reliés aux calculs de cinétiques de réaction de reformage du méthane avec vapeur d'eau et/ou de C02 en présence du fer comme catalyseur. Les graphiques présentés aux Figures la à lh présentent les résultats de calculs de la modélisation sur l'évolution de chacune des espèces chimiques, en fonction du temps, dans le cas de plusieurs scénarios de calculs. Toutes ces simulations ont été réalisées en utilisant le fer comme catalyseur (lequel est considéré initialement sous forme d'oxyde ferreux, FeO), avec une quantité correspondant à 0,01 mole de fer par mole de méthane dans l'alimentation.
Les simulations 3 et 6 (Figures l c et l f respectivement) ont été réalisées à
partir de mélanges initiaux permettant de s'approcher d'une composition de gaz souhaitable pour la production de méthanol. Un paramètre utilisé pour caractériser la composition du gaz de synthèse destiné à la production de méthanol est défini par le rapport suivant :
R = (nx2 - nco2) / (nco + nco2) (8) où nH2, nc02 et nco représentent respectivement la proportion molaire de H2, C02 et CO dans le gaz de synthèse. La valeurde R doit se situer au voisinage de 2 dans le cas de la synthèse du méthanol. Les simulations 3 et 6 réfèrent à
un cas de reformage du méthane avec le C02 et la vapeur d'eau. En comparant les résultats des simulations 3 et 6, on observe que l'ajout d'un peu de vapeur d'eau a pour effet de favoriser une meilleure conversion du méthane (il n'y a pratiquement plus de méthane après 2 secondes selon la Figure l f) et aussi d'augmenter le rapport molaire H2/CO. Ceci illustre qu'il est possible en jouant avec l'alimentation des réactifs, de produire des mélanges gazeux ayant une composition ajustée à la stoechiométrie d'un produit donné.
Les simulations 1, 2, 4 et 8 (Figures la, lb, ld et lh respectivement) résident dans l'étude du reformage à la vapeur d'eau. On constate de façon surprenante qu'aucune réaction ne se produit en l'absence de catalyseur (Figure la). En comparant les Figures lb et ld, on voit que l'ajout de vapeur d'eau favorise une meilleure conversion du méthane. Dans le cas de la Figure lb, on calcule après 2 secondes une quantité résiduelle de 0,2 mole de méthane par mole de méthane alimenté, tandis que dans le cas de la Figure 1d, il n'y a pratiquement plus de méthane résiduel après 2 secondes.
En comparant les simulations 4 et 8 (Figures Id et lh respectivement), on voit que l'ajout d'un surplus de vapeur d'eau a pour effet surtout d'augmenter la teneur en C02. En effet, la vapeur d'eau favorise la réaction du gaz à l'eau.
Dans le cas de la Figure 1 d, on obtient après 2 secondes une production de 0,25 mole de C02 par mole de méthane alimenté, tandis que dans le cas de la Figure 1h, on obtient après 2 secondes 0,4 mole de C02 par mole de méthane alimenté.
En examinant les résultats des simulations 5 et 7, on s'aperçoit par contre que l'ajout d'oxygène résulte en une diminution de la teneur en hydrogène, une diminution de la teneur en CO, ainsi qu'en une augmentation du C02. L'ajout d'oxygène, même en présence de vapeur d'eau, a pour effet de générer des molécules insaturées considérées comme des précurseurs de carbone (formation indésirable de suie).
Tel que montré par les Figures lb à 1h, le fer rend effectivement possible une catalyse adéquate des réactions de reformage. Dans la plupart des cas, l'équilibre thermodynamique est pratiquement atteint en l'espace de 3 à 6 secondes à pression atmosphérique dans le cas d'une température de 1 000 K
avec aussi peu que 0,01 mole de fer par mole de méthane alimenté. Ce dernier paramètre s'lest révélé être extrêmement important puisqu'il est au coeur de la présente. invention. A priori, la proportion de catalyseur requis pour la réaction est faible et une quantité correspondant à 0,001 mole/mole donne des résultats de modélisation similaires. Cependant, lorsque la quantité de catalyseur devient trop faible, les phénomènes de diffusion deviennent importants rendant les sites actifs métalliques moins disponibles pour la réaction et il en résulte que les vitesses de réactions diminuent en vertu de l'équation (7).
Dans le cadre de la mise au point de la présente invention, on a établi que la réaction peut être catalysée par une quantité suffisante de fer chimiquement actif correspondant à 0,01 mole/mole, le fer étant alors sous forme métallique ou oxydée. En effet, dans tous les cas de réactions étudiées, l'équilibre entre le fer métallique et son état oxydé FeO est atteint pratiquement instantanément. Par exemple, si l'on considère la réaction du gaz à l'eau, on obtient les quantités molaires suivantes (mole de produit par mole de C02 alimenté), après moins de 1ms = H2 : 0,54 mole ;
= H2O : 0,46 mole ;
= CO : 0,45 mole ;
= C02 : 0,55 mole ;
= CH4 : 0,0015 mole ;
= Fe : 0,0021 mole ; et = FeO : 0,0079 mole.
Surface de catalyseur et caractéristiques générales de l'invention Le fer n'est pas coûteux et il n'est pas obligatoire de l'utiliser sous une forme comparables aux formes utilisées pour la fabrication de catalyseurs traditionnels.
Dans le cas de la présente invention, on propose plutôt d'utiliser le fer sous une forme plus grossière, mais qui permet de l'utiliser à la fois comme médium de chauffage, comme conducteur électrique et comme catalyseur. Avec une telle approche, même si l'on mise sur un effet catalytique accentué par le passage de courant électrique et/ou l'accumulation locale de charges électriques à la surface des particules du garnissage, on s'exempte de l'utilisation des catalyseurs traditionnels ou de la préparation traditionnelle de ceux-ci. On doit toutefois viser une mise en forme adéquate permettant d'exposer les atomes de fer aux réactifs mais sans avoir à utiliser ce métal sous forme hautement dispersée.
Dans le cas de la présente invention, le fer est utilisé sous la forme d'un garnissage métallique présentant un milieu poreux ayant une surface d'exposition adéquate du métal aux réactifs gazeux. On parle préférentiellement d'un lit fixe qui sera chauffé par effet Joule grâce à un chauffage ohmique, lequel sera obtenu par le passage de courant électrique (flux électronique) réalisé
à l'aide d'électrodes en contact avec le garnissage. Ce garnissage est contenu dans un contenant isolé thermiquement à l'entrée duquel des réactifs gazeux sont introduits et à la sortie duquel les produits gazeux sont évacués. Ce 5 garnissage est caractérisé par :
= la surface de catalyse requise ;
= le volume de réaction requis ;
= la porosité apparente du milieu réactionnel que constitue le garnissage ;
= les caractéristiques géométriques du garnissage ; et 10 = la résistance électrique du garnissage.
Il faut en théorie une faible quantité de fer pour réaliser la réaction à
condition que le contact gaz / catalyseur soit suffisant (systèmes bien mélangés). Il s'agit de la quantité de catalyseur qui doit être répartie dans le volume réactionnel en 15 vue de former la surface de contact requise pour réaliser la réaction. On parle ici d'une surface exposant les atomes de fer aux réactifs. Le volume interne de la chambre de réaction du réacteur est préférentiellement de forme cylindrique lorsque le courant électrique est émis entre deux électrodes. Ce volume est rempli par un garnissage constitué d'éléments unitaires à base de fer, lequel 20 constitue alors le garnissage, le lit ou le milieu poreux.
Préférentiellement, la surface minimale requise de fer pour catalyser la réaction doit être supérieure à
744 m2-s/mole de méthane (744 m2/(mole/s) de méthane). De plus, le rapport entre la surface de catalyseur et le volume réactionnel (fraction vide du volume du garnissage ou porosité) doit préférentiellement être supérieur à 560 m2/m3.
25 Un tel ratio est réalisable en utilisant le fer sous des formes géométriques simples (p. ex. : fils d'acier, poudres, etc.). On peut par exemple obtenir ceci dans le cas de filaments très longs de 0,75 mm de diamètre constituant un garnissage définissant un lit avec une porosité de 0,9 (rapport entre le volume vide et le volume en vrac du garnissage). On peut jouer sur le diamètre des 30 brins, sur la quantité de filaments et sur la compaction du garnissage.
Bien entendu, d'autres formes géométriques peuvent être utilisées pour les éléments unitaires devant constituer le garnissage. Ceci inclut, sans s'y restreindre, des granules, des grains, des poudres, des limailles, des filaments, des laines, des fibres, des fils, des pailles, des billes, des tiges, des clous, des rondelles, des frittés, des plaques perforées, des morceaux de formes irrégulières tels que des copeaux, des boulons et des écrous ou des mélanges quelconques d'éléments de différentes formes.
Le garnissage est destiné à former le médium de chauffage par passage de courant à travers ce dernier (effet Joule) grâce aux propriétés électriques du matériel du garnissage et à la possibilité de production de micro-arcs électriques.
Ainsi, on fait én sorte que la source de chaleur ne provient pas de la phase gazeuse mais bien du garnissage catalytique lui-même. Compte tenu des densités de surface mentionnées plus haut, le flux de transfert de chaleur entre le garnissage et le milieu gazeux est sélectionné à moins de 100 W/m2-K. Ceci est faible dans le cas de dispositifs fonctionnant à plus de 700 C, en raison du flux de chaleur par radiation. Le chauffage direct du catalyseur dans ces conditions de fonctionnement fait en sorte que la température maximale du catalyseur et voisine de la température visée dans le milieu réactionnel.
En plus du chauffage direct du catalyseur par effet Joule, des effets catalytiques peuvent être soutenus et induits non seulement à cause du matériau constituant le catalyseur, mais aussi par une disponibilité et une mobilité accrue des électrons et/ou par la formation de micro-arcs dans le milieu poreux. Enfin, dans la présente invention, le passage de courant (flux électronique) au travers du garnissage est essentiel pour maintenir l'activité chimique et les propriétés catalytiques du matériau constituant ledit garnissage.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES PRÉFÉRENTIELS DE
L'INVENTION
Le réacteur décrit dans la présente invention mise sur l'utilisation d'un garnissage constituant un milieu poreux formé de composés métalliques et/ou de leurs oxydes. De préférence, le garnissage est constitué de particules de petites dimensions à base de fer ou d'acier. Ceci inclut, sans ' être limitatif, des filaments, des laines, des fils, des pailles, des fibres, des limailles, des frittés, des poudres, des grains, des granules, des billes, des tiges, des clous, des boulons, des écrous, des copeaux, des rondelles, des plaques perforées, ou d'autres formes régulières ou irrégulières permettant la génération d'une structure poreuse favorisant un écoulement et une dispersion des gaz et présentant une surface de contact suffisante avec les réactifs. Les Figures 2 et 4 illustrent la configuration proposée. Lesdites figures montrent une vue de profil d'un cylindre métallique à l'intérieur duquel on aune épaisseur de réfractaire (servant aussi d'isolant électrique) et aussi une épaisseur d'isolant thermique (servant également d'isolant électrique). Ce cylindre contient le garnissage lequel est confiné entre deux électrodes métalliques (pouvant être en acier). Les réactifs à
traiter, lesquels sont sous la forme d'un mélange gazeux et sont injectés simplement à l'intérieur de la structure poreuse définie par le garnissage.
Le garnissage doit avoir les caractéristiques suivantes :
= présenter une porosité et des caractéristiques géométriques permettant un temps de séjour des réactifs gazeux suffisamment élevé, soit au moins 0,1 seconde, et préférentiellement 3 secondes, pour garantir un degré
d'avancement suffisant de la réaction ;
= présenter une surface suffisante pour le contact entre les réactifs gazeux et le garnissage tant pour catalyser la réaction que pour chauffer les réactifs de manière à maintenir le niveau de température requis par la réaction, préférentiellement 744 m2-s/mole de méthane ;
= assurer un contact électrique constant entre les deux électrodes ; et = présenter une structure poreuse permettant l'établissement de micro-arcs électriques.
Les Figures 2 et 3 montrent un arrangement préférentiel pour lequel les électrodes sont constituées de plaques perforées à travers lesquelles passent les gaz. Ces plaques peuvent être munies de protubérances afin d'aider à une meilleure dispersion du courant et un meilleur contact entre le garnissage et les électrodes. La Figure 3 présente une vue de face du disque d'une électrode avec un arrangement typique pouvant être considéré. L'arrangement des ouvertures des électrodes doit assurer un écoulement uniforme des gaz dans le réacteur et éviter les zones stagnantes. Les ouvertures seront réparties de préférence suivant une densité correspondant à 0,5 ouverture par cm2 de surface. Le diamètre de ces ouvertures doit être tel que la perte de charge au travers des disques n'excède pas 0,1 atmosphère. A noter que l'agencement des ouvertures et des protubérances peuvent être modifiées de manière à modifier le profil d'écoulement et de dispersion des gaz à l'intérieur du garnissage. Il n'est pas obligatoire que ces agencements soient uniformes.
Les électrodes doivent être en contact permanent avec le garnissage adéquatement compacté. Les protubérances mentionnées précédemment ont pour but justement d'aider à maintenir le contact électrique et mécanique entre le garnissage et l'électrode. De préférence, ces protubérances sont constituées de pointes. Un nombre minimum de pointes correspondant à une densité de 0,5 pic par cm2 de surface de disque est recommandé et ces pics sont uniformément répartis sur la surface de l'électrode. La dimension de ces pointes peut être variable. On propose un diamètre pouvant varier entre 0,001 et 0,1 fois le diamètre du garnissage (volume en vrac du milieu que constitue le garnissage) et une longueur se situant entre 0,001 et 0,1 fois la longueur du volume (en vrac) de garnissage.
De préférence, les électrodes ont des géométries semblables bien qu'elles puissent être différentes. Les électrodes sont préférentiellement fabriquées en fer, en nickel ou en alliages à base de ces métaux. Dans ce cas, celles-ci participent à la réaction, étant donné qu'elles présentent des surfaces métalliques ayant un effet catalytique. De plus, en faisant en sorte que les électrodes elles-mêmes soient mises à contribution dans le transport des gaz, on favorise une meilleure dispersion de la chaleur pouvant être produite au niveau des électrodes. On cherche à faire en sorte que le garnissage ainsi que les électrodes retenues constituent un milieu de chauffage avec un niveau de température qui soit le plus homogène possible.
