FR2883774A1 - Dispositif a chambre de reaction dans laquelle sont introduits des fluides reactifs prechauffes pour realiser une reaction a temperature elevee - Google Patents

Abstract

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

Description

B11595 FR

DISPOSITIF A CHAMBRE DE REACTION

DANS LAQUELLE SONT INTRODUITS DES FLUIDES REACTIFS PRECHAUFFES

POUR RÉALISER UNE REACTION A TEMPERATURE ELEVEE L'invention est relative à un dispositif à chambre de réaction dans lequel sont introduits des fluides réactifs préchauffés pour réaliser une réaction à température élevée.

On a souvent besoin, par exemple dans des brûleurs auto-récupérateurs ou pour la fabrication d'hydrogène dans une opération de reformage, de préchauffer des fluides réactifs. On a aussi souvent besoin de réaliser, pour les mêmes applications, des réactions à température élevée sans perte thermique.

Pour atteindre ce but, on a déjà proposé de réaliser une chambre de réaction entourée par une zone annulaire dans laquelle circulent les produits chauds de la réaction afin de préchauffer les réactifs, circulant à contre courant ou cocourant, dans un échangeur de type serpentin, devant être introduits dans la chambre de réaction.

L'invention résulte de la constatation que cette réalisation est complexe puisque la zone annulaire doit canaliser deux fluides (les produits de la réaction et les réactifs) qui ne doivent pas se mélanger. En outre, les produits chauds de la réaction doivent être amenés, par des conduits à température élevée et avec des changements de direction, vers la zone annulaire.

Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose un dispositif à chambre de réaction dans laquelle sont introduits des fluides réactifs pour réaliser une réaction à température élevée, ce dispositif comprenant: - une première zone sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction dans laquelle circule au moins l'un des réactifs à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de cette chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction, de façon à préchauffer le, ou les, réactif(s) circulant dans la première zone, le ou les réactifs étant en contact direct avec les parois de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques, - une seconde zone sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule au moins un réactif destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, la séparation entre la première et la seconde zone étant telle que le, ou les, réactif(s)s circulant dans la seconde zone récupère(nt) de la chaleur perdue par la première zone afin de préchauffer ce réactif ou ces réactifs, qui est (sont) en contact direct avec les parois de cette seconde zone, l'ensemble étant tel que la paroi externe du dispositif, qui est constituée par la paroi externe de la seconde zone, soit à une température sensiblement inférieure à la température de la chambre de réaction.

Ainsi, dans chacune des deux zones annulaires entourant la chambre de réaction, on ne fera circuler qu'un seul type de fluide: un réactif ou un mélange de réactifs. Il n'est donc pas nécessaire d'organiser une circulation séparée des deux fluides (réactifs et produits de la réaction) , ce qui simplifie considérablement la réalisation de ces zones annulaires. En outre, il n'est pas nécessaire de réaliser des canalisations soumises à des contraintes thermomécaniques importantes pour changer les directions d'écoulement et conduire les produits chauds de la réaction vers la zone annulaire.

En outre, avec les première et seconde zones, on obtient une bonne isolation par rapport à l'extérieur de la 5 chambre de réaction à température élevée.

Dans une réalisation, le dispositif est destiné à effectuer une réaction de reformage pour générer de l'hydrogène à partir d'eau, d'hydrocarbure et d'un flux oxygéné. L'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné sont les réactifs dont au moins l'un d'entre eux est préchauffé dans la première et/ou la seconde zone.

Selon une réalisation, le flux oxygéné est de l'air, par exemple à basse pression; l'air circule de préférence dans la première et la seconde zones.

Dans une réalisation, la chambre de réaction comporte deux parties dont la première est le siège de la réaction chimique et la seconde constitue un canal d'évacuation des produits de la réaction, la seconde partie de la chambre de réaction étant telle que l'échange thermique entre cette seconde partie et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la même première zone.

De façon générale, on peut adapter le profil de températures des fluides dans la chambre de réaction en choisissant les caractéristiques de la paroi entre cette chambre de réaction et la première zone.

Dans une réalisation, le dispositif comporte une troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer par échange thermique de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse.

