FR2974739A1 - Module de reacteur solide / gaz caloporteur comprenant des diffuseurs de gaz a risques d'obturation reduits - Google Patents

Module de reacteur solide / gaz caloporteur comprenant des diffuseurs de gaz a risques d'obturation reduits Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un module (1) pour réacteur solide / gaz caloporteur, comprenant une pluralité de diffuseurs (22) présentant chacun une portion supérieure (26) de support du réactif solide, ainsi qu'une portion (24) de diffusion du gaz réacteur / caloporteur, située sous la portion supérieure (26).

Description

MODULE DE REACTEUR SOLIDE / GAZ CALOPORTEUR COMPRENANT DES DIFFUSEURS DE GAZ A RISQUES D'OBTURATION REDUITS DESCRIPTION
L'invention se rapporte au domaine des réacteurs solide / gaz caloporteur, au sein desquels il 10 est prévu une réaction chimique ou physique entre un solide et un gaz, comme par exemple une réaction thermochimique ou encore une réaction physique d'adsorption / de désorption. Dans ce type de réacteurs, le gaz provenant d'un circuit externe sert 15 de caloporteur, l'échange thermique s'opérant alors par convection lors de la réaction endothermique / exothermique. Un tel réacteur est généralement chargé d'un réactif solide, prenant la forme d'un lit 20 granulaire pur ou composite, reposant sur une grille horizontale. Un flux de gaz réacteur et caloporteur est appliqué de manière à traverser le lit de solide réactif, avec une direction verticale descendante. Le gaz se diffuse alors vers le bas au sein du lit 25 granulaire, grâce à la porosité des grains. Néanmoins, cette configuration est sujette à l'encrassement de la grille, qui, à terme, peut conduire à l'obturation intégrale des sections de passage du gaz caloporteur. Cela s'explique par le fait 30 que lors du fonctionnement du réacteur, le solide réacteur gonfle puis se rétracte lors des deux5 2 réactions réciproques. La répétition de ces changements de volume engendre des risques de fragmentation des grains, qui, en raison du flux de gaz vertical descendant, sont alors entraînés vers la grille qu'ils colmatent progressivement. Un tel colmatage est bien évidemment à proscrire, étant donné qu'il peut nuire au bon fonctionnement du réacteur. Pour répondre à ce problème, l'invention a pour objet un module pour réacteur solide / gaz caloporteur, comprenant une pluralité de diffuseurs présentant chacun une portion supérieure de support du réactif solide, ainsi qu'une portion de diffusion du gaz réacteur / caloporteur située sous la portion supérieure de support.
L'invention est remarquable en ce qu'elle prévoit une conception dédiée à une irrigation ascendante du solide réactif par le gaz caloporteur. Ce premier aspect conduit à une diminution importante du risque de colmatage de ces diffuseurs. Le sens favorable du flux de gaz diminue en effet la migration du solide réactif en direction des diffuseurs. Par conséquent, la conception du module de réacteur selon l'invention améliore son fonctionnement, et diminue fortement, voire supprime entièrement les besoins en maintenance des diffuseurs. Pour diminuer encore davantage les risques d'obturation des diffuseurs, il est fait en sorte qu'en projection verticale sur un plan horizontal, ladite portion de support supérieure du solide recouvre entièrement ladite portion de diffusion du gaz. 3 Par exemple, chaque diffuseur prend la forme d'un plot cylindrique dont au moins une partie de la surface latérale, et de préférence l'intégralité de celle-ci, constitue ladite portion de diffusion du gaz.
Ainsi, la diffusion du gaz caloporteur s'effectue alors dans tous les plans parallèles à l'axe du plot. Il peut s'agir d'un plot cylindrique de section carrée, rectangulaire, circulaire, triangulaire, etc. De préférence, le module comprend une double paroi entre lesquelles le gaz est destiné à circuler avant de pénétrer à travers lesdits diffuseurs, ces derniers faisant saillie vers le haut à partir de la paroi supérieure de ladite double paroi. L'espace défini entre les deux parois de la double paroi permet d'alimenter de manière homogène l'ensemble des diffuseurs communiquant avec cet espace. Cette double paroi, orientée de préférence horizontalement, c'est-à-dire orthogonalement aux diffuseurs verticaux, forme de préférence un double fond du module. Dans une configuration alternative, la double paroi pourrait être placée en tête du module, et constituer ainsi le fond d'une cavité de logement définie par un autre module placé au-dessus de lui. De préférence, le module comprend un canal latéral de distribution du gaz, ainsi qu'un canal latéral de collecte du gaz. L'intégration de ces canaux procure avantageusement une conception très compacte. De préférence, lesdits diffuseurs sont prévus avec une densité de 75 à 150 diffuseurs/m2.
