EP3166717A1 - Échangeur et/ou échangeur-réacteur fabrique par méthode additive - Google Patents

Échangeur et/ou échangeur-réacteur fabrique par méthode additive

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EP3166717A1
EP3166717A1 EP15753963.6A EP15753963A EP3166717A1 EP 3166717 A1 EP3166717 A1 EP 3166717A1 EP 15753963 A EP15753963 A EP 15753963A EP 3166717 A1 EP3166717 A1 EP 3166717A1
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EP
European Patent Office
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exchanger
reactor
channels
additive manufacturing
millimeter
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Withdrawn
Application number
EP15753963.6A
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German (de)
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Pascal Del-Gallo
Olivier Dubet
Laurent Prost
Marc Wagner
Matthieu FLIN
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the present invention relates to reactor-exchangers and exchangers and to their manufacturing process.
  • a millistructured reactor-exchanger is a chemical reactor where exchanges of matter and heat are intensified thanks to a geometry of channels whose characteristic dimensions such as the hydraulic diameter are of the order of a millimeter.
  • the channels constituting the geometry of these millistructured reactor-exchangers are generally etched on plates assembled together and each of which constitutes a stage of the apparatus.
  • the multiple channels that make up the same plate are generally connected to each other and passages are arranged to allow the transfer of the fluid used (gaseous or liquid phase) from one plate to another.
  • the millistructured reactor-exchangers are supplied with reactants by a distributor or a distribution zone whose role is to ensure a homogeneous distribution of the reagents in all the channels.
  • the product of the reaction implemented in the millistructured exchanger-reactor is collected by a collector which allows its routing outside the apparatus.
  • (i) - "Stage” means a set of channels positioned on the same level and in which a chemical reaction or heat exchange occurs
  • - "Wall” means a dividing wall between two consecutive channels arranged on the same floor
  • - "Distributor” or “distribution area” means a volume connected to a set of channels and disposed on the same floor and in which circulates reagents conveyed from outside the heat exchanger. reactor to a set of channels and
  • Collector means a volume connected to a set of channels and arranged on the same stage and in which the reaction products conveyed from the set of channels to the outside of the exchanger-reactor circulate.
  • Some of the channels constituting the reactor-exchanger may be filled with solid forms, for example foams, for the purpose of improving exchanges, and / or catalysts in solid form or in the form of a deposit covering the channel walls and the elements that can fill the channels like the walls of the mosses.
  • a millistructured exchanger is an exchanger whose characteristics are similar to those of a millistructured exchanger-reactor and for which we find the elements defined above as (i) the "stages", (ii) “walls”, (iii) “distributors” or “distribution zones” and (iv) "collectors".
  • the channels of the millistructured exchangers can also be filled with solid forms such as foams, in order to improve the heat exchange.
  • millistructured exchangers proposed for preheating oxygen in a glass furnace are composed of a multitude of millimeter passages arranged on different stages and which are formed through channels connected to each other.
  • the channels may be supplied with hot fluids, for example at a temperature of between about 700 ° C. and 950 ° C. by one or more distributors.
  • the cooled and heated fluids are conveyed outside the apparatus by one or more collectors.
  • the plates consisting of channels of semicircular or right angle sections thus obtained are generally assembled together by diffusion bonding or soldering diffusion.
  • the sizing of these semicircular or rectangular section devices is based on the application of the American Society of Mechanical Engineers (ASME) section VIII, appendix 13.9, which incorporates the mechanical design of an exchanger and / or a millistructured exchanger-reactor composed of etched plates.
  • ASME American Society of Mechanical Engineers
  • the values to be defined in order to obtain the desired mechanical strength are indicated in FIG.
  • the dimensioning of the distribution zone and the collector is performed by finite element calculation because the ASME code does not provide for analytical dimensioning of these zones.
  • the regulatory validation of the design defined by this method requires a burst test according to ASME UG 101.
  • the expected burst value for a diffusion-bonded and inconel alloy reactor heat exchanger (HR 120) operating at 25 bar and at 900 ° C. is of the order of 3500 bar at ambient temperature. This is very disadvantageous because this test requires oversize the reactor in order to comply with the burst test, the reactor thus losing its compactness and its efficiency in terms of heat transfer due to the increase of the walls of the channels .
