EP4274684A1 - Recombineur catalytique de dihydrogène - Google Patents

Recombineur catalytique de dihydrogène

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Publication number
EP4274684A1
EP4274684A1 EP22700472.8A EP22700472A EP4274684A1 EP 4274684 A1 EP4274684 A1 EP 4274684A1 EP 22700472 A EP22700472 A EP 22700472A EP 4274684 A1 EP4274684 A1 EP 4274684A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalytic
blocks
recombiner
recombiner according
block
Prior art date
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Pending
Application number
EP22700472.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Chantereau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soletanche Freyssinet SA
Original Assignee
Soletanche Freyssinet SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soletanche Freyssinet SA filed Critical Soletanche Freyssinet SA
Publication of EP4274684A1 publication Critical patent/EP4274684A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8671—Removing components of defined structure not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8668
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    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/108—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/192—Details relating to the geometry of the reactor polygonal
    • B01J2219/1923—Details relating to the geometry of the reactor polygonal square or square-derived

Definitions

  • the present invention relates to devices for the recombination of dihydrogen by the catalytic route, also called “catalytic recombiners”.
  • catalytic recombiners comprise metal plates covered with a catalytic material, arranged parallel to each other in a support frame.
  • the plates are likely to deform in the event of an earthquake, which can modify the gas flow characteristics between the plates and make them less efficient.
  • Application FR2999442 describes a device comprising a honeycomb catalyst for the passive recombination of hydrogen.
  • the honeycomb structure is self-supporting, being formed by an embossed metal strip rolled up on itself, this strip being coated with a catalytic material, for example platinum and palladium on alumina.
  • a catalytic material for example platinum and palladium on alumina.
  • two honeycomb catalysts are used, the first being arranged in a conduit of large section formed by a support frame for the catalysts, the second in a stack of smaller section overhanging the first.
  • the two catalysts are arranged concentrically on metal supports, and have different compositions in terms of catalytic materials.
  • a heating means can be integrated into the frame comprising the catalysts.
  • Patent KR101312857B 1 describes a passive recombiner comprising a ceramic honeycomb support coated with a catalytic material, and arranged in a movable drawer relative to a support frame. The presence of the drawer makes it easy to extract the ceramic support for inspection or maintenance operations.
  • Application JP H02 1377 03 discloses a catalytic recombiner comprising several stacked blocks and comprising a honeycomb substrate whose meshes can be of varied size from one block to another.
  • the invention applies to both passive and active recombiners.
  • bypassive it should be understood that no external action is necessary to obtain the recombination of dihydrogen, and the entry of the gaseous mixture takes place without external energy input, the flow being obtained by natural convection, in particular under the effect of an inlet-outlet temperature gradient.
  • active an external action is exerted to force the gas flow at the inlet, for example the presence of a fan or a turbine.
  • a catalytic dihydrogen recombiner comprising: At least one first catalytic block of a honeycomb substrate, preferably made of a material which conducts little heat, in particular a ceramic, carrying a first catalytic coating, at least one second catalytic block of a honeycomb substrate, preferably made of a material that conducts heat poorly, in particular a ceramic, carrying a second catalytic coating, this second block advantageously having the same section as the first, a support structure for the blocks one above the other and/ or next to each other.
  • material with poor heat conductivity is meant a material with a thermal conductivity less than or equal to 20 Wm ⁇ K 1 at 20° C., better still less than or equal to 10 Wm ⁇ K 1 , even better still less than or equal to 7.5 Wm ⁇ K 1 , for example between 0.5 and 7.5 Wm-'K 1 .
  • the substrate provides the block with its mechanical strength and its internal cohesion.
  • the corresponding catalytic coating may be present at least on the internal surface of the cells, or even exclusively on the latter.
  • the external lateral surface of the block is devoid of catalytic coating. This can help avoid directly exposing the material of a support frame of the block to the reaction occurring at the level of the catalytic material.
  • the support structure may have a body defining a conduit within which the blocks are placed.
  • the invention has multiple advantages.
  • the alveolar structure of the blocks allows a high volume density of catalyst, thanks to a large exchange surface per unit volume.
  • the catalytic coating which is preferably located inside the block, on the surface of the cells, is in fact protected from any risk of degradation during handling or during unexpected contact with the block.
  • the blocks have the same cross-section gives the assembly a modular appearance which facilitates the interchangeability of the catalytic blocks depending, for example, on the nature of the catalyst(s) present, in order to best adapt the recombiner to the conditions of use and optimize its performance, for example in order to recombine as much or as little as possible of dihydrogen at the inlet, depending on the desired initiation temperature .
  • the arrangement of the blocks can aim to obtain a lower starting temperature at the inlet.
  • the interchangeability of the blocks allows them to be arranged in one order or another in order to favor a higher or lower initiation temperature.
  • the modular nature can also make it possible, where appropriate, to use a greater or lesser number of catalytic blocks within the recombiner, and more or less thick catalytic blocks.
  • the invention allows easy intervention to replace a single block, and facilitates the modularity/adaptability of the recombiner with respect to a greater release of dihydrogen in the volume to be protected. It suffices, for example, to increase the frontal surface exposed to the flow to allow a greater quantity of dihydrogen to penetrate into the recombiner by having a single model of catalytic block.
  • the support structure holds the blocks on top of each other.
  • the substrate has refractory properties, which allows the use of the recombiner in a high temperature environment in a normal operating situation (that is to say before the initiation of the catalytic reaction corresponding to the arrival dihydrogen).
  • Another advantage of the refractory nature is that it is possible to envisage the use of organic materials (for example technical plastics) whose operating temperature is more limited than that of metal, to produce the structure of the frame of the recombiner.
  • the rigidity of the substrate reduces the risk of modification of the section of the flow channels in the event of an earthquake, compared to conventional plate recombiners.
  • the support structure comprises frames supporting the catalytic blocks and arranged to allow individual extraction of each of the frames independently of the other frame or frames.