Ainsi, les flux chauds s'écoulent le long des parois sans rencontrer d'obstacles ou de surfaces orthogonales à l'écoulement qui seraient, s'ils existaient, fragilisés car soumis à des contraintes thermomécaniques élevées par ce flux.

En particulier, on ne prévoit pas d'échangeur de type serpentin ou faisceau d'échangeurs dans ce flux de gaz chauds.

Dans une réalisation, destinée au reformage pour la génération d'hydrogène, on fait circuler de l'air dans les première et seconde zones, le préchauffage des autres réactifs étant effectué dans la troisième zone.

Dans une réalisation, destinée à la génération d'hydrogène par une opération de reformage à partir d'hydrocarbure liquide, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction comporte: - des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, - des moyens pour vaporiser l'hydrocarbure liquide et le mélanger avec la vapeur d'eau, et - des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.

Dans une variante, qui présente les mêmes avantages, on prévoit un dispositif destiné à la génération d'hydrogène par une opération de reformage à partir d'hydrocarbure gazeux, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, comporte: - des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, - des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec 30 la vapeur d'eau, et - des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.

Avec cette réalisation, du fait de la disposition de la troisième zone, les réactifs sont préchauffés de manière optimale. En outre, on obtient un refroidissement optimum des produits de la réaction. Enfin, on augmente la compacité du dispositif et donc, on diminue les liaisons chaudes, l'ensemble de la réaction chimique, du préchauffage des réactifs et du refroidissement des produits de la réaction étant réalisé dans une seule enceinte.

Dans une réalisation, le dispositif comprend: - des moyens pour créer de fines gouttelettes de liquide d'un composant devant être introduit sous forme gazeuse dans la chambre de réaction, - des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec un gaz chaud destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, la température du gaz chaud permettant la vaporisation d'au moins d'une fraction des gouttelettes, et - une surface chaude, notamment chauffée par l'échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec le gaz chaud, les moyens de création de gouttelettes projetant ces gouttelettes vers la surface chaude.

Par exemple, si le liquide est du gazole, on vaporise rapidement ce dernier et on évite la cokéfaction, c'est-à-dire le craquage avec la production de suie surtout si le gaz chaud est de la vapeur d'eau. Ce moyen peut d'ailleurs être utilisé indépendamment de la structure, précédemment décrite, du dispositif de reformage (génération d'hydrogène). En d'autres termes, cette disposition de l'invention peut être utilisée de façon générale pour réaliser un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure sans risque de cokéfaction.

Cette disposition peut également être utilisée pour pulvériser l'eau, la vaporiser et, éventuellement, coumencer sa surchauffe. Le gaz chaud est constitué par la vapeur d'eau éventuellement surchauffée qui contribue à initier la vaporisation des gouttelettes qui arrivent, avant leur impact sur la surface chaude.

Dans une réalisation, on utilise une combinaison en série de ces dispositifs à moyens de pulvérisation avec, d'une part, par exemple une chambre avec un pulvérisateur d'eau et une surface chaude pour la vaporisation de l'eau et, d'autre part, une chambre avec un pulvérisateur d'hydrocarbure pour la vaporisation d'hydrocarbure liquide lourd, à température de vaporisation plus élevée que l'eau, à partir de la vapeur d'eau surchauffée et d'une surface chaude, Dans une autre réalisation, du type combinaison en parallèle, on peut, dans la même chambre, réaliser la vaporisation de l'eau et d'un hydrocarbure liquide léger, de température d'ébullition proche de celle de l'eau, tel que l'éthanol par exemple, la vaporisation s'effectuant sur la même surface chaude.

Dans une autre réalisation, on utilise un hydrocarbure gazeux pour aider à la pulvérisation de l'eau.

Dans une réalisation, qui peut être aussi utilisée indépendamment des dispositions précédemment décrites, le dispositif comprend un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens pour assurer une circulation hélicoïdale de fluides destinés à être introduits dans la chambre de réaction afin d'homogénéiser la température des parois et du fluide circulant dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d'entretoise entre les parois de cet espace annulaire.

De préférence, l'espace annulaire constitue un espace d'échanges thermiques agencé pour que le pas de la circulation hélicoïdale soit tel que les échanges thermiques soient optimisés.