La Figure 4 présente une variante du mode de' réalisation présenté par la Figure 2. Dans ce cas, les électrodes ne sont pas perforées mais les gaz circulent perpendiculairement et à proximité de chacune des électrodes, à l'aide d'ouvertures qui sont de préférence en position radiale. Dans les faits, plusieurs ouvertures également distribuées sur la circonférence du réacteur permettent une dispersion adéquate tant des gaz alimentés que des gaz sortant (la figure ne montre qu'une seule ouverture pour chacune des électrodes). De plus, ces ouvertures doivent se situer le plus près possible de chacune des électrodes.
Dans le cas des deux configurations présentées respectivement par les Figures et 4, le réacteur est avantageusement muni d'ouvertures supplémentaires, de préférence radiales, permettant l'injection de gaz devant servir de réactifs à
différents endroits dans le garnissage. L'injection des gaz réactifs tant dans le milieu poreux que constitue le garnissage, qu'à proximité des électrodes, est réalisée de façon radiale ou tangentielle. Ceci est illustré par la Figure 5.
L'évacuation des gaz produits dans le réacteur est réalisée de façon radiale ou de façon tangentielle. La Figure 5 montre une entrée (1) et une sortie (2) radiales, ainsi qu'une sortie (3) et une entrée (4) tangentielles, par rapport à un lit ou milieu poreux défini par le garnissage (5).
Dans les faits, plusieurs autres arrangements peuvent être considérés.
Plusieurs formes de réacteurs peuvent être envisagées. Par exemple, on peut envisager des réacteurs en forme de parallélépipède ou même sous forme sphérique. Différents agencements d'électrodes peuvent être également considérés. La Figure 6 présente un arrangement typique d'électrodes interconnectées en parallèle.
Cette figure montre des ouvertures (1) pouvant servir pour l'injection de réactifs ou l'évacuation de gaz produits, le garnissage (2), des électrodes (3), le tout à
l'intérieur d'un volume défini par le matériau isolant (4) (réfractaire et isolant thermique). Tel que montré par la Figure 6, les électrodes sont connectées en parallèle et sont reliées électriquement à une alimentation électrique (5). Le fait d'utiliser plusieurs électrodes permet éventuellement de contrôler localement les niveaux de chauffage du réacteur (densité de puissance générée) et le flux 5 électronique.
La Figure 7 présente un arrangement caractérisé par des électrodes connectées en mode triphasé. Ces électrodes sont sous forme de plaques à l'intérieur d'un cylindre (la figure montre une vue de dessus). Il est ainsi possible de prévoir 10 trois électrodes et d'opérer avec un courant alternatif triphasé. Cette figure montre par ailleurs des ouvertures (1) pouvant servir pour l'injection de réactifs ou l'évacuation de gaz produits, le garnissage (2), des électrodes (3), le tout à
l'intérieur d'un volume défini par le matériau isolant (4) (réfractaire et isolant thermique). Tel que montré par la Figure 7, les électrodes sont branchées à
une 15 alimentation électrique (5).
Il est même envisageable d'induire un courant électrique à l'intérieur du garnissage en ajoutant une bobine d'induction autour du réacteur ou dans la paroi réfractaire et d'utiliser une paroi non conductrice pour le réacteur.
L'arrangement présenté par les Figures 2 et 3 est privilégié. Les réactifs gazeux sont injectés dans une ouverture d'alimentation présentée par un tube creux (la), passent ensuite dans un second tube creux de métal (2a), lequel fait partie d'une électrode métallique elle-même constituée du tube creux (2a) et d'un disque creux (4a). L'électrode est électriquement isolée par rapport au tube d'alimentation (la) par l'usage d'un dispositif (5a) fait d'un matériau isolant électrique, permettant le passage des gaz. Les réactifs gazeux passent au travers des ouvertures (6) du disque creux (4a) de l'électrode et entrent en contact avec le garnissage métallique (7). Ce dernier constitue un milieu poreux présentant suffisamment d'atomes du métal catalyseur en contact avec les réactifs gazeux, et dont le volume des interstices ou des pores permet un temps de séjour des réactifs suffisamment grand pour favoriser le rendement de la réaction de reformage.
Les gaz issus de la réaction sont évacués en passant au travers d'ouvertures (6) sur le disque creux (4b) d'une seconde électrode ou contre-électrode puis sont évacués dans le tube creux (2b) de cette même électrode. Par la suite, les gaz produits sont évacués dans un second tube (1b) lequel est électriquement isolé
par rapport au tube (2b) par l'usage d'un dispositif (5b) fait d'un matériau isolant électriquement.
Le garnissage conducteur d'électricité et de chaleur (7) prenant place entre les deux disques définit une chambre de réaction de forme cylindrique. Cette chambre est contenue dans une enceinte (8) dont la paroi intérieure est couverte d'un matériau réfractaire (9) et d'un matériau d'isolation thermique (10). Le matériau réfractaire a une forme telle qu'elle délimite le volume de la chambre de réaction, lequel est défini par le diamètre des disques et le volume du garnissage. Le diamètre du volume de garnissage est préférentiellement égal à
celui de chacun des disques des électrodes.
Le réacteur peut être muni de différentes ouvertures (3) permettant d'injecter, préférentiellement de façon radiale, des réactifs gazeux à l'intérieur du milieu poreux que constitue le garnissage, en vue d'optimiser la réaction que l'on désire réaliser dans le réacteur.
La paroi extérieure faite d'acier est mise à la terre (16) ( ground ). Cette paroi est avantageusement électriquement isolée par rapport à au moins une des deux électrodes, par l'utilisation de joints d'isolation fait de matériau diélectrique (11) (p. ex. : Teflon , Bakelite , etc.).
Les deux électrodes sont connectées par des points d'ancrage (12a) et (12b) à
une source d'alimentation électrique (13) de type DC (courant continu) ou AC
(courant alternatif). L'alimentation électrique sert de source d'énergie requise pour la réalisation de cette réaction. La quantité d'énergie sera ajustée de manière à maintenir le niveau de température dans le réacteur. Le niveau de température est mesuré à l'aide d'un ou plusieurs thermocouples (14).
La Figure 4 présente un arrangement alternatif. Suivant cet arrangement, les réactifs gazeux sont injectés dans des ouvertures (une seule est montrée par la figure) d'alimentation (la) pratiquées à travers la paroi du réacteur en vue d'injecter préférentiellement de façon radiale le gaz à proximité de l'électrode à
l'entrée (4a). Les réactifs gazeux entrent en contact avec le garnissage catalytique conducteur d'électricité et de chaleur (7). Ce dernier constitue un milieu poreux présentant suffisamment d'atomes du métal catalyseur en contact avec les réactifs gazeux et dont le volume des interstices permet un temps de séjour des réactifs suffisamment grand pour le rendement de la réaction de reformage.
Les gaz issus de la réaction sont évacués par passage au travers d'ouvertures (1b) situées sur le pourtour du réacteur (une seule ouverture est montrée par.
la figure). Ces ouvertures sont telles que les gaz évacués circulent préférentiellement de façon radiale par rapport à la seconde électrode (4b) avant d'être évacués. Chacune des deux électrodes est constituée d'un disque plein,, respectivement (4a) et (4b), se prolongeant par une tige d'alimentation de courant, respectivement (2a) et (2b). Chacun des disques des électrodes est en contact avec un accotement (5) de forme cylindrique fait de matériau réfractaire.
Le réacteur peut être muni de différentes ouvertures (3) permettant d'injecter des réactifs gazeux préférentiellement de façon radiale à l'intérieur du milieu poreux que constitue le garnissage. Ceci en vue d'optimiser la réaction que l'on désire réaliser dans le réacteur.
Le garnissage (7) prend place entre les deux électrodes et définit une chambre de réaction de forme cylindrique. Cette chambre est contenue dans une enceinte (8) contenant un matériau réfractaire (9) et un matériau d'isolation thermique (10). Le réfractaire a une forme telle qu'elle délimite le volume de la chambre de réaction, lequel est défini par le diamètre des disques et le volume en vrac du garnissage. Le diamètre du volume de garnissage est préférentiellement égal à
celui de chacun des disques des électrodes.
Dans tous les cas, les électrodes sont en métal, de préférence en acier ordinaire.
Les deux électrodes peuvent être identiques ou conçues de façons différentes.
Toutefois, elles permettent un écoulement et une dispersion des gaz à
l'intérieur du volume réactionnel défini par le milieu poreux que constitue le garnissage contenu entre les faces adjacentes de chacun des deux disques des électrodes.
De préférence, ces électrodes sont identiques afin de simplifier la construction d'un tel dispositif. De plus, afin de faciliter le contact électrique entre l'électrode et le garnissage, chaque électrode est munie de protubérances et/ou de saillies (15) permettant un certain agrippement.
La garnissage est préférentiellement sous forme filamenteuse comme le sont les laines d'acier commerciales. Ce garnissage contient de la poudre ou des billes faites de métal ou encore d'oxydes métalliques, des billes de céramiques avec revêtement métallique, ou un mélange de ces éléments. Il contient avantageusement des éléments métalliques de différentes formes. Le métal est préférentiellement à base de fer mais peut être formé de n'importe quel métal de transition du groupe VIII ou d'un mélange de ceux-ci.
La température de fonctionnement se situe généralement entre 600 et 1.500 C.
La pression d'opération s'établit entre 0,5 et 10 atmosphères. De préférence, l'appareil fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique. Les gaz alimentés à l'intérieur du réacteur sont des mélanges contenant du biogaz, du gaz carbonique, de l'hydrogène, du méthane, de la vapeur d'eau, des hydrocarbures légers tels que l'on en retrouve dans le gaz naturel et/ou des composés organiques à base d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène.
Le mélange gazeux contient de l'azote, de l'argon et même un peu d'air. La quantité d'oxygène dans les gaz est toutefois suffisamment faible afin de ne pas favoriser la formation de précurseurs de formation de carbone (molécules insaturées telles que l'acétylène, composés aromatiques, etc.). La quantité
d'oxygène est de préférence inférieure à 5 % en volume dans l'alimentation du gaz. S'il y a de l'oxygène dans le réacteur, l'ajout de vapeur d'eau aide à
empêcher ou limiter la formation de carbone.
Le mélange gazeux est préalablement désulfuré afin d'empêcher l'empoisonnement du garnissage catalytique car le soufre est facilement adsorbé
par le fer du garnissage. Toutefois, on peut réaliser la désulfuration des réactifs dans une zone du réacteur contenant un garnissage sacrificiel et remplacer le garnissage au besoin dans cette zone ou régénérer le fer par un processus d'oxydation de la pyrite suivant la réaction suivante :
FeS + 1,5 02 -> FeO + S02 (9) Le remplacement du garnissage peut se faire à peu de frais surtout lorsque celui-ci est formé de fer ou d'aciers commerciaux.
La source électrique est constituée par un transformateur de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type courant alternatif (AC) ou d'un redresseur de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type courant continu (DC). La puissance de la source électrique est calculée selon les besoins énergétiques des réactions de reformage concernées, lesquelles obéissent aux lois de la thermodynamique. L'intensité de courant minimum que doit fournir la source électrique est calculée par l'équation suivante :
Iminimum = % = F (10) dans laquelle : Iminimum est le courant minimum à appliquer, exprimé en A;
1 est un paramètre qui dépend de la géométrie du réacteur, du type de garnissage, des conditions de fonctionnement et du gaz à reformer, lequel est empiriquement déterminée par la méthode expérimentale 5 décrite dans la description ; et F est le débit molaire du gaz à reformer, exprimé en mole de gaz à reformer / seconde.
Typiquement la valeur de 1 est supérieure à 15 C/mole.
EXEMPLES
Les exemples suivants ci-après présentés à titre purement illustratif ne sauraient en aucun cas être interprétés comme constituant une quelconque limitation de la présente invention. Ces exemples sont donnés afin de mieux illustrer la présente invention.
Exemple 1 Réacteur de laboratoire alimenté d'un mélange de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (C02) saturé en vapeur d'eau (H20) Un réacteur électrique compact de petite capacité est décrit d'une manière générale par les Figures 2 et 3. Suivant l'assemblage d'un tel réacteur, les réactifs gazeux, en l'occurrence le méthane (CH4), le dioxyde de carbone (C02) et la vapeur d'eau (H20), sont injectés dans une ouverture d'alimentation constituée d'un tube creux (la) et passent ensuite dans un second tube creux en métal (2a) lequel fait partie d'une électrode métallique elle-même constituée du tube creux (2a) et d'un disque creux (4a). Les tubes creux (la) et (2a) ainsi que le disque creux (4a) sont fabriqués en acier doux (acier au carbone).
L'électrode d'entrée (2a et 4a) est électriquement isolée par rapport au tube d'alimentation (la) par l'usage d'un dispositif (5a) fait de Téflon , un matériaux isolant électriquement, permettant le passage des gaz. Les réactifs gazeux passent au travers des ouvertures (6) du disque creux (4a) de l'électrode et entrent en contact avec le garnissage métallique (7), lequel est constitué de laine d'acier de type BullDog fabriquée par Thamesvillê Metal Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada). Les caractéristiques chimiques de la laine d'acier, déterminées par analyses chimiques et exprimées en pourcentage massique, sont les suivantes :
= Fer (Fe) : 98,5 % minimum = Carbone (C) : 0,24 %
= Manganèse (Mn) : 0,93 %
= Soufre (S) : 0,007 %
= Phosphore (P) : 0,045 %
= Silicium (Si) : 0,11%
= Cuivre (Cu) : 0,11 %
= Nickel (Ni) : 0,03 %
= Chrome (Cr) : 0,03 %
Le réacteur fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique ; il est en fait ouvert à l'atmosphère par sa sortie des gaz. Les gaz issus de la réaction (le gaz de synthèse) sont évacués du réacteur en passant au travers d'ouvertures (6) sur le disque creux (4b) d'une seconde électrode (également appelée contre-électrode) puis sont dirigés dans le tube creux (2b) de cette même électrode.