Cette densité importante permet au gaz sortant des diffuseurs de traverser le solide réactif de façon très 4 homogène, ce qui favorise les échanges thermique et massique entre les réactifs solide et gazeux. Le phénomène contre-productif de création spontanée de canaux préférentiels au sein du réactif solide est fortement limité par cette distribution homogène du gaz à travers les diffuseurs, préférentiellement répartis dans la section horizontale. De préférence, le module est réalisé à partir de trois tôles pliées et fixées entre elles, ainsi qu'à l'aide des diffuseurs. Cela procure une grande facilité de fabrication du module. L'invention a également pour objet un réacteur solide / gaz caloporteur comprenant une pluralité de modules tel que celui décrit ci-dessus, empilés selon la direction verticale. La modularité du réacteur permet de faciliter sa fabrication et son installation. De plus, son dimensionnement peut être aisément adapté aux besoins rencontrés, en ajustant le nombre de modules à empiler, ces étages étant de préférence tous identiques. De préférence, deux modules quelconques et directement consécutifs de l'empilement définissent une cavité de logement prévue pour recevoir un réactif solide destiné à être porté au moins partiellement par lesdits diffuseurs agencés dans cette cavité. Afin de faciliter les variations de volume du solide réactif, il est préférentiellement prévu de laisser un volume mort non rempli entre la partie supérieure du lit du réactif solide d'un module, et la surface du double fond du module immédiatement supérieur. De fait, la cavité de chaque module n'est que partiellement remplie de réactif solide. La conception proposée permet d'obtenir une densité de solide réactif très élevée au sein du 5 réacteur. De plus, lorsque les modules sont fermés vers le bas par la double paroi et ouvert vers le haut, la cavité de logement définie par ce module est donc ouverte vers le haut, et permet ainsi aisément les changements de volume du réactif solide placé dans cette cavité. La conception du module se révèle par conséquent tout à fait adaptée pour supporter les deux réactions chimiques / physiques réciproques. De préférence, lesdits canaux latéraux de distribution du gaz des modules empilés forment ensemble un distributeur vertical alimentant en gaz chacun des espaces définis entre les deux parois des doubles parois, et lesdits canaux latéraux de collecte du gaz des modules empilés forment ensemble un collecteur vertical collectant le gaz en provenance de chacune desdites cavités de logement. Le réacteur présente alors un aspect particulièrement compact. De préférence, le réacteur comporte des moyens d'amenée du gaz dans le réacteur, ainsi que des moyens d'évacuation du gaz en dehors du réacteur. Du fait de la fonction de caloporteur remplie par le gaz, celui-ci est amené et extrait par un circuit externe, et ne circule donc pas en circuit fermé au sein du réacteur. L'invention a aussi pour objet un procédé de réaction solide / gaz caloporteur mis en oeuvre à l'aide d'un réacteur tel que mentionné ci-dessus. Dans 6 ce procédé, des réactifs solides sont placés dans chacune desdites cavités de logement, et le gaz réacteur caloporteur est introduit dans le distributeur à l'aide desdits moyens d'amenée du gaz. De plus, après le passage de ce gaz à travers les solides réactifs, ledit gaz pénètre dans le collecteur du réacteur avant d'être évacué de ce dernier par lesdits moyens d'évacuation du gaz. De préférence, les réactifs solides sont des réactifs granulaires purs, non-structurés. Par réactif granulaire pur, on entend un réactif ne comportant pas d'agent structurant ni de catalyseur. Dans l'invention, l'utilisation de ces réactifs purs est autorisée du fait de l'architecture de la cavité du module, permettant ainsi d'accroître la densité énergétique du réacteur complet. Enfin, avec la présente invention, il est possible d'agencer des réactifs solides de natures différentes dans lesdites cavités de logement du réacteur. Alternativement, il est possible, au sein d'une même cavité, d'introduire un mélange de solides réactifs. En particulier, il est possible d'organiser la couche de solide réactif avec une première couche de solide réactif d'une première nature au contact de la surface du double fond, et une seconde couche agencée sur la première couche, d'un second solide réactif différent du premier. Par exemple, la première couche peut être constituée de réactifs purs, et la seconde couche de réactifs composites structurés. 