Dans une réalisation, pouvant être utilisée indépendamment des dispositions précédemment décrites, le dispositif comprend: - un injecteur pour générer les gouttelettes d'un 35 fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction, de petite taille et de grande vitesse pour une vaporisation rapide, l'injecteur étant dimensionné pour un débit sensiblement supérieur au débit nécessaire à l'introduction dans la chambre de réaction, et - des moyens pour faire fonctionner cet injecteur de façon intermittente et à fréquence élevée afin d'obtenir le faible débit désiré pour l'introduction dans la chambre de réaction et la qualité désirée des gouttelettes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention.

On va maintenant décrire en relation avec la figure 1 un mode de réalisation d'un dispositif générateur d'hydrogène (ou reformeur). Le dispositif décrit ci-dessous fonctionne à partir de gazole, d'eau et d'air. Des variantes de ce dispositif peuvent fonctionner à partir d'autres hydrocarbures notamment des coupes pétrolières telles que du gazole, le naphta, le kérosène, l'essence, le gaz de pétrole liquéfié, ou du gaz naturel et encore des bio combustibles tels que les biogaz, les huiles végétales ou leurs esters, l'éthanol ou le méthanol. D'autres variantes de ce dispositif peuvent fonctionner en utilisant, à la place de l'air, un flux oxygéné tel que l'oxygène pur ou un mélange d'air et d'oxygène.

Ce dispositif produit un mélange de H2 et de CO, contenant également 002 et H2O, qui est introduit dans un autre dispositif (non montré) qui produit encore de l'hydrogène par action de H2O sur le CO pour le transformer en 002.

L'opération de reformage qui fournit CO + H2 est une réaction endothermique, c'est-à-dire une réaction à laquelle il faut apporter de la chaleur. A cet effet, on utilise une réaction exothermique qui est constituée par la combustion d'une fraction du flux de l'hydrocarbure avec un flux oxygéné. Ainsi, une fraction de l'hydrocarbure constitue un combustible pour apporter de la chaleur et la fraction complémentaire de l'hydrocarbure constitue le réactif principal qui va fournir l'hydrogène. On comprend donc qu'il faut minimiser la fraction d'hydrocarbure brûlé pour maximiser la fraction d'hydrocarbure reformé.

Les gaz de reformage sont produits à haute température et la chaleur qu'ils contiennent est récupérée pour préchauffer les fluides entrants dans la chambre de réaction, ou réactifs, à savoir l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné. Ainsi, la réaction de reformage est effectuée avec des réactifs chauds, ce qui permet de diminuer la fraction d'hydrocarbure brûlé.

L'invention fournit un dispositif permettant de minimiser les pertes thermiques vers l'environnement extérieur et donc d'améliorer le rendement du générateur d'hydrogène.

L'invention permet aussi, en rassemblant les différentes opérations dans une même enceinte, de limiter ou supprimer les connexions de fluides ou réactifs chauds entre les différents modules ou étapes du procédé de génération d'hydrogène (préchauffage de l'eau, évaporation, surchauffe, préchauffage du flux oxygéné, préchauffage de l'hydrocarbure, réaction chimique, refroidissement des gaz de reformage, ...), ce qui diminue les pertes thermiques et les problèmes thermomécaniques des liaisons chaudes entre plusieurs enceintes, notamment des enceintes sous pression.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le flux oxygéné est l'oxygène de l'air, de préférence à basse pression, par exemple à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 6 bars. Cependant, des variantes de ce dispositif peuvent fonctionner à des pressions de 1 à 100 bars.

Le dispositif représenté sur la figure comporte une partie centrale constituant la chambre de réaction 12. Cette chambre est entourée par une première zone ou espace annulaire 14 dans lequel circule de l'air à une température de 300 à 900 C qui récupère la chaleur perdue par la chambre de réaction 12.

Cette zone annulaire 14 est elle même entourée par une seconde zone annulaire 16 dans laquelle circule également de l'air à basse pression à une température de 25 à 400 C, qui récupère la chaleur perdue par la zone 14.

On fait pénétrer l'air tout d'abord dans la zone externe 16 par une ouverture 18. Une communication 20 est établie entre les zones 14 et 16. Cette communication se trouve à une extrémité de ces zones, à l'opposé de l'entrée 18. Ainsi, c'est après avoir circulé dans la zone 16 que l'air est introduit dans la zone 14.