Par la suite, les gaz produits sont évacués dans un second tube creux (1b) dimensions, lequel est électriquement isolé par rapport au tube creux (2b) par l'usage d'un dispositif (5b) fait de Téflon , un matériau électriquement isolant.
Le garnissage métallique de laine d'acier (7), conducteur d'électricité et de chaleur, prenant place entre les deux disques, définit une chambre de réaction de forme cylindrique dont les dimensions sont détaillées ci-après. Cette chambre est contenue dans une enceinte (8) fait d'acier inoxydable dont la paroi intérieure est couverte d'alumine (9), soit un matériau réfractaire, ainsi que de laine d'amiante (10), soit un matériau d'isolation thermique. Les dimensions relatives à la chambre de réaction sont les suivantes :
= Enceinte (8) d'acier inoxydable :
o Diamètre extérieur de 16,5 cm (6,5 pouces) ;
o Longueur de 24,77 cm (9,75 pouces) ;
= Cylindre d' alumine (9) :
o Diamètre extérieur de 10,16 cm (4 pouces) ;
o Diamètre intérieur de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Longueur de 10,16 cm (4 pouces).
Le cylindre réfractaire d'alumine possèdent des dimensions telles qu'elles délimitent le volume de la chambre de réaction, lequel est défini par le diamètre des disques creux (4a) et (4b) ainsi que le volume du garnissage métallique (7).
Le diamètre du volume du garnissage est égal à celui de chacun des disques d'électrode, soit 6,35 cm (2,5 pouces). Le garnissage métallique (7) est constitué d'une alternance de couches compactées d'approximativement 1 cm chacune de laine d'acier BullDog à filaments fins et de laine d'acier BullDog à filaments moyens, de manière à ce que le flux de gaz traverse chacune des couches dans le sens de l'épaisseur. L'alternance des couches permet d'accroître avantageusement la résistivité du garnissage. Au total, 50 g de laine d'acier constitue le garnissage, soit 25 g du type à filaments fins et 25 g du type à filaments moyens. La paroi extérieure est faite d'acier inoxydable (8) et est mise à la terre (16) ( ground ). Cette paroi est électriquement isolée par rapport à chacune des deux électrodes par l'utilisation de joints d'isolation fabriqués à partir de Téflon (11).
Les deux électrodes, fabriquées en acier doux (acier au carbone), sont connectées par des points d'ancrage (12a) et (12b) à une source d'alimentation électrique (13) de type courant continu (DC), celle-ci étant un redresseur de courant de marque Rapid d'une puissance de sortie maximale correspondant à
300 ampères et 12 volts. L'électrode d'entrée des gaz est raccordée à la borne positive (cathode) du redresseur de courant, tandis que l'électrode de sortie de gaz est raccordée à la borne négative (anode). Une des deux électrodes est mobile dans l'axe de la longueur du réacteur, c'est-à-dire qu'elle peut être déplacée en cours de fonctionnement de manière à maintenir un contact électrique adéquat entre le garnissage et les électrodes au fur et à mesure que le garnissage métallique pourrait voir sa géométrie modifiée.
Les dimensions et caractéristiques relatives à l'électrode d'entrée sont les suivantes :
= Tube creux (la) :
o Longueur de 2,54 cm (1 pouce) ;
o Diamètre nominal de 1,27. cm (0,5 pouce) ;
= Tube creux (2a) :
o Longueur de 30,48 cm (12 pouces) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouces) ;
= Disque creux (4a) :
o Épaisseur totale d'environ 1,27 cm (0,5 pouce) correspondant à
l'épaisseur de deux disques de 0,635 cm (0,25 pouce) chacun, lesquels sont assemblés par soudage tel qu'illustré à la Figure 9, le premier disque comportant un trou central de 1,27 cm (0,5 pouce) pour le tube creux (2a) et le second, adjacent au garnissage métallique, comportant les saillies (15) et les ouvertures (6) ;
o Diamètre de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Saillies (15) de 0,635 cm (0,25 pouce), au nombre de 13 et réparties tel qu'illustrées à la figure '9 ;
o Ouvertures (6) de trois diamètres différents, au nombre total de 32, soit 8 grands de 5,95 mm (15/64 pouce), 16 moyens de 3-,18 mm (1/8 pouce) et 8 petits de 2,38 mm (3/32 pouce), réparties tel qu'illustrées à la Figure 9, avec les ouvertures de plus grandes dimensions dans le sens radial.
Les dimensions et caractéristiques relatives à l'électrode de sortie sont les suivantes :
:
= Tube creux (1b) o Longueur de 2,54 cm (1 pouce) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouce) ;
= Tube creux (2b) :
o Longueur de 30,48 cm (12 pouces) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouce) ;
= Disque creux (4b) :
o Épaisseur totale d'environ 1,27 cm (0,5 pouce) correspondant à
l'épaisseur de deux disques de 0,635 cm (0,25 pouce) chacun, lesquels sont assemblés par soudage tel qu'illustré à la Figure 9, le premier disque comportant un , trou central de 1,27 cm (0,5 pouce) pour le tube creux (2b) et le second, adjacent au garnissage métallique, comportant les saillies (15) et les ouvertures (6) ;
o Diamètre de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Saillies (15) de 0,635 cm (0,25 pouce), au nombre de 20 et réparties tel qu'illustrées à la figure 9 ;
o Ouvertures (6) de deux diamètres différents, au nombre total de 24, soit 8 grands de 5,95 mm (15/64 pouce) et 16 moyens de 3,18 mm (1/8 pouce), réparties tel qu'illustrées à la Figure 9, avec les ouvertures de plus grandes dimensions dans le sens radial.
La distribution homogène des gaz dans la chambre de réaction est assurée par le fait, d'une part, que les électrodes comportent des ouvertures de plus grandes 25- dimensions dans le sens radial, et d'autre part, que l'électrode de sortie ne possède pas d'ouverture vers le centre, tandis que c'est le cas pour l'électrode d'entrée (voir Figure 9).
La température de fonctionnement se situe entre 700 et 800 C ; celle-ci est principalement obtenue par le passage du courant électrique. La température est mesurée à l'aide de trois thermocouples (14) fins (1/16 pouce) de type K, chacun étant recouvert d'une gaine fine (1/8 pouce) en céramique. Un premier est introduit dans le réacteur, par le cylindre d'alumine (9), de manière à ce que son extrémité soit le plus près possible du garnissage catalytique mais sans y toucher. Les deux autres thermocouples sont introduits dans les électrodes d'entrée et de sortie, à proximité des ouvertures (6). La Figure 8 montre un 5 schéma de l'arrangement général du réacteur de laboratoire.
La description supra concerne spécifiquement le réacteur. Celui-ci est de toute évidence accompagné d'appareils annexes formant ainsi un banc d'essai complet. La Figure 10 présente une description générale du banc d'essai.
10 Celui-ci comprend notamment les composantes suivantes :
= Le réacteur de laboratoire tel que décrit supra ;
= Le redresseur de courant tel que décrit supra ;
= Un générateur de vapeur d'eau (utilisation optionnelle) ;
= Un saturateur (barboteur) de vapeur d'eau (utilisation optionnelle) ;
15 = Un compteur de gaz ( Wet Test Meter ) ;
= Des débitmètres pour les mesures de débit de chacun des gaz pouvant éventuellement être alimentés : méthane (CH4), dioxyde de carbone (C02) et azote (N2) ;
= Des bouteilles de gaz comprimés telles que fournies par la 20 compagnie Boc-Gaz : méthane (CH4), dioxyde de carbone (C02) et azote (N2), tous d'une pureté de 99 % ;
= Des jauges de pressions pour chacun des circuits de gaz ;
= L'instrumentation permettant notamment la lecture des températures mesurés par les thermocouples.
Dans le présent exemple, le barboteur est employé pour saturer de vapeur d'eau le mélange des gaz réactifs (CH4 et C02). Le générateur de vapeur n'est pas utilisé pour cet exemple. L'injection d'eau dans le réacteur est donc possible par saturation de mélange gazeux par contact avec de l'eau chaude. Ainsi, les gaz réactifs sont préalablement alimentés dans le saturateur, lequel contient de l'eau chaude. Le saturateur est en fait un vaisseau en acier inoxydable à
l'intérieur duquel les gaz réactifs sont mis en contact avec de l'eau, à une température donnée. La température du mélange saturé est mesurée directement à sa sortie du vaisseau. Cette température correspond au point de rosée du mélange ; elle permet de quantifier la fraction molaire de l'eau dans le mélange gazeux destiné à être injecté dans le réacteur. Le point de rosée est généralement entre 80 et 85 C. Le Tableau 2 indique la variation de la composition calculée du mélange injecté dans le réacteur en fonction du point de rosée du mélange saturé.
Tableau 2 Variation de la proportion de vapeur d'eau en fonction de la température dans un mélange saturé contenant 1/3 mole de dioxyde de carbone (C02) par mole de méthane (CH4) Température à saturation Proportion de vapeur d'eau (Point de rosée) (Fraction volumique) ( C) 80 0,47 81 0,49 82 0,51 83 0,53 L'opération du réacteur se fait suivant la procédure décrite ci-après. Pour réaliser le démarrage d'un essai, le réacteur est d'abord préchauffé en augmentant progressivement le courant par incrément de 10 A à intervalles de 5 minutes avec injection d'azote (N2) à un débit de 1,0 L/min. Lorsque la température atteint 300 à 400 C, un petit jet d'air est projeté sur les embouts en Téflon du réacteur de manière à refroidir localement ces deux embouts. Par la suite, l'injection des gaz réactifs débutent, ceux-ci étant saturés de vapeur d'eau le cas échéant. Le dioxyde de carbone (C02) est toujours injecté avant le méthane (CH4), ceci afin d'éviter la formation de suie à l'intérieur du réacteur.
Les débits des gaz sont ajustés suivant des valeurs de consignes déterminées d'avance. Une fois que les débits des gaz réactifs sont atteints, l'injection d'azote est arrêtée et le courant électrique est ajusté de manière à obtenir, dans le réacteur, la température choisie. Pour les fins de l'opération, la température de travail est celle mesurée à l'électrode de sortie des gaz. Pour l'arrêt de l'essai, le débit d'azote est rouvert à 1,0 L/min, puis on ferme l'alimentation du méthane (CH4), ensuite on ferme celle du dioxyde de carbone (C02) et enfin, on ferme le redresseur de courant. Le réacteur est laissé refroidir avec le débit d'azote (N2) jusqu'à une température interne de 300 à 400 C. A cette température, on ferme finalement l'alimentation de l'azote.
Les gaz d'entrée et de sortie sont analysés à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse de type micro-GC, soit un modèle CP2003 de la compagnie Varian. Ce chromatographe est équipé de trois colonnes pour lesquelles la phase stationnaire et le gaz vecteur varient selon les gaz à analyser. Le détecteur est de type à conductivité thermique. Des mélanges certifiés de gaz provenant de la compagnie Boc-Gaz sont utilisés pour le calibrage du chromatographe.
Les gaz à analyser sont recueillis dans des sacs en Tedlar (polyfluorure de vinylidène). La procédure d'échantillonnage est décrite ci-après. Le sac est.
d'abord rincé 3 fois avec de l'azote (N2), puis 3 fois avec le gaz à analyser.
Ensuite, le sac est rempli à environ 80 % de sa capacité avec le gaz à
analyser :
ceci constitue l'échantillon. Pour le prélèvement des gaz produits, le sac est raccordé à la sortie du réacteur afin de minimiser l'infiltration d'air à
l'intérieur du sac. Un temps d'attente avant l'analyse est alors requis pour que l'échantillon soit à la température ambiante.
Le présent exemple décrit le fonctionnement du réacteur de laboratoire dans des conditions spécifiques décrites ci-après (essai de reformage n 61102). Les débits des réactifs gazeux sont ajustés aux valeurs suivantes : 0,08 sL/min pour le dioxyde de carbone (C02) et 0,25 sL/min pour le méthane (CH4) (le s désignant standard , soit 20 C et 1 atmosphère). Ces réactifs gazeux sont au préalable saturés de vapeur d'eau par barbotage dans le saturateur. La température de saturation du mélange gazeux injecté dans de réacteur est de 81 C. La fraction volumique de vapeur d'eau du gaz alimenté dans le réacteur est conséquemment de 0,49 (voir Tableau 2). Après le démarrage de l'essai, effectué suivant la procédure décrite supra, le courant West ajusté de manière à
atteindre une température d'environ 780 C ( 20 C) à l'électrode de sortie.
Le Tableau 3 révèle les principaux paramètres mesurés aux temps correspondants à la prise des échantillons.
Tableau 3 Principaux paramètres mesurés lors de la prise des échantillons de l'essai de reformage n 61102 Échantillon Temps Voltage Courant Résistance Puissance Température (n ) (min) (V) (A) (Ohm) (W) ( C) 1 15 3,11 141 0,0221 439 805 2 80 2,98 143 0,0208 426 795 3 195 2,80 148 0,0189 414 793 4 250 2,73 156 0,0175 426 771 5 290 2,62 156 0,0168 409 763 Le Tableau 4 dévoile la composition du mélange gazeux recueilli à la sortie du réacteur, cette composition étant déterminée par les analyses chimiques effectuées par micro-GC sur chaque échantillon prélevé.
Tableau 4 Résultats des analyses chimiques du mélange gazeux produit lors de l'essai de reformage n 61102 Échantillon Concentration volumique normalisée base anhydre (11 ) (%) (%) (%) (%) (%) 1 67,86 29,80 0,59 0,41 1,35 2 70,53 26,35 1,29 0,96, 0,88 3 64,08 33,50 0,48 0,58 1,36 4 68,06 29,24 0,51 1,36 0,82 5 68,98 27,95 0,36 1,78 0,92 Les résultats présentés dans le Tableau 4 concordent, à l'intérieur de l'erreur expérimentale, avec les valeurs basées sur des calculs d'équilibre.
thermodynamique pour un même niveau de température.