  • the assembly of the etched plates by diffusion welding is obtained by the application of a large uniaxial stress (typically of the order of 2MPa to 5MPa) on the matrix consisting of a stack of etched plates and exerted by a press at high temperature for a holding time of several hours.
  • a large uniaxial stress typically of the order of 2MPa to 5MPa
  • the implementation of this technique is compatible with the manufacture of small devices such as devices contained in a volume of 400mm x 600mm. Beyond these dimensions, the force to be applied to maintain a constant stress becomes too great to be implemented by a high temperature press.
  • the assembly of the etched plates by diffusion brazing is obtained by the application of a low uni-axial stress (typically of the order of 0.2 MPa) exerted by a press or a self-clamping assembly at high temperature and during a holding time of several hours to the matrix consisting of etched plates.
  • a brazing filler metal is deposited according to industrial deposition processes that do not allow to guarantee the perfect control of this deposit. This filler metal is intended to diffuse into the matrix during the brazing operation so as to achieve mechanical joining between the plates.
  • the diffusion of the brazing metal can not be controlled, which can lead to discontinuous brazed junctions and which result in a degradation of the mechanical strength of the equipment. .
  • a pressure of 840.10 5 Pa 840 bar
  • the thickness of the walls and the geometry of the distribution zone have been adapted to increase the contact area between each plate. This has the consequence of limiting the surface / volume ratio, increasing the pressure drop and the poor distribution in the equipment channels.
  • ASME code section VIII div.1 appendix 13.9 used for the sizing of this type of brazed equipment does not allow the use of diffusion soldering technology for equipment using fluids containing a lethal gas such as as carbon monoxide for example.
  • a diffusion bonded apparatus can not be used for the production of Syngas.
  • the equipment manufactured by diffusion brazing is composed "in fine" of a stack of etched plates between which brazed joints are arranged. Therefore, any welding operation on the faces of this equipment leads in most cases to the destruction of soldered joints in the heat affected zone by the welding operation. This phenomenon propagates along the brazed joints and leads in most cases to the rupture of the assembly. To overcome this problem, it is sometimes proposed to add thick reinforcement plates at the time of assembly of the brazed matrix so as to provide a frame-type support welding connectors which does not have soldered joint.
  • the present invention proposes to solve the disadvantages related to the current manufacturing methods.
  • One solution of the present invention is a reactor-exchanger or exchanger comprising at least 3 stages with on each stage at least one millimetric channel area promoting the exchange of heat and at least one distribution zone upstream and / or downstream of the millimeter channel region, characterized in that said reactor-exchanger or exchanger is a part having no interfaces assemblies between the different stages.
  • the reactor-exchanger or exchanger according to the invention may have one or more of the following characteristics:
  • millimeter channels are circular in shape
  • Said reactor-exchanger is a reactor-catalytic exchanger and comprises:
  • At least a first stage comprising at least one distribution zone and at least one millimetric channel zone for circulating a gas flow at a temperature greater than 700 ° C. so that it provides part of the heat necessary for the catalytic reaction; ;
  • At least one second stage comprising at least one distribution zone and at least one millimetric channel zone for circulating a gaseous flow of reactants in the direction of the length of the millimetric channels covered with catalyst in order to react the gas flow;
  • At least one third stage comprising at least one distribution zone and at least one millimetric channel zone for circulating the gas flow produced on the second plate so that it provides part of the heat necessary for the catalytic reaction; with on the second and the third plate, a system so that the gas flow produced can circulate from the second to the third plate.
  • the subject of the present invention is also the use of an additive manufacturing method for the manufacture of a compact catalytic reactor comprising at least 3 stages with, on each stage, at least one millimetric channel zone favoring the exchange of heat and at least one distribution zone upstream and / or downstream of the millimeter channel region.
  • the additive manufacturing method will allow the manufacture of a reactor-exchanger or exchanger according to the invention.
  • equivalent diameter is meant an equivalent hydraulic diameter
  • the additive manufacturing method implements: - as base material at least one micrometer-sized metal powder, and / or
  • the additive manufacturing method can implement micrometric sized metal powders that are melted by one or more lasers to produce finished parts of complex shapes in three dimensions.