La paroi 22 entre les zones 14 et 16 est constituée par une paroi isolante ou par une paroi garnie sur une épaisseur calculée d'une matière choisie pour sa faible conductivité thermique. La zone annulaire 16 est entourée par un isolant externe 17.

L'air ainsi préchauffé dans les zones annulaires 16 puis 14 pénètre par des orifices 24 dans la partie de combustion 26 de la chambre 12. La plus grande partie de la chaleur perdue par la chambre de réaction est récupérée par l'air introduit dans cette chambre de réaction. Ainsi, dans la réalisation présentée ici, moins de 2% de la chaleur développée dans la chambre de réaction est perdue dans l'environnement.

Les orifices 24 débouchent dans un même plan perpendiculaire à l'axe 30 du dispositif dont la forme générale est cylindrique. Ces orifices 24 d'injection d'air préchauffé se trouvent à l'extrémité de canalisations (non montrées) qui n'ont pas une direction radiale mais une direction proche d'une direction tangentielle à la circonférence de la partie de combustion 26.

L'arrivée quasi tangentielle de l'air crée un film au voisinage de la paroi 32 de la chambre de combustion 26. Dans ces conditions, l'air injecté forme un tourbillon ou vortex qui crée ainsi une dépression sur l'axe qui aspire les vapeurs combustibles et assure la stabilisation de la combustion à un niveau de température de 1600 à 2000 C, à proximité de l'axe 30 et au fond de la partie de combustion 26 de la chambre 12.

A l'extrémité de la partie de combustion, on prévoit aussi un gicleur 34 pour l'introduction du gazole au démarrage du dispositif. Egalement pour le démarrage, on prévoit, dans un canal débouchant à l'extrémité de la partie de combustion 26, une bougie escamotable 36.

Le préchauffage et l'introduction des autres réactifs (eau et hydrocarbure), après les périodes de démarrage, s'effectuent dans une zone 40 se trouvant à l'extrémité de la chambre 12 de réaction qui est à l'opposé de la partie 26 de combustion. De façon plus précise, la chambre de réaction 12 comporte une première partie 42 dans laquelle s'effectuent les réactions et une seconde partie 44 dans laquelle les produits de la réaction sont évacués. La première partie 42 est elle même composée de la partie de combustion 26 et de la partie de reformage 28 proprement dit. Ainsi, la zone 40 de préchauffage se trouve à l'intérieur de la partie 44 de la chambre 12 qui est destinée à l'évacuation des gaz de la réaction.

La zone 40 d'introduction et de préchauffage de l'eau et de l'hydrocarbure est prolongée par une canne 50 pénétrant dans la chambre de réaction, notamment dans sa partie 28 de reformage, et se termine par un injecteur 52 délivrant des réactifs dans la chambre de combustion 26 ainsi que dans la chambre de reformage 28. L'injecteur 52 comporte ainsi, d'une part, au moins une sortie axiale 54 qui injecte directement le mélange gazeux d'eau et d'hydrocarbure dans la chambre de combustion et, d'autre part, des sorties radiales ou obliques qui débouchent dans la partie de reformage 28 de la chambre 12.

L'injecteur 52 se trouve dans une zone 58 de plus faible section que celle de la partie 28 de la chambre de réaction 12. Ainsi, dans cette zone 58, les vitesses des gaz sont plus importantes que dans les autres sections. Il en résulte que le mélange des réactifs injectés par les orifices 56 avec les gaz de combustion chauds s'effectue rapidement pour que la réaction de reformage soit, dans la partie 28, rapide et à des niveaux de température de l'ordre de 1000 à 1400 C.

La zone 40 de préchauffage et d'injection de l'eau et de l'hydrocarbure comporte deux chambres 62 et 64 en série. La chambre 62, la plus éloignée de la canne 50, reçoit par un injecteur 66 des gouttelettes d'eau qui sont projetées vers une face concave 68 d'une paroi 70 chauffée par la chaleur apportée par les produits de la réaction. Une partie des gouttelettes d'eau s'évapore lors du contact avec la surface 68. On crée ainsi de la vapeur d'eau qui circule le long de la surface 68, s'échauffe et crée une ambiance chaude, à une température de 100 à 160 C, contribuant à la vaporisation d'une autre partie des gouttelettes, dès leur éjection, avant leur impact contre la face 68.