  • Each chassis comprises for example a lower frame on which the blocks are placed, this frame being extended upwards by at least two opposite uprights, between which the blocks are received.
  • At least one fixing plate can be connected to the frame, to allow the fixing of the frame to the body of the recombiner.
  • this plate has vertical oblong holes allowing adjustment of the vertical position of the frame within the body of the recombiner.
  • the support structure can also comprise an upper frame, which is fixed in the body of the recombiner above the blocks and keeps them bearing against the lower frame.
  • This upper frame can be secured to a fixing plate on the body of the recombiner.
  • This plate may have vertical oblong holes allowing adjustment of the height of the upper frame in the body of the recombiner.
  • At least one passage for an ascending gaseous flow can be provided between the blocks and the body of the recombiner, in particular an ascending gaseous generated passively, so as to create by Venturi effect a suction through the blocks.
  • the Venturi effect is also particularly interesting for so-called "active" operating conditions, i.e. with a forced flow to be treated generated for example by a fan or a turbine, because the flow velocity is in this higher and adjustable case.
  • At least two frames are fixed inside the body on each of two opposite faces of the body of the recombiner, leaving a gap between the frames both between those fixed to a same face and between those who are on opposite faces.
  • Each substrate preferably has a structure with parallel channels, and various sections of channels are possible, for example sections in hexagon, or of another shape, for example circular or non-hexagonal polygonal, for example square.
  • the general shape of the blocks can be variable, for example square, rectangular, cylindrical or other, in front view, to adapt to different environmental and/or flow conditions.
  • the different blocks can be obtained by extrusion or by casting in a die, with the same cross-section but with thicknesses that may vary, if necessary, from one block to another.
  • the various successive catalytic blocks arranged at different heights may or may not have the same thickness.
  • the first and second catalytic coatings may differ at least by the nature of the catalyst.
  • an inlet catalytic block which comprises a catalyst allowing initiation of the reaction at a lower temperature, and at least one catalytic block arranged above the latter and which comprises a catalyst requiring a higher temperature. raised to act.
  • the first and second coatings can differ at least by the quantity of catalyst, and/or by the nature of the catalyst.
  • the first and second blocks can have different thicknesses, as mentioned above.
  • a thinner block can then comprise a lower quantity of catalyst, for example.
  • the recombiner may include a heating member located close to at least one of the blocks.
  • the recombiner comprises at least one resistive heating track deposited on at least one of the substrates. This can make it possible, for example, to more easily or quickly reach the initiation temperature necessary for the operation of the recombiner.
  • This resistive track is for example deposited by printing an electrically conductive ink.
  • the recombiner may include at least one temperature sensor to measure the temperature close to at least one of the blocks.
  • the recombiner may comprise a greater or lesser number of catalytic blocks, and for example at least three catalytic blocks arranged one above the other, each of them of a different nature, composition and/or geometry, the number of catalytic blocks and the diversity of their characteristics within the same recombiner not being limited.
  • the support structure can be configured to be suspended within the enclosure to be protected, and can include suspensions in the upper part for this purpose. These suspensions can be adjustable in height, if necessary, being for example telescopic. Alternatively, the support structure is configured to be fixed to a side wall of the enclosure to be equipped by means of a bracket.
  • the support structure may include a hopper in the lower part, for example with a cross section of between 0.1 and 1 m 2 .
  • the inlet section can be rectangular in shape, for example with sides of dimensions included for one between 0.2 and 0.4 m and for the other between 0.4 and 0.6 m (these dimensions not constituting an example and not being limiting).
  • the support structure may have a vertical duct forming a chimney, the catalytic blocks being arranged above the hopper and at the entrance to this duct forming a chimney. The latter can be maintained by the aforementioned suspensions.
  • the "monolithic" geometry of the substrate associated with the nature of the material (preferably both rigid and light) has the advantage of being able to produce thin blocks of large dimensions (for example lm by lm, and with a thickness 1 to 20 times lower, ranging from 5 to 10 cm for example).
  • a further subject of the invention is thus, independently or in combination with the foregoing, a monolithic panel for the catalytic recombination of dihydrogen, in particular made with a cellular substrate which conducts little heat, preferably ceramic, characterized in that it has a thickness of 1 to 20 times smaller than its largest dimension, better still 5 to 20 times smaller, even better 10 to 20 times lower, the largest dimension being for example greater than or equal to 0.5 m, better still 0.75 m, even better still 1 m.
  • the panel may be in the form of a slab of generally square or rectangular shape, with a long side measuring for example more than 0.5 m, better still more than 0.75 m, even better still 1 m or more.
  • the thickness of such a panel is preferably at least five and better still at least ten times lower than the side of the slab, preferably being between 5 and 10 cm.
  • Another subject of the invention is an enclosure, in particular for a reactor, the wall of which is at least partially lined with such panels.
  • Figure 1 schematically represents, in perspective, an example of a catalytic recombiner according to the invention
  • FIG 2 Figure 2 illustrates the operation of the recombiner
  • FIG 3 represents in isolation, in a schematic and partial manner, an example of means for supporting the catalytic blocks inside the body of the recombiner
  • FIG 4 represents in isolation, in perspective, an example of catalytic block
  • Figure 5 shows the block of Figure 4 in front view
  • Figure 6 shows in isolation the frame of the support means of Figure 3
  • FIG 7 is an exploded view, schematic and partial, of a recombiner variant
  • FIG 8 is a schematic view, in perspective, of a recombiner variant, the means for supporting the catalytic blocks appearing transparently
  • Figure 9 is a cross section of the recombiner of Figure 8
  • figure 10 illustrates the dismantling of the block support means
  • FIG 11 figure 11 partially and schematically shows an example of a resistive track present on the substrate of a catalytic block
  • Figure 12 schematically and partially shows a temperature sensor mounted near a catalytic block.
  • FIG. 1 There is shown in Figures 1 and 2 a first example of a recombiner 1 according to the invention.