  • the part is built layer by layer, the layers are of the order of 50 ⁇ , depending on the accuracy of the desired shapes and the desired deposition rate.
  • the metal to be melted can be provided either by powder bed or by a spray nozzle.
  • the lasers used to locally crack the powder are either YAG, fiber or C0 2 lasers and the melting of the powders takes place under inert gas (argon, helium, etc.).
  • the present invention is not limited to a single additive manufacturing technique but it applies to all known techniques.
  • the additive manufacturing makes it possible to achieve unimaginable forms by the traditional manufacturing methods and thus the manufacture of the connectors of the exchanger-reactors or millistructured exchangers can be done in the continuity of the manufacture of the body of the apparatuses. This then makes it possible not to perform welding of the connectors on the body and thus eliminate a source of alteration of the structural integrity of the equipment.
  • control of the geometry of the channels by additive manufacturing allows the realization of circular section channels which, in addition to the good pressure resistance that this shape brings, also allows to have an optimal channel shape for the deposition of protective coatings and catalysts which are thus homogeneous throughout the channels.
  • the productivity gain aspect is also enabled by reducing the number of manufacturing steps.
  • the steps of producing a reactor by integrating the additive manufacturing go from seven to four (FIG. 5).
  • the critical steps which can generate a scrapping of a complete apparatus or plates constituting the reactor, four in number using the conventional manufacturing technique by assembly of etched plates, pass to two with the adoption of manufacturing. additive.
  • the only remaining steps being the additive manufacturing step and the deposition step of coatings and catalysts.
  • a reactor exchanger according to the invention can be used for the production of synthesis gas.
  • an exchanger according to the invention can be used in an oxy-fuel combustion process to preheat oxygen.

Abstract

Réacteur- échangeur ou échangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisée en ce que ledit réacteur-échangeur ou échangeur est une pièce ne présentant pas d'interfaces d'assemblages entre les différents étages.

Description

ECHANGEUR ET/OU ECHANGEUR-REACTEUR FABRIQUE PAR METHODE ADDITIVE
La présente invention est relative aux réacteurs-échangeurs et échangeurs et à leur procédé de fabrication.
Plus précisément, il est question de réacteurs-échangeurs et d'échangeurs millistructurés mis en œuvre dans des procédés industriels qui nécessitent le fonctionnement de ces appareils dans les conditions suivantes :
(i) - Un couple température/pression élevée,
(ii) - Des pertes de charges minimales et
(iii) - des conditions qui permettent une intensification du procédé comme, l'utilisation d'un réacteur-échangeur catalytique pour la production de gaz de synthèse ou l'utilisation d'un échangeur à plaques compact pour préchauffer de l'oxygène utilisé dans le cadre d'un procédé d'oxycombustion.
Un échangeur-réacteur millistructuré est un réacteur chimique où les échanges de matière et de chaleur sont intensifiés grâce à une géométrie de canaux dont les dimensions caractéristiques telles que le diamètre hydraulique sont de l'ordre du millimètre. Les canaux constituants la géométrie de ces échangeurs-réacteurs millistructurés sont généralement gravés sur des plaques assemblées entres-elles et dont chacune constitue un étage de l'appareil. Les multiples canaux qui composent une même plaque sont généralement liés les uns aux autres et des passages sont disposés pour permettre le transfert du fluide mis en œuvre (phase gazeuse ou liquide) d'une plaque à l'autre.
Les échangeurs-réacteurs millistructurés sont alimentés en reactifs par un distributeur ou une zone de distribution dont l'un des rôles est d'assurer une distribution homogène des réactifs dans l'ensemble des canaux. Le produit de la réaction mise en œuvre dans l'échangeur-réacteur millistructuré est collecté par un collecteur qui permet son acheminement à l'extérieur de l'appareil.
Par la suite, on entendra :
(i) - Par « étage », un ensemble de canaux positionnés sur un même niveau et dans lequel se produit une réaction chimique ou un échange thermique,
(ii) - Par « paroi », une cloison de séparation entre deux canaux consécutifs disposés sur un même étage, (iii) - Par « distributeur » ou « zone de distribution », un volume relié à un ensemble de canaux et disposé sur un même étage et dans le/laquel(le) circule des réactifs acheminés de l'extérieur de l'échangeur-réacteur vers un ensemble de canaux et
(iv) - Par « collecteur », un volume relié à un ensemble de canaux et disposé sur un même étage et dans lequel circule les produits de la réaction acheminés de l'ensemble de canaux vers l'extérieur de l'échangeur-réacteur.