La vapeur d'eau ainsi produite est introduite dans une zone annulaire 74 entre la paroi 70 et une paroi externe 72 de la zone 40. Au moins une partie de cette paroi 72 est en contact avec les produits de la réaction. On continue donc ainsi, par la circulation dans la zone annulaire 74, à surchauffer la vapeur d'eau à des températures de 400 à 700 C.

Cette zone annulaire 74 est en liaison avec la seconde chambre 64 par une ouverture 76. En outre, dans la chambre 64, débouche un injecteur 78 pour l'introduction de gazole. La chambre 64 se termine, comme la chambre 62, par une face concave 80 d'une paroi 82 également chauffée. Dans cette chambre 64, les gouttelettes de gazole introduites par l'injecteur 78 sont en grande partie vaporisées par contact et mélange avec la vapeur d'eau et les gouttelettes de gazole non encore vaporisées s'évaporent par contact avec la face 80 chauffée.

Le mélange de vapeur d'eau et de gazole est évacué à une température de l'ordre de 350 à 450 C vers une autre zone annulaire 84 entre la paroi 82 et la paroi 72 où elle est surchauffée à une température de 600 à 800 C pour être ensuite introduit dans la canne 50 à l'extrémité de laquelle se trouve l'injecteur 52.

A l'extrémité de la chambre 12 à l'opposé de la partie de combustion 26, on prévoit une sortie 90 pour les gaz de réaction. Ces gaz de réaction ou de reformage subissent un refroidissement car ils cèdent leur chaleur à l'air à travers des parois 110 et 112 et à la vapeur d'eau et au gazole dans la zone 40 à travers la paroi 72. Sans autre refroidissement, les gaz sortants ont une température de l'ordre de 600 à 850 C. On peut également prévoir un refroidissement supplémentaire, par exemple par de l'eau pulvérisée dans une zone annulaire 92 proche de la sortie. Dans ce cas, la température de sortie des gaz de reformage peut être ajustée entre 300 et 450 C.

Dans une réalisation, l'eau qui est introduite par l'injecteur 66 arrive sous forme d'impulsions.

En effet, un injecteur est dimensionné pour fournir des tailles de gouttelettes déterminées pour un débit et une pression déterminés. Si on ne dispose que d'un seul type d'injecteur et que cet injecteur est dimensionné pour le débit nominal, on ne peut pas le faire fonctionner de façon satisfaisante à un débit réduit. En effet, si par exemple, le débit réduit est 30% du débit nominal, alors la pression ne sera que de l'ordre de 10% de la pression nominale et les gouttelettes auront en moyenne une taille 10 fois plus importante qu'au régime nominal. Dans ces conditions, le temps d'évaporation de ces gouttelettes sera environ 100 fois plus important.

C'est pourquoi, comme il n'est pratiquement pas possible de faire fonctionner le dispositif avec un injecteur fonctionnant à une faible fraction de son débit nominal, selon l'invention, on fait fonctionner l'injecteur à son débit nominal et à sa pression nominale mais sous forme d'impulsions périodiques, c'est-à-dire pendant seulement une fraction de chaque période. La fréquence de répétition des impulsions doit être relativement élevée, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de Hertz, pour ne pas perturber le fonctionnement du dispositif car celuici doit être alimenté constamment en gouttelettes. Dans un exemple, la fréquence des impulsions est de l'ordre de 250 Hz.

Par ailleurs, une arrivée de fluide sous forme d'impulsions s'effectue à l'aide d'une vanne (non montrée) à faible temps de réponse qui est périodiquement ouverte et fermée. Cependant, des impulsions transmises depuis une vanne vers un injecteur peuvent être amorties si la conduite est déformable ou élastique et/ou si le liquide est compressible. Si les créneaux de variation de pression avec le temps ne présentaient pas des fronts raides au niveau de l'injecteur, on obtiendrait des gouttelettes de dimensions trop importantes lorsque la pression est trop faible. Il est donc préférable de limiter le volume entre la vanne et l'injecteur et de prévoir des canalisations aux parois rigides.