  • This recombiner 1 comprises a catalytic block support structure, which can be arranged to be suspended in the enclosure to be protected, and can comprise for this purpose in the upper part a set of suspensions 2, as illustrated. These suspensions 2 are for example adjustable in height.
  • the recombiner 1 is arranged for wall mounting, to be suspended from a bracket or to be placed on the ground.
  • the recombiner 1 comprises a body 3 housing the catalytic blocks, as detailed below, surmounted by a duct 4 forming a chimney, connecting at its upper end to the suspensions 2.
  • the body 3 can be connected below to a hopper 5, as shown, open downwards.
  • the hydrogen is passively sucked up by the hopper 5 and a catalytic combustion takes place with the oxygen in the air, which produces water vapor, which leaves through the upper end of the conduit 4, as shown.
  • the arrows show in Figure 2 the preferential flow direction resulting from a natural circulation caused by the temperature gradient resulting from the exothermic character of the catalytic reaction.
  • the catalytic blocks can be supported in various ways within the recombiner.
  • the body 3 houses two frames 21 for supporting the blocks.
  • Each frame 21 comprises high and low grids 23 (the low grid being not visible in FIG. 3), supported by respective frames 24 and 28, which are interconnected by vertical columns 25, as illustrated in particular in FIG. .
  • Three catalytic blocks 30a, 30b and 30c are for example arranged between the grids 23 and 24 of each frame 21, as illustrated in Figure 3.
  • the latter comprises a ceramic substrate 31, traversed by a plurality of parallel channels 32 (also called cells), for example each of square section, as illustrated.
  • All the blocks 30a, 30b and 30c can be made from the extrusion of the same ceramic substrate, for example cordierite (thermal conductivity of the order of 3 Wm ⁇ K 1 at 25° C.), and thus present the same cross section.
  • cordierite thermo conductivity of the order of 3 Wm ⁇ K 1 at 25° C.
  • the substrate 31 of the blocks is coated with a catalyst, for example one or more metals such as Pt, Pd, Rh, ..., at the level of the channels 32.
  • a catalyst for example one or more metals such as Pt, Pd, Rh, ..., at the level of the channels 32.
  • Each frame 21 may include uprights 26, which extend over at least part of the height of the blocks 30. These uprights 26 are for example made in one piece of metal with the frame 24 supporting the lower grid, as seen in figure 5.
  • the upper grid support frame 23 can be connected on one edge to a fixing plate 27, making it possible to attach the frame 21 to the body 3, for example using screws not shown.
  • suspensions 2 are arranged to be fixed on the side of the conduit 4, for example on two opposite sides as shown, and no longer at its upper end.
  • the recombiner 1 comprises a body 3 forming a conduit, which houses for example four support frames 21 arranged in the section in two rows of two.
  • Each frame 21 comprises for example a lower frame 24 for supporting the blocks and two opposite uprights 26 extending the frame 24 upwards, between which the blocks 30a, 30b and 30c are housed.
  • the height of the uprights 26 in this example is less than the combined heights of the three blocks, so that the upper block 30c is only partially housed between the uprights 26.
  • the frame 24 connects to a fixing plate 37, which extends downwards.
  • This plate 37 has vertical oblong holes 40, which allow adjustment of the height of the frame 21 in the body 3, as illustrated by the arrows in Figure 8.
  • Frames 38 held by plates 39 are fixed above the frames 21, to hold the blocks in place between the uprights 26 against vertical jolts, for example.
  • These plates 39 have vertical oblong holes 40 just like the plates 37, making it possible to adjust their position in the body 3, so as to maintain the blocks wedged axially between the frames 24 and 38.
  • the latter can carry grids, if necessary. .
  • the plates 37 and 39 used to maintain the same set of catalytic blocks are fixed on the same face 3a or 3b of the body 3, as shown in Figure 9 in particular.
  • the dimensions of the blocks and the frames 21 can be chosen so that there remain passages 45 on the three free sides of each frame 21, outside the blocks, as illustrated in FIG. 9.
  • Such maintenance of the blocks 30a, 30b and 30c inside the recombiner allows both gas circulation through the blocks and circulation outside the blocks, around them inside the body 3.
  • Such circulation can promote the creation of an air inlet through the blocks by the Venturi effect known as the “injector horn”, and improving the initiation of the catalytic reaction, for example.
  • Each frame 21 can be extracted independently of the other three, as illustrated in figure 10, by removing the screws which hold the lower plate 37 to the body 3.
  • the catalytic blocks advantageously have different catalytic properties; for example, the lowest inlet catalytic block 30a has a catalyst for initiating the hydrogen oxidation reaction with a lower temperature than the catalysts of the other blocks.
  • the heat released during the oxidation heats the blocks 30b and 30c located above, which makes it possible to use for these blocks catalysts requiring a higher initiation temperature, but for example less expensive moreover.
  • the size and shape of the cavities of the catalytic blocks will be adapted to the desired objective, in particular in terms of hydraulic pressure drops, flow speed, presence of any instrumentation, etc.
  • the respective thicknesses e a , e b and e c of the blocks 30a, 30b and 30c are equal, but it is possible to use blocks of different thicknesses, or even to arrange within the same locker blocks having thicknesses which are for example half less than that of another block.
  • the catalyst of a given formulation can be partially or totally deposited on the internal surfaces of the cells of the substrate.
  • Each block or support of this block can be equipped with dedicated instrumentation and/or its own heating system, intended for example to accelerate the initiation of the catalytic reaction at a given concentration of 3 ⁇ 4.
  • FIG. 12 illustrates the positioning of a temperature sensor 120 near a block 30.
  • tracks of an electrical conductor 110 can advantageously be printed on the substrate 31 of the block, in order to produce a heating resistor, as very schematically illustrated in FIG. 11.
  • a heating resistor is for example pressed against the inlet face of the lower catalytic block.
  • the recombiner 1 is made with a duct forming a chimney of different height, or even without such a duct.
  • the hopper 5 can be made with a different geometry and opening angle, and the recombiner can be made without such a hopper, if necessary.