Certains des canaux constituant l'échangeur-réacteur peuvent être remplis de formes solides, par exemple des mousses, dans le but d'améliorer les échanges, et/ou de catalyseurs se présentant sous forme solide ou sous la forme d'un dépôt recouvrant les parois des canaux et les éléments qui peuvent remplir les canaux comme les parois des mousses.
Par analogie à l'échangeur-réacteur millistructuré, un échangeur millistructuré est un échangeur dont les caractéristiques sont similaires à celles d'un échangeur-réacteur millistructuré et pour lequel on retrouve les éléments définis ci-dessus comme (i) les « étages », (ii) les « parois », (iii) les « distributeurs » ou les « zones de distributions » et (iv) les « collecteurs ». Les canaux des échangeurs millistructurés peuvent eux aussi être remplis de formes solides comme des mousses, dans le but d'améliorer les échanges de chaleur.
L'intégration thermique de ces appareils peut faire l'objet d'optimisations poussées permettant d'optimiser les échanges de chaleur entre les fluides circulant dans l'appareil à différentes températures grâce à une distribution spatiale des fluides sur plusieurs étages et l'utilisation de plusieurs distributeurs et collecteurs. Par exemple, les échangeurs millistructurés proposés pour le préchauffage de l'oxygène dans un four de verre sont composés d'une multitude de passages millimétriques disposés sur différents étages et qui sont formées grâce à des canaux liés les uns aux autres. Les canaux peuvent être alimentés en fluides chauds par exemple à une température comprise entre environ 700°C et 950°C par un ou plusieurs distributeurs. Les fluides refroidis et chauffés sont acheminés en dehors de l'appareil par un ou plusieurs collecteurs.
Pour tirer pleinement partie bénéfice de l'utilisation d'un échangeur-réacteur millistructuré ou d'un échangeur millistructuré dans les procédés industriels visés, ces équipements doivent posséder les propriétés suivantes :
- Ils doivent pouvoir travailler à un produit « pression x température » élevé généralement supérieur ou égal à environ de l'ordre de 12.108Pa.°C (12 000 bar.°C), ce qui correspond à une température supérieure ou égale à 600°C et une pression supérieure à 20.105Pa (20 bar) ; - Ils doivent se caractériser par un rapport surface sur volume inférieur ou égal à environ 40.000m2/m3 et supérieur ou égal à environ 4.000m2/m3, pour permet l'intensification des phénomènes aux parois et en particuliers le transfert thermique ;
- Ils doivent permettre une température d'approche inférieure à 5°C entre l'entrée des fluides chauds et la sortie des fluides refroidis ou réchauffés ; et
- Ils doivent induire des pertes de charges inférieures à 104Pa (100mbar) entre le distributeur et le collecteur d'un réseau de canaux transportant le même fluide.
Plusieurs équipementiers proposent des échangeurs-réacteurs et des échangeurs millistructurés. La majorité de ces appareils se composent de plaques constituées de canaux qui sont obtenus par usinage chimique par aspersion. Cette méthode de fabrication conduit à l'obtention de canaux dont la section à une forme qui s'approche d'un demi-cercle et dont les dimensions sont approximatives et non exactement reproductibles d'un lot de fabrication à un autre à cause du procédé d'usinage en lui-même. En effet, lors de l'opération d'usinage chimique, le bain utilisé est pollué par les particules métalliques arrachées des plaques et bien que ce dernier soit régénéré, il est impossible pour des raisons de coût d'opération de maintenir une même efficacité lors de la fabrication d'une grande série de plaque. Par la suite, on entendra par « section semi-circulaire » la section d'un canal dont les propriétés souffrent des limites dimensionnelles décrites précédemment et induites par les méthodes de fabrication telles que le gravage chimique et l'emboutissage.
Même si cette méthode de fabrication de canal n'est pas intéressante d'un point de vue économique, on pourrait imaginer que les canaux constituants les plaques soient fabriqués par usinage traditionnel. Dans ce cas, la section de ces derniers ne serait pas de type semi-circulaire mais rectangulaire, on parlera alors de « section rectangulaire ».