Le même dispositif peut être utilisé pour l'injection et la pulvérisation de l'eau à faible débit dans la zone 92.

Les parois 110 séparant la première partie 42 de la chambre 12 de la première zone annulaire 14 sont isolantes afin que la réaction de reformage s'effectue autant que possible de façon adiabatique. Par contre, la paroi 112 de la chambre 12 dans la seconde partie 44 d'évacuation du produit de reformage présente des propriétés de conduction de la chaleur afin de permettre un chauffage efficace de l'air dans la zone annulaire 14.

Les parois 110 et 112 sont revêtues, du côté de la chambre 12, de céramique réfractaire afin que ces parois soient protégées contre l'effet des gaz de reformage chauds. La céramique réfractaire de la paroi 110 est isolante tandis que la céramique réfractaire de la paroi 112 est conductrice de la chaleur. Du côté externe, ces parois 110 et 112 sont métalliques.

Dans une réalisation, afin que la paroi 72 de la zone ne soit pas chauffée de façon excessive, on prévoit une protection thermique 120, par exemple en céramique refractaire, à l'extrémité de la zone 40. En effet, la paroi 72 est métallique. Sa température est de l'ordre de 600 à 800 C. Sans la couche 120, cette paroi 72 serait portée à une température comprise entre 900 et 1 400 C.

La canne 50 est également réalisée en céramique de 5 façon à résister aux températures élevées de la chambre de réaction.

Chacune des diverses zones annulaires 14, 16, 74 et 84 comporte une nervure arrangée en hélice ayant la référence 130 dans la zone annulaire 14. Cette nervure hélicoïdale 130 est solidaire de la paroi d'échange 140 que constitue la partie métallique externe des parois 110 et 112.

Les nervures hélicoïdales permettent d'augmenter les échanges thermiques. En effet, on sait que les échanges thermiques sont d'autant plus efficaces que le diamètre hydraulique est petit. Le diamètre hydraulique est égal à 4S/P, S étant la section de passage du gaz, et P le périmètre correspondant à cette section S. La section de passage est délimitée par les deux parois de chaque zone annulaire et le pas de l'hélice. Ainsi, un choix convenable de la distance entre les parois et du pas de l'hélice permet de minimiser le diamètre hydraulique.

En outre, la nervure hélicoïdale permet d'augmenter la vitesse de passage des gaz, ce qui améliore encore l'échange thermique dans la zone annulaire où se trouve la nervure.

Ainsi, la paroi d'échange 140 est quasiment à la température régnant dans l'espace annulaire 14. En effet, le coefficient d'échange du côté de la chambre de réaction, qui est dépourvue de nervure hélicoïdale, est moins élevé. Autrement dit, la paroi est portée à une température proche de celle du fluide circulant du côté où les coefficients d'échange thermique sont les plus élevés.

Les nervures hélicoïdales présentent aussi l'avantage de permettre une meilleure homogénéisation circonférentielle de la température autour de l'axe 30 car les gaz ne circulent pas selon une seule génératrice mais circulent tout autour de cet axe. Il en résulte qu'il n'y pas de déformation qui serait due à des différences de température circonférentielle ou des différences de débit circonférentiel.

Enfin, les nervures hélicoïdales constituent des entretoises entre les parois cylindriques, par exemple entre les parois 80 et 72 pour la zone annulaire 84 de la troisième zone 40. On augmente ainsi la rigidité et on maintient constante la distance entre les parois en regard et on évite donc encore les déformations axiales ou circonférentielles et les hétérogénéités circonférentielles de température et de débit qui en résulteraient.

Les nervures hélicoïdales peuvent être réalisées à partir d'un profil rond d'un diamètre supérieur à l'espace annulaire. Ce profil rond est soudé à l'une des parois et la partie opposée est tronquée, par exemple parusinage pour que le profil puisse être logé dans l'espace annulaire. Il faut cependant prendre en compte les dilatations thermiques différentielles entre les deux parois. Un usinage serré et un soudage du profil aux parois introduiraient des contraintes thermomécaniques fortes. L'usinage est donc tel qu'il laisse un jeu suffisant entre le sommet tronqué de la nervure et la paroi opposée (à laquelle n'est pas soudé le profil) pour absorber les dilatations thermiques différentielles. Ce jeu induit un écoulement de fuite pour le gaz. Mais le caractère laminaire de l'écoulement dans cet espace très réduit contribue aussi significativement à l'échauffement du gaz, ce qui limite l'effet négatif de cette partie de l'écoulement dont le parcours n'est pas hélicoïdal.