Exemple 2 Réacteur de laboratoire alimenté d'un mélange de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (C02) saturé en vapeur d'eau (H20) Ce second exemple décrit le fonctionnement du réacteur de laboratoire suivant des conditions opératoires semblables à celles indiquées à l'exemple 1 (essai de reformage n 71102). Pour cet exemple, la période de fonctionnement `est de 340 minutes.
Le Tableau 5 révèle les principaux paramètres mesurés aux temps correspondants à la prise des échantillons.
Tableau 5 Principaux paramètres mesurés lors de la prise des échantillons de l'essai de reformage n 71102 Échantillon Temps Voltage Courant Résistance Puissance Température (n ) (min) (V) (A) (Ohm) (W) ( C) 1 85 2,75 155 0,0177 426 793 2 160 2,54 160 0,0159 406 775 3 220 2,44 160 0,0153 390 764 4 280 2,47 168 0,0147 415 763 5 340 2,47 175 0,0141 432 762 Les résultats présentés au Tableau 6 concordent aisément, à l'intérieur de l'erreur expérimentale, avec les valeurs basées sur des calculs d'équilibre thermodynamique pour un même niveau de température.
10 Tableau 6 Résultats des analyses chimiques du mélange gazeux produit lors de l'essai de reformage n 71102 Échantillon Concentration volumique normalisée base anhydre (n ) (%) (%) (%) (%) (%) 1 58,07 33,54 0,47 0,80 7,12 2 61,09 35,44 0,25 1,86 1,37 3 61,50 32,83 0,37 4,63 0,67 4 64,32 30,95 0,27 3,91 0,54 5 64,37 31,22 0,32 3,44 0,64 En résumé, la présente invention est basée sur une utilisation judicieuse de l'électricité caractérisée notamment par ce qui suit :
= ne pas avoir recours à des processus de transformation de courant misant sur l'électronique de puissance ;
= mettre à contribution un flux électronique par passage de courant pour soutenir des phénomènes de catalyse ; et = potentiellement favoriser l'établissement de micro-arcs électriques dispersés pour catalyser davantage la réaction de reformage.
L'utilisation du chauffage ohmique d,un garnissage par conduction directe s'est révélée représenter une façon simple d'introduire l'électricité en tant que source de chaleur pour l'accomplissement de réactions endothermiques. L'électricité
peut être à courant continu ou à courant alternatif, voire triphasé. Dans le cas où
on aurait recours à du courant alternatif à la fréquence du réseau, la transformation du courant se ramène simplement à un ajustement du potentiel électrique par le recours à de simples transformateurs.
Il a donc été .possible de chauffer électriquement un garnissage constitué de métaux connus pour catalyser des réactions de reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau. Le garnissage utilisé s'est ainsi avéré constituer à la fois un médium de chauffage et un catalyseur permettant de réaliser la réaction. Ce métal a ainsi efficacement pu être utilisé sous la forme de poudre, d'un 'lit de granules, de billes, de tiges, de plaquettes ou encore sous une forme d'une structure filamenteuse en autant que la surface de contact était suffisante pour chauffer les gaz et catalyser le processus de transformation.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en oeuvre spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications peuvent se greffer aux dites mises en oeuvre, et la présente invention vise à couvrir de telles modifications, usages ou adaptations de la présente invention suivant en général, les principes de l'invention et incluant toute variation de la présente description qui deviendra connue ou conventionnelle dans le champ d'activité dans lequel se retrouve la présente invention, et qui peut s'appliquer aux éléments essentiels mentionnés ci-dessus, en accord avec la portée des revendications suivantes. 20%.
Very economically, the lining material is steel wool soft, for example a mild steel wool marketed under the trademark BullDog and manufactured by Thamesville Metal Products Ltd. (Thamesville, Ontario, Canada).
According to another advantageous mode making it possible to increase the efficiency of the reactor, The packing material is pretreated to increase the least one following characteristics - the specific surface - the purity ; and - the chemical activity.
This pretreatment can be a mineral acid treatment and / or thermal.
According to two other specific variants:
the conductive lining consists of fibers having a diameter Characteristic of between 25 m and 5 mm, more preferably still between 40 m and 2.5 mm, and still more preferably 50 m and 1 mm, and a length greater than 10 times its diameter characteristic, more preferably greater than 20 times its diameter characteristic and more advantageously still greater than 50 times its characteristic diameter; or the conductive lining defining a porous medium has a surface area of more than 400 m2 of exposed area per cubic meter of reaction chamber, preferably more than 1,000 m2 / m3, more more preferably more than 2,000 m2 / m3.
A particularly interesting variant is the reactors in the packing consists of balls and / or yarns based on at least a Group VIII element or at least one metal oxide, preferably based on iron or steel.
It should be noted that the gas supply duct to be reformed can be positioned at different locations of the reactor, it can for example be positioned perpendicular to the direction of the electronic flow created between electrodes.
According to two other positioning variants:
when the reaction chamber is of cylindrical shape, at least one of the supply ducts of gaseous mixture, consisting of the gas to be reformed and / or oxidizing gas, is positioned tangentially to the wall cylindrical reaction chamber; or at least one of the reformed gas outlets is positioned in the reaction chamber opposite the gas supply.
The electrical source supplying the reactors of the invention is constituted by a current transformer in the case of a power supply type alternating current (AC) or a current rectifier in the case of a power supply type DC (DC), which source electric is of a power calculated according to the energy needs of the reactions of concerned reforming, which obey the laws of thermodynamics, and said power source to provide a minimum current intensity calculated by the following equation:
Iminimum -% = F
in which: Iminimum is the minimum current to be applied, expressed in Amperes;
1 is a parameter that depends on the geometry of the reactor, the type of packing, the conditions of operation and gas to reform; and F is the molar flow rate of the gas to be reformed, expressed as mole of gas to be reformed / second.
The parameter X is established experimentally by varying the current at ugly a variable intensity source (AC or DC) and also by varying the flow rate gas to reform. X depends on the geometrical characteristics of the reactor considered, the geometry and the nature of the lining, and finally the terms of reactor operation (compositions and flow rates of the gases supplied, temperature and reaction pressure). Typically the value of a, is better than C / mole.
It should be noted that the current to be fed into the lining can be produced by electromagnetic induction in the sense that one can realize a transformation of current through the use of localized inductors around the chamber of reaction.
Thus, the lining itself can be confused with an electrode.
The conductive lining has a preferably understood porosity index between 0.50 and 0.98, more preferably between 0.55 and 0.95, and more preferentially still between 0.60 and 0.90.
Moreover, the residence time of the reagents (gas to be reformed) is preference greater than 0.1 second, more preferably greater than 1 second, and more preferentially still greater than 3 seconds.
According to another variant, the lining of the reaction chamber is consisting wool made of steel wire mixed with shape materials spherical such as balls made of steel.
Moreover, a particularly interesting variant is constituted by the reactors, in which the reaction chamber contains, in addition to the conductor, non-conductive and / or semiconducting and / or insulating electrically, such as ceramics and alumina, these are then suitably arranged in the reaction chamber so as to adjust the overall electrical resistance of the lining.
As an illustrative example of electrodes particularly adapted to be present alone or in several units in the reactors of the invention, we may mention perforated type electrodes having a diameter opening of more than 25 micrometers, the holes being more preferably evenly distributed at a density of not more than 100,000 openings per cm2 electrode surface.
We can size the holes so that the pressure drop due to the gas flow through electrode or electrodes does not exceed 0.1 atmosphere.
In a preferred embodiment, the openings are distributed over the surface of the perforated electrode so as to ensure uniform diffusion of the gases through of the reaction chamber and or the size of the openings increase in the meaning radial electrode or perforated electrodes (s).
According to a particularly effective variant, at least one of the electrodes is such that its face exposed to the lining is provided with protuberances and / or projections, which are preferably of conical shape and, more preferentially still in the form of a needle.
The protuberances and / or protrusions can be dimensioned so that their spacing density corresponds, in a preferential mode, to more than 0.5 unit per cm 2 of electrode.
The length of the protuberances and / or protrusions can in turn vary enter 0.001 and 0.1 times the length of the lining of the reaction chamber, and the width of these protuberances and / or projections may vary between 0.001 and 0.1 the diameter of the electrode disk.
As an illustration, the projections are of conical shape, the cones corresponding being preferably dimensioned so that the ratio of the height of the cone on cone diameter is at least 1, more preferably this ratio is greater than 5 and even more preferably said ratio is better than, 10.
Advantageously, the reactors of the present invention can be sized to fit into the previously mentioned category so-called "compact", "portable" or "portable" reactors.
A second object of the present invention is constituted by a method for gas reforming of reacting the gas to reform in presence of at least one oxidizing gas, in an electric reforming reactor according to the first object of the present invention.
According to an advantageous embodiment, the method comprises at least the following steps of:
a) preparing, inside or outside the reforming reactor, a mixing the gas to be reformed and the oxidizing gas;
b) contacting the mixture obtained in step a) with the lining of the reaction chamber, preferably by passing through an electrode dig ;
c) application of an electronic flow for energizing electrodes of the reaction chamber;
d) heating the packing of said reactor by the electronic flow at a temperature allowing catalytic transformation of said mixture gaseous; and e) recovering the gas mixture from the reforming, preferably by passage in another hollow electrode.
Advantageously, steps c) and d) are carried out before step b) and the bedroom Reaction is preheated prior to supplying the gas to be reformed and oxidizing agent, at a temperature of between 300 ° C. and 1,500 ° C. under an atmosphere inert such as nitrogen, by the prior completion of step c).
The electrical method of the invention is advantageously used for the Gas reforming consisting of at least one of the compounds of the group consisting of by C1 to C12 hydrocarbons, optionally substituted in particular by the the following groups: alcohol, carboxylic acid, ketone, epoxy, ether, peroxide, amino, nitro, cyanide, diazo, azide, oxime, and such halides than fluoro, bromo, chloro, and iodo, which hydrocarbons are branched, not Branched, linear, cyclic, saturated, unsaturated, aliphatic, benzene and aromatic compounds, and advantageously have a boiling point of less than 200 C, more preferably a boiling point below 150 C, and more preferentially, a boiling point of less than 100.degree.
The hydrocarbons are preferably selected from the group consisting of:
the methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, each of these compounds and linear or branched form, and mixtures of at least two of these compounds.
The method gives very good results when used for the reforming natural gas, in particular for gas reforming initially containing of sulfur and having already undergone a treatment to remove sulfur, of preferably to advantageously reduce the sulfur content below 0.4%, more preferably below 0.1%, and still more preferably Below 0.01%, the percentages being by volume.
When treating natural gas containing sulfur, some or all of the totality of packing reacts with the sulfur present in the gas to be reformed and the part of packing thus used is called sacrificial packing.
Among the gases that can be reformed by the process of the invention, also mentions the biogas coming in particular from the fermentation anaerobic of various organic materials. These biogases are advantageously consisting in volume of 35 to 70% of methane, 35 to 60% of carbon dioxide, 0 to 3% hydrogen, 0 to 1% oxygen, 0 to 3% nitrogen, 0 to 5%
of various gases such as hydrogen sulphide, ammonia and water vapor.
As a preferred example, the gas to be reformed is a natural gas constituted of 70 to 99% methane, accompanied by 0 to 10% ethylene, from 0 to 25%
ethane, 0 to 10% propane, 0 to 8% butane, 0 to 5%
hydrogen, 0 to 2% carbon monoxide, 0 to 2% oxygen, 0 to 15% nitrogen, 0 to 10% carbon dioxide, 0 to 2% water, 0 to 3%
one or more C5 to C12 hydrocarbons and traces of other gases.
For the advantageous implementation of the process, the oxidizing gas is constituted at least one gas selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, water, oxygen, nitrogen oxides such as NO, N20, N205, NO2, NO3, N203, and mixtures of at least two of these components, preferably the mixtures of carbon dioxide and water.
According to another variant, the gas to be reformed consists of at least one of the compounds of the group consisting of structural organic compounds molecule whose constituent elements are carbon and hydrogen, so one or more heteroatoms such as oxygen and nitrogen, advantageously to understand one or more functional groups chosen in the group consisting of alcohols, ethers, ether-oxides, phenols, aldehydes, ketones, acids, amines, amides, nitriles, the esters, oxides, oximes and preferably having a boiling less than 200 C, more preferably a boiling point lower than 150 C, and even more preferably a boiling point lower than 100 C.
Preferably, the organic compounds are methanol and / or ethanol.
According to another advantageous variant, the gas to be reformed can also contain one or more gases of the group consisting of hydrogen, nitrogen, oxygen, water vapor, carbon monoxide, carbon dioxide, and gases inert group VIIIA of the Periodic Table (CAS numbering), or mixtures of at least two of these.
Particularly interesting results in reforming are obtained when the gas mixture fed into the reaction chamber contains less 5% by volume of oxygen.
As an illustration, the mixture of the gas to be reformed and the oxidizing gas is consisting 25 to 60% methane, 0 to 75% water vapor and 0 to 75%
carbon dioxide, preferably 30 to 60% methane, 15 to 60% of water vapor, and 10 to 60% carbon dioxide, and more preferably still 35 to 50% methane, 20 to 60% water vapor and 10 to 50%
of carbon dioxide.
According to another preferred embodiment, the mixture of gas to reform and gas oxidant is, in a preferred embodiment, about 36.0% methane, and the oxidizing gas is about 49.0% water and about 12% water.
carbon dioxide.
The parameters of the gas supply are chosen so that the report Atomic carbon / oxygen molar in the gas mixture fed into the reaction chamber is between 0.2 and 1.0, preferably this ratio is between 0.5 and 1.0, and even more preferably said ratio is between 0.65 and 1.0.
Step c) is performed using an alternating current (AC) or continued (DC) modulated according to the temperature level to be maintained in the reactor, preferably continuously avoiding stops and applying only Moderate changes to the intensity of the current.
According to a preferred variant, steps b), c) and d) are carried out at a level temperature range between 300 and 1500 C, preferably in a range between 600 and 1000 C, and even more preferentially in a range between 700 and 900 C.