Par analogie, ces méthodes de fabrication peuvent également être utilisées pour la fabrication de la zone de distribution ou du collecteur, leur conférant ainsi des priorités géométriques analogues à celles des canaux comme :
(i) - L'obtention d'un rayon entre le fond du canal et ses parois pour la fabrication par usinage chimique ou emboutissage et de dimension sont non reproductible d'un lot de fabrication à l'autre, ou encore
(ii) - L'obtention d'un angle droit pour la fabrication par usinage traditionnel.
Les plaques constituées de canaux de sections semi-circulaires ou à angle droit ainsi obtenues sont généralement assemblées entre elles par soudage diffusion ou brasage diffusion. Le dimensionnement de ces appareils à section semi-circulaire ou rectangulaire repose sur l'application de l'ASME (American Society of Mechanical Engineers) section VIII div.1 appendice 13.9 qui intègre la conception mécanique d'un échangeur et/ou d'un échangeur-réacteur millistructuré composé de plaques gravées. Les valeurs à définir pour obtenir la tenue mécanique souhaitée sont indiquées en figure 1 . Le dimensionnement de la zone de distribution et du collecteur est réalisé par calcul par éléments finis car le code ASME ne prévoit pas de dimensionnement analytique de ces zones.
Une fois le dimensionnement établi, la validation réglementaire du design, défini par cette méthode nécessite un essai d'éclatement selon l'UG 101 de l'ASME. Par exemple, la valeur d'éclatement attendue pour un échangeur-réacteur assemblé par brasage diffusion et en alliage d'inconel (HR 120) fonctionnant à 25 bar et à 900°C est de l'ordre de 3500 bar à température ambiante. Ceci est très pénalisant car cet essai nécessite de sur-dimensionner le réacteur afin d'être conforme au test d'éclatement, le réacteur perdant ainsi de sa compacité et de son efficacité en terme de transfert thermique dû à l'augmentation des parois des canaux.
La fabrication de ces échangeurs-réacteurs et/ou échangeur millistructurés est actuellement réalisée selon les sept étapes décrites par la Figure 2. Parmi ces étapes, quatre sont critiques car elles peuvent engendrer des problèmes de non-conformité ayant comme seule issue la mise au rebut de l'échangeur ou l'échangeurs-réacteur ou des plaques constituant l'appareil à pression si cette non-conformité est détectée suffisamment tôt dans la ligne de fabrication de ces appareils.
Ces quatre étapes sont :
- L'usinage chimique des canaux,
- L'assemblage des plaques gravées par brasage diffusion ou soudage diffusion, - Le soudage des têtes de connexion, sur lesquels des tubes soudés viennent alimenter ou évacuer les fluides, sur les zones de distribution et les collecteurs et enfin,
- Les opérations de revêtement d'une couche de protection et/ou de catalyseur dans le cas d'un échangeur-réacteur ou d'un échangeur soumis à une utilisation induisant des phénomènes qui peuvent dégrader l'état de surface de l'appareil.
Quelque soit la méthode d'usinage utilisée pour la fabrication d'échangeur ou d'échangeur-réacteurs millistructurés, on obtient des canaux de section semi-circulaire dans le cas de l'usinage chimique (Figure 3) et qui se composent de deux angles droits ou de section rectangulaire dans le cas de l'usinage traditionnel et qui se composent de quatre angles droits. Cette pluralité d'angles est préjudiciable à l'obtention d'un revêtement de protection homogène sur toute la section. En effet, les phénomènes de discontinuités géométriques tels que des angles, augmentent la probabilité de générer des dépôts inhomogènes, ce qui conduira inévitablement à l'initiation de phénomènes de dégradation de l'état de surface de la matrice dont on veut se préserver comme par exemple des phénomènes de corrosion, de carburation ou de nitruration. Les sections de canaux angulaires obtenus par les techniques d'usinage chimique ou d'usinage traditionnel ne permettent pas d'optimiser la tenue mécanique d'un tel assemblage. En effet, les calculs de dimensionnement en tenue à la pression de telles sections ont pour conséquence une augmentation des épaisseurs de parois et de fond de canal, l'équipement perdant ainsi de sa compacité mais également de son efficacité en termes de transfert thermique.