7 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue en perspective d'un module de réacteur solide / gaz caloporteur selon une mode de réalisation préféré de la présente invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe du module de la figure précédente, prises respectivement selon les plans II et III ; - les figures 4a et 4b sont des exemples de diffuseurs équipant le module montré sur les figures précédentes ; - la figure 5 est une vue éclatée représentant les différentes tôles pliées constitutives du module ; - la figure 6 représente une vue éclatée en perspective d'un réacteur comprenant une pluralité de modules tel que celui montré sur les figures précédentes ; - la figure 7 est une autre vue en perspective d'une moitié du réacteur, découpé selon un 25 plan vertical médian ; - la figure 8 est une vue en coupe du réacteur de la figure précédente, prise selon le plan VIII ; et - la figure 9 est une vue similaire à celle 30 de la figure 7, avec le réacteur équipé des réactifs solides. 8 En référence aux figures 1 à 3, il est représenté un module pour réacteur solide / gaz caloporteur, selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
Ce module 1, de forme globale parallélépipédique, comporte tout d'abord une double paroi 2 formant un double fond du module. Les deux parois 2a, 2b sont parallèles, espacées l'une de l'autre de manière à définir entre celles-ci un espace libre 4. Les parois 2a, 2b, destinées à être agencées horizontalement lorsque le module se trouve au sein d'un réacteur, sont entourées par un cadre 6 suivant le contour du double fond 2. Il présente donc une forme carrée ou rectangulaire, et s'étend verticalement à partir du double fond 2. Plus précisément, trois des quatre murets du cadre 6 s'étendent à partir de la paroi inférieure 2b en épousant la paroi supérieure 2a, tandis que le quatrième muret ne s'étend qu'à partir de la paroi supérieure 2a. Ainsi, l'espace 4 défini par le double fond 2 est fermé au niveau de trois faces latérales, seule la quatrième face latérale restant ouverte de manière à définir une entrée 8 à travers laquelle du gaz peut pénétrer au sein de l'espace 4. De plus, le second muret opposé au quatrième muret mentionné ci-dessus et s'étendant à partir de la paroi supérieure 2a, présente une hauteur inférieure à celle des trois autres murets du cadre 6. Comme cela sera détaillé ci-après, cela permet de définir une sortie 11 à travers laquelle du gaz peut s'échapper de la cavité de logement 10, définie par le cadre 6 et le double fond 2. 9 Le module 1 comporte par ailleurs un canal latéral de distribution de gaz 12, défini en partie par ledit quatrième muret du cadre 6. Ce canal 12, de forme globalement rectangulaire, présente une longueur sensiblement identique à celle de ce quatrième muret. De même, le module comprend un canal latéral de collecte du gaz 14, défini en partie par ledit second muret du cadre 6. Ce canal 14, également de forme globalement rectangulaire, présente une longueur sensiblement identique à celle de ce second muret. Ces deux canaux 12, 14, entièrement traversants selon la direction verticale, sont donc agencés de manière opposée, de part et d'autre du double fond 2.
Le module de réacteur comprend aussi une pluralité de diffuseurs 20 agencés dans la cavité de logement 10, et faisant saillie verticalement à partir de la paroi supérieure 2a du double fond. A titre d'exemple indicatif, ces diffuseurs 20 peuvent être fixés dans des orifices 22 pratiqués à travers la paroi supérieure 2a, comme cela est visible sur les figures 2 et 3. Un joint d'étanchéité peut être prévu entre les orifices et les diffuseurs qu'ils reçoivent. Alternativement, une soudure ou une brasure peuvent également être envisagées, assurant simultanément l'assemblage des diffuseurs 20. Néanmoins, lorsque la solution à joint d'étanchéité est retenue, la fixation des diffuseurs se réalise uniquement par leur ajustement serré dans leurs orifices respectifs 22.