  • the catalytic blocks 30 can be maintained otherwise without departing from the scope of the present invention.
  • the recombiner can have a completely passive character, not requiring the supply of energy by a source of energy, for example in electrical form, to start operating.
  • the recombiner is associated with an actuator such as an extractor (fan, vacuum cleaner, etc.) at the level of the duct 4 forming a chimney, for example.
  • an actuator such as an extractor (fan, vacuum cleaner, etc.) at the level of the duct 4 forming a chimney, for example.

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Abstract

Recombineur (1) de dihydrogène catalytique, comportant : - Au moins un premier bloc catalytique (30a) d'un substrat alvéolaire en un matériau peu conducteur de la chaleur, porteur d'un premier revêtement catalytique, - au moins un deuxième bloc catalytique (30b) d'un substrat alvéolaire en un matériau peu conducteur de la chaleur, porteur d'un deuxième revêtement catalytique, ce deuxième substrat étant de même section que le premier, - une structure (3, 21) de support des blocs l'un au-dessus de l'autre, et/ou l'un à côté de l'autre.

Description

Description
Titre : Recombineur catalytique de dihydrogène Domaine technique
La présente invention concerne les dispositifs de recombinaison de dihydrogène par voie catalytique, encore appelés « recombineurs catalytiques ».
Technique antérieure
La présence de dihydrogène gazeux s’avère dangereuse dans certaines situations (enceintes nucléaires, batteries, piles à combustible, fabrication d’hydrogène, stockage, transport ou distribution d’hydrogène, traitement d’eau par électrolyse...) et des recombineurs catalytiques ont été proposés pour réduire la concentration en dihydrogène en provoquant sa recombinaison à l’oxygène environnant.
La plupart des recombineurs catalytiques connus comportent des plaques métalliques recouvertes d’un matériau catalytique, disposées parallèlement les unes aux autres dans un bâti de support.
De tels recombineurs présentent des inconvénients.
Tout d’abord, la surface réactive est relativement faible par rapport au volume occupé, ce qui les rend assez encombrants et peu pratiques à installer. Cet inconvénient est majeur lorsqu’on cherche à équiper des installations nucléaires déjà existantes et sur lesquelles des améliorations de sûreté sont demandées par les autorités et les exploitants, car il devient difficile d’installer des recombineurs dans les endroits les plus pertinents vis-à-vis de potentielles accumulations de poches de dihydrogène si ces endroits sont déjà très encombrés de matériels.
Ensuite, les plaques sont susceptibles de se déformer en cas de séisme, ce qui peut modifier les caractéristiques d’écoulement gazeux entre les plaques et les rendre moins efficaces.
Enfin, de tels recombineurs ne permettent pas de modifier facilement la composition du matériau catalytique, pour l’adapter au mieux à l’environnement dans lequel le recombineur est utilisé.
La demande FR2999442 décrit un dispositif comportant un catalyseur en nid d’abeilles pour la recombinaison passive de l’hydrogène. La structure en nid d’abeilles est autoportante, étant formée par un feuillard métallique gaufré enroulé sur lui-même, ce feuillard étant recouvert d’un matériau catalytique, par exemple du platine et du palladium sur alumine. Dans un exemple, deux catalyseurs en nid d’abeilles sont utilisés, le premier étant disposé dans un conduit de large section formé par un bâti de support des catalyseurs, le second dans une cheminée de moindre section surplombant le premier. Dans un autre exemple, les deux catalyseurs sont disposés concentriquement sur des supports métalliques, et présentent des compositions différentes en termes de matériaux catalytiques. Un moyen de chauffage peut être intégré au bâti comportant les catalyseurs.
Le brevet KR101312857B 1 décrit un recombineur passif comportant un support céramique en nid d’abeilles revêtu d’un matériau catalytique, et disposé dans un tiroir mobile relativement à un bâti de support. La présence du tiroir permet d’extraire facilement le support céramique pour des opérations d’inspection ou de maintenance.
La demande JP H02 1377 03 divulgue un recombineur catalytique comportant plusieurs blocs empilés et comportant un substrat en nid d’abeille dont les mailles peuvent être de taille variée d’un bloc à l’autre.
Exposé de l’invention
Il existe un besoin pour perfectionner encore les recombineurs catalytiques de dihydrogène, notamment afin d’améliorer leurs performances et faciliter leur adaptation à un environnement donné.
L’invention s’applique aussi bien aux recombineurs passifs qu’actifs.
Par « passif » il faut comprendre qu’aucune action extérieure n’est nécessaire pour obtenir la recombinaison du dihydrogène, et l’entrée du mélange gazeux se fait sans apport d’énergie extérieure, l’écoulement étant obtenu par convection naturelle, en particulier sous l’effet d’un gradient de température entrée-sortie. Dans un recombineur « actif », une action extérieure est exercée pour forcer le débit gazeux à l’entrée, par exemple la présence d’un ventilateur ou d’une turbine.
Résumé de l’invention
L’invention vise à répondre au besoin rappelé ci-dessus, et elle y parvient grâce à un recombineur catalytique de dihydrogène, comportant : Au moins un premier bloc catalytique d’un substrat alvéolaire, de préférence en un matériau peu conducteur de la chaleur, notamment une céramique, porteur d’un premier revêtement catalytique, au moins un deuxième bloc catalytique d’un substrat alvéolaire, de préférence en un matériau peu conducteur de la chaleur, notamment une céramique, porteur d’un deuxième revêtement catalytique, ce deuxième bloc étant avantageusement de même section que le premier, une structure de support des blocs l’un au-dessus de l’autre et/ou l’un à côté de l’autre.
Par « matériau peu conducteur de la chaleur » on désigne un matériau de conductivité thermique inférieure ou égale à 20 Wm^K 1 à 20°C, mieux inférieure ou égale à 10 Wm^K 1, encore mieux inférieure ou égale à 7,5 Wm^K 1, par exemple comprise entre 0,5 et 7,5 Wm-'K 1.