De plus, l'usinage chimique impose des limitations en termes de formes géométriques telles que l'on ne peut avoir de canal ayant une hauteur plus importante ou égale à sa largeur, ce qui conduit à des limitations du rapport surface / volume entraînant des limitations d'optimisation.
L'assemblage des plaques gravées par soudage diffusion est obtenu par l'application d'une contrainte uni-axiale importante (typiquement de l'ordre de 2MPa à 5MPa) sur la matrice constituée d'un empilement de plaques gravées et exercée par une presse à haute température pendant un temps de maintien de plusieurs heures. La mise en œuvre de cette technique est compatible avec la fabrication d'appareils de petites dimensions comme par exemple des appareils contenus dans un volume de 400mm x 600mm. Au-delà de ces dimensions, la force à appliquer pour maintenir une contrainte constante devient trop importante pour être mise en œuvre par une presse à haute température.
Certains fabricants utilisant le procédé de soudage diffusion pallient aux difficultés de mise en œuvre d'une contrainte importante par l'utilisation d'un montage dit auto-bridant. Cette technique ne permet pas de contrôler efficacement de la contrainte appliquée à l'équipement ce qui génère des écrasements de canaux.
L'assemblage des plaques gravées par brasage diffusion est obtenu par l'application d'une contrainte uni-axiale faible (typiquement de l'ordre de 0,2MPa) exercée par une presse ou un montage auto-bridant à haute température et pendant un temps de maintien de plusieurs heures à la matrice constituée des plaques gravées. Entre chacune des plaques, un métal d'apport de brasage est déposé selon des procédés de dépôt industriels qui ne permettent pas de garantir la parfaite maîtrise de cette dépose. Ce métal d'apport à pour but de diffuser dans la matrice lors de l'opération de brasage de manière à réaliser la jonction mécanique entres les plaques. De plus, durant le maintien en température de l'équipement en fabrication, la diffusion du métal de brasage ne peut être contrôlée, ce qui peut conduire à des jonctions brasées discontinues et qui ont pour conséquence une dégradation de la tenue mécanique de l'équipement. A titre d'exemple, les équipements fabriqués selon le procédé de brasage diffusion et dimensionnés selon l'ASME section VIII div.1 appendice 13.9 en HR120 que nous avons réalisés, n'ont pas résistés à l'application d'une pression de 840.105Pa (840 bar) lors du test d'éclatement. De manière à palier cette dégradation, l'épaisseur des parois et la géométrie de la zone de distribution ont été adaptés afin d'augmenter la surface de contact entre chaque plaque. Ceci à pour conséquence de limiter le rapport surface / volume, d'augmenter la perte de charge et la mauvaise distribution dans les canaux de l'équipement.
De plus, le code ASME section VIII div.1 appendice 13.9 utilisé pour le dimensionnement de ce type d'équipement brasé n'autorise pas l'utilisation de la technologie de brasage diffusion pour des équipements mettant en œuvre des fluides contenant un gaz létal tel que le monoxyde de carbone par exemple. Ainsi, un appareil assemblé par brasage diffusion ne peut pas être utilisé pour la production de Syngas.
Les équipements fabriqués par brasage diffusion se composent « in fine » d'un empilement de plaques gravées entres lesquelles sont disposés des joints brasés. De ce fait, toute opération de soudage sur les faces de cet équipement conduit dans la majorité des cas à la destruction des joints brasés dans la zone affectée thermiquement par l'opération de soudage. Ce phénomène se propage le long des joints brasés et conduit dans la plus part des cas à la rupture de l'assemblage. Pour palier à ce problème, il est parfois proposer d'ajouter des plaques épaisses de renfort au moment de l'assemblage de la matrice brasée de manière à offrir un support de type cadre au soudage des connecteurs qui ne présente pas de joint brasé.
D'un point de vue intensification de procédé, le fait d'assembler entres-elles des plaques gravées, oblige à réaliser une conception de l'équipement selon une approche en deux dimensions ce qui limite l'optimisation thermique au sein de l'échangeur ou de l'échangeur-réacteur en obligeant les concepteurs de se type d'équipement à se limiter à une approche en étage de la distribution des fluides.