In steps b), c) and d), the pressure in the reaction chamber is advantageously greater than 0.001 atmosphere and is preferably between 0.1 and 50 atmospheres, more preferably still it is between 0.5 and 20 atmospheres.
The pressure profile is advantageously kept constant in the reaction chamber during reforming.
The process of the invention can be carried out continuously, preferably when one uses a long-life and discontinuous packing material, preferably for a period of at least 30 minutes, when using a low-life material, that is to say which is consumed quickly at Classes of the reforming process. The lining is then replaced or regenerated between two periods of implementation.
It has also been found that the reforming reaction appears catalysed by micro-arcs jumping between the particles of the packing or by sites activated by the accumulation of charges on the surface of the packing particles and / or by the passage of electric current.
According to an advantageous embodiment of the invention, the lining conductor is chosen so as to have a porosity index included enter 0.50 and 0.98, more preferably between 0.55 and 0.95, and more preferentially still between 0.60 and 0.90.
The residence time of the reagents is preferably greater than 0.1 seconds, more preferentially greater than 1 second, and more advantageously still greater than 3 seconds.
According to another preferred embodiment, the process is carried out with a reactor in which, for at least one of the electrodes, the perforations are distributed evenly with a density of not more than 100,000 openings per cm 2 of electrode area and said openings are such that the pressure loss due to the passage of gas through the electrode or electrodes does not exceed 0.1 atmosphere.
As an illustration of preferential implementation, mention may be made of the process for the reforming of hydrocarbons and / or organic compounds, reacting them in the presence of an oxidizing gas (from preferably in the presence of water vapor and / or carbon dioxide and / or other gas) in a reaction chamber containing:
1) a metal-based conductive lining defining a porous medium having a surface area of more than 400 m2 of exposed surface area m3 of the reaction chamber, this packing serving both as a medium of heating and catalysis medium; and 2) two metal electrodes each consisting of a tubing and a perforated hollow disc in contact with the lining to achieve supplying the electric current required for heating this Joule effect filling and to help with movement catalysis electrons;
comprising the following steps:
a) mixing the hydrocarbons and / or the organic compounds and the gas oxidant;
b) introducing the mixture of step a) into the reaction chamber by injection into one of the electrodes;
C) contacting the mixture of step a) with the packing;
d) the application of an electronic flow by energizing the electrodes of the reaction chamber;
e) heating the lining by the electronic flow and producing a movement of electrons to help catalyze 10 supply of an electric current by the two electrodes, this current being such that it passes directly into the lining; and f) evacuation and recovery of the reactor gas by passage through the other electrode.
Advantageously, these process parameters are applied for reforming methane, consisting of reacting the latter in the presence of carbon and water vapor, in a reaction chamber of a volume available of 322 cm3 containing:
1) a conductive lining consisting of 50 g of steel wool, for example 20 BullDog type steel wool manufactured by Thamesville Metal Products Ltd (Thamesville, Ontario, Canada) defining a porous medium, which medium consists of alternating layers of 1 cm thick said steel wool adequately compacted; and 2) two metal electrodes made of carbon steel made 25 each of a tubing about 30.48 cm long and a disc hollow of a diameter of about 6.35 cm, which disk is perforated, provided with protruding so as to ensure a good contact with the lining;
comprising the following steps:
a) mix the gaseous reactants, which are methane, 30 carbon and water vapor, according to respective concentrations approximately 39%, 12% and 49.0%;
b) introducing the mixture of step a) into the reaction chamber by injection into the input electrode;
c) contacting the mixture of step a) with the packing;
d) application of an electronic flow by energizing the electrodes of the reaction chamber, which flow is obtained by a current continuous electric with an intensity of about 150 amperes;
e) heating of the lining by the electronic flow at a temperature about 780 C and production of an electron movement allowing to assist in catalysis by supplying an electric current two electrodes, this current being such that it passes directly into the packing; and f) evacuation and recovery of reactor gas by passage through the output electrode, which gas consists of hydrogen, monoxide of carbon, oxygen, methane and carbon dioxide, following concentrations of approximately 69%, 28%, 0,4%, 1,7% and 0.9%, established on an anhydrous and standardized basis.
Another particularly interesting example is a process for the reforming of hydrocarbons and / or organic compounds, reacting the latter in the presence of an oxidizing gas (from preferably in the presence of water vapor and / or carbon dioxide and / or other gas) in a reaction chamber containing:
1) a metal-based conductive lining defining a porous medium having a surface area of more than 400 m2 of exposed surface area m3 of the reaction chamber, this packing then serving as both medium heating and catalytic medium; and 2) two metal electrodes each consisting of a solid disk contact with the lining to achieve power supply required for heating this Joule effect lining and to help catalyzed by electron movements;
comprising the following steps:
a) mixture of hydrocarbons and / or organic compounds and gas oxidant;
b) introducing into the reaction chamber the mixture of step a) by injection at the radial or tangential openings of the reaction chamber;
c) contacting the mixture of step a) with the packing;
d) application of an electronic flow for energizing electrodes of the reaction chamber;
e) heating of the lining by the electronic flow and production of a electron movement to help catalyze by the supply of an electric current by the two electrodes, this current being such that it passes directly into the lining; and f) evacuation and recovery of the reactor gas by axial flow, tangential or radial with axial, radial or tangential.
As an advantageous example, the use of the process of the invention for methane reforming consists of reacting the latter in the presence of dioxide of carbon and water vapor, in a reaction chamber of a volume available 26.5 liters containing:
1) a conductive lining consisting of steel filaments defining a porous medium, which medium consists of filaments each of which is a length of about 1 cm and a diameter of about 0.5 mm; and 2) two metal electrodes made of carbon steel made each of a stem about 50 cm long and a disc of one diameter of about 15 cm, which disc is provided with projection so as to ensure good contact with the packing;
comprising the following steps:
a) mixture of gaseous reactants, which are methane, carbon and water vapor, according to respective concentrations about 53%, 17% and 30.0%;
b) introducing into the reaction chamber the mixture of step a) by injection at the radial or tangential openings present in the reaction chamber;
c) contacting the mixture of step a) with the packing;
d) application of an electronic flow for energizing electrodes of the reaction chamber, which flow is obtained by a DC electrical current of about 500 amperes;
e) heating of the lining by the electronic flow at a temperature about 780 C and production of an electron movement allowing to assist in catalysis by supplying an electric current two electrodes, this current being such that it passes directly into the packing; and (f) evacuation and recovery of reactor gas by passage through radial outlet openings, which are located at the end of the reaction chamber, and which gas consists of hydrogen, carbon monoxide, oxygen, methane and carbon dioxide, following respective concentrations of approximately 69%, 28%, 0.4%, 1.7% and 0.9%, established on an anhydrous and standardized basis.
In these advantageous modes previously mentioned, the residence time of the reagents is preferably greater than 0.1 second, more preferably greater than 1 second, and more preferably still greater than 3 seconds.
A third object of the present invention is constituted by the use a or multiple electric reactors for:
(i) the production of syngas used in particular for methanol production, and preferentially for implantations with electricity consumption from 1 to 5 MW;
(ii) the recovery of energy and / or chemicals from the biogas generated by landfills;
(iii) the production of hydrogen for road transport fuels, for example for the supply of automobiles and buses; and (iv) the production of hydrogen for so-called applications portable or stationary, as an example for supply of fuel cells intended for residences and road vehicles.
The electrical method of the invention can advantageously be used for:
(i) the production of syngas used in particular for methanol production, and preferentially for implantations with electricity consumption from 1 to 5 MW;
(ii) the recovery of energy and / or chemicals from the biogas generated by landfills;
(iii) the production of hydrogen for road transport fuels, for example for food automobiles and buses; and (iv) the production of hydrogen for so-called applications portable or stationary, as an example for battery power. fuel for residences and road vehicles.
A particularly interesting use of the process is found in the desulfurization of sulfur-containing gases.
EXPLANATORY THEORY OF THE PRESENT INVENTION
This section presents an operating model of the invention. She shows that a material as common as iron can have a catalytic effect on reforming reactions, that this material does not need to be in the form traditional commercial catalysts, and can be used surprisingly in a form with simple geometry allowing its use as a means for providing ohmic heating. It has been discovered that this material, in a porous form, is conducive both for the heating of reagents and for the catalysis of reforming reactions.
Kinetics of reaction Group VIII metals in the periodic table (CAS numbering) have good catalytic activity for reactions involving the formation of hydrogen and the cracking of hydrocarbons, these reactions 10 explain in part by the contribution in forming links Chemicals their orbitals d partially filled. Iron, cobalt, nickel, Ruthenium and osmium are the most active metals in the group in question.
These metals are known to be easily oxidizable in the presence of water or oxygen and easily reduced thereafter in the presence of hydrocarbons or Other reducing gases. The metal allows you to tear off the water (and also C02) oxygen atoms and then relay them to hydrocarbons while forming metal oxides which are easily reduced to the conditions of synthesis. This is used to catalyze reforming reactions. In industry, nickel is by far the most widely used known catalyst for realize the 20 reforming natural gas.
Palladium, iridium and platinum, also of group VIII, absorb easily the CO but hardly allow its release. As for metals Zn, AI and Cu groups IB, IIB and IIIB, these are moderately active.
The least expensive and most readily available metal known is iron.
he is electrically conductive but offers some electrical resistance necessary for ohmic heating, accentuated by the granular structure of the bed catalytic it forms. The kinetic behavior of iron in reactions of Steam and / or C02 reforming was calculated from a model mathematics that we developed in order to make predictions about the catalytic activity of certain metals by following the oxidation state of the catalyst, as a function of time, under the reforming conditions. This model, proved to be consistent with the laws of thermodynamics, and it allows to simulate the formation of carbon-carbon likely to be precursors to carbon formation solid (soot, coal, heavy hydrocarbons, etc.).
To quantify the kinetic behavior of a metal, the Eley-Rideal model has been used. This one suggests that a reaction could occur directly following a collision of a gaseous species on a molecule or fragment of adsorbed molecule (identified by an asterisk *) that is to say:
A + * B - products (6) whose reaction rate (rj) is described by the following equation form :
rr = kd PA OB (7) where PA is the partial pressure of species A in the gas phase, OB is the proportion of active sites covered by the molecule or fragment B, and kk is here specific reaction rate.
The results of the simulation indicate that thermodynamic equilibrium be reached in 3-6 seconds in the case of methane reforming in the presence of steam or a mixture of water vapor and CO2, even with a very small amount of iron. Although the reaction time is much larger than the catalysts generally used make it possible to achieve 0.02 seconds), iron can be considered as a cheap material allowing the catalysis of reforming reactions.
The following paragraphs present highlights related to the calculations of kinetics of methane reforming reaction with steam and / or C02 in the presence of iron as a catalyst. The graphs presented in Figures at lh present the results of calculations of the modeling on the evolution of each of the chemical species, as a function of time, in the case of several calculation scenarios. All these simulations were performed using the iron as a catalyst (which is initially considered as an oxide ferrous, FeO), with a quantity corresponding to 0.01 mole of iron per mole of methane in the diet.
Simulations 3 and 6 (Figures 1c and 1f respectively) were carried out at go initial mixtures to approach a gas composition desirable for the production of methanol. A parameter used to characterize the composition of the synthesis gas intended for the production of methanol is defined by the following ratio:
R = (nx2 - nco2) / (nco + nco2) (8) where nH2, nc02 and nco represent respectively the molar proportion of H2, CO2 and CO in the synthesis gas. The value of R must be in the neighborhood of 2 in the case of the synthesis of methanol. Simulations 3 and 6 refer to a case of reforming methane with CO2 and water vapor. Comparing the results of simulations 3 and 6, we observe that adding a little steam water has the effect of promoting a better conversion of methane (there is no practically more methane after 2 seconds according to Figure lf) and also to increase the molar ratio H2 / CO. This illustrates that it is possible in playing with the supply of reagents, to produce gas mixtures having a composition adjusted to the stoichiometry of a given product.
Simulations 1, 2, 4 and 8 (Figures la, lb, ld and lh respectively) resident in the study of steam reforming. Surprisingly no reaction occurs in the absence of catalyst (Figure la). In comparing Figures lb and ld, we see that the addition of water vapor favors a better conversion of methane. In the case of Figure lb, we compute after 2 seconds a residual amount of 0.2 moles of methane per mole of methane fed, whereas in the case of Figure 1d, there is virtually more residual methane after 2 seconds.
Comparing simulations 4 and 8 (Figures Id and lh respectively), we see the addition of excess water vapor has the effect, above all, of increasing the CO 2 content. Indeed, water vapor promotes the reaction of gas to water.
In the case of Figure 1 d, we obtain after 2 seconds a production of 0.25 mole of CO2 per mole of methane fed, while in the case of Figure 1 h, 0.4 mole of CO2 is obtained after 2 seconds per mole of methane fed.
Looking at the results of simulations 5 and 7, we can see than the addition of oxygen results in a decrease in the hydrogen content, a decrease in CO content, as well as an increase in CO2. adding Oxygen, even in the presence of water vapor, has the effect of generating unsaturated molecules considered precursors of carbon (formation undesirable soot).
As shown in FIGS. 1b to 1h, iron makes it possible to adequate catalysis of reforming reactions. In most of the cases, the thermodynamic equilibrium is practically reached in the space of 3 to 6 seconds at atmospheric pressure in the case of a temperature of 1000 K
with as little as 0.01 mole of iron per mole of methane fed. This last parameter has proved to be extremely important since it is at the heart of the present. invention. A priori, the proportion of catalyst required for the reaction is low and an amount corresponding to 0.001 mol / mol gives results similar modeling. However, when the amount of catalyst bECOMES
too small, the diffusion phenomena become important making the websites metal assets less available for reaction and it follows that the reaction rates decrease under equation (7).
In the context of the development of the present invention, it has been established that the reaction can be catalyzed by a sufficient amount of iron chemically active corresponding to 0.01 mol / mol, the iron then being in metallic form or oxidized. Indeed, in all cases of reactions studied, the balance between the iron metal and its oxidized state FeO is reached almost instantaneously. By example, if we consider the reaction of gas to water, we obtain the quantities following moles (mole of product per mole of CO 2 fed), after 1ms = H2: 0.54 mole;
H 2 O: 0.46 moles;
= CO: 0.45 moles;
= CO2: 0.55 moles;
= CH4: 0.0015 moles;
= Fe: 0.0021 moles; and = FeO: 0.0079 moles.