Le substrat assure au bloc sa tenue mécanique et sa cohésion interne. Pour le premier et/ou le second bloc, le revêtement catalytique correspondant peut être présent au moins sur la surface interne des alvéoles, voire exclusivement sur celle-ci. Lorsque le revêtement catalytique est présent uniquement sur la surface interne des alvéoles, la surface latérale extérieure du bloc est dépourvue de revêtement catalytique. Cela peut permettre d’éviter d’exposer directement le matériau d’un châssis de support du bloc à la réaction se produisant au niveau du matériau catalytique.
La structure de support peut présenter un corps définissant un conduit à l’intérieur duquel les blocs sont placés.
L’invention présente de multiples avantages.
Tout d’abord, la structure alvéolaire des blocs permet une forte densité volumique de catalyseur, grâce à une surface d’échange importante par unité de volume.
Le revêtement catalytique qui est situé de préférence à l’intérieur du bloc, sur la surface des alvéoles, est de fait protégé de tout risque de dégradation lors des manipulations ou lors de contacts inopinés avec le bloc.
Le fait que les blocs présentent la même section confère à l’ensemble un aspect modulaire qui facilite l’interchangeabilité des blocs catalytiques en fonction par exemple de la nature du ou des catalyseurs présents, afin d’adapter au mieux le recombineur aux conditions d’utilisation et optimiser ses performances, par exemple afin de recombiner le plus possible ou le moins possible de dihydrogène en entrée, selon la température d’amorçage recherchée.
En particulier, l’agencement des blocs peut viser à obtenir une température d’amorçage plus basse en entrée. L’interchangeabilité des blocs permet de les disposer selon un ordre ou un autre afin de privilégier une température d’amorçage plus ou moins élevée.
De plus, on peut facilement disposer d’un stock de blocs catalytiques présentant des propriétés différentes, du fait de l’emploi de catalyseurs différents et/ou utilisés en des quantités différentes, et réaliser à partir de ce stock les combinaisons les plus adaptées à tel ou tel environnement.
Le caractère modulaire peut également permettre, le cas échéant, d’utiliser un nombre plus ou moins grand de blocs catalytiques au sein du recombineur, et des blocs catalytiques plus ou moins épais. L’invention permet une facilité d’intervention pour remplacer un seul bloc, et facilite la modularité/adaptabilité du recombineur vis-à-vis d’un dégagement de dihydrogène plus important dans le volume à protéger. Il suffit par exemple d’augmenter la surface frontale exposée à l’écoulement pour autoriser une plus grande quantité de dihydrogène à pénétrer dans le recombineur en ayant un seul modèle de bloc catalytique.
De préférence, la structure de support maintient les blocs les uns au-dessus des autres.
De préférence, le substrat présente des propriétés réfractaires, ce qui permet l’utilisation du recombineur dans une ambiance haute température en situation d’exploitation normale (c’est-à-dire avant l’amorçage de la réaction catalytique correspondant à l’arrivée de dihydrogène).
Un autre intérêt du caractère réfractaire est qu’il est possible d’envisager le recours à des matériaux organiques (par exemple des matières plastiques techniques) dont la température d’emploi est plus limitée que celle du métal, pour réaliser la structure du bâti du recombineur. Enfin, la rigidité du substrat diminue le risque de modification de la section des canaux d’écoulement en cas de séisme, comparativement aux recombineurs classiques à plaques.
De préférence, la structure de support comporte des châssis supportant les blocs catalytiques et agencés pour permettre une extraction individuelle de chacun des châssis indépendamment du ou des autres châssis. Chaque châssis comporte par exemple un cadre inférieur sur lequel sont posés les blocs, ce cadre étant prolongé vers le haut par au moins deux montants opposés, entre lesquels les blocs sont reçus. Au moins une platine de fixation peut se raccorder au cadre, pour permettre la fixation du châssis au corps du recombineur. De préférence, cette platine présente des trous oblongs verticaux permettant un réglage de la position verticale du châssis au sein du corps du recombineur. La structure de support peut également comporter un cadre supérieur, qui est fixé dans le corps du recombineur au-dessus des blocs et les maintient en appui contre le cadre inférieur. Ce cadre supérieur peut être solidaire d’une platine de fixation sur le corps du recombineur. Cette platine peut présenter des trous oblongs verticaux permettant un réglage de la hauteur du cadre supérieur dans le corps du recombineur.
Au moins un passage pour un écoulement gazeux ascendant peut être ménagé entre les blocs et le corps du recombineur, notamment un ascendant gazeux généré de manière passive, de manière à créer par effet Venturi une aspiration à travers les blocs. On peut de cette manière encourager une circulation gazeuse tendant à faciliter l’amorçage de la réaction, par exemple. L’effet Venturi est également particulièrement intéressant pour des conditions de fonctionnement dites « actives », c’est-à-dire avec un écoulement forcé à traiter généré par exemple par un ventilateur ou une turbine, car la vitesse d’écoulement est dans ce cas plus élevée et ajustable.
Dans un exemple de mise en œuvre de l’invention, on fixe à l’intérieur du corps au moins deux châssis sur chacune de deux faces opposées du corps du recombineur, en ménageant un intervalle entre les châssis à la fois entre ceux fixés à une même face et entre ceux qui sont sur des faces opposées. On a par exemple quatre châssis qui occupent sensiblement toute la section intérieure du corps tout en laissant un espace entre eux et entre les châssis et les faces du corps autres que les deux faces sur lesquelles les châssis sont fixés.
Chaque substrat présente de préférence une structure à canaux parallèles, et diverses sections de canaux sont possibles, par exemple des sections en hexagone, ou de forme autre, par exemple circulaire ou polygonale non hexagonale, par exemple carrée.
La forme générale des blocs peut être variable, par exemple carrée, rectangulaire, cylindrique ou autre, en vue de face, pour s’adapter à des conditions d’environnement et/ou d’écoulement différents.