D'un point de vue éco-fabrication, toutes ces étapes de fabrication étant réalisées par différentes compétences métiers sont en générale effectuées chez divers sous-traitants situés à des emplacements géographiques différents. Il en résulte des délais de réalisation longs et de nombreux transports de pièces. La présente invention se propose de résoudre les inconvénients liés aux méthodes de fabrication actuelles.
Une solution de la présente invention est un réacteur-échangeur ou échangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisée en ce que ledit réacteur-échangeur ou échangeur est une pièce ne présentant pas d'interfaces d'assemblages entre les différents étages.
Selon le cas le réacteur-échangeur ou échangeur selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- Les sections desdits canaux millimétriques sont de forme circulaire ;
- Ledit réacteur-échangeur est un réacteur-échangeur catalytique et comprend :
- Au moins un premier étage comprenant au moins une zone de distribution et au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler un flux gazeux à une température supérieure à 700°C afin qu'il apporte une partie de la chaleur nécessaire à la réaction catalytique ;
- Au moins un deuxième étage comprenant au moins une zone de distribution et au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler un flux gazeux réactifs dans le sens de la longueur des canaux millimétriques recouverts de catalyseur pour faire réagir le flux gazeux ;
- Au moins un troisième étage comprenant au moins une zone de distribution et au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler le flux gazeux produit sur la deuxième plaque afin qu'il apporte une partie de la chaleur nécessaire à la réaction catalytique; avec sur la deuxième et la troisième plaque, un système afin que le flux gazeux produit puisse circuler de la deuxième à la troisième plaque.
La présente invention a également pour objet l'utilisation d'une méthode de fabrication additive pour la fabrication d'un réacteur compact catalytique comprenant au moins 3 étages avec, sur chaque étage, au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques.
De préférence la méthode de fabrication additive permettra la fabrication d'un réacteur-échangeur ou échangeur selon l'invention.
Par diamètre équivalent on entend un diamètre hydraulique équivalent.
De manière préférentielle, la méthode de fabrication additive met en œuvre : - Comme matière de base au moins une poudre métallique de taille micrométrique, et/ou
- Comme source d'énergie au moins un laser.
En effet, la méthode de fabrication additive peut mettre en œuvre des poudres métalliques de taille micrométrique qui sont fondues par un ou plusieurs lasers afin de fabriquer des pièces finies de formes complexes en trois dimensions. La pièce se construit couche par couche, les couches sont de l'ordre de 50μηι, selon la précision des formes souhaitées et le taux de dépôt voulu. Le métal à fondre peut être apportée soit par lit de poudre ou soit par une buse d'aspersion. Les lasers utilisés pour fendre localement la poudre sont soit des lasers YAG, fibres ou C02 et la fusion des poudres s'effectue sous gaz inerte (Argon, Hélium, etc .). La présente invention ne se limite pas à une seule technique de fabrication additive mais elle s'applique à l'ensemble des techniques connues.
Contrairement aux techniques d'usinage chimique ou d'usinage traditionnel, la méthode de fabrication additive permet de réaliser des canaux de section cylindrique qui ont comme avantages (Figure 4) :
(i) - D'offrir une meilleure tenue à la pression et ainsi de permettre une réduction significative de l'épaisseur des parois des canaux, et
(ii) - D'autoriser l'utilisation de règles de dimensionnent d'appareils à pression qui ne nécessitent pas la réalisation d'un test d'éclatement pour prouver l'efficacité de la conception comme c'est la cas pour la section VII I div.1 appendice 13.9 du code ASME.
En effet, la conception d'un échangeur ou d'un échangeur-réacteur réalisé par fabrication additive, permettant de réaliser des canaux à section cylindrique, s'appuie sur des règles de dimensionnement « usuelles » d'appareil à pression qui s'appliquent aux dimensionnement des canaux, des distributeurs et des collecteurs à sections cylindriques constituants l'échangeur-réacteur ou l'échangeur millistructuré.
Les techniques de fabrication additive permettent in fine d'obtenir des pièces dites « massives » qui à contrario des techniques d'assemblages telles que le brasage diffusion ou le soudage diffusion ne présentent pas d'interfaces d'assemblages entre chaque plaque gravée. Cette propriété va dans le sens de la tenue mécanique de l'appareil en éliminant par construction la présence de lignes de fragilisation et en éliminant par la-même une source de défaut potentiel.