Catalyst surface and general features of the invention Iron is not expensive and it is not obligatory to use it under a form comparable to the forms used for the manufacture of catalysts traditional.
In the case of the present invention, it is proposed instead to use the iron under a coarser form, but that allows to use it both as a medium of heating, as an electrical conductor and as a catalyst. With such approach, even if we rely on a catalytic effect accentuated by the passage of electrical current and / or the local accumulation of electrical charges at the area particles of the packing, one exempts from the use of the catalysts or the traditional preparation of these. We have to however aim at adequate shaping to expose the iron atoms to reagents but without having to use this metal in highly dispersed form.
In the case of the present invention, iron is used in the form of a metal packing having a porous medium having a surface adequate exposure of metal to gaseous reactants. We are talking preferably a fixed bed that will be heated by Joule effect thanks to an ohmic heating, which will be obtained by the passage of electric current (electronic flow) realized using electrodes in contact with the lining. This lining is contained in a thermally insulated container at the entrance of which gaseous reactants are introduced and at the exit of which the gaseous products are evacuated. This 5 packing is characterized by:
= the required catalysis surface;
= the required reaction volume;
= the apparent porosity of the reaction medium constituted by the packing;
= the geometrical characteristics of the lining; and 10 = electrical resistance of the lining.
In theory, a small amount of iron is required to achieve the reaction at condition the gas / catalyst contact is sufficient (well mixed systems). he is the amount of catalyst that must be distributed in the reaction volume in To form the contact surface required to effect the reaction. We speak here a surface exposing the iron atoms to the reagents. The internal volume of the reaction chamber of the reactor is preferably of cylindrical form when the electric current is emitted between two electrodes. This volume is filled with a lining consisting of iron-based unitary elements, which 20 then constitutes the packing, the bed or the porous medium.
Preferably, the minimum required surface of iron to catalyze the reaction must be better than 744 m2-s / mole of methane (744 m2 / (mole / s) of methane). In addition, the report between the catalyst surface and the reaction volume (empty fraction of volume packing or porosity) should preferably be greater than 560 m2 / m3.
25 Such a ratio is achievable using iron in forms geometric simple (eg, steel wires, powders, etc.). For example, we can obtain this in the case of very long filaments of 0.75 mm diameter constituting a packing defining a bed with a porosity of 0.9 (ratio of volume empty and bulk volume of the packing). We can play on the diameter of 30 strands, on the amount of filaments and compaction of the packing.
Good Of course, other geometric shapes can be used for the elements units to form the lining. This includes, but not limited to, of the granules, grains, powders, filings, filaments, wools, of the fibers, threads, straws, marbles, stems, nails, washers, sintered, perforated plates, irregularly shaped pieces such as of the shavings, bolts and nuts or any mixture of different forms.
The lining is intended to form the heating medium by passage of current through the latter (Joule effect) thanks to the electrical properties of the material of the lining and the possibility of production of micro-arcs electric.
So, we make sure that the heat source does not come from the phase gas but catalytic packing itself. take in account the surface densities mentioned above, the heat transfer flux between the packing and the gaseous medium is selected at less than 100 W / m2-K. this is low in the case of devices operating at more than 700 C, due to the flux of heat by radiation. Direct heating of the catalyst in these terms of operation ensures that the maximum temperature of the catalyst and close to the target temperature in the reaction medium.
In addition to the direct heating of the catalyst by Joule effect, effects catalytic can be supported and induced not only because of the material constituting the catalyst, but also through increased availability and mobility of electrons and / or by the formation of micro-arcs in the porous medium. Finally, in the present invention, the current flow (electronic flow) to through filling is essential to maintain chemical activity and properties catalytic material constituting said lining.
DETAILED DESCRIPTION OF PREFERENTIAL MODES OF
THE INVENTION
The reactor described in the present invention relies on the use of a filling constituting a porous medium formed of metal compounds and / or their oxides. Preferably, the packing consists of particles of small dimensions based on iron or steel. This includes, but is not limited to, filaments, wool, threads, straws, fibers, filings, sintered, powders, grains, granules, balls, stems, nails, bolts, nuts, chips, washers, perforated plates, or other regular or irregular shapes allowing the generation of a structure porous material promoting gas flow and dispersion and having a sufficient contact area with the reagents. Figures 2 and 4 illustrate the proposed configuration. Said figures show a profile view of a metal cylinder inside which one has a thickness of refractory (for also of electrical insulation) and also a thickness of thermal insulation (for also electrical insulation). This cylinder contains the lining which is confined between two metal electrodes (which may be steel). The reagents to which are in the form of a gaseous mixture and are injected simply inside the porous structure defined by the lining.
The packing must have the following characteristics:
= have a porosity and geometric characteristics allowing a residence time of the gaseous reactants sufficiently high, at least 0.1 second, and preferably 3 seconds, to guarantee a degree sufficient advancement of the reaction;
= have sufficient surface area for contact between gaseous reactants and the packing both to catalyze the reaction and to heat the reagents so as to maintain the temperature level required by the reaction, preferably 744 m 2 / s / mole of methane;
= ensure constant electrical contact between the two electrodes; and = present a porous structure allowing the establishment of micro-arcs electric.
Figures 2 and 3 show a preferred arrangement for which the electrodes consist of perforated plates through which pass the gas. These plates may be provided with protuberances to assist a better current dispersion and better contact between the lining and the electrodes. Figure 3 shows a front view of the disc of an electrode with a typical arrangement that can be considered. The arrangement of the openings electrodes must ensure a uniform flow of gases in the reactor and avoid stagnant areas. The openings will be distributed preferably at a density corresponding to 0.5 openings per cm 2 of area. The diameter of these openings must be such that the pressure drop across the discs does not exceed 0.1 atmosphere. Note that the layout of the openings and protuberances can be modified to modify the profile flow and dispersion of gases inside the lining. It is not not mandatory that these arrangements are uniform.
The electrodes must be in permanent contact with the lining properly compacted. The aforementioned protuberances have precisely to help maintain the electrical and mechanical contact enter the packing and the electrode. Preferably, these protuberances are formed of spikes. A minimum number of spikes corresponding to a density of 0.5 peak per cm2 of disk area is recommended and these peaks are uniformly distributed on the surface of the electrode. The size of these tips can be variable. It is proposed a diameter that can vary between 0.001 and 0.1 times the packing diameter (bulk volume of the packing medium) and a length between 0.001 and 0.1 times the length of the volume (in bulk) packing.
Preferably, the electrodes have similar geometries although they may be different. The electrodes are preferably manufactured in iron, nickel or alloys based on these metals. In this case, these participate in the reaction, since they have surfaces metal having a catalytic effect. Moreover, by making sure that the electrodes they-they are used in the transport of gases, we promote a better dispersion of the heat that can be produced at the level of electrodes. We try to make sure that the lining and the electrodes reservoirs constitute a heating medium with a temperature level that be as homogeneous as possible.
Figure 4 shows a variant of the embodiment presented by the Figure 2. In this case, the electrodes are not perforated but the gases circulate perpendicularly and close to each of the electrodes, using openings which are preferably in radial position. In the facts, many openings also distributed on the circumference of the reactor allow a adequate dispersion of both the supplied and the outgoing gases (Figure shows only one opening for each of the electrodes). In addition, these openings should be as close as possible to each of the electrodes.
In the case of the two configurations shown respectively by the Figures and 4, the reactor is advantageously provided with additional openings, preferably radial, allowing the injection of gas to be used as reagents for different places in the lining. The injection of reactive gases both in the porous medium constituted by the packing, that near the electrodes, is performed radially or tangentially. This is illustrated in Figure 5.
The evacuation of the gases produced in the reactor is carried out radially or tangential way. Figure 5 shows an input (1) and an output (2) radial, as well as an outlet (3) and a tangential inlet (4), with respect to a bed or porous medium defined by the packing (5).
In fact, several other arrangements can be considered.
Many Reactor forms may be considered. For example, we can consider of the reactors in parallelepiped shape or even in spherical form. Different electrode arrangements can also be considered. Figure 6 presents a typical arrangement of electrodes interconnected in parallel.
This figure shows openings (1) that can be used for the injection of reagents or the evacuation of gases produced, the packing (2), the electrodes (3), the everything to inside a volume defined by the insulating material (4) (refractory and insulating thermal). As shown in Figure 6, the electrodes are connected in parallel and are electrically connected to a power supply (5). The made to use several electrodes allows to control locally the reactor heating levels (power density generated) and the flow 5 electronics.
Figure 7 shows an arrangement characterized by connected electrodes in three-phase mode. These electrodes are in the form of plates inside a cylinder (the figure shows a view from above). It is thus possible to provide 10 three electrodes and operate with a three-phase alternating current. This figure shows also openings (1) which can be used for the injection of reagents or the evacuation of gases produced, the packing (2), the electrodes (3), the everything to inside a volume defined by the insulating material (4) (refractory and insulating thermal). As shown in Figure 7, the electrodes are connected to a 15 power supply (5).
It is even conceivable to induce an electric current inside the filling by adding an induction coil around the reactor or in the refractory wall and use a non-conductive wall for the reactor.
The arrangement presented in Figures 2 and 3 is preferred. Reagents gaseous are injected into a feed opening presented by a hollow tube (the), then pass into a second hollow metal tube (2a), which is part of a metal electrode itself consisting of the hollow tube (2a) and a disk hollow (4a). The electrode is electrically isolated from the tube feeding device (1a) by the use of a device (5a) made of a material insulating electric, allowing the passage of gases. The gaseous reactants go to through openings (6) of the hollow disc (4a) of the electrode and come into contact with the metal lining (7). The latter constitutes a porous medium presenting sufficient atoms of the catalyst metal in contact with the gaseous reactants, and whose volume of interstices or pores allows a residence time of reagents large enough to promote the efficiency of the reaction of reforming.
The gases resulting from the reaction are evacuated by passing through openings (6) on the hollow disk (4b) of a second electrode or against electrode then are evacuated in the hollow tube (2b) of this same electrode. Subsequently, the gases products are evacuated in a second tube (1b) which is electrically insulated relative to the tube (2b) by the use of a device (5b) made of a material electrically insulating.
The electrically conductive and heat packing (7) taking place between the two disks defines a cylindrical reaction chamber. This chamber is contained in an enclosure (8) whose inner wall is covered a refractory material (9) and a thermal insulation material (10). The refractory material has a shape such that it delimits the volume of the bedroom of reaction, which is defined by the diameter of the disks and the volume of the packing. The diameter of the packing volume is preferably equal to that of each of the discs of the electrodes.
The reactor may be provided with different openings (3) allowing injecting, preferentially radially, gaseous reactants within the middle porous filling, in order to optimize the reaction that is wants to achieve in the reactor.
The outer wall made of steel is grounded (16). This wall is advantageously electrically isolated with respect to at least one of the two electrodes, by the use of insulation seals made of dielectric (11) (eg Teflon, Bakelite, etc.).
The two electrodes are connected by anchor points (12a) and (12b) to a power source (13) of the DC (direct current) or AC type (alternating current). Power supply serves as a source of energy Requirements for carrying out this reaction. The amount of energy will be adjusted to maintain the temperature level in the reactor. The level of temperature is measured using one or more thermocouples (14).
Figure 4 shows an alternative arrangement. Following this arrangement, gaseous reactants are injected into openings (only one is shown by the supply) (la) through the reactor wall in order to to preferentially inject gas radially in the vicinity of the electrode to the entrance (4a). Gaseous reactants come into contact with the lining catalytic conductor of electricity and heat (7). The latter constitutes a porous medium having sufficient atoms of the catalyst metal in contact with the gaseous reactants and whose volume of the interstices allows a time of reagents remain sufficiently large for the yield of the reaction of reforming.
The gases resulting from the reaction are evacuated by passage through openings (1b) located on the periphery of the reactor (only one opening is shown by.
the figure). These openings are such that the evacuated gases circulate preferably radially with respect to the second electrode (4b) before to be evacuated. Each of the two electrodes consists of a solid disk, respectively (4a) and (4b), extending through a feed rod of current, respectively (2a) and (2b). Each of the discs of the electrodes is in contact with a shoulder (5) of cylindrical shape made of material refractory.
The reactor may be provided with various openings (3) for injecting of the gaseous reactants preferentially radially inside the medium porous what constitutes the packing. This in order to optimize the reaction that one longed for perform in the reactor.
The lining (7) takes place between the two electrodes and defines a chamber of cylindrical reaction. This room is contained in an enclosure (8) containing a refractory material (9) and a thermal insulation material (10). The refractory has a shape such that it delimits the volume of the bedroom of reaction, which is defined by the diameter of the disks and the volume in bulk of packing. The diameter of the packing volume is preferably equal to that of each of the discs of the electrodes.
In all cases, the electrodes are made of metal, preferably of steel ordinary.
The two electrodes can be identical or designed in different ways.
However, they allow a flow and a dispersion of the gases to interior of the reaction volume defined by the porous medium constituted by the packing contained between the adjacent faces of each of the two discs of the electrodes.
Preferably, these electrodes are identical in order to simplify the construction such a device. In addition, to facilitate electrical contact between the electrode and the lining, each electrode is provided with protuberances and or protrusions (15) allowing a certain gripping.
The packing is preferably in filamentary form as are the commercial steel wool. This packing contains powder or balls Made of metal or metal oxides, ceramic beads with metal coating, or a mixture of these elements. It contains advantageously metal elements of different shapes. The metal is preferably based on iron but can be formed of any metal of transition of group VIII or a mixture thereof.
The operating temperature is generally between 600 and 1,500 C.
The operating pressure is between 0.5 and 10 atmospheres. Preferably, the apparatus operates in the vicinity of atmospheric pressure. Gas fed into the reactor are mixtures containing biogas, carbon dioxide, hydrogen, methane, water vapor, light hydrocarbons such as those found in natural gas and / or organic compounds based on carbon atoms, hydrogen, nitrogen and oxygen.