Ici, les diffuseurs 20 prennent chacun la forme d'un plot cylindrique de section circulaire, dont 10 la paroi latérale cylindrique orientée verticalement constitue une portion de diffusion de gaz 24, et dont l'extrémité supérieure est obturée par une portion horizontale 26 de support de solide réacteur. Cette portion 26, en forme de disque horizontal, est en effet prévu pour supporter le réactif solide destiné à être logé dans la cavité 10, comme cela sera détaillé ci-après. La figure 4a montre un premier exemple de diffuseur 20 dont la paroi latérale cylindrique orientée verticalement, constituant la portion de diffusion de gaz 24, prend la forme d'un grillage autoporteur. Dans l'autre exemple montré sur la figure 4b, cette portion 24 est une toile métallique filtrante avec une structure porteuse métallique. Elle offre un excellent compromis entre la finesse de filtration et les pertes de charge. Néanmoins, d'autres conceptions de diffuseurs peuvent être retenues par l'homme du métier, sans sortir du cadre de l'invention. Dans tous les cas, ces diffuseurs sont ouverts à leur extrémité basse pour communiquer avec l'espace 4 défini par le double fond 2. Ces diffuseurs 20 sont répartis de manière uniforme, par exemple en lignes et colonnes, avec une densité de l'ordre de 75 à 150 points/m2. Le pas de filtration de ces diffuseurs est par exemple de l'ordre de 50 à 100 pm, tandis que leur diamètre est préférentiellement compris entre 5 et 40 mm. Par exemple, ils peuvent présenter une hauteur sensiblement identique. Cette hauteur peut être comprise entre 5 et 11 45 mm, avec une hauteur de réactif solide de l'ordre de 50 mm. Toujours pour ce qui concerne le dimensionnement, la hauteur de l'espace 4 du double fond 2 est de l'ordre de 5 à 30 mm. Cette dimension correspond donc également à la hauteur de l'entrée 8, et aussi préférentiellement à la hauteur de la sortie 11. Les deux parois 2a, 2b ont une épaisseur de l'ordre de 0,3 à 3 mm, et sont réalisées en acier inoxydable, par exemple en inox 316L, ou bien sont réalisées en polymère thermoformé. Les murets définissant le cadre 6 ainsi que le contour extérieur des canaux 12, 14 peuvent également être réalisés dans ces matériaux, en étant éventuellement équipés de raidisseurs, comme des nervures, pour améliorer la tenue mécanique du module. La longueur du module 1, dans le sens incluant les canaux 12, 14, peut être d'environ 1200 mm, pour une largeur de 800 mm et une hauteur de 60 à 120 mm permettant de recevoir un solide réactif de 50 mm de hauteur. La largeur des canaux 12, 14 est quant à elle de l'ordre de 40 mm, et leur longueur sensiblement identique à la largeur du module, comme cela a été évoqué ci-dessus. En référence à la figure 5, il est montré trois tôles pliées 50a, 50b, 50c permettant, lorsqu'elles sont assemblées, de constituer la structure du module 1, seuls les diffuseurs 20 devant ensuite être implantés sur la paroi supérieure 2a du double fond 2. 12 En référence à présent aux figures 6 à 9, il est représenté un réacteur 100 solide / gaz caloporteur, formé à l'aide d'une pluralité de modules 1 empilés les uns au-dessus des autre, selon la direction verticale. Il s'agit par exemple de quatre modules 1 empilés, recouverts par une pièce de fermeture 102 permettant l'arrivée et la sortie du gaz réacteur / caloporteur. Lorsque les modules 1 sont empilés, la cavité 10 de chaque module est fermée vers le haut par le double fond 2 du module directement supérieur. Les murets formant les cadres 6 des deux modules concernés ferment donc de façon étanche cette cavité 10, qui reste uniquement ouverte au niveau de la sortie de gaz 11 située entre les deux cadres 6. Chaque cavité 10 reçoit un réactif solide 104, par exemple parallélépipédique, de forme complémentaire de celle de sa cavité. Ce réactif 104, en forme de lit granulaire pur, repose sur les extrémités supérieures 26 des diffuseurs 20, et épouse chacun des quatre murets du cadre 6 délimitant la cavité 10. Le réactif peut également être pénétré par les diffuseurs 20, jusqu'à éventuellement être également porté en partie par la surface supérieure 2a du double fond 2.
En outre, les canaux de distribution de gaz 12 des modules empilés forment ensemble un distributeur de gaz vertical 112, alimenté en gaz par un orifice d'entrée 116 prévu sur la pièce de tête 102, ce même orifice 116 étant raccordé à des moyens 118 d'amenée du gaz dans le réacteur 100, appartenant à un circuit externe. Le distributeur 112 chemine donc 13 verticalement, de manière étanche, sur sensiblement toute la longueur du réacteur, en communiquant avec les entrée de gaz 8 donnant accès aux espaces 4 prévus dans les doubles fonds 2.
De manière analogue, les canaux de collecte de gaz 14 des modules empilés forment ensemble un collecteur de gaz vertical 114, prolongé vers le haut par un orifice de sortie 120 prévu sur la pièce de tête 102, ce même orifice 120 étant raccordé à des moyens 122 d'évacuation du gaz hors du réacteur 100, appartenant au circuit externe. Le collecteur 114 chemine donc verticalement, de manière étanche, sur sensiblement toute la longueur du réacteur, en communiquant avec les sorties de gaz 11.