L'obtention de pièces massives par fabrication additive et l'élimination des interfaces de brasage ou de soudage diffusion permet d'envisager de nombreuses possibilités de design sans se limiter à des géométries de parois étudiées pour limiter l'impact d'éventuels défauts d'assemblage tels que des discontinuités dans le joints brasés ou dans les interfaces soudées-diffusées.
La fabrication additive permet de réaliser des formes inenvisageables par les méthodes de fabrication traditionnelles et ainsi la fabrication des connecteurs des échangeurs-réacteurs ou échangeurs millistructurés peut se faire dans la continuité de la fabrication du corps des appareils. Ceci permet alors de ne pas réaliser d'opération de soudage des connecteurs sur le corps et ainsi d'éliminer une source d'altération de l'intégrité structurelle de l'équipement.
La maîtrise de la géométrie des canaux par fabrication additive autorise la réalisation de canaux à section circulaire ce qui, outre la bonne tenue en pression que cette forme amène, permet aussi d'avoir une forme de canaux optimale pour le dépôt de revêtements de protection et de catalyseurs qui sont ainsi homogènes tout au long des canaux.
En utilisant cette technologie de fabrication additive, l'aspect gain de productivité est également permis par la réduction du nombre d'étape de fabrication. En effet, les étapes de réalisation d'un réacteur en intégrant la fabrication additive passent de sept à quatre (figure 5). Les étapes critiques, pouvant générer une mise au rebut d'un appareil complet ou des plaques constituant le réacteur, au nombre de quatre en utilisant la technique de fabrication classique par assemblage de plaques gravées chimiquement, passent à deux avec l'adoption de la fabrication additive. Ainsi, les seules étapes restantes étant l'étape de fabrication additive et l'étape de dépôt de revêtements et de catalyseurs.
A titre d'exemple, un échangeur-réacteur selon l'invention peut être utilisé pour la production de gaz de synthèse. Et un échangeur selon l'invention peut être utilisé dans un procédé d'oxycombustion pour préchauffer de l'oxygène.

Claims

Revendications
1. Réacteur- échangeur ou échangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisée en ce que ledit réacteur-échangeur ou échangeur est une pièce ne présentant pas d'interfaces d'assemblages entre les différents étages.
2. Réacteur-échangeur ou échangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les sections des canaux millimétriques sont de forme circulaire.
3. Réacteur-échangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit réacteur-échangeur est un réacteur-échangeur catalytique et comprend :
- Au moins un premier étage comprenant au moins une zone de distribution ;
- Au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler un flux gazeux à une température au moins supérieure à 700°C afin qu'il apporte une partie de la chaleur nécessaire à la réaction catalytique ;
- Au moins un deuxième étage comprenant au moins une zone de distribution et au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler un flux gazeux réactifs dans le sens de la longueur des canaux millimétriques recouverts de catalyseur pour faire réagir le flux gazeux ;
- Au moins un troisième étage comprenant au moins une zone de distribution et au moins une zone de canaux millimétriques pour faire circuler le flux gazeux produit sur la deuxième plaque afin qu'il apporte une partie de la chaleur nécessaire à la réaction catalytique; avec sur la deuxième et la troisième plaque, un système afin que le flux gazeux produit puisse circuler de la deuxième à la troisième plaque.
4. Utilisation d'une méthode de fabrication additive pour la fabrication d'un réacteur compact catalytique comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques.
5. Utilisation d'une méthode de fabrication additive pour la fabrication d'un réacteur- échangeur ou d'un échangeur tel que défini dans l'une des revendications 1 à 3.
6. Utilisation selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive met en œuvre comme matière de base au moins une poudre métallique de taille micrométrique.
7. Utilisation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive est utilisée pour la fabrication des connecteurs du réacteur-échangeur ou échangeur.
8. Utilisation selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive met en œuvre comme source d'énergie au moins un laser.
9. Procédé de production de gaz de synthèse mettant en œuvre un réacteur-échangeur selon l'une des revendications 1 à 3.
10. Procédé d'oxycombustion mettant en œuvre un échangeur selon l'une des revendications 1 à 3 pour préchauffer de l'oxygène.
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