Les différents blocs peuvent être obtenus par extrusion ou par coulée dans une matrice, avec la même section transversale mais avec des épaisseurs qui peuvent varier, le cas échéant, d’un bloc à l’autre. Au sein du recombineur, les différents blocs catalytiques successifs disposés à des hauteurs différentes peuvent avoir la même épaisseur ou non.
A titre d’exemple non limitatif, les premier et deuxième revêtements catalytiques peuvent différer au moins par la nature du catalyseur. Ainsi, on peut utiliser un bloc catalytique d’entrée qui comporte un catalyseur permettant un amorçage de la réaction à une température plus basse, et au moins un bloc catalytique disposé au-dessus de celui-ci et qui comporte un catalyseur nécessitant une température plus élevée pour agir. Les premier et deuxième revêtements peuvent différer au moins par la quantité de catalyseur, et/ou par la nature du catalyseur.
Les premier et deuxième blocs peuvent avoir des épaisseurs différentes, comme mentionné plus haut. Un bloc plus mince peut alors comporter une quantité de catalyseur plus faible, par exemple.
Le recombineur peut comporter un organe de chauffage situé à proximité de l’un des blocs au moins. Par exemple, le recombineur comporte au moins une piste résistive chauffante déposée sur l’un des substrats au moins. Cela peut permettre par exemple d’atteindre plus facilement ou rapidement la température d’amorçage nécessaire pour le fonctionnement du recombineur. Cette piste résistive est par exemple déposée par impression d’une encre électriquement conductrice.
Le recombineur peut comporter au moins un capteur de température pour mesurer la température à proximité de l’un au moins des blocs. Le recombineur peut comporter un nombre plus ou moins grand de blocs catalytiques, et par exemple au moins trois blocs catalytiques disposés les uns au-dessus des autres, chacun d’eux de nature, composition et/ou géométrie différente, le nombre de blocs catalytiques et la diversité de leurs caractéristiques au sein du même recombineur n’étant pas limités.
La structure de support peut être configurée pour être suspendue au sein de l’enceinte à protéger, et peut comporter à cet effet des suspensions en partie supérieure. Ces suspensions peuvent être réglables en hauteur, le cas échéant, étant par exemple télescopiques. En variante, la structure de support est configurée pour être fixée à une paroi latérale de l’enceinte à équiper par l’intermédiaire d’une potence.
La structure de support peut comporter une trémie en partie inférieure, par exemple de section comprise entre 0,1 et lm2. La section d’entrée peut être de forme rectangulaire, par exemple avec des côtés de dimensions comprises pour l’un entre 0,2 et 0,4 m et pour l’autre entre 0,4 et 0,6m (ces dimensions ne constituant qu’un exemple et n’étant nullement limitatives).
La structure de support peut présenter un conduit vertical formant cheminée, les blocs catalytiques étant disposés au-dessus de la trémie et à l’entrée de ce conduit formant cheminée. Ce dernier peut être maintenu par les suspensions précitées.
La géométrie « monolithique » du substrat, associée à la nature du matériau (de préférence à la fois rigide et léger) présente l’avantage de pouvoir réaliser des blocs peu épais et de grandes dimensions (par exemple lm par lm, et avec une épaisseur 1 à 20 fois plus faible, allant de 5 à 10 cm par exemple).
Cette souplesse dans la réalisation des blocs permet d’envisager des applications où les blocs sont réalisés sous la forme de panneaux pour revêtir des parois d’enceintes de grands volumes (par exemple enceintes de réacteurs, ...) exposées à un dégagement de dihydrogène.
L’invention a ainsi encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un panneau monolithique de recombinaison catalytique de dihydrogène, notamment réalisé avec un substrat alvéolaire peu conducteur de la chaleur, de préférence en céramique, caractérisé par le fait qu’il présente une épaisseur de 1 à 20 fois plus faible que sa plus grande dimension, mieux de 5 à 20 fois plus faible, encore mieux de 10 à 20 fois plus faible, la plus grande dimension étant par exemple supérieure ou égale à 0,5m, mieux à 0,75m, encore mieux à lm. Le panneau peut se présenter sous la forme d’une dalle de forme généralement carrée ou rectangulaire, avec un grand côté mesurant par exemple plus de 0,5m, mieux plus de 0,75m, encore mieux lm ou plus. L’épaisseur d’un tel panneau est de préférence au moins cinq et mieux au moins dix fois plus faible que le côté de la dalle, étant de préférence comprise entre 5 et 10cm.
L’invention a encore pour objet une enceinte, notamment de réacteur, dont la paroi est tapissée au moins partiellement par de tels panneaux.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] La figure 1 représente de manière schématique, en perspective, un exemple de recombineur catalytique selon l’invention,
[Fig 2] la figure 2 illustre le fonctionnement du recombineur,
[Fig 3] la figure 3 représente isolément, de manière schématique et partielle, un exemple de moyens de support des blocs catalytiques à l’intérieur du corps du recombineur, [Fig 4] la figure 4 représente isolément, en perspective, un exemple de bloc catalytique,
[Fig 5] la figure 5 représente le bloc de la figure 4 en vue de face,
[Fig 6] la figure 6 représente isolément le châssis des moyens de support de la figure 3,
[Fig 7] la figure 7 est une vue éclatée, schématique et partielle, d’une variante de recombineur,
[Fig 8] la figure 8 est une vue schématique, en perspective, d’une variante de recombineur, les moyens de support des blocs catalytiques apparaissant en transparence, [Fig 9] la figure 9 est une section transversale du recombineur de la figure 8, [Fig 10] la figure 10 illustre le démontage des moyens de support des blocs,
[Fig 11] la figure 11 représente de manière partielle et schématique un exemple de piste résistive présente sur le substrat d’un bloc catalytique, et [Fig 12] la figure 12 représente de manière schématique et partielle un capteur de température monté à proximité d’un bloc catalytique.
Description détaillée
Sur les figures, les différents éléments constitutifs du recombineur n’ont pas toujours été représentés à l’échelle et avec le respect des proportions relatives, dans un souci de clarté.