En fonctionnement, les solides réactifs 104 sont donc agencés dans les cavités 10, avec une hauteur adaptée pour ne pas obturer les sorties de gaz 11. Ces solides, en forme de lits granulaires purs, peuvent être réalisés dans les matériaux suivants : Bromure de Strontium SrBr2, Métasilicate de sodium Na2SiO3, Alun d'ammonium NH4A1 (SO4) 2, Alun de potassium KAl (SO4) 2r ou tout autre solide réactif réputé favorable pour les réactions thermochimiques solide / gaz caloporteur. La valeur typique de la densité de ce solide réactif est de l'ordre de 70 kg/m2. A cet égard, il est noté que le réacteur peut être équipé de solides différents en fonction des étages, ou au sein d'un même étage. Ensuite, les moyens d'amenée du gaz 118 permettent l'introduction du gaz réacteur / caloporteur dans le réacteur, via l'orifice d'entrée 116 qui conduit ensuite ce gaz vers le distributeur 112. Celui- 14 ci alimente alors chacun des espaces 4 des doubles fonds 2, via les entrées de gaz 8. Le gaz pénètre ensuite à travers les diffuseurs 20, puis traverse les solides 104 grâce à la porosité des grains agglomérés.
C'est lors de ce passage à travers les solides que les réactions chimiques / physiques se produisent, en permettant au gaz, par exemple de l'air humide à pression atmosphérique, d'être réchauffé ou refroidi. Le gaz caloporteur sortant des solides 104 rejoint ensuite le collecteur 114 via les sorties 11, pour ensuite être évacué par les moyens 122, via l'orifice de sortie 120. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.20

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Module (1) pour réacteur solide / gaz caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de diffuseurs (22) présentant chacun une portion supérieure (26) de support du réactif solide (104), ainsi qu'une portion (24) de diffusion du gaz réacteur / caloporteur, située sous la portion supérieure de support.
  2. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en projection verticale sur un plan horizontal, ladite portion de support supérieure du solide (26) recouvre entièrement ladite portion de diffusion du gaz (24).
  3. 3. Module selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque diffuseur (20) prend la forme d'un plot cylindrique dont au moins une partie de la surface latérale constitue ladite portion de diffusion du gaz (24).
  4. 4. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une double paroi (2) entre lesquelles le gaz est destiné à circuler avant de pénétrer à travers lesdits diffuseurs (20), ces derniers faisant saillie vers le haut à partir de la paroi supérieure (2a) de ladite double paroi (2).30 16
  5. 5. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comprend un canal latéral de distribution du gaz (12), ainsi qu'un canal latéral de collecte du gaz (14).
  6. 6. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits diffuseurs (20) sont prévus avec une densité de 75 à 150 diffuseurs/m2.
  7. 7. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de trois tôles pliées et fixées entre elles, ainsi qu'à l'aide des diffuseurs (20).
  8. 8. Réacteur solide / gaz caloporteur (100) comprenant une pluralité de modules (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, empilés selon la direction verticale. 20
  9. 9. Réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux modules (1) quelconques et directement consécutifs de l'empilement définissent une cavité de logement (10) prévue pour recevoir un réactif 25 solide (104) destiné à être porté au moins partiellement par lesdits diffuseurs (20) agencés dans cette cavité.
  10. 10. Réacteur selon la revendication 9, 30 caractérisé en ce que lesdits canaux latéraux de distribution du gaz (12) des modules empilés forment 10 15 17 ensemble un distributeur vertical (112) alimentant en gaz chacun des espaces (4) définis entre les deux parois (2a, 2b) des doubles parois (2), et en ce que lesdits canaux latéraux de collecte du gaz (14) des modules empilés forment ensemble un collecteur vertical (114) collectant le gaz en provenance de chacune desdites cavités de logement (10).
  11. 11. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (118) d'amenée du gaz dans le réacteur, ainsi que des moyens (122) d'évacuation du gaz en dehors du réacteur.
  12. 12. Procédé de réaction solide / gaz caloporteur mis en oeuvre à l'aide d'un réacteur (100) selon la revendication 11 combinée à la revendication 10, caractérisé en ce que des réactifs solides (104) sont placés dans chacune desdites cavités de logement (10), en ce que le gaz réacteur caloporteur est introduit dans le distributeur (112) à l'aide desdits moyens d'amenée du gaz (118), et en ce qu'après le passage de ce gaz à travers les solides réactifs (104), ledit gaz pénètre dans le collecteur (114) du réacteur avant d'être évacué de ce dernier par lesdits moyens d'évacuation du gaz (122).
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les réactifs solides (104) sont 30 des réactifs granulaires purs, non-structurés.18
  14. 14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce que des réactifs solides (104) de natures différentes sont agencés dans lesdites cavités de logement (10) du réacteur.
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