The gas mixture contains nitrogen, argon and even a little air. The However, the amount of oxygen in the gases is small enough not promote the formation of carbon formation precursors (molecules unsaturated such as acetylene, aromatic compounds, etc.). The amount oxygen is preferably less than 5% by volume in the diet of the gas. If there is oxygen in the reactor, the addition of water vapor helps to prevent or limit carbon formation.
The gaseous mixture is previously desulphurized to prevent poisoning catalytic packing because sulfur is easily absorbed by the iron of the lining. However, the desulfurization of reagents in a reactor zone containing sacrificial packing and replace the trim as needed in this area or regenerate the iron through a process oxidation of pyrite according to the following reaction:
FeS + 1.5 02 -> FeO + S02 (9) Replacing the lining can be done inexpensively especially when the one-it is made of iron or commercial steels.
The electrical source consists of a current transformer in the case alternating current (AC) power supply or a rectifier current in the case of a DC type power supply (DC). The power of the power source is calculated according to the needs energetic reactions of the reforming reactions concerned, which are laws of thermodynamics. The minimum current intensity that the electric source is calculated by the following equation:
Iminimum =% = F (10) in which: Iminimum is the minimum current to be applied, expressed in AT;
1 is a parameter that depends on the geometry of the reactor, the type of packing, the conditions of operation and the gas to be reformed, which is empirically determined by the experimental method Described in the description; and F is the molar flow rate of the gas to be reformed, expressed as mole of gas to be reformed / second.
Typically the value of 1 is greater than 15 C / mole.
EXAMPLES
The following examples are presented for illustrative purposes only would know under no circumstances be interpreted as constituting any limitation of the present invention. These examples are given to better illustrate the present invention.
Example 1 Laboratory reactor fed with a mixture of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) saturated with water vapor (H2O) A small capacity compact electric reactor is described in a manner 2 and 3. According to the assembly of such a reactor, the gaseous reactants, in this case methane (CH4), carbon dioxide (C02) and water vapor (H20) are injected into a feed opening consists of a hollow tube (la) and then pass into a second hollow tube in metal (2a) which is part of a metallic electrode itself of hollow tube (2a) and a hollow disc (4a). The hollow tubes (la) and (2a) as well than the hollow disc (4a) are made of mild steel (carbon steel).
The electrode inlet (2a and 4a) is electrically insulated from the tube power (la) by the use of a device (5a) made of Teflon, an insulating material electrically, allowing the passage of gases. The gaseous reactants go to openings (6) of the hollow disc (4a) of the electrode and enter into contact with the metallic lining (7), which consists of wool of steel BullDog type manufactured by Thamesvillê Metal Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada). The chemical characteristics of steel wool, determined by chemical analysis and expressed as a percentage by mass, are the following :
= Iron (Fe): 98.5% minimum = Carbon (C): 0.24%
= Manganese (Mn): 0.93%
= Sulfur (S): 0.007%
= Phosphorus (P): 0.045%
= Silicon (Si): 0.11%
= Copper (Cu): 0.11%
= Nickel (Ni): 0.03%
= Chromium (Cr): 0.03%
The reactor operates in the vicinity of atmospheric pressure; he is in made open to the atmosphere by its exit of gases. The gases resulting from the reaction (the gas synthesis) are discharged from the reactor through openings (6) sure the hollow disk (4b) of a second electrode (also called electrode) and then are directed into the hollow tube (2b) of this same electrode.
By subsequently, the gases produced are discharged into a second hollow tube (1b) dimensions, which is electrically isolated from the hollow tube (2b) by the use of a device (5b) made of Teflon, an electrically insulating.
The steel wool packing (7), electrically conductive and heat, taking place between the two disks, defines a reaction chamber of cylindrical shape whose dimensions are detailed below. This room is contained in an enclosure (8) made of stainless steel whose wall interior is covered with alumina (9), a refractory material, as well as of asbestos wool (10), a thermal insulation material. The dimensions relating to the reaction chamber are as follows:
= Enclosure (8) of stainless steel:
o 16.5 cm (6.5 inches) outside diameter;
o Length of 24.77 cm (9.75 inches);
Alumina cylinder (9):
o Outside diameter of 10.16 cm (4 inches);
o Inside diameter of 6.35 cm (2.5 inches);
o Length of 10.16 cm (4 inches).
The refractory cylinder of alumina has dimensions such that they limit the volume of the reaction chamber, which is defined by the diameter hollow discs (4a) and (4b) as well as the volume of the metallic packing (7).
The diameter of the volume of the lining is equal to that of each of the disks electrode, or 6.35 cm (2.5 inches). The metallic lining (7) is consisting of an alternation of compacted layers of approximately 1 cm each of BullDog steel wool with fine filaments and steel wool BullDog with medium filaments, so that the flow of gas passes through each of the layers in the direction of the thickness. The alternation of layers advantageously increases the resistivity of the lining. In total, 50 boy Wut of steel wool constitutes the packing, ie 25 g of the fine filament type and 25 g of the middle filament type. The outer wall is made of stainless steel (8) and is grounded (16) (ground). This wall is electrically isolated by relative to each of the two electrodes by the use of isolation gaskets made from Teflon (11).
Both electrodes, made of mild steel (carbon steel), are connected by anchor points (12a) and (12b) to a power source DC-type electric power supply (13), the latter being a rectifier of Rapid brand current with a maximum output power corresponding to 300 amperes and 12 volts. The gas inlet electrode is connected to the terminal positive (cathode) current rectifier, while the output electrode of gas is connected to the negative (anode) terminal. One of the two electrodes is mobile in the axis of the length of the reactor, that is to say that it can be moved during operation to maintain contact electrical connection between the lining and the electrodes as and when that the metal trim could see its geometry changed.
The dimensions and characteristics relating to the input electrode are the following:
= Hollow tube (la) :
o 2.54 cm (1 inch) length;
o Nominal diameter of 1.27. cm (0.5 inches);
= Hollow tube (2a):
o Length of 30.48 cm (12 inches);
o Nominal diameter of 1.27 cm (0.5 inches);
= Hollow disk (4a):
o Total thickness of approximately 1.27 cm (0.5 inch) corresponding to the thickness of two 0.65 cm (0.25 inch) disks each, which are welded together as shown in Figure 9, the first disc having a central hole of 1.27 cm (0.5 inches) for the hollow tube (2a) and the second, adjacent to the metal packing, including the projections (15) and the openings (6);
o 6.35 cm (2.5 inches) diameter;
O projections (15) of 0.635 cm (0.25 in), 13 in number and distributed as shown in Figure 9;
o Openings (6) of three different diameters, to the total number of 32, or 8 large 5.95 mm (15/64 inch), 16 means of 3-, 18 mm (1/8 inch) and 8 small of 2.38 mm (3/32 inch), distributed as shown in Figure 9, with the openings of larger dimensions in the radial direction.
The dimensions and characteristics relating to the output electrode are the following:
:
= Hollow tube (1b) o 2.54 cm (1 inch) length;
o Nominal diameter of 1.27 cm (0.5 inches);
= Hollow tube (2b):
o Length of 30.48 cm (12 inches);
o Nominal diameter of 1.27 cm (0.5 inches);
= Hollow disk (4b):
o Total thickness of approximately 1.27 cm (0.5 inch) corresponding to the thickness of two 0.65 cm (0.25 inch) disks each, which are welded together as shown in Figure 9, the first disc having a central hole of 1.27 cm (0.5 inch) for the hollow tube (2b) and the second, adjacent to the metal packing, including the projections (15) and the openings (6);
o 6.35 cm (2.5 inches) diameter;
O projections (15) of 0.635 cm (0.25 in), 20 in number and distributed as shown in Figure 9;
o Openings (6) of two different diameters, to the total number of 24, or 8 large 5.95 mm (15/64 inch) and 16 means of 3.18 mm (1/8 inch), distributed as shown in Figure 9, with the openings of larger dimensions in the direction radial.
The homogeneous distribution of the gases in the reaction chamber is ensured by the On the one hand, the electrodes have larger openings 25- dimension in the radial direction, and secondly, that the output electrode born has no opening towards the center, whereas it is the case for electrode input (see Figure 9).
The operating temperature is between 700 and 800 C; this one is mainly obtained by the passage of electric current. Temperature is measured with three K-type thermocouples (14) (1/16 inch) each being covered with a thin sheath (1/8 inch) ceramic. A first is introduced into the reactor, through the cylinder of alumina (9), so that than its end is as close as possible to the catalytic packing but without to touch. The other two thermocouples are introduced into the electrodes inlet and outlet, near the openings (6). Figure 8 shows a 5 diagram of the general arrangement of the laboratory reactor.
The above description relates specifically to the reactor. This one is from all obviously accompanied by ancillary devices thus forming a test bench full. Figure 10 presents a general description of the test bench.
10 This includes the following components:
= The laboratory reactor as described above;
= The current rectifier as described supra;
= A steam generator (optional use);
= A saturator (bubbler) of water vapor (optional use);
15 = a gas meter (Wet Test Meter);
= Flow meters for the flow measurements of each of the gases possibly be fed: methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrogen (N2);
= Compressed gas bottles as supplied by the 20 Boc-Gaz company: methane (CH4), carbon dioxide (C02) and Nitrogen (N2), all of 99% purity;
= Pressure gauges for each of the gas circuits;
= The instrumentation allowing in particular the reading of the temperatures measured by thermocouples.
In this example, the bubbler is used to saturate with water vapor the mixture of reactive gases (CH4 and CO2). The steam generator is not used for this example. The injection of water into the reactor is therefore possible by saturation of gaseous mixture by contact with hot water. Thus, reactive gases are pre-fed into the saturator, which contains of hot water. The saturator is actually a stainless steel vessel inside which the reactive gases are brought into contact with water, at a given temperature. The temperature of the saturated mixture is measured directly when he leaves the ship. This temperature corresponds to the dew point of the mixed ; it makes it possible to quantify the molar fraction of the water in the mixed gas intended to be injected into the reactor. The dew point is typically between 80 and 85 C. Table 2 shows the variation in calculated composition of the mixture injected into the reactor according to the point of dew saturated mixture.
Table 2 Variation of the proportion of water vapor depending of the temperature in a saturated mixture containing 1/3 mole of carbon dioxide (C02) per mole of methane (CH4) Saturation temperature Proportion of water vapor (Dew point) (Volume fraction) ( VS) 80 0.47 81 0.49 82 0.51 83 0.53 The operation of the reactor is carried out according to the procedure described below. For start a test, the reactor is first preheated gradually increasing the current in increments of 10 A at intervals of 5 minutes with nitrogen injection (N2) at a flow rate of 1.0 L / min. When the temperature reaches 300 to 400 C, a small jet of air is projected on the tips in Teflon reactor so as to locally cool these two tips. Over there then, the injection of the reactive gases starts, these being saturated with steam water where appropriate. Carbon dioxide (CO2) is always injected before methane (CH4), in order to prevent the formation of soot within the reactor.
The flow rates of the gases are adjusted according to determined setpoint values beforehand. Once the flow rates of the reactive gases are reached, the injection nitrogen is stopped and the electric current is adjusted to obtain in the reactor, the chosen temperature. For the purposes of the operation, the temperature of work is that measured at the gas outlet electrode. For stopping the test, the Nitrogen flow is reopened at 1.0 L / min, then the methane feed is (CH4), then we close that of carbon dioxide (C02) and finally, we close the current rectifier. The reactor is allowed to cool with the nitrogen flow (N2) up to an internal temperature of 300 to 400 C. At this temperature, we close finally feeding the nitrogen.
The input and output gases are analyzed using a chromatograph gas phase micro-GC type, a CP2003 model of the company Varian. This chromatograph is equipped with three columns for which the stationary phase and the carrier gas vary according to the gases to be analyzed. The detector is of type with thermal conductivity. Certified mixtures of gases from from the company Boc-Gaz are used for the calibration of the chromatograph.
The gases to be analyzed are collected in Tedlar bags (Polyfluoride vinylidene). The sampling procedure is described below. The bag is.
first rinsed 3 times with nitrogen (N2), then 3 times with the gas to be analyzed.
Then, the bag is filled to about 80% of its capacity with the gas to analyze :
this constitutes the sample. For the withdrawal of the gases produced, the bag is connected to the reactor outlet to minimize air infiltration at interior of the bag. Waiting time before the analysis is then required for the sample is at room temperature.
This example describes the operation of the laboratory reactor in of the specific conditions described below (reforming test No. 61102). The flow rates of the gaseous reactants are adjusted to the following values: 0.08 sL / min for carbon dioxide (CO2) and 0.25 sL / min for methane (CH4) designating standard, ie 20 C and 1 atmosphere). These gaseous reactants are at previously saturated with water vapor by bubbling into the saturator. The saturation temperature of the gaseous mixture injected into the reactor is C. The volume fraction of water vapor of the gas fed into the reactor is therefore 0.49 (see Table 2). After starting the test, performed according to the procedure described above, the West current adjusted so at reach a temperature of about 780 C (20 C) at the output electrode.
Table 3 reveals the main parameters measured at times corresponding to the taking of samples.
Table 3 Main parameters measured when taking samples of reforming test No. 61102 Sample Time Voltage Current Resistance Power Temperature (n) (min) (V) (A) (Ohm) (W) (C) 1 15 3.11 141 0.0221 439 805 2 80 2.98 143 0.0208 426 795 3,195 2.80 148 0.0189 414 793 4,250,156 0.0175 426,771 5,290 2.62 156 0.0168 409 763 Table 4 reveals the composition of the gas mixture collected at the exit of the reactor, this composition being determined by the chemical analyzes performed by micro-GC on each sample taken.
Table 4 Results of chemical analyzes of the product gas mixture during reforming test No 61102 Sample Normalized volume concentration anhydrous base (11) (%) (%) (%) (%) (%) 1 67.86 29.80 0.59 0.41 1.35 2 70.53 26.35 1.29 0.96, 0.88 3 64.08 33.50 0.48 0.58 1.36 4 68.06 29.24 0.51 1.36 0.82 5 68.98 27.95 0.36 1.78 0.92 The results presented in Table 4 are consistent within the mistake experimental, with values based on equilibrium calculations.
thermodynamics for the same temperature level.