On a représenté sur les figures 1 et 2 un premier exemple de recombineur 1 selon l’invention.
Ce recombineur 1 comporte une structure de support de blocs catalytiques, qui peut être agencée pour être suspendue dans l’enceinte à protéger, et peut comporter à cet effet en partie supérieure un ensemble de suspensions 2, comme illustré. Ces suspensions 2 sont par exemple réglables en hauteur.
Dans des variantes (non illustrées), le recombineur 1 est agencé pour une fixation murale, pour être suspendu à une potence ou pour être posé au sol.
Dans l’exemple illustré, le recombineur 1 comporte un corps 3 logeant les blocs catalytiques, comme détaillé plus loin, surmonté d’un conduit 4 formant cheminée, se raccordant à son extrémité supérieure aux suspensions 2.
Le corps 3 peut se raccorder inférieurement à une trémie 5, comme illustré, ouverte vers le bas.
En fonctionnement, l’hydrogène est aspiré de façon passive par la trémie 5 et une combustion catalytique se produit avec l’oxygène de l’air, qui produit de la vapeur d’eau, laquelle sort par l’extrémité supérieure du conduit 4, comme illustré. Les flèches montrent sur la figure 2 le sens d’écoulement préférentiel résultant d’une circulation naturelle provoquée par le gradient de température consécutif au caractère exothermique de la réaction catalytique.
Les blocs catalytiques peuvent être supportés de diverses façons au sein du recombineur.
Dans l’exemple de la figure 3, le corps 3 loge deux châssis 21 de support des blocs.
Chaque châssis 21 comporte des grilles 23 haute et basse (la grille basse étant non apparente sur la figure 3), supportées par des cadres respectifs 24 et 28, lesquels sont reliés entre eux par des colonnes verticales 25, comme illustré notamment à la figure 6. Trois blocs catalytiques 30a, 30b et 30c sont par exemple disposés entre les grilles 23 et 24 de chaque châssis 21, comme illustré sur la figure 3.
On a représenté isolément aux figures 4 et 5 un exemple de bloc catalytique 30.
Ce dernier comporte un substrat 31 en céramique, traversé par une pluralité de canaux parallèles 32 (encore appelés alvéoles), par exemple chacun de section carrée, comme illustré.
Tous les blocs 30a, 30b et 30c peuvent être réalisés à partir de l’extrusion d’un même substrat en céramique, par exemple en cordiérite (conductivité thermique de Tordre de 3 Wm^K 1 à 25°C), et ainsi présenter la même section transversale.
Le substrat 31 des blocs est revêtu d’un catalyseur, par exemple un ou plusieurs métaux tels que Pt, Pd, Rh, ..., au niveau des canaux 32.
Chaque châssis 21 peut comporter des montants 26, qui s’étendent sur une partie au moins de la hauteur des blocs 30. Ces montants 26 sont par exemple réalisés d’une seule pièce en métal avec le cadre 24 de support de la grille inférieure, comme visible sur la figure 5.
Le cadre de support de la grille haute 23 peut être raccordé sur un bord à une platine de fixation 27, permettant d’accrocher le châssis 21 au corps 3, par exemple à l’aide de vis non représentées.
Dans la variante illustrée à la figure 7, les suspensions 2 sont agencées pour se fixer sur le côté du conduit 4, par exemple sur deux côtés opposés comme illustré, et non plus à son extrémité supérieure.
Dans la variante illustrée sur les figures 8 à 10, le recombineur 1 comporte un corps 3 formant conduit, qui loge par exemple quatre châssis de support 21 disposés dans la section selon deux rangées de deux.
Chaque châssis 21 comporte par exemple un cadre inférieur 24 de support des blocs et deux montants opposés 26 prolongeant le cadre 24 vers le haut, entre lesquels les blocs 30a, 30b et 30c sont logés. La hauteur des montants 26 dans cet exemple est inférieure aux hauteurs cumulées des trois blocs, de telle sorte que le bloc supérieur 30c n’est que partiellement logé entre les montants 26.
Le cadre 24 se raccorde à une platine de fixation 37, qui s’étend vers le bas. Cette platine 37 présente des trous oblongs verticaux 40, qui permettent un réglage de la hauteur du châssis 21 dans le corps 3, comme illustré par les flèches sur la figure 8.
Des cadres 38 tenus par des platines 39 sont fixés au-dessus des châssis 21, pour maintenir les blocs en place entre les montants 26 vis-à-vis de secousses verticales, par exemple. Ces platines 39 présentent des perçages oblongs verticaux 40 tout comme les platines 37, permettant de régler leur position dans le corps 3, de manière à maintenir les blocs calés axialement entre les cadres 24 et 38. Ces derniers peuvent porter des grilles, le cas échéant.
Les platines 37 et 39 servant au maintien d’un même ensemble de blocs catalytiques sont fixées sur une même face 3a ou 3b du corps 3, comme visible sur la figure 9 notamment.
Les dimensions des blocs et des châssis 21 peuvent être choisies de telle sorte qu’il subsiste des passages 45 sur les trois côtés libres de chaque châssis 21, à l’extérieur des blocs, comme illustré sur la figure 9. Un tel maintien des blocs 30a, 30b et 30c à l’intérieur du recombineur permet à la fois une circulation gazeuse à travers les blocs et une circulation à l’extérieur des blocs, autour de ceux-ci à l’intérieur du corps 3. Une telle circulation peut favoriser la création d’un appel d’air à travers les blocs par effet Venturi dit de « trompe- injecteur », et améliorer l’amorçage de la réaction catalytique, par exemple.
Chaque châssis 21 peut être extrait indépendamment des trois autres, comme illustré à la figure 10, en démontant les vis qui maintiennent la platine inférieure 37 sur le corps 3.