En variante, la nervure hélicoïdale est réalisée par 30 l'usinage de la paroi.

Dans la réalisation décrite en relation avec la figure 1, on prévoit deux chambres 62 et 64 de vaporisation, l'une pour l'eau et l'autre pour l'hydrocarbure.

En variante (non montrée), on prévoit une seule 35 chambre de vaporisation. Cette disposition est utile dans le cas où l'hydrocarbure serait de type liquide avec une température d'évaporation proche de celle de l'eau, ce qui est le cas par exemple pour l'éthanol. Dans ce cas, on projette le mélange d'eau et d' éthanol dans la même chambre et l'ensemble s'évapore et se surchauffe et est ensuite conduit vers la canne 50.

Cette disposition peut aussi être utilisée dans le cas où le combustible ou l'hydrocarbure serait de type gazeux tel que du méthane ou du propane. Dans ce cas, on peut utiliser le combustible gazeux pour pulvériser l'eau en fines gouttelettes et on fait donc arriver simultanément le gaz combustible et l'eau par l'injecteur 66.

Claims (10)

REVENDICATIONS

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

2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la réaction est une réaction de reformage pour générer de l'hydrogène à partir d'eau, d'hydrocarbure et d'un flux oxygéné ; l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné étant les réactifs dont au moins l'un d'entre eux est préchauffé dans la première et/ou la seconde zone.

3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le flux oxygéné circule dans les première et seconde zones et comporte de l'air, notamment à basse pression.

4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel la chambre de réaction comporte deux parties dont la première (42, 28) est le siège de la réaction et la seconde (44) constitue un canal d'évacuation des produits de la réaction, ces deux parties étant telles que l'échange thermique entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus proche de la sortie des produits de la réaction, et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la première zone.

5. Dispositif selon la revendication 4 comportant une troisième zone (40) à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse.

6. Dispositif selon la revendication 5 destiné à la génération d'hydrogène par une opération de reformage, à partir d'hydrocarbure liquide, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction comportant des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, des moyens pour vaporiser l'hydrocarbure liquide et le mélanger avec la vapeur d'eau et des moyens qui, par circulation dans cette troisième zone et échange thermique avec la chambre de réaction, permettent de surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.

7. Dispositif selon la revendication 5 destiné à la génération d'hydrogène par une opération de reformage à partir 35 d'hydrocarbure gazeux, d'eau et d'un flux oxygéné, la troisième zone, à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, comportant des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la préchauffer, de la vaporiser et de la surchauffer, des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec la vapeur d'eau et des moyens qui, par circulation dans cette troisième zone et échange thermique avec la chambre de réaction, permettent de surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.

8. Dispositif selon l'une des revendications 10 précédentes comprenant: des moyens pour créer de fines gouttelettes de liquide d'un composant devant être introduit sous forme gazeuse dans la chambre de réaction, des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec un gaz chaud destiné également à être introduit dans la chambre de réaction, la température du gaz chaud permettant la vaporisation d'au moins une fraction des gouttelettes, et - une surface chaude, notamment chauffée par échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec le gaz chaud, - les moyens de création de gouttelettes projetant ces gouttelettes vers la surface chaude.

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens (130) pour assurer une circulation hélicoïdale de fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction afin d'homogénéiser la température dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d'entretoise entre les parois de cet espace annulaire et une fonction d'échange thermique dans la zone annulaire où se trouvent les moyens de circulation hélicoïdale.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 35 comprenant un injecteur pour générer des gouttelettes d'un fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction, de petite taille et de grande vitesse pour une vaporisation rapide, l'injecteur étant dimensionné pour un débit sensiblement supérieur au débit nécessaire à l'introduction dans la chambre de réaction, et des moyens pour faire fonctionner cet injecteur de façon intetiuittente et à fréquence élevée afin d'obtenir le faible débit désiré pour l'introduction dans la chambre de réaction et la qualité désirée des gouttelettes.