Example 2 Laboratory reactor fed with a mixture of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) saturated with water vapor (H2O) This second example describes the operation of the following laboratory reactor operating conditions similar to those indicated in Example 1 (test of reforming No. 71102). For this example, the operating period `is 340 minutes.
Table 5 reveals the main parameters measured at times corresponding to the taking of samples.
Table 5 Main parameters measured when taking samples of reforming test No. 71102 Sample Time Voltage Current Resistance Power Temperature (n) (min) (V) (A) (Ohm) (W) (C) 1 85 2.75 155 0.0177 426 793 2,160 2.54 160 0.0159 406 775 3 220 2.44 160 0.0153 390 764 4,280 168 0.0147 415 763 5,340 2.47 175 0.0141 432 762 The results presented in Table 6 are easily matched within the experimental error, with values based on equilibrium calculations thermodynamics for the same temperature level.
10 Table 6 Results of chemical analyzes of the product gas mixture in reforming test No 71102 Sample Normalized volume concentration anhydrous base (not ) (%) (%) (%) (%) (%) 1 58.07 33.54 0.47 0.80 7.12 2 61.09 35.44 0.25 1.86 1.37 3 61.50 32.83 0.37 4.63 0.67 4 64.32 30.95 0.27 3.91 0.54 5 64.37 31.22 0.32 3.44 0.64 In summary, the present invention is based on a judicious use of electricity characterized in particular by the following:
= not resort to current transforming processes on power electronics;
= to use an electronic flow by passage of current for support catalysis phenomena; and = potentially favoring the establishment of electric micro-arcs dispersed to further catalyze the reforming reaction.
The use of ohmic heating of a direct conduction lining its proved to be a simple way to introduce electricity as a source of heat for performing endothermic reactions. electricity can be direct current or AC or even three-phase. In the where alternating current would be used at the network frequency, the current transformation simply boils down to a potential adjustment by the use of simple transformers.
It has therefore been possible to electrically heat a lining consisting of metals known to catalyze reforming reactions of natural gas to the water vapour. The packing used thus proved to constitute both a heating medium and a catalyst for carrying out the reaction. This metal has been effectively used in the form of powder, a bed of granules, balls, rods, platelets or in a form of Filamentous structure as long as the contact area was sufficient for heat the gases and catalyze the transformation process.
Although the present invention has been described using implementations specific, it is understood that several variations and modifications may himself graft to said implementations, and the present invention aims to cover such modifications, uses or adaptations of the present invention according to general, the principles of the invention and including any variation of the present description which will become known or conventional in the field of activity in which himself found the present invention, and which can be applied to the elements essential mentioned above, in accordance with the scope of the following claims.
Claims (38)
- une enceinte;
- une chambre de réaction munie d'au moins deux électrodes et située à
l'intérieur de l'enceinte, ladite chambre de réaction comprenant au moins un matériau de garnissage poreux et conducteur qui forme en tout ou en partie un catalyseur de reformage, ledit garnissage étant isolé électriquement de la paroi métallique de l'enceinte de manière à éviter tout court-circuit;
- au moins une alimentation en gaz à reformer;
- au moins une alimentation en gaz oxydant, distincte ou non de l'alimentation en gaz à reformer;
- moins une sortie pour les gaz issus du reformage; et lesdites électrodes pouvant être mises sous tension à l'aide d'une source de courant pour générer un flux électronique dans le garnissage conducteur entre les électrodes. 1. Electric reactor for reforming, in the presence of an oxidizing gas, of a gas comprising at least one hydrocarbon, optionally substituted, and/or to at least one organic compound, optionally substituted, comprising atoms of carbon and hydrogen as well as at least one heteroatom; said reactor including:
- a speaker;
- a reaction chamber equipped with at least two electrodes and located inside the enclosure, said reaction chamber comprising at least one porous and conductive packing material which forms in whole or in part a reforming catalyst, said packing being electrically isolated from the wall metal of the enclosure so as to avoid any short circuit;
- at least one gas supply to be reformed;
- at least one oxidizing gas supply, separate or not from the supply into gas to be reformed;
- minus one outlet for the gases resulting from the reforming; and said electrodes being able to be energized using a source of running to generate electron flow in the conductive packing between the electrodes.
de la classification périodique et les alliages contenant au moins un desdits éléments. 2. Reactor according to claim 1, in which the packing material conductor is chosen from the group consisting of the elements of group VIII
of the periodic table and alloys containing at least one of said elements.
choisi parmi le fer, le nickel et le cobalt, et les alliages contenant au moins 80 %
d'un ou plusieurs de ces éléments. 3. Reactor according to claim 2, in which the packing material consists of at least 80% of one or more group VIII elements selected from iron, nickel and cobalt, and alloys containing at minus 80%
one or more of these elements.
d'éléments du matériau conducteur sous forme de paille, de fibres, de limaille, de fritté, de billes, de clous, de fils, de filaments, de laine, de tiges, de boulons, d'écrous, de rondelles, de copeaux, de poudres, de granules ou de plaques perforées. 5. Reactor according to claim 1, in which the packing consists elements of the conductive material in the form of straw, fibers, filings, of sintered, balls, nails, threads, filaments, wool, rods, bolts, nuts, washers, chips, powders, granules or plates perforated.
l'état dense une résistivité électrique à 20 C comprise entre 50 x 10-9 et 2.000 x 10-9 ohm-m. 7. Reactor according to claim 1, in which the material has at the dense state an electrical resistivity at 20 C between 50 x 10-9 and 2,000 x 10-9 ohm-m.
reformer ou un conduit d'alimentation du gaz à reformer et du gaz oxydant. 9. Reactor according to claim 1, in which at least one of the electrodes is a hollow electrode, the hollow electrode is the inlet port gas to reformer or a conduit for supplying the gas to be reformed and the oxidizing gas.
- la chambre de réaction contient un matériau de garnissage conducteur électrique formant en tout ou en partie un catalyseur de reformage, le matériau étant placé entre des électrodes;
- les électrodes sont mises sous tension pour produire un courant électrique continu ou alternatif générant un flux électronique dans le garnissage. 16. Process for the reforming of a gas comprising at least one optionally substituted hydrocarbon, and/or at least one organic compound optionally substituted which comprises carbon, hydrogen and au least one heteroatom, consisting in bringing the gas to be reformed into contact with a gas oxidant in a reaction chamber, characterized in that:
- the reaction chamber contains a conductive packing material electricity forming in whole or in part a reforming catalyst, the material being placed between electrodes;
- the electrodes are energized to produce an electric current direct or alternating generating an electronic flux in the packing.
et 1 500 °C, sous atmosphère inerte. 18. Method according to any one of claims 16 or 17, in which the reaction chamber lining is preheated prior to feeding in gas to be reformed and into oxidizing gas, at a temperature between 300°C
and 1500°C, under an inert atmosphere.
reformer et du gaz oxydant est constitué de 25 à 60 % de méthane, de 0 à 75 %
de vapeur d'eau et de 0 à 75 % de dioxyde de carbone. 23. A method according to claim 16, wherein mixing the gas with reformer and oxidant gas consists of 25-60% methane, 0-75%
of water vapor and 0 to 75% carbon dioxide.
réformer et du gaz oxydant est constitué de 30 à 60 % de méthane, de 15 à 60 %
de vapeur d'eau et de 10 à 60 % de dioxyde de carbone 24. A method according to claim 23, wherein mixing the gas with reform and oxidizing gas consists of 30-60% methane, 15-60%
of water vapor and 10 to 60% carbon dioxide
0,001 atmosphère. 26. Method according to claim 16, characterized in that it is implemented operates under a pressure in the reaction chamber which is greater than 0.001 atmosphere.
d'éthylène, de 0 à 25 % d'éthane, de 0 à 10 % de propane, de 0 à 8 % de butane, de 0 à 5 % d'hydrogène, de 0 à 2 % de monoxyde de carbone, de 0 à 2 % d'oxygène, de 0 à 15 % d'azote, de 0 à 10 % de dioxyde de carbone, de 0 à 2 % de vapeur d'eau, de 0 à 3 % d'un ou plusieurs hydrocarbures de C5-12 et des traces d'autres gaz. 32. Implementation of the method as defined in claim 16, for the reforming of a natural gas consisting of 70 to 99% methane, from 0 to 10%
ethylene, 0-25% ethane, 0-10% propane, 0-8%
butane 0 to 5% hydrogen, 0 to 2% carbon monoxide, 0 to 2% oxygen, 0-15% Nitrogen, 0-10% Carbon Dioxide, 0-2% Steam water, 0 to 3% of one or more C5-12 hydrocarbons and traces other gases.
MW; (ii) la valorisation en énergie et/ou en produits chimiques du biogaz généré
par les lieux d'enfouissement sanitaire; (iii) la production d'hydrogène pour des applications de combustible reliées au transport routier; et (iv) la production d'hydrogène pour des applications portables ou stationnaires. 35. Use of one or more electric reactors as defined in claim 1 for:(i) the production of syngas for use in the manufacturing of methanol for installations with an electrical consumption of 1 at MW; (ii) recovery of biogas into energy and/or chemicals generated through sanitary landfills; (iii) the production of hydrogen for of the fuel applications related to road transportation; and (iv) the production hydrogen for portable or stationary applications.
combustible destinées aux résidences et aux véhicules routiers. 37. Use according to claim 35, characterized in that the portable or stationary applications are battery power combustible intended for residences and road vehicles.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA2504901A CA2504901C (en) | 2002-11-05 | 2003-10-31 | Electrical heating reactor for gas phase reforming |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA002410927A CA2410927A1 (en) | 2002-11-05 | 2002-11-05 | Electrically heated reactor for reforming in gaseous phase |
CA2,410,927 | 2002-11-05 | ||
PCT/CA2003/001689 WO2004041425A1 (en) | 2002-11-05 | 2003-10-31 | Electrical heating reactor for gas phase reforming |
CA2504901A CA2504901C (en) | 2002-11-05 | 2003-10-31 | Electrical heating reactor for gas phase reforming |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CA2504901A1 CA2504901A1 (en) | 2004-05-21 |
CA2504901C true CA2504901C (en) | 2011-02-22 |
Family
ID=34888058
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CA2504901A Expired - Fee Related CA2504901C (en) | 2002-11-05 | 2003-10-31 | Electrical heating reactor for gas phase reforming |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CA (1) | CA2504901C (en) |
-
2003
- 2003-10-31 CA CA2504901A patent/CA2504901C/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2504901A1 (en) | 2004-05-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2004041425A1 (en) | Electrical heating reactor for gas phase reforming | |
EP0952957B1 (en) | Method and devices for producing hydrogen by plasma reformer | |
Ledjeff-Hey et al. | Compact hydrogen production systems for solid polymer fuel cells | |
FR2758317A1 (en) | CONVERSION OF HYDROCARBONS ASSISTED BY SLIDING ELECTRIC ARCS IN THE PRESENCE OF WATER VAPOR AND / OR CARBON GAS | |
FR3004179A1 (en) | METHODS FOR OBTAINING COMBUSTIBLE GAS FROM WATER ELECTROLYSIS (EHT) OR CO-ELECTROLYSIS WITH H2O / CO2 WITHIN THE SAME ENCLOSURE, CATALYTIC REACTOR AND SYSTEM THEREOF | |
FR2872149A1 (en) | PLASMA-CATALYTIC CONVERSION OF CARBON MATERIALS | |
KR101531749B1 (en) | The Hydrogen Manufacturing Method Using Carbon Dioxide Reforming | |
Li et al. | Simultaneous production of hythane and carbon nanotubes via catalytic decomposition of methane with catalysts dispersed on porous supports | |
EP1146010B1 (en) | Process for the production of a mixture comprising hydrogen and carbon monoxide | |
FR2933391A3 (en) | Converting carbonaceous material into liquid fuel using catalytic reactor, comprises selectively hydrogenating carbon monoxide using hydrogen, and cooling the reactor using coolant fluid of non-fossil origin to remove the heat of synthesis | |
CA2504901C (en) | Electrical heating reactor for gas phase reforming | |
CA2968756A1 (en) | Method and apparatus for combustion by chemical-loop oxidation reduction of a gaseous hydrocarbon feedstock with intermediate catalytic steam reforming of the feedstock | |
FR2786409A1 (en) | PLASMA DEVICE FOR MOBILE ELECTRIC DISCHARGES AND ITS APPLICATIONS FOR CONVERTING CARBONACEOUS MATERIAL | |
US20040206618A1 (en) | Foam type catalyst system in non-thermal plasma catalytic reactor | |
CA2469859A1 (en) | Electrically heated reactor for gas phase reforming | |
WO2004058924A2 (en) | Method for the generation of synthesis gas by catalytic partial oxidation | |
WO2011148066A2 (en) | Anaerobic hydrogen production method | |
FR2831154A1 (en) | Electrical heating to assist exothermic oxidation and endothermic pyrolysis reactions at high temperatures in a continuous flow hydrocarbon reforming reactor | |
EP3230416B1 (en) | Plant and process for chemical looping oxidation-reduction combustion of a gaseous hydrocarbon feedstock with catalytic pre-reforming of the feedstock | |
Banville et al. | with Interaction of CO2steel wool in an electrocatalytic dry reforming reactor | |
EP1358125A2 (en) | Method and device for producing hydrogen by partial oxidation of hydrocarbon fuels | |
Jie | Microwave-initiated catalytic dehydrogenation of fossil fuels for the facile production and safe storage of hydrogen | |
Shami | Analysis and Mitigation of Carbon Deposition in the Steam Reforming of Ethanol for Hydrogen Production on an Unsupported Ni Catalyst | |
Czernichowski et al. | Plasma-assisted reforming of some liquid fuels into synthesis gas | |
FR3133144A1 (en) | Mixed catalytic system for the production of hydrogen and liquid hydrocarbons in plasma catalysis |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
EEER | Examination request | ||
MKLA | Lapsed |
Effective date: 20181031 |