Dans tous les exemples qui viennent d’être décrits en référence aux figures, les blocs catalytiques présentent avantageusement des propriétés catalytiques différentes ; par exemple, le bloc catalytique 30a d’entrée, le plus bas, présente un catalyseur permettant d’amorcer la réaction d’oxydation de l’hydrogène avec une température plus basse que les catalyseurs des autres blocs. La chaleur dégagée lors de l’oxydation réchauffe les blocs 30b et 30c situés au-dessus, ce qui permet d’utiliser pour ces blocs des catalyseurs nécessitant une température d’amorçage plus élevée, mais par exemple moins coûteux par ailleurs.
La taille et la forme des alvéoles des blocs catalytiques sera adaptée à l’objectif recherché, en termes notamment de pertes de charge hydraulique, vitesse d’écoulement, présence d’instrumentation éventuelle, ... Dans l’exemple illustré, les épaisseurs respectives ea, eb et ec des blocs 30a, 30b et 30c sont égales, mais on peut utiliser des blocs d’épaisseurs différentes, voire disposer au sein d’un même casier des blocs ayant des épaisseurs qui sont par exemple moitié moindres que celle d’un autre bloc.
On peut utiliser pour réaliser le substrat des blocs tout matériau, notamment céramique, adapté.
Le catalyseur d’une formulation donnée peut être déposé partiellement ou en totalité sur les surfaces internes aux alvéoles du substrat.
Chaque bloc ou support de ce bloc peut être équipé d’une instrumentation dédiée et/ou d’un système de chauffage qui lui est propre, destiné par exemple à accélérer l’amorçage de la réaction catalytique à concentration de ¾ donnée. A titre d’exemple, on a illustré à la figure 12 le positionnement d’un capteur de température 120 à proximité d’un bloc 30.
Pour le chauffage d’un bloc, on peut avantageusement imprimer des pistes d’un conducteur électrique 110 sur le substrat 31 du bloc, afin de réaliser une résistance chauffante, comme illustré très schématiquement à la figure 11. En variante, une résistance chauffante est par exemple plaquée contre la face d’entrée du bloc catalytique inférieur.
Dans des variantes non illustrées, le recombineur 1 est réalisé avec un conduit formant cheminée de hauteur différente, voire sans un tel conduit.
La trémie 5 peut être réalisée avec une géométrie et un angle d’ouverture différent, et le recombineur peut être réalisé sans une telle trémie, le cas échéant.
Les blocs catalytiques 30 peuvent être maintenus autrement sans sortir du cadre de la présente invention.
Le recombineur peut avoir un caractère totalement passif, ne nécessitant pas l’apport d’énergie par une source d’énergie, par exemple sous forme électrique, pour commencer à fonctionner.
Dans des variantes non illustrées, dans l’objectif d’obtenir une amélioration du débit d’écoulement, en adéquation avec le taux de recombinaison catalytique permis par la densité élevée de catalyseur lié à l’agencement en cellules alvéolaires, le recombineur est associé à un actionneur tel qu’un extracteur (ventilateur, aspirateur ...) au niveau du conduit 4 formant cheminée par exemple.

Claims

Revendications
1. Recombineur (1) de dihydrogène catalytique, comportant :
Au moins un premier bloc catalytique (30a) d’un substrat alvéolaire en un matériau peu conducteur de la chaleur, porteur d’un premier revêtement catalytique, au moins un deuxième bloc catalytique (30b) d’un substrat alvéolaire en un matériau peu conducteur de la chaleur, porteur d’un deuxième revêtement catalytique, ce deuxième substrat étant de même section que le premier, une structure (3, 21) de support des blocs l’un au-dessus de l’autre, et/ou l’un à côté de l’autre.
2. Recombineur selon la revendication 1, la structure de support maintenant les blocs (30a, 30b, 30c) les uns au-dessus des autres.
3. Recombineur selon l’une des revendications précédentes, la structure de support comportant des châssis (21) supportant les blocs et agencés pour permettre une extraction individuelle de chacun des châssis indépendamment du ou des autres châssis.
4. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la structure de support comportant un corps (3) définissant un conduit, au moins un passage (45) pour un écoulement gazeux ascendant étant ménagé entre les blocs catalytiques et ledit corps (3), notamment un ascendant gazeux généré de manière passive, de manière à créer par effet Venturi une aspiration à travers les blocs.
5. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque substrat (31) présentant une structure à canaux (32) parallèles.
6. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premier et deuxième revêtements catalytiques différant au moins par la nature du catalyseur.
7. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premier et deuxième revêtements catalytiques différant au moins par la quantité en catalyseur.
8. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premier et deuxième blocs catalytiques (30a, 30b) ayant des épaisseurs (ea, et,) différentes.
9. Recombineur selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, les premier et deuxième blocs catalytiques (30a, 30b) ayant une même épaisseur.
10. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un organe de chauffage (110) situé à proximité de l’un des blocs au moins.
11. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une piste résistive chauffante (110) déposée sur l’un des substrats (31) au moins.
12. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un capteur de température (120) pour mesurer la température à proximité de l’un au moins des blocs.
13. Recombineur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins trois blocs (30a, 30b, 30c) d’un substrat alvéolaire en céramique porteur d’un revêtement catalytique, disposés les uns au-dessus des autres.
14. Panneau monolithique de recombinaison catalytique de dihydrogène (30), réalisé avec un substrat alvéolaire (31) peu conducteur de la chaleur, de préférence en céramique, caractérisé par le fait qu’il présente une épaisseur de 1 à 20 fois plus faible que sa plus grande dimension, mieux de 5 à 20 fois plus faible, encore mieux de 10 à 20 fois plus faible, la plus grande dimension étant notamment supérieure ou égale à 0,5m, mieux à 0,75m, encore mieux à lm, le panneau (30) se présentant de préférence sous la forme d’une dalle de forme généralement carrée ou rectangulaire, avec un grand côté mesurant par exemple plus de 0,5m, mieux plus de 0,75m, encore mieux lm ou plus, l’épaisseur d’un tel panneau étant de préférence au moins cinq et mieux au moins dix fois plus faible que le côté de la dalle, l’épaisseur étant de préférence comprise entre 5 et 10cm.
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